Edward Mills Purcell: O Físico que ouviu o Hidrogénio cantar

Numa tarde de dezembro de 1945, num edifício de laboratório de guerra em Harvard que ainda cheirava a solda e peças de radar, Edward Mills Purcell e dois colegas apontaram uma amostra de parafina a um recetor de rádio e captaram, pela primeira vez, o fraco sinal de absorção de núcleos atómicos a girar num campo magnético. Levaram semanas a convencer-se de que o sinal era real. A medicina levaria mais três décadas a transformá-lo num scanner de RM.

Um engenheiro do cinturão agrícola descobre a física

Purcell nasceu a 30 de agosto de 1912, em Taylorville, Illinois, filho de Edward A. Purcell e Mary Elizabeth Mills, e cresceu a frequentar escolas públicas locais e na vizinha Mattoon. Entrou na Universidade de Purdue com a intenção de se tornar engenheiro eletrotécnico, licenciando-se em 1933, mas uma passagem como aluno de licenciatura a fazer investigação sobre difração de eletrões sob a orientação do professor K. Lark-Horovitz redirecionou-o para a física. Um ano como estudante de intercâmbio na Technische Hochschule de Karlsruhe, na Alemanha, a estudar com o professor W. Weizel, aguçou ainda mais esse interesse. Regressou aos Estados Unidos para estudos de pós-graduação em Harvard, obtendo o seu doutoramento em 1938 e permanecendo brevemente como instrutor de física antes de a Segunda Guerra Mundial remodelar a sua carreira, tal como aconteceu com quase todos os físicos da sua geração.

Radar no MIT

Em 1940, Purcell juntou-se ao Laboratório de Radiação do MIT, o programa de emergência que construiu o radar de micro-ondas para o esforço de guerra aliado, e chegou a liderar o seu Grupo de Desenvolvimentos Fundamentais. O trabalho colocou-o lado a lado com I. I. Rabi e outros físicos que investigavam propriedades moleculares e nucleares por métodos de rádio, e deixou Purcell fluente na eletrónica de micro-ondas exata de que necessitaria para a sua própria descoberta no pós-guerra. A investigação sobre radares foi, em certo sentido, uma aprendizagem de cinco anos em instrumentação de ressonância, embora ninguém no projeto estivesse a pensar em imagiologia médica.

Descobrir a ressonância magnética nuclear

Regressando a Harvard como professor associado após a guerra, Purcell trabalhou com Robert Pound e Henry Torrey para detetar a absorção por ressonância magnética nuclear na matéria bruta - o fenómeno pelo qual os núcleos atómicos num campo magnético absorvem e reemitem energia de radiofrequência a uma frequência que depende do seu ambiente químico local. Felix Bloch e a sua equipa em Stanford encontraram o mesmo efeito de forma independente e quase simultânea, utilizando um método de deteção diferente, e as duas equipas partilharam o Prémio Nobel da Física de 1952 "pelo seu desenvolvimento de novos métodos para medições magnéticas nucleares de precisão e descobertas relacionadas com as mesmas". A linguagem do comité Nobel foi seca; a consequência não o foi. A RMN deu aos químicos uma forma exata e não destrutiva de ler a estrutura das moléculas e, décadas mais tarde, tornou-se a base física da imagiologia por ressonância magnética, permitindo aos médicos ver o interior de um corpo vivo sem bisturi ou doses de raios-X. O próprio Purcell passou rapidamente para os recantos mais subtis do fenómeno - relaxamento de eco de spin, tempos de relaxamento magnético nuclear e o conceito estranho mas real de temperatura de spin negativa, um resultado que mais tarde se revelaria relevante para a teoria do laser.

Ouvir a Galáxia

A curiosidade científica de Purcell não parou na bancada do laboratório. Previu e depois ajudou a confirmar a deteção da linha de emissão de rádio de 21 centímetros de átomos de hidrogénio neutro espalhados pelo espaço interestelar - um sinal tão ténue que encontrá-lo exigiu estender as mesmas técnicas de ressonância que tinham produzido a RMN a distâncias astronómicas. A linha de 21 centímetros permitiu aos astrónomos mapear a estrutura espiral da Via Láctea pela primeira vez e fundou efetivamente o campo da radioastronomia como uma disciplina sistemática. Foi um caso raro de a técnica de laboratório de um físico remodelar tanto a medicina como a cosmologia numa única carreira.

Professor, autor de manuais, conselheiro presidencial

De volta a Harvard, Purcell tornou-se professor catedrático em 1949 e ocupou o título de Professor Universitário Gerhard Gade. Serviu como presidente da Sociedade Americana de Física e pertenceu à Academia Nacional de Ciências e à Academia Americana de Artes e Ciências. A sua posição científica levou-o ao serviço do governo: fez parte do Comité Consultivo Científico do Presidente a partir de 1957, sob o comando de Dwight Eisenhower, e continuou a aconselhar John F. Kennedy e Lyndon Johnson, fazendo parte da geração de físicos-estadistas que a Guerra Fria chamou a Washington. Deixou também uma marca na pedagogia da física muito para além das suas próprias descobertas, escrevendo o manual Eletricidade e Magnetismo como parte do Curso de Física de Berkeley, um projeto financiado pela NSF na era do Sputnik, notável por tecer a relatividade especial diretamente na apresentação do eletromagnetismo - uma escolha pedagógica ainda admirada pelos professores de física. É também lembrado por uma palestra amplamente citada de 1976, "Life at Low Reynolds Number", que explicou com uma clareza surpreendente porque é que nadar à escala microscópica - para uma bactéria, digamos - obedece a regras físicas totalmente diferentes da natação à escala humana, e introduziu o que ficou conhecido como o teorema da vieira para o movimento recíproco em fluidos viscosos. As honras posteriores incluíram a Medalha Oersted em 1967 e a Medalha Nacional de Ciência em 1979.

Porque é que Edward é chamado de génio

O argumento para chamar génio a Purcell baseia-se menos num lampejo de intuição do que numa rara consistência de intuição na construção de instrumentos aplicada a escalas muito diferentes. A mesma técnica - excitar spins nucleares com ondas de rádio e ler o sinal fraco que eles devolvem - permitiu-lhe encontrar um fenómeno de laboratório com resultados químicos e médicos imediatos e, alguns anos mais tarde, detetar um sussurro de átomos de hidrogénio espalhados pela galáxia. Colegas e historiadores da ciência posteriores apontaram essa gama, mais a sua capacidade de explicar física difícil em linguagem simples, como a marca de uma intuição física invulgarmente profunda e não apenas uma mera facilidade técnica. O contra-argumento honesto é que Purcell não descobriu a RMN sozinho ou isolado: a equipa de Felix Bloch alcançou a mesma física de forma independente em poucas semanas utilizando um método diferente, e Purcell baseou-se diretamente na eletrónica de radar de guerra desenvolvida por centenas de engenheiros no Laboratório de Radiação do MIT. O seu génio, tal como era, residia em reconhecer o que um pedaço familiar de hardware de radar poderia revelar sobre o interior invisível da matéria - e depois em explicar essa revelação, em livros e palestras, tão claramente que se tornou conhecimento comum para a próxima geração de físicos.

Legado

Purcell faleceu a 7 de março de 1997, em Cambridge, Massachusetts, com oitenta e quatro anos. A técnica que ajudou a descobrir num laboratório de radar convertido encontra-se agora em suites de RM hospitalares e departamentos de química em todo o mundo, e o método de mapeamento do céu que foi pioneiro continua a ser uma ferramenta de trabalho da radioastronomia - um exemplo raro de a intuição de um físico remodelar a medicina e a cosmologia de uma só vez.