2.4: O nascimento da astronomia moderna
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objetivos de aprendizagem
Ao final da seção, você poderá:
- Explique como Copernicus desenvolveu o modelo heliocêntrico do sistema solar
- Explique o modelo copernicano de movimento planetário e descreva evidências ou argumentos a favor dele
- Descreva as descobertas de Galileu sobre o estudo do movimento e das forças
- Explique como as descobertas de Galileu inclinaram a balança de evidências em favor do modelo copernicano
A astronomia não fez grandes avanços na Europa medieval devastada por conflitos. O nascimento e a expansão do Islã após o século VII levaram ao florescimento das culturas árabe e judaica que preservaram, traduziram e se somaram a muitas das ideias astronômicas dos gregos. Muitos dos nomes das estrelas mais brilhantes, por exemplo, são hoje retirados do árabe, assim como termos astronômicos como “zênite”.
Quando a cultura europeia começou a emergir de sua longa e sombria era, o comércio com países árabes levou a uma redescoberta de textos antigos, como Almagesto, e a um despertar novamente do interesse por questões astronômicas. Essa época de renascimento (em francês, “renascimento”) na astronomia foi incorporada na obra de Copérnico (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Copérnico
Um dos eventos mais importantes do Renascimento foi o deslocamento da Terra do centro do universo, uma revolução intelectual iniciada por um clérigo polonês no século XVI. Nicolaus Copernicus nasceu em Torun, uma cidade mercantil ao longo do rio Vístula. Sua formação foi em direito e medicina, mas seus principais interesses eram astronomia e matemática. Sua grande contribuição para a ciência foi uma reavaliação crítica das teorias existentes do movimento planetário e o desenvolvimento de um novo modelo do sistema solar centrado no Sol, ou heliocêntrico. Copérnico concluiu que a Terra é um planeta e que todos os planetas circundam o Sol. Somente a Lua orbita a Terra (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Copérnico descreveu suas ideias em detalhes em seu livro De Revolutionibus Orbium Coelestium (Sobre a Revolução dos Orbes Celestiais), publicado em 1543, ano de sua morte. Nessa época, o antigo sistema ptolomaico precisava de ajustes significativos para prever corretamente as posições dos planetas. Copérnico queria desenvolver uma teoria aprimorada para calcular as posições planetárias, mas ao fazer isso, ele próprio não estava livre de todos os preconceitos tradicionais.
Ele começou com várias suposições que eram comuns em sua época, como a ideia de que os movimentos dos corpos celestes deveriam ser compostos de combinações de movimentos circulares uniformes. Mas ele não presumiu (como a maioria das pessoas) que a Terra deveria estar no centro do universo e apresentou uma defesa do sistema heliocêntrico elegante e persuasiva. Suas ideias, embora não sejam amplamente aceitas até mais de um século após sua morte, foram muito discutidas entre estudiosos e, em última análise, tiveram uma profunda influência no curso da história mundial.
Uma das objeções levantadas à teoria heliocêntrica era que, se a Terra estivesse se movendo, todos nós sentiríamos ou sentiríamos esse movimento. Objetos sólidos seriam arrancados da superfície, uma bola lançada de uma grande altura não atingiria o solo diretamente abaixo dela, e assim por diante. Mas uma pessoa em movimento não está necessariamente ciente desse movimento. Todos nós já vimos um trem, ônibus ou navio adjacente parecer se mover, apenas para descobrir que somos nós que estamos nos movendo.
Copérnico argumentou que o movimento aparente do Sol em torno da Terra ao longo de um ano poderia ser representado igualmente bem por um movimento da Terra em torno do Sol. Ele também argumentou que a rotação aparente da esfera celeste poderia ser explicada assumindo que a Terra gira enquanto a esfera celeste está estacionária. À objeção de que, se a Terra girasse em torno de um eixo, ela voaria em pedaços, Copérnico respondeu que, se tal movimento separasse a Terra, o movimento ainda mais rápido da esfera celeste muito maior exigida pela hipótese geocêntrica seria ainda mais devastador.
O modelo heliocêntrico
A ideia mais importante no De Revolutionibus de Copérnico é que a Terra é um dos seis planetas (então conhecidos) que giram em torno do Sol. Usando esse conceito, ele conseguiu descobrir o quadro geral correto do sistema solar. Ele colocou os planetas, começando mais próximos do Sol, na ordem correta: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter e Saturno. Além disso, ele deduziu que quanto mais próximo um planeta estiver do Sol, maior será sua velocidade orbital. Com sua teoria, ele foi capaz de explicar os complexos movimentos retrógrados dos planetas sem epiciclos e calcular uma escala aproximadamente correta para o sistema solar.
Copérnico não conseguiu provar que a Terra gira em torno do Sol. De fato, com alguns ajustes, o antigo sistema ptolomaico também poderia ter explicado os movimentos dos planetas no céu. Mas Copérnico ressaltou que a cosmologia ptolomaica era desajeitada e carecia da beleza e simetria de sua sucessora.
Na época de Copérnico, na verdade, poucas pessoas achavam que havia maneiras de provar se o sistema heliocêntrico ou o sistema geocêntrico mais antigo estavam corretos. Uma longa tradição filosófica, que remonta aos gregos e defendida pela Igreja Católica, sustentava que o pensamento humano puro combinado com a revelação divina representava o caminho para a verdade. A natureza, conforme revelada por nossos sentidos, era suspeita. Por exemplo, Aristóteles argumentou que objetos mais pesados (com mais da qualidade que os tornava pesados) deveriam cair na Terra mais rápido do que objetos mais leves. Isso é absolutamente incorreto, como mostra qualquer experimento simples que derruba duas bolas de pesos diferentes. No entanto, na época de Copérnico, os experimentos não tinham muito peso (se você perdoar a expressão); o raciocínio de Aristóteles era mais convincente.
Nesse ambiente, havia pouca motivação para realizar observações ou experimentos para distinguir entre teorias cosmológicas concorrentes (ou qualquer outra coisa). Não deve nos surpreender, portanto, que a ideia heliocêntrica tenha sido debatida por mais de meio século sem que nenhum teste tenha sido aplicado para determinar sua validade. (Na verdade, nas colônias norte-americanas, o sistema geocêntrico mais antigo ainda era ensinado na Universidade de Harvard nos primeiros anos após sua fundação em 1636.)
Compare isso com a situação atual, quando os cientistas correm para testar cada nova hipótese e não aceitam nenhuma ideia até que os resultados cheguem. Por exemplo, quando dois pesquisadores da Universidade de Utah anunciaram em 1989 que haviam descoberto uma maneira de alcançar a fusão nuclear (o processo que alimenta as estrelas) em temperatura ambiente, outros cientistas em mais de 25 laboratórios nos Estados Unidos tentaram duplicar a “fusão a frio” em poucos semanas — sem sucesso, como se viu. A teoria da fusão a frio logo caiu em chamas.
Como veríamos o modelo de Copérnico hoje? Quando uma nova hipótese ou teoria é proposta na ciência, ela deve primeiro ser verificada quanto à consistência com o que já é conhecido. A ideia heliocêntrica de Copérnico passa nesse teste, pois permite que as posições planetárias sejam calculadas pelo menos tão bem quanto a teoria geocêntrica. A próxima etapa é determinar quais previsões a nova hipótese faz que diferem das de ideias concorrentes. No caso de Copérnico, um exemplo é a previsão de que, se Vênus circunda o Sol, o planeta deve passar por toda a faixa de fases, assim como a Lua, enquanto que se circunda a Terra, não deveria (Figura\(\PageIndex{3}\)). Além disso, não devemos ser capazes de ver toda a fase de Vênus a partir da Terra porque o Sol estaria então entre Vênus e a Terra. Mas naquela época, antes do telescópio, ninguém imaginava testar essas previsões.
Esta animação mostra as fases de Vênus. Você também pode ver sua distância da Terra enquanto ela orbita o Sol.
Galileu e o início da ciência moderna
Muitos dos conceitos científicos modernos de observação, experimentação e teste de hipóteses por meio de medições quantitativas cuidadosas foram criados por um homem que viveu quase um século depois de Copérnico. Galileo Galilei (Figura\(\PageIndex{4}\)), contemporâneo de Shakespeare, nasceu em Pisa. Como Copérnico, ele começou a treinar para uma carreira médica, mas tinha pouco interesse no assunto e depois passou para a matemática. Ele ocupou cargos docentes na Universidade de Pisa e na Universidade de Pádua, e acabou se tornando matemático do Grão-Duque da Toscana em Florença.
As maiores contribuições de Galileu foram no campo da mecânica, no estudo do movimento e nas ações das forças nos corpos. Era familiar para todas as pessoas na época, como é para nós agora, que se algo está em repouso, tende a permanecer em repouso e requer alguma influência externa para iniciá-lo em movimento. Portanto, o descanso era geralmente considerado como o estado natural da matéria. Galileu mostrou, no entanto, que o descanso não é mais natural do que o movimento.
Se um objeto é deslizado ao longo de um piso horizontal áspero, ele logo fica em repouso porque o atrito entre ele e o piso atua como uma força retardadora. No entanto, se o piso e o objeto forem altamente polidos, o objeto, dada a mesma velocidade inicial, deslizará mais longe antes de parar. Em uma camada lisa de gelo, ele deslizará ainda mais longe. Galileu argumentou que, se todos os efeitos de resistência pudessem ser removidos, o objeto continuaria em um estado de movimento estável indefinidamente. Ele argumentou que uma força é necessária não apenas para fazer com que um objeto se mova do repouso, mas também para desacelerar, parar, acelerar ou mudar a direção de um objeto em movimento. Você apreciará isso se já tentou parar um carro rolando encostado nele ou um barco em movimento puxando uma linha.
Galileu também estudou a forma como os objetos aceleram — alteram sua velocidade ou direção de movimento. Galileu observou objetos enquanto eles caíam livremente ou caíam por uma rampa. Ele descobriu que esses objetos aceleram uniformemente; ou seja, em intervalos iguais de tempo, eles ganham incrementos iguais de velocidade. Galileu formulou essas leis recém-descobertas em termos matemáticos precisos que permitiram que futuros experimentadores previssem até onde e com que rapidez os objetos se moveriam em vários períodos de tempo.
Confirmação
Em teoria, se Galileu estiver certo, uma pena e um martelo, lançados ao mesmo tempo de uma altura, devem pousar no mesmo momento. Na Terra, esse experimento não é possível porque a resistência do ar e os movimentos do ar fazem a pena tremer, em vez de cair diretamente, acelerada apenas pela força da gravidade. Por gerações, professores de física disseram que o lugar para experimentar esse experimento é em algum lugar onde não há ar, como a Lua. Em 1971, David Scott, astronauta da Apollo 15, levou um martelo e uma pena à Lua e os experimentou, para deleite dos nerds da física de todos os lugares. A NASA fornece o vídeo do martelo e da pena, bem como uma breve explicação
Figura do vídeo\(\PageIndex{1}\): Hammer versus Feather on the Moon Crédito da imagem: Apollo 15 Crew, NASA
Em algum momento da década de 1590, Galileu adotou a hipótese copernicana de um sistema solar heliocêntrico. Na Itália católica romana, essa não era uma filosofia popular, pois as autoridades da Igreja ainda defendiam as ideias de Aristóteles e Ptolomeu, e tinham fortes razões políticas e econômicas para insistir que a Terra era o centro da criação. Galileu não apenas desafiou esse pensamento, mas também teve a audácia de escrever em italiano, em vez de latim acadêmico, e de dar palestras publicamente sobre esses tópicos. Para ele, não havia contradição entre a autoridade da Igreja em questões de religião e moralidade e a autoridade da natureza (revelada por experimentos) em questões científicas. Foi principalmente por causa de Galileu e suas opiniões “perigosas” que, em 1616, a Igreja emitiu um decreto de proibição afirmando que a doutrina copernicana era “falsa e absurda” e não deveria ser mantida ou defendida.
Observações astronômicas de Galileu
Não é certo quem primeiro concebeu a ideia de combinar duas ou mais peças de vidro para produzir um instrumento que ampliasse imagens de objetos distantes, fazendo-os parecer mais próximos. As primeiras “lunetas” desse tipo (agora chamadas de telescópios) que atraíram muita atenção foram feitas em 1608 pelo fabricante holandês de óculos Hans Lippershey (1570-1619). Galileu ouviu falar da descoberta e, sem nunca ter visto um telescópio montado, construiu seu próprio com uma ampliação de três potências (3×), o que fez objetos distantes parecerem três vezes mais próximos e maiores (Figura\(\PageIndex{5}\)).
Em 25 de agosto de 1609, Galileu demonstrou um telescópio com uma ampliação de 9× para funcionários do governo da cidade-estado de Veneza. Com uma ampliação de 9×, queremos dizer que as dimensões lineares dos objetos vistos pareciam nove vezes maiores ou, alternativamente, os objetos pareciam nove vezes mais próximos do que realmente eram. Havia vantagens militares óbvias associadas a um dispositivo para ver objetos distantes. Por sua invenção, o salário de Galileu quase dobrou e ele recebeu um mandato vitalício como professor. (Seus colegas universitários ficaram indignados, principalmente porque a invenção nem era original.)
Outros usaram o telescópio antes de Galileu para observar coisas na Terra. Mas em um piscar de olhos que mudou a história da astronomia, Galileu percebeu que ele poderia direcionar o poder do telescópio para o céu. Antes de usar seu telescópio para observações astronômicas, Galileu teve que criar uma montagem estável e melhorar a ótica. Ele aumentou a ampliação para 30×. Galileu também precisava adquirir confiança no telescópio.
Naquela época, acreditava-se que os olhos humanos eram o árbitro final da verdade sobre tamanho, forma e cor. Sabe-se que lentes, espelhos e prismas distorcem imagens distantes ampliando-as, reduzindo-as ou invertendo-as, ou espalhando a luz em um espectro (arco-íris de cores). Galileu empreendeu repetidos experimentos para se convencer de que o que ele viu através do telescópio era idêntico ao que ele viu de perto. Só então ele pôde começar a acreditar que os fenômenos milagrosos que o telescópio revelou nos céus eram reais.
Começando seu trabalho astronômico no final de 1609, Galileu descobriu que muitas estrelas muito fracas para serem vistas a olho nu se tornaram visíveis com seu telescópio. Em particular, ele descobriu que alguns borrões nebulosos se transformavam em muitas estrelas e que a Via Láctea — a faixa de brancura no céu noturno — também era formada por uma infinidade de estrelas individuais.
Examinando os planetas, Galileu encontrou quatro luas girando em torno de Júpiter em tempos que variam de pouco menos de 2 dias a cerca de 17 dias. Essa descoberta foi particularmente importante porque mostrou que nem tudo precisa girar em torno da Terra. Além disso, demonstrou que pode haver centros de movimento que estão em movimento. Os defensores da visão geocêntrica argumentaram que, se a Terra estivesse em movimento, a Lua seria deixada para trás porque dificilmente conseguiria acompanhar um planeta em movimento rápido. No entanto, aqui estavam as luas de Júpiter fazendo exatamente isso. (Para reconhecer essa descoberta e homenagear seu trabalho, a NASA nomeou uma espaçonave que explorou o sistema de Júpiter de Galileo.)
Com seu telescópio, Galileu conseguiu realizar o teste da teoria copernicana mencionada anteriormente, com base nas fases de Vênus. Em poucos meses, ele descobriu que Vênus passa por fases como a Lua, mostrando que ela deve girar em torno do Sol, para que possamos ver diferentes partes de seu lado diurno em horários diferentes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Essas observações não puderam ser conciliadas com o modelo de Ptolomeu, no qual Vênus circulava pela Terra. No modelo de Ptolomeu, Vênus também podia mostrar fases, mas eram as fases erradas na ordem errada do que Galileu observou.
Galileu também observou a Lua e viu crateras, cordilheiras, vales e áreas planas e escuras que ele pensava serem água. Essas descobertas mostraram que a Lua pode não ser tão diferente da Terra, sugerindo que a Terra também poderia pertencer ao reino dos corpos celestes.
Para obter mais informações sobre a vida e obra de Galileo, consulte o Projeto Galileo na Rice University.
Após o trabalho de Galileu, tornou-se cada vez mais difícil negar a visão copernicana, e a Terra foi lentamente destronada de sua posição central no universo e recebeu seu devido lugar como um dos planetas que frequentavam o Sol. Inicialmente, porém, Galileu enfrentou uma grande oposição. A Igreja Católica Romana, ainda se recuperando da Reforma Protestante, estava procurando afirmar sua autoridade e escolheu fazer de Galileu um exemplo. Ele teve que comparecer perante a Inquisição para responder às acusações de que seu trabalho era herético e, finalmente, foi condenado à prisão domiciliar. Seus livros estavam na lista de proibidos da Igreja até 1836, embora em países onde a Igreja Católica Romana tinha menos influência, eles foram amplamente lidos e discutidos. Somente em 1992 a Igreja Católica admitiu publicamente que havia errado ao censurar as ideias de Galileu.
As novas ideias de Copérnico e Galileu iniciaram uma revolução em nossa concepção do cosmos. Eventualmente, ficou evidente que o universo é um lugar vasto e que o papel da Terra nele é relativamente sem importância. A ideia de que a Terra se move ao redor do Sol como os outros planetas levantou a possibilidade de que eles mesmos sejam mundos, talvez até mesmo sustentando a vida. Assim como a Terra foi rebaixada de sua posição no centro do universo, o mesmo aconteceu com a humanidade. O universo, apesar do que desejamos, não gira em torno de nós.
A maioria de nós considera essas coisas garantidas hoje, mas há quatro séculos esses conceitos eram assustadores e heréticos para alguns, imensamente estimulantes para outros. Os pioneiros do Renascimento iniciaram o mundo europeu no caminho da ciência e tecnologia que ainda percorremos hoje. Para eles, a natureza era racional e, em última análise, conhecível, e experimentos e observações forneciam os meios para revelar seus segredos.
OBSERVANDO OS PLANETAS
No máximo, a qualquer hora da noite e em qualquer estação do ano, você pode ver um ou mais planetas brilhantes no céu. Todos os cinco planetas conhecidos pelos antigos - Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno - são mais proeminentes do que qualquer outro, exceto as estrelas mais brilhantes, e podem ser vistos até mesmo de locais urbanos, se você souber onde e quando olhar. Uma forma de diferenciar planetas de estrelas brilhantes é que os planetas cintilam menos.
Vênus, que fica perto do Sol do nosso ponto de vista, aparece como uma “estrela vespertina” no oeste após o pôr do sol ou como uma “estrela da manhã” no leste antes do nascer do sol. É o objeto mais brilhante no céu depois do Sol e da Lua. Ela supera em muito qualquer estrela real e, nas circunstâncias mais favoráveis, pode até mesmo projetar uma sombra visível. Alguns jovens recrutas militares tentaram derrubar Vênus como uma nave inimiga ou OVNI que se aproximava.
Marte, com sua cor vermelha distinta, pode ser quase tão brilhante quanto Vênus quando está perto da Terra, mas normalmente permanece muito menos visível. Júpiter é, na maioria das vezes, o segundo planeta mais brilhante, aproximadamente igualando em brilho as estrelas mais brilhantes. Saturno é mais escuro e varia consideravelmente em brilho, dependendo se seus anéis grandes são vistos quase na borda (fracos) ou mais amplamente abertos (brilhantes).
Mercúrio é muito brilhante, mas poucas pessoas o notam porque ele nunca se move muito longe do Sol (nunca está a mais de 28° de distância no céu) e é sempre visto contra o céu crepuscular.
Fiéis ao seu nome, os planetas “vagam” contra o fundo das estrelas “fixas”. Embora seus movimentos aparentes sejam complexos, eles refletem uma ordem subjacente na qual o modelo heliocêntrico do sistema solar, conforme descrito neste capítulo, foi baseado. As posições dos planetas são frequentemente listadas em jornais (às vezes na página meteorológica), e mapas e guias claros de suas localizações podem ser encontrados todos os meses em revistas como Sky & Telescope e Astronomy (disponíveis na maioria das bibliotecas e on-line). Há também vários programas de computador e aplicativos para telefones e tablets que permitem exibir onde os planetas estão em qualquer noite.
Resumo
Nicolaus Copernicus introduziu a cosmologia heliocêntrica na Europa renascentista em seu livro De Revolutionibus. Embora tenha mantido a ideia aristotélica de movimento circular uniforme, Copérnico sugeriu que a Terra é um planeta e que todos os planetas circulam em torno do Sol, destronando a Terra de sua posição no centro do universo. Galileu foi o pai da física experimental moderna e da astronomia telescópica. Ele estudou a aceleração de objetos em movimento e, em 1610, iniciou observações telescópicas, descobrindo a natureza da Via Láctea, as características em grande escala da Lua, as fases de Vênus e quatro luas de Júpiter. Embora tenha sido acusado de heresia por seu apoio à cosmologia heliocêntrica, Galileu é creditado com observações e escritos brilhantes que convenceram a maioria de seus contemporâneos científicos da realidade da teoria copernicana.
Glossário
- acelerar
- para mudar a velocidade; para acelerar, diminuir a velocidade ou mudar de direção.
- heliocêntrico
- centrado no Sol
- Texto de Hammer and Fellow da NASA