Por Clara Moskovitz
Publicado na Scientific American
A conservação da energia é uma lei absoluta, e ainda assim parece não ser, face as coisas que observamos todos os dias. Faíscas criam fogo, que gera energia calorífica – coisa que não estava lá antes. Uma bateria produz energia. Uma bomba nuclear cria uma explosão. Cada uma destas situações, contudo, é simplesmente um exemplo da forma de mudanças de energia. Mesmo a aparentemente paradoxal energia escura, que causa a expansão acelerada do universo, como vamos ver, obedece a esta regra.
A lei da conservação da energia, também conhecida como a Primeira Lei da Termodinâmica, afirma que a energia de um sistema fechado deve permanecer constante – nem pode aumentar nem diminuir sem interferência exterior. O próprio universo é um sistema fechado, de modo que a quantidade total de energia na existência tem sido sempre a mesma. As formas que a energia assume, no entanto, estão mudando constantemente.
A energia cinética e potencial cinética são duas das formas mais básicas, familiares, nas aulas de física do ensino médio: potencial gravitacional é a energia armazenada de uma pedra empurrada de cima de uma colina, pronta para rolar para baixo. A energia cinética é a energia de seu movimento, quando começa a rolar. A soma destas é chamada energia mecânica. O calor em um objeto quente é a energia mecânica de seus átomos e moléculas em movimento. No século 19, físicos perceberam que o calor produzido por uma máquina em movimento era a energia mecânica bruta da máquina convertida em energia mecânica microscópica de átomos. A energia química é outra forma de energia potencial armazenada em ligações químicas moleculares. É esta energia, armazenada em suas células corporais, que lhe permite correr e saltar. Outras formas de energia incluem a energia eletromagnética, luz, energia nuclear e energia potencial das forças nucleares em átomos. Há muitos mais. Mesmo porque a massa é uma forma de energia, como o o famoso E=mc2 de Albert Einstein mostrou.
O fogo é uma conversão de energia química em energia térmica e eletromagnética através de uma reação química que combina as moléculas ao combustível (madeira, por exemplo) com o oxigênio do ar para criar dióxido de carbono e água. Ela libera energia na forma de calor e luz. Uma bateria converte a energia química em energia elétrica. A bomba nuclear converte a energia nuclear em energia térmica, eletromagnética e cinética.
Com os cientistas tendo melhor compreendido as formas de energia, eles revelaram novas formas de energia para converter de um formato para outro. Quando os físicos primeiramente formularam a teoria quântica, eles perceberam que um elétron em um átomo pode saltar de um nível de energia para outro, dando ou absorvendo luz. Em 1924, Niels Bohr, Hans Kramers, e John Slater propuseram que esses saltos quânticos violavam temporariamente a conservação de energia. De acordo com os físicos, cada salto quântico iria liberar ou absorver energia, e somente, em média, a energia seria conservada.
Einstein se opôs fervorosamente à ideia de que a mecânica quântica desafiava a conservação de energia. E ele estava certo. Após físicos refinarem a mecânica quântica, alguns anos depois, os cientistas compreenderam que, embora a energia de cada elétron possa flutuar em uma névoa probabilística, a energia total do elétron e sua radiação permanecem constantes em todos os momentos do processo. A energia era conservada.
A cosmologia moderna têm oferecido novos enigmas na conservação de energia. Nós agora sabemos que o universo está se expandido cada vez mais rápido – propulsionado pelo que os cientistas chamam de energia escura. Isto é pensado em ser a energia intrínseca por centímetro cúbico de espaço vazio. Mas se o universo é um sistema fechado com uma quantidade finita de energia, como pode gerar mais espaço vazio, que deve conter mais energia intrínseca, sem criar energia adicional?
Acontece que na teoria da relatividade geral de Einstein, regiões do espaço com a energia positiva realmente empurram o espaço para fora. Com o espaço se expandindo, ele libera energia potencial gravitacional armazenada, que se converte em energia intrínseca que enche o volume recém-criado. Assim, mesmo a expansão do universo é controlada pela lei da conservação de energia.
