Pense rápido, o que pesa mais, 1 kg de penas ou 1 kg de ferro? A resposta é que nenhum, porque os dois são 1 kg, e isso é meio óbvio. 1 kg é 1 kg independente da situação, certo?
Errado! Neste exemplo, você está certo de que a quantidade de massa em 1 kg de penas é 1 kg, e que essa é a mesma quantidade de massa em 1 kg de ferro. Você também estará certo ao pensar que se eu colocar o kg de penas e o kg de ferro em uma balança, ela vai ficar equilibrada.
Só que 1 quilo não é sempre 1 quilo. No exemplo anterior, a quantidade de massa de ferro e o peso que ele exerce na balança são duas coisas diferentes. E eu não estou falando nem só do fato de que balanças medem a força peso de um objeto, e não a quantidade de massa.
Eu estou me referindo a um dos fatos mais estranhos da física. Um mistério tão simples, mas tão profundo, que venceu Newton e Einstein. Sim, um problema tão difícil que os dois maiores físicos da história simplesmente desistiram de tentar resolver ele.
Esse é o problema da inércia e ele explica porque que ninguém sabe exatamente o que é um quilo e na verdade um quilo é ao mesmo tempo duas coisas. Ah, e se você quiser usar essas camisetas que eu uso nos vídeos você tem 15% de desconto por tempo limitado. É só clicar no link da descrição ou do comentário fixado.
Vamos nessa! Para entender Inércia, nós precisamos entender o que é massa. Massa é justamente a quantidade que o quilo representa.
E a forma correta de definir massa é através da segunda lei de Newton. A segunda lei de Newton é a famosa fórmula força é igual a massa vezes aceleração. Reorganizando a fórmula para algo mais útil, a aceleração que um corpo sofre é igual à força exercida dividida pela massa do objeto.
Então, quanto mais massa, menos aceleração para uma mesma força. Ou seja, se uma força causa uma aceleração de 2 m por segundo por segundo em um objeto de uma certa massa, essa mesma força vai causar metade da aceleração em um objeto com o dobro da massa, no caso, 1 m por segundo por segundo. E essa mesma força vai causar o dobro de aceleração em um objeto com metade do peso, no caso, 4 m por segundo por segundo.
Então, o que nós chamamos de massa é, na verdade, a propriedade que um corpo tem de resistir à alteração no movimento dele devido a uma força. E, sabendo disso, nós podemos definir uma unidade de massa como quilograma. É só nós escolhermos um objeto de referência e ver como ele reage a uma força conhecida.
E aí, nós podemos chamar essa referência de uma unidade de massa, e calcular a massa de outros objetos usando a força conhecida como referência. Se a mesma força causa mais aceleração, o objeto é mais leve do que a nossa referência. E se a mesma força causa menos aceleração, o objeto é mais pesado do que a nossa referência.
O problema é que é difícil criar uma força que pode ser replicada precisamente, tanto é que ninguém mede massa assim, todo mundo usa uma balança. Mas eu e você precisamos ter uma conversa séria sobre balanças. A princípio, o que uma balança mede não é a massa, e sim a força de atração com a qual o objeto que nós estamos medindo é atraído para o chão.
E na maior parte das situações, isso é igual à força gravitacional sobre os objetos. A força gravitacional aqui no nosso planeta é igual à constante gravitacional, a massa do objeto, vezes a massa da Terra, dividido pelo raio da Terra ao quadrado. É possível transformar os termos da massa da Terra, o raio e a constante gravitacional, em uma única constante, que é a constante de aceleração gravitacional na superfície da Terra, que é de aproximadamente 9,8 m por segundo por segundo, que nós vamos arredondar para 10 no resto do vídeo.
Com essa simplificação, a força da gravidade é simplesmente a massa de um objeto vezes a aceleração da gravidade. Essa é a chamada força peso, massa vezes gravidade. Se um objeto pesa 1 kg, a força peso dele é de 10 N.
Se ele pesa 50 kg, a força peso é de 500 N. Quando você coloca uma balança embaixo de um objeto, a balança resiste à força peso do objeto, que está diretamente relacionada à massa dele. Então, quando a balança mede a força peso do objeto, ela consegue também determinar a massa.
Até aqui parece tudo normal, mas não é. E eu vou explicar o porquê. A força da gravidade está intimamente relacionada com a massa dos objetos envolvidos.
Só que massa é a capacidade de resistir ao movimento. Então, por que motivo que é a capacidade de resistir ao movimento que determina a força da gravidade? Por exemplo, uma outra força que se comporta quase igual à gravidade é a força elétrica.
E a fórmula é exatamente a mesma, só que com os nomes mudados. Constante da força elétrica vezes a carga de um objeto, vezes a carga do outro, dividido pela distância ao quadrado. É basicamente a mesma forma da gravidade.
A única grande diferença é que o que determina a intensidade da força são as cargas elétricas. A força elétrica não tem nada a ver com a massa dos objetos. Da mesma forma, a força da gravidade deveria depender de uma carga de gravidade, uma propriedade física que determina a atração entre corpos, da mesma forma que cargas elétricas.
E, por alguma razão, a carga de gravidade é exatamente a massa inercial, como definida pela lei de Newton. A massa da força da gravidade e a massa da resistência ao movimento são a mesma coisa. E não existe uma boa explicação do porquê.
Se eu dissesse para qualquer físico que a força elétrica depende da massa do objeto, eles iam me achar maluco. Mas a força da gravidade depende da massa. Isso é muito, mas muito estranho.
E ninguém sabe explicar por que é assim. Essa é uma das formas do problema da inércia. Por que a carga de gravidade é a massa inercial dos objetos?
E é agora que eu te pergunto, o que realmente é um quilo? Seria um quilo a capacidade de um corpo a resistir a forças, ou seria um quilo a carga de gravidade de um corpo? A resposta é sim, para as duas coisas.
Mas essa é uma resposta muito desagradável sem explicação do porquê elas serem a mesma coisa. Então o que os cientistas falam quando eles se referem ao quilo? Bom, eles estão se referindo à definição oficial de quilo, baseado em medidas de referência.
Nós não temos uma definição física fundamental da origem da massa que explica tanto a inércia quanto a gravidade, mas nós temos um mundo cheio de matéria com massa ao nosso redor e nós podemos usar o próprio mundo material de referência. Até 2019, um quilo era definido por um cilindro metálico feito de uma liga em platina e irídio criado em 1889. E esse cilindro era conhecido como Le Grand K.
E ele era literalmente o que definia um quilo. Se você colocasse esse objeto numa balança e a balança mostrasse 1,05 kg, é a sua balança que está errada por 0,05 kg, porque o cilindro sempre tinha 1 kg. Inclusive, esse cilindro metálico perdeu aproximadamente 50 microgramas de massa entre a sua criação em 1889 e 2019.
O que significa que a própria definição de quilo ficou ligeiramente mais leve no último século. Sim, o próprio significado de quilo variava com a referência. O que é um problema?
Pode até ser que a balança da farmácia não precise dessa precisão extrema, mas experimentos de ponta estão chegando a precisar de uma definição bem mais precisa de massa, muito mais precisa do que um bloco de matéria consegue dar. E por isso, em 2019, uma nova definição de quilo foi criada, não usando matéria como referência, mas energia. Uma esfera basicamente perfeita de silício foi criada, e essa esfera seria a base para o novo quilo.
A esfera foi pesada contra uma balança eletromagnética de precisão extrema chamada Kibble. A energia elétrica necessária para equilibrar a balança foi medida com 15 casas decimais de precisão. E então, essa medida foi usada para criar uma definição de quilo com base em constantes fundamentais da natureza.
Atualmente, 1 quilo, por definição, é aproximadamente 1,475 vezes a constante de Planck da física quântica, vezes a frequência de oscilação do átomo de Césio, que define o segundo atômico, vezes 10⁴⁰, dividido pela velocidade da luz ao quadrado. Só que ninguém jamais vai olhar para essa fórmula e pensar, nossa, olha, 1 kg. Essa redefinição serve para garantir que a precisão de medidas de massa em experimentos continue aumentando.
E quem sabe algum experimento futuro use essa nova precisão na definição do quilo para encontrar evidências que ajudem no problema da inércia. Porque honestamente, a gente precisa de ajuda. E a história de Newton é um exemplo perfeito disso.
O conceito de inércia e massa está duplamente amarrado com Isaac Newton. É a segunda lei de Newton que define a massa como inércia, e é a sua lei da gravidade que define massa como carga gravitacional. Então, como que Isaac Newton explica essa coincidência?
É. . .
Ele não explica. Na verdade, se você perguntasse para ele ao vivo, ele talvez tentasse bater em você. Newton deixou extremamente claro que ele não sabia explicar por que a sua fórmula da gravidade dava certo.
Ele sabia que dava. O primeiro programador, não sei o que está rodando, mas está. Tanto é que Newton eventualmente inventou respostas só para pararem de perguntar.
Foi em parte por isso que ele disse que a força da gravidade é instantânea. Não é porque ele tinha certeza que era, mas porque na prática era, e continuavam mandando cartas para ele sobre isso. Newton estava interessado em um outro problema.
Por que a velocidade é relativa, mas a aceleração não é? Se você está parado na calçada, a velocidade de um poste é de 0 km por hora, mas para alguém em um carro, o poste se move a 40 km por hora. Inclusive, isso me lembra de uma piada.
Duas pessoas estavam viajando de trem, aí uma olha para fora e fala, nossa, como esses postes estão passando rápido, né? E aí outra responde, nossa, verdade, da próxima vez nós vamos de poste. A velocidade observada depende da velocidade do observador.
Velocidade é um conceito relativo. Mas tanto para você quanto para o carro, a aceleração do poste é zero. E a aceleração da gravidade é 10 m por segundo por segundo, tanto dentro quanto fora do carro.
A aceleração não é relativa, a aceleração é absoluta. Newton até deu uma resposta para esse incômodo, mas essa resposta era mais baseada nas suas preferências religiosas do que em ciência. O que é curioso é que esse incômodo de Newton com velocidade e aceleração é também uma forma do problema da inércia.
Para explicar por que a aceleração é absoluta enquanto a velocidade é relativa, você provavelmente vai ter que conectar a massa inicial e gravitacional no processo. Ou, por outro lado, explicar a origem da inércia através da gravidade resolveria o problema da inércia de Newton. Inclusive, Newton chegou muito perto dessa equivalência entre esses dois problemas.
Ele bolou um experimento mental que quase conecta a massa inercial e massa gravitacional, partindo do seu incômodo com a velocidade relativa. O experimento é o seguinte. Vamos imaginar que você tem um balde com água suspensa em uma corda.
E aí você gira o balde. A água dentro do balde vai começar a girar em relação ao mundo externo. E esse movimento da água vai fazer ela assumir uma forma côncava, tipo aquele redemoinho que dá no copo quando você mexe com uma colher.
Esse é o cenário 1. Existe um movimento relativo da água em relação ao resto do mundo. E a água forma esse redemoinho no centro.
Agora vamos imaginar um segundo cenário meio absurdo. Vamos imaginar que ao invés de girar o balde, nós giramos o resto do universo em torno do balde. Agora o movimento relativo entre a água do balde e o resto do mundo nesse cenário é exatamente o mesmo.
Será que nesse cenário também aparece um redemoinho de água dentro do balde? Para Newton era óbvio que não! Isso seria um absurdo!
A gente nem mexeu no balde! A gente só mexeu no universo inteiro! Ou seja, o movimento relativo não é o suficiente para explicar o movimento dos corpos.
Nós precisamos de algum tipo de movimento verdadeiro, que só acontece no primeiro cenário. Afinal, girar o universo não vai fazer a água do balde começar a girar magicamente. Ou será que vai?
O experimento do balde de Newton não alugou um triplex só na cabeça do Newton, mas também na cabeça de Albert Einstein séculos depois. Chegou no ponto em que o problema da inércia era uma grande motivação para o jovem Einstein. Foi justamente tentando conectar a origem da massa inercial e gravitacional que Einstein começou a trabalhar na relatividade geral, a sua própria versão de uma teoria da gravidade.
O sonho de Einstein era criar uma teoria da gravidade na qual a gravidade dá origem à inércia, ou seja, a existência de matéria dá origem ao espaço-tempo, e a resistência que corpos massivos têm ao movimento dá origem à inércia. Nessa teoria, massa inercial e massa gravitacional são a mesma coisa por construção e não por coincidência. Inclusive, na versão ideal da teoria de Einstein, o cenário 1 e o cenário 2 do experimento do balde são, sim, idênticos.
Girar um balde gera um redemoinho no centro do balde. E girar o universo ao redor do balde enquanto ele fica parado também deve gerar o mesmo redemoinho. Nessa teoria, até a massa inicial dos objetos é relativa.
Então, mover algo ou mover o resto do universo em torno desse algo tem que ser equivalente. Uma equivalência completa que deve valer para todas as formas de movimento, tanto velocidade quanto aceleração. Essa é a gravidade ideal de Einstein.
Um mundo completamente relativo, onde até a massa é relativa à matéria no resto do universo. A relatividade geral de Einstein não é essa teoria. Einstein não conseguiu moldar a Relatividade Geral de acordo com suas ideias filosóficas.
Inclusive, ele foi forçado a assumir que massa inicial e gravitacional eram a mesma coisa como um ponto de partida. O sonho dele era explicar esse fato, mas nem mesmo Albert Einstein conseguiu. E essa falha até afetou as crenças pessoais dele.
Ele abandonou esse projeto por passar a discordar dele mais tarde na sua vida. A verdade é que até hoje ninguém sabe o que vai acontecer com um balde de água se a gente girar o universo ao redor dele. E para piorar, se a gente realmente quiser saber o que é um quilo, nós vamos precisar descobrir.
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