Einstein não ganhou Nobel pela Relatividade. Foi pelo efeito fotoelétrico

Janeiro de 2001. O alienígena Jairo, expedicionário da lua joviana de Titã, acaba de desembarcar na distópica rodoviária do Tietê, em São Paulo (SP), com alguns reais em moedas. Seus superiores extraterrestres informaram que lá haveria um objeto de uso público chamado máquina de refrigerante, e que Jairo poderia inserir dinheiro brasileiro nela para obter um drink espumante feito de guaraná. Animado, Jairo pega um saquinho de moedas de um centavo e começa a colocá-las na engenhoca. Nada feito. Tenta com as de cinco; nada feito. Tenta com as dez; nada feito. Até que ele põe um real e bingo: surge uma lata no dispenser. A máquina, ainda por cima, cospe de volta as moedinhas menores que ele inseriu antes. Ficou só com a maior. Que troço peculiar. 

Einstein ganhou o Nobel de Física em 1921 não pelas suas célebres teorias da relatividade restrita e geral – consideradas ousadas demais pelos suecos –, mas por demonstrar que metais agem como a máquina de refrigerante de Jairo quando expostos à luz, uma conclusão que deu o pontapé inicial na física quântica. Agora você vai entender como, exatamente, essa metáfora maluca faz sentido. 

Em 1887, o físico alemão Heinrich Hertz (sim, o Hertz que deu nome à unidade de medida) percebeu que, quando certos metais são iluminados, eles geram uma corrente elétrica, ou seja: emitem uma fila indiana de partículas chamadas elétrons, que correm por um fio em uma só direção. Apague a luz e os elétrons param de correr, simples assim. Hertz batizou o fenômeno de “efeito fotoelétrico” – “foto” vem de phos, que é “luz” em grego; “elétrico” é autoexplicativo. Esse é o truque dos postes da rua para acender automaticamente quando anoitece: um sensor indica que o Sol foi embora porque não há nenhuma luz ambiente gerando corrente elétrica.

Hertz sabia que a luz estava injetando energia no metal até fazer os elétrons pularem como pipocas. Mas observou algo inexplicável: certas cores não eram capazes de gerar corrente elétrica. Por exemplo: a luz vermelha não conseguia extrair um único, mísero elétron da superfície iluminada. Já a luz violeta, mesmo que muito tênue, sempre fazia o experimento dar certo. Hertz sabia que a luz violeta é mais energética que a vermelha porque seu comprimento de onda é menor. Mas isso não deveria fazer diferença, pois é fácil compensar esse déficit aumentando o brilho da luz vermelha (do mesmo jeito que você aumenta o brilho da tela do celular para enxergá-la ao ar livre em dias ensolarados). 

Em 1905, Einstein matou a charada de Hertz. Ele partiu da ideia de que a luz era feita de pacotinhos de energia, e não de ondas. Essas partículas de luz, batizadas de fótons, carregam cada uma quantidade de energia fixa, e são indivisíveis. As cores de menor energia, tipo o vermelho, são formadas por fótons de pouca energia. Como moedas de um centavo. Já as cores de maior energia, tipo o violeta, são formadas por fótons de muita energia. Como moedas de um real. 

Quando Hertz acendeu o vermelho, ele fez o equivalente a tentar comprar um refrigerante com moedas de um centavo. Ao aumentar o brilho, Hertz aumentava a quantidade de fótons emitidos, mas não a energia de cada fóton individualmente. Ou seja, aumentava a quantidade de moedas, mas não o valor das moedas. Cada elétron acabava ficando com um ou dois fótons de um centavo. Isso não põe ninguém para correr. Já a luz violeta tem valiosos fótons de um real. Mesmo que ela esteja muito fraca – isto é, que poucos fótons sejam emitidos pela fonte –, o elétron sortudo que pegar esse gordo real de energia se libertará automaticamente.

Parece uma observação trivial, mas foi uma revolução filosófica: Einstein comprovou que, em pequena escala, o Universo não é um degradê. Está mais para uma escada com degraus. Ou você emite um fóton, ou emite dois. Não existe um fóton e meio. A quantidade de energia por fóton é fixa, e os fótons são indivisíveis. Quantum, em latim, significa exatamente o que você está pensando: “quanto”. E é daí que veio a palavra “quântico”. 

Nascia a física quântica.

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