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Forma e Energia

por Thynus, em 24.04.16
Na física newtoniana, toda causação era vista em termos de energia, o princípio do movimento e da mudança.
Todas as coisas móveis têm energia – a energia cinética de corpos em movimento, da vibração térmica e da radiação eletromagnética – e essa energia pode fazer com que outras coisas se movam. Coisas estáticas também têm energia – energia potencial – em função de sua tendência a se moverem; só são estáticas porque estão restritas por forças que se opõem a essa tendência.
Imaginava-se que a atração gravitacional dependesse de uma força que atuava a distância fazendo com que corpos se movessem, ou dando-lhes a tendência ao movimento, uma energia potencial. Contudo, não se apresentava nenhuma razão para a existência dessa força de atração em si.
Efeitos gravitacionais, bem como eletromagnéticos, são hoje explicados sob a ótica de campos. Embora fosse suposto que as forças newtonianas surgissem de algum modo inexplicável dos corpos materiais e deles se espalhassem pelo espaço, na física moderna os campos são primários; estão por trás dos corpos materiais e do espaço entre eles.
Este cenário fica complicado pelo fato de haver vários tipos de campos. Primeiro, o campo gravitacional, que na Teoria Geral da Relatividade de Einstein é equivalente ao espaço-tempo, e é curvo na presença de matéria. Segundo, o campo eletromagnético, no qual as cargas elétricas se localizam e pelo qual as radiações eletromagnéticas se propagam como perturbações vibratórias. Pela teoria quântica, essas perturbações são fótons semelhantes a partículas associadas a discretos quanta de energia. Terceiro, na teoria da matéria do campo quântico, as partículas subatômicas são quanta de excitação de campos materiais. Cada tipo de partícula tem seu próprio campo: um próton é um quantum do campo próton-antipróton, um elétron é um quantum do campo elétron-pósitron, e assim por diante.
Nessas teorias, os fenômenos físicos são explicados por uma combinação de campos e de energia, não exclusivamente em termos de energia. Assim, embora a energia possa ser considerada a causa da mudança, a ordenação da mudança depende da estrutura espacial dos campos. Essas estruturas têm efeitos físicos, mas não são, em si, um tipo de energia; atuam como causas “geométricas” ou espaciais. A diferença radical entre esta ideia e o conceito de causação exclusivamente energética é ilustrada pelo contraste entre as teorias da gravidade de Newton e de Einstein: segundo Newton, a Lua move-se ao redor da Terra porque é puxada para ela por uma força de atração; segundo Einstein, ela o faz porque o próprio espaço no qual ela se move é curvo.
O entendimento moderno da estrutura dos sistemas químicos depende dos conceitos da mecânica quântica e do eletromagnetismo; os efeitos gravitacionais são muito pequenos em comparação a eles e podem ser ignorados. As maneiras pelas quais os átomos podem se combinar são dadas pela equação de Schrödinger da mecânica quântica, que permite que as órbitas dos elétrons sejam calculadas em termos de probabilidades; na teoria da matéria segundo o campo quântico, essas órbitas podem ser consideradas estruturas do campo elétron-pósitron. Mas como elétrons e núcleos atômicos têm carga elétrica, também estão associados com padrões espaciais dentro do campo eletromagnético, e por isto dotados de energia potencial. Nem todos os possíveis arranjos espaciais de um dado número de átomos terão a mesma energia potencial, e apenas o arranjo com a menor energia potencial será estável, pelos motivos indicados na Fig. 6. Se um sistema está num estado que tem energia superior à dos possíveis estados alternativos, um deslocamento mínimo (digamos, devido à agitação térmica) fará com que ele passe para outro estado (A). Se está num estado com energia inferior à das alternativas possíveis, após pequenos deslocamentos ele vai regressar a esse estado, que por isso é estável (B). Um sistema também pode existir temporariamente num estado que não é o mais estável, desde que não se desloque acima do nível de uma “barreira” (C); quando isto acontece, ele vai passar para um estado mais estável, com menos energia.
Essas considerações energéticas determinam qual é o estado mais estável de uma estrutura química, mas não justificam suas características espaciais, que na Fig. 6 são representadas pelas encostas nas quais a esfera rola e que atuam como barreiras, confinando-a. Elas dependem de padrões espaciais dados pelos campos da matéria e do eletromagnetismo.
 
 De acordo com a segunda lei da termodinâmica, processos espontâneos dentro de um sistema fechado tendem a um estado de equilíbrio; quando isso ocorre, diferenças iniciais de temperatura, pressão, etc., entre diferentes partes do sistema tendem a desaparecer. Em linguagem técnica, a entropia de um sistema macroscópico fechado mantém-se a mesma ou aumenta.
A importância dessa lei costuma ser exagerada em textos populares; o termo entropia, em particular, é tratado como se fosse sinônimo de “desordem”. Com isso, a complexidade crescente de organização que ocorre na evolução e desenvolvimento de organismos vivos parece contradizer o princípio da entropia crescente. Essa confusão surge do entendimento errôneo das limitações da termodinâmica clássica. Primeiro, ela se aplica apenas a sistemas fechados, enquanto organismos vivos são sistemas abertos, trocando matéria e energia com seu ambiente. Segundo, ela lida apenas com as inter-relações entre o calor e outras formas de energia; ela é relevante para os fatores energéticos que afetam as estruturas químicas e biológicas, mas não explica a existência mesma dessas estruturas. E em terceiro, a definição técnica de entropia tem pouca relação com qualquer concepção não técnica de desordem; mais exatamente, não lida com o tipo de ordem inerente às estruturas específicas de sistemas químicos e biológicos. De acordo com a terceira lei da termodinâmica, na temperatura de zero absoluto as entropias de todos os sólidos cristalinos puros são iguais a zero. Do ponto de vista da termodinâmica, estão perfeitamente “organizados”, pois não há desordem causada pela agitação térmica. Mas todos estão igualmente ordenados: não há diferença em entropia entre um simples cristal de sal e um cristal de uma macromolécula complexa como a hemoglobina. Decorre disto que a maior complexidade estrutural desta última não é mensurável sob a ótica da entropia.
O contraste entre “ordem” no sentido de estrutura química ou biológica e “ordem” termodinâmica devida a desigualdades de temperatura, etc., num sistema grande contendo inúmeros átomos e moléculas é ilustrado pelo processo da cristalização. Se uma solução de um sal for posta num prato dentro de um recipiente frio e fechado, o sal se cristaliza quando a solução esfria. Inicialmente, seus íons constituintes se redistribuem aleatoriamente na solução, mas, à medida que a cristalização acontece, eles se tornam organizados com grande regularidade dentro dos cristais, e os próprios cristais se desenvolvem, tornando-se estruturas macroscopicamente simétricas. Do ponto de vista morfológico, houve um considerável aumento da ordem; mas do ponto de vista termodinâmico, houve uma redução da “ordem”, um aumento da entropia, devido à equalização da temperatura entre a solução e seu ambiente e à liberação de calor durante o processo de cristalização. De modo similar, quando um embrião animal cresce e se desenvolve, há um aumento da entropia do sistema termodinâmico consistente do embrião e do ambiente do qual ele extrai seu alimento e para o qual ele libera calor e produtos excretórios. A segunda lei da termodinâmica serve para enfatizar essa dependência dos organismos vivos em fontes externas de energia, mas nada faz para explicar suas formas específicas.
Em termos muito gerais, forma e energia têm uma relação mutuamente inversa: a energia é o princípio da mudança, mas uma forma ou estrutura só pode existir enquanto tiver certa estabilidade e resistência à mudança. Esta oposição fica clara na relação entre os estados de matéria e temperatura. Sob condições suficientemente frias, as substâncias existem em formas cristalinas, nas quais os arranjos das moléculas mostram um elevado grau de regularidade e de ordem. Quando a temperatura aumenta, em certo ponto a energia térmica faz com que a forma cristalina se desintegre; o sólido derrete. No estado líquido, as moléculas se organizam em padrões transitórios, que se movem e se alteram continuamente. As forças entre as moléculas criam uma tensão superficial que confere formas simples ao líquido como um todo, como em gotas esféricas. Com um aumento ainda maior da temperatura, o líquido evapora; no estado gasoso, as moléculas são isoladas e se comportam de maneira mais ou menos independente entre si. Com temperaturas ainda mais elevadas, as próprias moléculas se desintegram em átomos, e se a temperatura for ainda maior, até os átomos se fragmentam para formar uma mistura gasosa de elétrons e núcleos atômicos – um plasma.
Quando essa sequência se inverte, surgem estruturas mais complexas e organizadas com a redução da temperatura, primeiro as mais estáveis e por último as menos estáveis. Com o resfriamento do plasma, os elétrons se congregam ao redor de núcleos atômicos em suas órbitas apropriadas. Com a temperatura abaixando mais, os átomos se reúnem em moléculas. Quando o gás se condensa em gotículas, entram em jogo forças supramoleculares. Finalmente, quando o líquido se cristaliza, estabelece-se um grau elevado de ordem supramolecular.
Essas formas aparecem espontaneamente. Elas não podem ser explicadas em termos de energia externa exceto negativamente, no sentido de que podem surgir e persistir apenas abaixo de certa temperatura. Elas só podem ser explicadas em termos de energia interna se entendermos que, dentre todos os arranjos estruturais possíveis, só aquele com a menor energia potencial será estável; portanto, esta será a estrutura que tenderá a ser assumida espontaneamente.

(Rupert Sheldrake - UMA NOVA CIÊNCIA DA VIDA)

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