Ênfases históricas controversas sobre a gênese da Teoria da Relatividade Especial em livros didáticos

## ÊNFASES HISTÓRICAS CONTROVERSAS SOBRE A GÊNESE DA TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL EM LIVROS DIDÁTICOS CONTROVERSIAL HISTORICAL EMPHASES ON THE GENESIS OF THE SPECIAL THEORY OF RELATIVITY IN TEXTBOOKS

André Batista Noronha Moreira , Ivã Gurgel 1 2

1 Programa de Pós-Graduação Interunidades em Ensino de Ciências, Universidade de São Paulo, andrefisica@usp.br (bolsista CNPQ, processo 132759/2012-8)

2 Instituto de Física, Universidade de São Paulo, gurgel@if.usp.br

## Resumo

Neste trabalho, fruto de um recorte sintético de um texto monográfico de conclusão de curso de graduação, propomos análises e reflexões sobre diferentes ênfases históricas do episódio das origens da Teoria da Relatividade Especial presentes em livros didáticos. Introdutoriamente, considerando o problema das concepções ingênuas e inadequadas da ciência ainda muito presentes em grande escala em estudantes, professores, e também livros didáticos, defendemos a inclusão de tópicos de História e Filosofia da Ciência no ensino de ciências, apelo ressonante aos Parâmetros Curriculares Nacionais atuais. Defendemos que essa compreensão tem o forte potencial de afastar concepções ingênuas e inadequadas da ciência. Em seguida, com base em instrumentos básicos de historiografia e historiografia da ciência, estudamos as ênfases históricas presentes em livros didáticos de física de ensino médio aprovados no último Programa Nacional do Livro Didático. Entre outros aspectos, procuramos identificar as correlações estabelecidas entre os resultados dos experimentos ópticos de Albert Michelson e Edward Morley e o surgimento da teoria da relatividade no início do século passado. A correlação ingênua e direta, ou 'conexão genética' nas palavras de Gerald Holton, seria interpretada como indício de uma concepção 'experimentista', em particular, o empirismo ingênuo. Pode-se notar que as diferentes ênfases históricas trazem consigo diferentes e controversas posturas epistemológicas frente à possibilidade e à fundamentação do conhecimento científico. Utilizamos a classificação historiográfica tradicional de histórias internalistas e externalistas nas ênfases analisadas. Como conclusão, foi possível notar que os discursos históricos presentes nos livros didáticos ainda estão relativamente longe dos apelos contidos nos Parâmetros Curriculares Nacionais.

Palavras-chave : história da ciência, filosofia da ciência, natureza da ciência, teoria da relatividade especial, livros didáticos de física.

## Abstract

In this work, result of a synthetic cut on a conclusion course monograph, we bring analyses and reflexions on different historical emphasis about the episode of the origins of Special Relativity Theory in physics textbooks. Introductorily, considering the science's naïve and inadequate conceptions, still very common in big scale on students, teachers, and also textbooks, we defend the inclusion of topics of History and Philosophy of Science in science education, in resonance to current

National Curricular Parameters. We defend that this comprehension of science has a strong potential in to diminish naïve and inadequate conceptions. Next, based on basic instrumental of historiography and science historiography, we study historical emphasis contained in high school physics textbooks approved in last National Textbook Program. Among other things, we looked for identify the correlations establish between the experimental results of Albert Michelson's and Edward Morley's optical experiments and the emergence of the theory of relativity in the beginning of twentieth century. The naïve and direct correlation, or 'genetic connection' in Gerald Holton's words, would be interpreted as a evidence of a 'experimentist' conception, in particular, the naïve empirism. One can note that the different historical emphases bring with themselves different and controversial epistemological positions in front to the possibility and the justification of scientific knowledge. In conclusion, it was possible to note that the historical discourses present in the textbooks still are relatively distant from the appeals contained in the National Curricular Parameters.

Keywords : history of science, philosophy of science, nature of science, theory of special relativity, physics textbooks.

## Introdução

Diferentes pesquisas apontam que as 'visões ingênuas' sobre a ciência constituem um dos principais obstáculos a uma educação científica plena (LEDERMAN, 2007). Especificamente no âmbito epistemológico, essa preocupação se traduz na considerável presença de concepções filosóficas limitadas em estudantes, professores (GIL PEREZ et al , 2001), e livros didáticos (MONTEIRO & NARDI, 2008; PAGLIARINI, 2007). Entre os 'mitos da ciência', segundo McComas (1998), estão as ideias de que o método científico fornece provas irrefutáveis, que os modelos científicos representam fielmente a realidade, que a ciência é construída por mentes brilhantes e solitárias, que o fazer científico é neutro e imparcial e que a ciência é descolada de seu contexto sociocultural. Um dos fatores que torna tais entendimentos sobre a ciência alarmantes é o fato de não contribuírem para a formação de cidadãos críticos, esclarecidos e atuantes na sociedade e em seus problemas (PRAIA et al , 2007). Em face desta problemática, uma promissora estratégia didática é o uso de tópicos, debates e conteúdos referentes à História e Filosofia da Ciência (HFC) no ensino básico e superior. A inclusão destes conteúdos nas salas de aula em vários níveis de ensino é defendida de forma quase unânime por pesquisadores em ensino de ciências e educadores (ZANETIC, 1989; MATTHEWS, 1994; LEDERMAN, 2007). Encontramo-la explicitamente nas orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), onde lemos como uma das principais competências a ser trabalhada no ensino médio a compreensão do conhecimento científico e tecnológico como resultado de uma construção humana, inseridos em um processo histórico, cultural e social (BRASIL, 2002). Contudo, apesar de a HFC ser um meio adequado para a promoção de uma visão adequada de ciência, pode-se questionar se qualquer abordagem histórica permite a superação de visões ingênuas. Allchin (2004) considera que o uso de pseudo-histórias pode reforçar estereótipos inadequados. Além disso, é necessário reconhecer que existem diferentes versões de qualquer episódio histórico e que cada uma delas reforça de uma característica específica das ciências (KRAGH, 2001).

Neste trabalho, propomos análises e reflexões sobre as diferentes ênfases históricas do episódio das origens da Teoria da Relatividade Especial (TRE) presentes em alguns livros didáticos de física do ensino médio aprovados no último Programa Nacional do Livro Didático (PNLD). O intuito principal é identificar e refletir sobre estas ênfases e investigar, além de imprecisões históricas recorrentes, a presença direta ou indireta de visões ingênuas sobre a ciência, mais especificamente, sobre a fundamentação do conhecimento científico.

## Breves considerações historiográficas, Histórias da Teoria da Relatividade Especial e Parâmetros de Análise.

Por serem parte objetivas e parte subjetivas, e ainda, por serem lidas, registradas e, principalmente, interpretadas por diversos pontos de vista, as histórias estão longe de serem absolutas, no sentido de descreverem o 'passado verdadeiro' (KRAGH, 2001, p.59). Além disso, as histórias, segundo Besselaar (1972), podem atingir somente status de certeza moral indireta, isto é, certezas pautadas na necessidade de leis psicológicas e morais, que são consensos sociais e culturais, baseadas pela experiência de terceiros . Contudo, sem recair em um 'relativismo 1 histórico', estas investigações podem se consolidar enquanto estudos genuínos, satisfatoriamente longes de deformações como o whigismo, as pseudo-histórias e as quase-histórias (ALLCHIN, 2004; WHITTAKER, 1979). As mesmas caracterizações teóricas para a historiografia valem também para a historiografia da ciência (KRAGH, 2001, p. ) . v 2

Muitos autores já se dedicaram a estudar pré-histórias e histórias da teoria da relatividade, tanto no âmbito das pesquisas históricas como das pesquisas em ensino de ciências . Em especial, problemas específicos advindos da correlação 3

histórica direta entre os experimentos de Michelson e Morley (EMM) e a TRE, muito presente em manuais universitários e livros didáticos do ensino básico desde meados do século passado até os dias atuais, foram estudados em um trabalho pioneiro de Gerald Holton (1978). Este autor afirma que a 'conexão genética' ingênua entre os resultados dos EMM e o surgimento da TRE reflete uma visão estritamente 'experimentista' do desenvolvimento histórico da ciência. A tabela abaixo expõe alguns tipos de ênfases históricas e posturas epistemológicas frente ao episódio da gênese da TRE. Esta síntese é feita com base em um trabalho anterior, no qual apresentamos a análise completa (NORONHA, 2011). Utilizamos as classificações tradicionais internalismo x externalismo da historiografia e racionalismo x empirismo da epistemologia. Embora estas oposições sejam criticadas por especialistas, as utilizaremos aqui como parâmetros de análise para as histórias presentes nos livro didáticos. Este procedimento é válido à medida que buscamos identificar qual ênfase principal um determinado autor utiliza em sua apresentação sobre as origens da TRE, com a justificativa de que, apesar das imprecisões, elas nos ajudam a classificá-las com mínima clareza. É importante salientar que, pela brevidade e simplicidade como são aqui expostas, as posturas epistemológicas são em parte caricaturais, pois a caracterização epistemológica das inúmeras posturas existentes não se reduz somente a estas três . 4

Tabela 1 - Ênfases e posturas adotadas como parâmetros de análise

## Análises e reflexões sobre as ênfases históricas em livros didáticos

Nos tópicos seguintes iremos expor análises criticas de alguns livros didáticos de física brasileiros aprovados no último PNLD. De forma geral, buscamos identificar pela análise de discurso, ênfases históricas, assim como posturas epistemológicas. Para isso, entre outros pontos, focamos nas relações estabelecidas entre os resultados dos EMM e o surgimento da TRE, dado que as relações estabelecidas entre os dois podem revelar diferentes posturas epistemológicas. Em outro trabalho, procuramos estudar como estas diferentes visões do episódio histórico podem refletir diferentes finalidades do uso da HFC no ensino de ciências

(NORONHA & GURGEL, 2012). Usaremos os parâmetros de análise expostos anteriormente para classificar estas diferentes ênfases e posturas. Dos dez livros aprovados pelo último PNLD, selecionamos três para análise: Compreendendo a Física , de Alberto Gaspar; Física aula por aula , de Claudio Xavier e Benigno Barreto, e; Física em Contextos Pessoal-Social-Histórico , de Maurício Pietrocola e colaboradores. O critério de escolha se baseou no volume de páginas dedicadas ao tema das teorias da relatividade.

## Compreendendo a Física

O autor traz um prefácio muito interessante, juntamente com uma ilustração do quadro A persistência da memória do pintor surrealista espanhol Salvador Dalí no qual se sugere a possibilidade do pensamento científico (como em uma inspiração) ser ocasionado por outras manifestações da cultura humana. Os conteúdos históricos estão espalhados pelas seções, como é, inclusive, explicitado na carta ao aluno no início do livro. O capítulo se inicia com a discussão sobre alguns impasses teóricos do século XIX, que são a contradição da constância da velocidade da luz com base na ideia de éter e a divisão na física teórica devido à incompatibilidade entre mecânica e eletromagnetismo. Com relação a este último, o autor afirma (GASPAR, 2011, p.301, grifos nossos):

A mecânica e o eletromagnetismo só davam a mesma interpretação para os fenômenos da natureza em relação a esse referencial privilegiado [éter]; para outros, as interpretações eram diferentes. Para Einstein essa era, certamente, uma condição desconfortável e insatisfatória . [...] Questões como essas começaram a preocupar Einstein desde os dezesseis anos. Dez anos de reflexão e estudo fizeram com que ele concluísse que o tempo era o 'culpado' dessa inconsistência teórica [...].

O autor defende que o impulso em Einstein para a criação da TRE partiu, com mais força, de uma necessidade teórica (as diferentes interpretações dos fenômenos com base na mecânica e no eletromagnetismo). Elucida, em seguida, os fatores empíricos que corroboraram para o surgimento da TRE. O EMM tomaram maior ênfase, contudo, aparentemente o autor não os introduz de forma a correlacioná-los diretamente com o surgimento da TRE, mas sim para ilustrar experimentos realizados com o intuito de medir a velocidade da Terra com relação ao éter. Após discutir sucintamente o aparato óptico de Michelson e contextualizar o 'problema' do éter, o autor fala sobre as conclusões experimentais, e a 'crise' subsequente que emergiu. No último parágrafo do terceiro tópico ( O enigma do éter ), não fica perfeitamente claro se o autor faz uma 'conexão genética' entre os resultados dos EMM e a TRE (GASPAR, 2011, p.303, grifos nossos):

Como a natureza parecia não se comover com essa inquietação [entre os físicos, abalados no fim do século XIX com os resultados de Michelson e Morley], os físicos passaram a buscar hipóteses para 'salvar' o éter [...], mas a solução só veio com o advento de uma nova teoria, a teoria da relatividade restrita, de Einstein .

Em seguida, o autor apresenta os dois postulados da TRE. Ao justificá-los, Gaspar explicita a sua posição frente à questão da gênese da TRE, em um dos trechos que são de maior importância para nossa análise (GASPAR, 2011, p.303, grifos nossos):

A teoria da relatividade restrita não partiu de comprovações teóricas ou evidências experimentais, mas acrescentou novas regras sintetizadas por Einstein sobre como poderiam ser superadas as dificuldades teóricas que a física da época enfrentava . Ele não provou seus postulados -, apenas concluiu que assim devia ser a natureza, pois só dessa forma se explicariam ou se harmonizariam as diferentes teorias e observações experimentais conhecidas até sua época.

A ênfase histórica de Gaspar não recai a uma concepção 'experimentista' da ciência, vinculando o surgimento da TRE aos EMM. Pelo contrário, o autor procurou explicitar que a teoria não foi sugerida diretamente por resultados experimentais ou comprovações de bases teóricas. Por discutir detalhadamente conceitos internos à teoria, e se aventurar pouco por fatores externos, podemos classificar a história da TRE de Gaspar como internalista . Sua postura epistemológica não é claramente evidente, contudo, pelos nossos parâmetros de análise, ela está mais próxima da postura racionalista. Contudo, o mais interessante é verificar que no texto inicial fica a promessa de discussões com ênfases externalistas, o que acaba não acontecendo de forma significativa no decorrer do material, que têm uma ênfase internalista.

## Física Aula por Aula

As teorias relativísticas tomam presença no capitulo 18 (de título Teoria da Relatividade ) deste livro. Nele é dedicado parte de seu conteúdo para trazer discussões históricas, isto fica particularmente claro logo no primeiro capítulo, de título Os caminhos da Física , que possui por sua vez um tópico de título A história do Eletromagnetismo . Neste são discutidas as ideias de inúmeros cientistas que contribuíram à teoria eletromagnética. No capítulo 18 é feita inicialmente uma revisão sobre a evolução dos conhecimentos sobre a luz, sua natureza e sua velocidade. Os autores citam as especulações, hipóteses e observações de Galileu, Røemer e Newton. Também citam os métodos alternativos para se medir a velocidade da luz em laboratório de Fizeau e Foucault. É dada ênfase ao papel de Maxwell na síntese da teoria do eletromagnetismo. Também é citado o papel de Hertz na detecção das ondas eletromagnéticas. O subtópico seguinte tem título sugestivo referente aos EMM: Um experimento decisivo . Claramente, este título alude à ideia de que os EMM tiveram importância para o surgimento da teoria relativística de Einstein. No subtópico seguinte, O surgimento da Teoria da Relatividade , os autores salientam a importância das ideias de Lorentz e Poincaré, personagens históricos que muitas vezes estão desmerecidamente ausentes. O próximo tópico tem título O experimento de Michelson e Morley . Nele lemos (XAVIER & BARRETO, 2010, p.327, grifos nossos):

Em 1887, os cientistas norte-americanos Albert Abraham Michelson (1852 1931) e Edward Williams Morley (1838 -1923) foram capazes de estabelecer, com relativa precisão, que a velocidade da luz se mantinha constante em qualquer direção que fosse medida , não dependendo do movimento da Terra. Para isso, utilizaram o aperfeiçoamento de um aparelho (interferômetro) proposto anteriormente por Michelson (1881). Trata-se talvez do mais famoso experimento da história da Física e certamente merece uma descrição mais detalhada. [...] Michelson e Morley repetiram o experimento diversas vezes, em locais, épocas e condições técnicas diferentes, mas o resultado foi sempre o mesmo: não era encontrada nenhuma alteração na figura de interferência (anéis), o que significava não ser possível determinar uma velocidade da luz em relação ao éter .

Os trechos grifados refletem algumas importantes questões históricas e epistemológicas. Em primeiro lugar, os cientistas norte-americanos não estabeleceram experimentalmente a constância da velocidade da luz em qualquer direção. Isso é claramente uma generalização indutiva, pois eles não mediram esta 'constância' em infinitas direções. Por outro lado, a interpretação dos resultados dos EMM não recaiu, àquela época, naturalmente na questão da constância da velocidade da luz. Logo, dizer que Michelson e Morley estabeleceram a constância da velocidade da luz, além de transmitir uma concepção epistemológica frágil, reflete uma visão histórica anacrônica. Problemas reaparecem no segundo trecho grifado. Reforçar o estatuto de 'verdade' do resultado de um experimento repetindo-o em diversos locais, épocas e condições técnicas diferentes é um vestígio da ideia de 'Método Científico' ou 'Método Experimental' único e infalível, uma concepção ingênua do fazer científico ainda muito presente dentro e fora da educação científica.

Em suma, a análise sobre a obra nos permite classificar a ênfase histórica dos autores como internalista , por mostrarem especial preocupação com os aspectos internos e conceituais da origem e do desenvolvimento da TRE. Do ponto de vista epistemológico, em alguns pontos o texto apresenta discursos característicos de uma concepção 'experimentista' ingênua, principalmente pela questão da generalização indutiva discutida, e pela ênfase à importância 'crucial' dos EMM, clara no título da subseção.

## Física em Contextos Pessoal-Social-Histórico

As discussões sobre as teorias da relatividade neste livro se encontram no capítulo 12 ( A natureza da luz ). Uma primeira iniciativa por parte dos autores de trazer conteúdos históricos se dá na linha do tempo, no início do material logo antes da primeira unidade. O título dado a esta parte é A Física no tempo e na história , e contém uma descrição prévia que direciona o leitor para os diferentes quadros da linha temporal. Na apresentação da linha histórica está explícito um convite a discussões externas à física, ou melhor, suas relações com outros campos do conhecimento (PIETROCOLA et al , 2010, Apresentação, grifos nossos):

Apresentamos assim uma visão geral do contexto histórico de cada período [Pré-História, Idade Antiga, Idade Moderna e Idade Contemporânea], para convidá-lo a refletir sobre quão estreitas são as relações entre ciência, tecnologia, economia, cultura e política de determinada época . Você poderá perceber, por exemplo, que o desenvolvimento da Termodinâmica, nos séculos XVIII e XIX, é fruto de inovações como a máquina a vapor, com a Revolução Industrial constituindo um estímulo à atividade científica e vice versa.

O capítulo 12 possui uma quantidade considerável de conteúdo histórico e filosófico logo nos primeiros tópicos. Um primeiro fator que atrai atenção é a citação de inúmeros cientistas e filósofos e suas contribuições para a ciência. O segundo fator, bastante interessante, é a citação de textos originais. O terceiro tópico do capítulo, Éter , que precede aquele sobre a TRE, contém discussões sobre as origens da teoria. Nos subtópicos é tratado, do ponto de vista histórico, quais teriam sido as razões que levaram os cientistas a supor a existência de um meio universal, e também ilustram-se suas supostas características, assim como os problemas em se conceber um fluido com propriedades contraditórias. Os autores ilustram o modelo do éter de Maxwell, discutem os experimentos de Arago, Fresnel (fazendo, inclusive, uma citação original) e Fizeau (de quem também é feita uma citação

original), e citam a hipótese do arrastamento parcial do éter de Fresnel. No último subtópico são introduzidas as discussões sobre os EMM (PIETROCOLA et al , 2010, p.353, grifos nossos):

A ideia básica do experimento era obter alguma variação da velocidade da luz com relação ao éter, utilizando para isso o movimento da Terra . [...] Novamente, assim como nos experimentos anteriores [de Arago, Fresnel e Fizeau] que buscavam o mesmo propósito, não foi encontrada variação na velocidade da luz.

Considerando os elementos analisados no livro didático, pode-se concluir que a ênfase histórica apresentada neste livro tem, nas discussões relacionadas à TRE, um caráter internalista , embora existisse uma expectativa inicial, levantada pelo texto de entrada no início da obra, de que houvesse aspectos externalistas. Contudo, não se pode negar a importante presença de discussões históricas e filosóficas, incluindo citações de textos originais de importantes cientistas. Assim como no livro de Gaspar (2010), não é feita a correlação direta entre os EMM e o surgimento da teoria. A postura predominante no discurso tem tons de uma posição filosófica que privilegia o pensamento racional e criativo na produção do saber científico, o racionalismo. Isso fica evidente no que se refere ao papel dado a Albert Einstein à criação da TRE.

## Considerações finais

Nossas últimas considerações partem de um ponto vernal em comum nas análises expostas: o descompasso entre as abordagens históricas nos livros didáticos com os apelos presentes no PCN. Pagliarini (2007, p.104) lembra que os livros didáticos têm sido reestruturados nos últimos anos, principalmente devido a diretrizes de parâmetros curriculares, no sentido de inserir questões de HFC. Contudo, o que pudemos notar é que a abordagem da ciência enquanto construção histórica, social e cultural, sugerida nos PCN, o que incluiria as relações da ciência com fatores externos, não é suficientemente contemplada nos livros didáticos, em especial no que tange o episódio da gênese da TRE. Embora a qualidade dos livros didáticos quanto aos conteúdos referentes à HFC e NdC tenham melhorado muito, não pudemos deixar de notar em nossa análise uma distância significativa de uma abordagem mais ampla, visivelmente dialogada com outros campos, menos internalista e mais externalista. Há razões, não somente curriculares, para crermos que o balanço entre estas ênfases pode ser enriquecedor para objetivos educacionais específicos, como o de reduzir a ainda forte presença de concepções ingênuas, na arena da educação científica, sobre a possibilidade e fundamentação do conhecimento científico.

## Referências

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