As forças da Natureza

Imagino que a maioria das pessoas responderia que são inúmeras as forças que existem na Natureza. Alguns pensarão no uso corriqueiro da palavra "força", mencionando forças do bem, do mal, ocultas, de vontade, de expressão. Mesmo ficando no campo das forças em física, contaríamos a força elétrica, magnética, da gravidade, de contacto, de atrito, elástica.

Pois bem, na verdade há apenas quatro forças na Natureza. E o que pode ser mais surpreendente, apenas duas delas são relevantes em nosso cotidiano.

A força mais familiar é a da gravidade, ou gravitacional. Sua consequência mais perceptível é que corpos tendem a cair no chão, atraídos que são pela Terra. A força gravitacional é sempre atrativa e aparece entre dois corpos quaisquer. Duas pessoas próximas sofrem atração gravitacional, mas isso seria impossível perceber ou medir com os aparelhos que temos à disposição. Ocorre que a força gravitacional é muito pequena, só se manifestando quando pelo menos um dos corpos tem uma grande massa, como a Terra. Por isso, não temos dúvidas que corpos são atraídos pela Terra, mas não entre si (aparentemente!).

As outras três forças da Natureza são a eletromagnética, a nuclear fraca e a nuclear forte. Deixemos por último a força eletromagnética, que é a outra de relevância para o cotidiano. As forças nucleares só agem dentro do átomo, tendo alcance muito pequeno. Por exemplo, o núcleo de um átomo não afetaria o de outro átomo, se dependesse apenas das forças nucleares, pois elas são desprezíveis à distância entre dois átomos. As forças nucleares, fortes e fracas, são responsáveis pela estabilidade do átomo e explicam fenômenos como a radioatividade.

Em ensaio anterior, comentei a necessidade de haver forças nucleares para explicar a estabilidade do núcleo (e do átomo). Um átomo é constituído de um núcleo, onde estão os prótons carregados positivamente e os nêutrons, que não têm carga elétrica, e de elétrons. Como cargas de mesmo sinal se repelem, os prótons no núcleo sofrem repulsão entre si, que é tanto maior quanto mais próximos estiverem. Portanto, para que os prótons não se separem e o núcleo "exploda", forças adicionais devem atuar. Precisam ser atrativas para compensar a repulsão elétrica. São as forças nucleares fortes.

A força restante é a eletromagnética. Ela engloba todas as possíveis forças que podemos imaginar no nosso dia-a-dia, com exceção da gravitacional. A força de atrito, de contacto, elástica, elétrica, magnética, são todas de origem eletromagnética. São manifestações das interações entre átomos e moléculas dos corpos envolvidos na determinada força. Isso quer dizer que a força exercida para empurrar algo, ou para abraçar um amigo, é uma força eletromagnética.

As forças eletromagnéticas podem ser atrativas ou repulsivas. Só são repulsivas em duas situações. Quando participarem cargas elétricas de mesmo sinal ou quando dois corpos tentarem ocupar o mesmo lugar no espaço. É interessante que um conceito macroscópico, como este de dois corpos não poderem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo, tenha origem quântica. De fato, essa repulsão extremamente forte é devida ao Princípio da Exclusão de Pauli, um princípio da Mecânica Quântica segundo o qual dois elétrons com as mesmas características não podem estar na mesma região do espaço em dado momento.

A grande variedade de "forças" de origem eletromagnética se deve ao fato de corpos neutros também interagirem entre si. Pois mesmo sendo neutros, tais corpos têm cargas positivas e negativas (obviamente porque são constituídos de átomos com núcleos positivos e elétrons que têm carga negativa) que interagem na escala atômica ou molecular.

Sobre neutralidade, há uma observação curiosa. Se duas pessoas a um metro de distância tivessem 1% de carga líquida em seus corpos, sofreriam uma força de atração (se carregados com sinais opostos) ou repulsão suficiente para erguer a Terra inteira. Tamanha força não aparece devido à neutralidade dos corpos, o que fez com que fenômenos elétricos e magnéticos demorassem a ser descobertos, pois não havia fortes manifestações espontâneas. Somente após o desenvolvimento de dispositivos pelo homem, eletricidade e magnetismo passaram a ter efeitos perceptíveis em muitas situações. Até o século XVIII, tais manifestações eram praticamente limitadas à carga elétrica de materiais por atrito e ao magnetismo em ímãs.

As quatro forças da Natureza estão também no centro de um dos maiores desafios da física. Três dessas forças, a eletromagnética, a nuclear forte e a nuclear fraca, são explicadas pela teoria quântica, que não engloba a força gravitacional. Esta última é explicada pela Teoria Geral da Relatividade. Até hoje não foi encontrada maneira de unificar a Teoria da Relatividade com a Teoria Quântica. Einstein tentou por vários anos e não foi bem-sucedido.

Continuamos à espera de um gênio para resolver esse dilema.