domingo, 29 de novembro de 1998

Partículas violam a reversibilidade do tempo

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Imagine se você gravasse em vídeo as cenas de um amigo seu pulando um obstáculo. Quando, por brincadeira, você resolve passar o vídeo de trás para a frente, seus olhos mal podem acreditar no que vêem. A ordem dos fenômenos se repete exatamente de forma inversa à original.

Claro, se algum fenômeno desse tipo lhe ocorresse, você iria imediatamente atribuí-lo a uma força sobrenatural, que violaria as leis básicas da física. Esse tipo de fenômeno é chamado de violação da reversibilidade temporal, isto é, a história de trás para a frente é diferente da história original.

Felizmente, ao menos este colunista nunca presenciou tais fenômenos ocorrendo em escalas macroscópicas. Mas, no mundo das partículas subatômicas, fenômenos como esse não só podem acontecer como foram observados recentemente.

Em 12 de outubro, Dia da Criança no Brasil, um grupo de físicos trabalhando em um laboratório de física de altas energias, conhecido como Fermilab, perto de Chicago (EUA), anunciou a observação de violação da reversibilidade temporal em certas reações envolvendo partículas conhecidas como "kaons neutros". Resultados anteriores, de menor precisão, renderam o Prêmio Nobel de Física a James Cronin e a Val L. Fitch em 1980.

Para entendermos melhor a importância dessa descoberta, é bom lembrarmos que a matéria é feita de vários corpúsculos que chamamos de partículas elementares, como o elétron ou os quarks, que compõem os prótons e os nêutrons. Uma partícula é elementar quando ela não pode ser dividida em outras menores. Várias partículas são instáveis, ou seja, podem decair em outras. O nêutron, quando está livre do núcleo atômico, decai em alguns segundos. O próton, de acordo com as teorias atuais das partículas elementares, também pode decair, mas seu tempo de vida é extremamente grande, muito maior do que a idade do Universo.

Fora essas partículas mais conhecidas, centenas de outras são produzidas durante colisões sob altas energias em aceleradores como o do Fermilab. Basicamente, a enorme energia de movimento das partículas é transmutada em massa, ou seja, em novas partículas durante colisões. Essas partículas são como os fragmentos de uma explosão voando em todas as direções, sendo então estudadas por detectores de partículas. A maioria é instável e decai em frações infinitesimais de segundo. O kaon neutro é uma delas.

Os cientistas do Fermilab estudaram milhões de decaimentos do kaon, prestando atenção em um tipo especial, cujo decaimento resulta em dois pares de partículas, o elétron e sua antipartícula, o pósitron, e um píon com carga positiva e sua antipartícula com carga negativa. (A geração de matéria e antimatéria, ou partículas e suas antipartículas, é normal em física de altas energias. Apenas no mundo à nossa volta é que a antimatéria está ausente, um mistério intimamente ligado a essa descoberta.) O kaon neutro, sem carga elétrica, decai em dois pares de partículas cuja carga total é também zero, conforme dita a lei de conservação da carga elétrica.

Esse decaimento do kaon é extremamente raro, ocorrendo uma vez a cada 3 milhões de decaimentos. Mas o time do Fermilab conseguiu observar 1.800 decaimentos desse tipo. O resultado que choca os físicos é que 14% desses fenômenos violaram a reversibilidade temporal. O kaon decai como uma bomba: as quatro partículas voando em certas direções. Essas direções, quando invertidas como num filme passado de trás para frente, não correspondem ao previsto pela reversão temporal; as partículas aparecem "de cabeça para baixo". Essa assimetria está ligada a uma desigualdade que existe entre matéria e antimatéria. Como nós somos feitos de matéria, esse experimento poderá nos ajudar a desvendar um dos mistérios mais básicos da física, ligado à nossa própria origem.

domingo, 22 de novembro de 1998

A misteriosa irreversibilidade do tempo

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Todos sabem que o tempo anda sempre avante, indiferente aos questionamentos humanos. Seres vivos nascem, crescem, envelhecem e morrem, nenhum momento jamais se repete, cada segundo que passa é menos um segundo que temos de vida. A passagem do tempo é um assunto meio deprimente, mas também fascinante. Perante o tempo, somos todos impotentes. Sua passagem é democrática e, ironicamente, rígida e inflexível.
Entre as ciências, a que se preocupa com questões sobre a passagem do tempo ou mesmo com sua definição é a física. A questão do que vem a ser o tempo está, claro, intimamente ligada ao estudo do movimento.

Tempo é um conceito fundamental na descrição das mudanças que ocorrem no mundo. Em um mundo sem nenhuma transformação, a idéia de tempo não é necessária; tudo é e será como sempre foi, de modo que mudança é uma idéia irrelevante. Em religião, fala-se em deuses ou em um Deus onipresente, eterno, para o qual a passagem do tempo não existe. Mas mudanças e transformações são características fundamentais do mundo à nossa volta, e seu estudo necessariamente nos força a pensar na natureza do tempo.

Em nível mais simples, a física clássica usa o tempo meramente para descrever movimento. Quando falamos em movimento, pensamos em velocidade e aceleração. Curiosamente, um movimento em linha reta com velocidade constante é equivalente à ausência de movimento. Esse conceito, que confunde muitos principiantes da física, é na verdade simples. Quando falamos em movimento, estamos supondo a observação de algum objeto que está se movendo em relação à nossa posição no espaço. Imagine dois carros, um a 40 km/h e outro a 60 km/h. Os passageiros em cada carro verão o outro carro se movimentar em relação ao seu carro; um a 20 km/h para a frente e o outro a 20 km/h para trás! (Qual é qual?)

Agora imagine que o carro a 40 km/h aumenta sua velocidade até 60 km/h. Com os carros na mesma velocidade, os passageiros não poderão detectar movimento olhando para o outro carro (claro, olhando para uma árvore ou outro objeto externo, fica fácil detectar movimento).
Outro exemplo é um avião, em vôo perfeitamente calmo, com todas as janelas fechadas. Mesmo que esteja se movendo a centenas de quilômetros por hora, os passageiros não perceberão nada. Mas qual a relação dessa discussão com o problema da passagem do tempo? O problema é que, na física, o tempo pode passar tanto para frente quanto para trás! No exemplo dos dois carros, o sentido do tempo é irrelevante. E isso é verdade tanto na física clássica quanto para movimentos ocorrendo no mundo dos átomos ou das partículas elementares, embora nesse caso existam exceções.

O movimento dos planetas em torno do Sol pode, em princípio, ir em qualquer sentido; se filmamos esse movimento, podemos passar o filme em qualquer direção sem sabermos qual é a justa. Como a física explica a óbvia irreversibilidade do tempo? A resposta, mesmo que não completamente satisfatória, está na segunda lei da termodinâmica, que afirma que a irreversibilidade de um sistema está relacionada com sua "entropia", uma medida de sua complexidade.

Em um sistema reversível, os elementos podem retraçar seus passos da situação final até a inicial. O problema complica quando os vários elementos interagem. Nesse caso, a probabilidade de que todos os elementos do sistema possam retraçar seus passos é muito pequena, quase zero; o sistema é irreversível, e o tempo flui em uma direção. Os caminhos que as moléculas de um ovo percorrem para se tornar uma omelete são muito complexos. Reverter uma omelete a um ovo é possível, mas improvável. A irreversibilidade do tempo está relacionada à complexidade do mundo. Resta entendermos por que todos os sistemas no Universo escolheram a mesma direção.

domingo, 15 de novembro de 1998

Levitação, um efeito quântico de grandes proporções

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Imagine se fôssemos capazes de flutuar no espaço, aqui mesmo na Terra. Idéias sobre a "antigravidade", uma força produzida para cancelar o efeito da força da gravidade, sempre foi um sonho de muitos cientistas, profissionais e amadores. E não só de cientistas. Recentemente, o líder de uma seita religiosa no Reino Unido ofereceu US$ 1,5 milhão para quem inventasse uma máquina capaz de levitá-lo em frente a sua congregação (claro, ele não contou seus planos para seus inocentes seguidores. Quem quiser mais detalhes, pode consultar o endereço http://www.sci.kun.nl/hfml. levitationpubres.html). Várias pessoas juram ter visto algum guru indiano levitar por meio do poder da mente.

Será que é possível criar uma força capaz de cancelar a atração gravitacional, de modo a fazer com que objetos macroscópicos possam mesmo levitar? Descartando a possibilidade de usarmos a força do pensamento, a resposta é surpreendente: sim. A idéia é usarmos a força magnética para contrabalançar a força gravitacional. Nós sabemos que um ímã comum pode levantar facilmente um pedaço de ferro. Mas note que, assim que aproximamos o ímã do metal, o metal voa diretamente até o imã, ou seja, ele não levita. Mais ainda, pouquíssimos materiais são magnéticos como ferro ou níquel. A maioria é um bilhão de vezes menos magnética do que esses metais. Como, então, levitar um sapo, ou um ovo?

A resposta é encontrada na mecânica quântica, a parte da física que estuda o comportamento dos átomos ou de sistemas subatômicos. Numa aproximação bem simples, podemos imaginar o átomo como um minissistema solar, em que os elétrons viajam em órbitas ao redor do núcleo. Essas órbitas são concêntricas e os elétrons podem "pular" entre órbitas distintas Äo "salto quântico". Na presença de um campo magnético, os elétrons sofrem um reajustamento em suas órbitas e passam a funcionar como um material "diamagnético", que apresenta um pequeno campo magnético. Macroscopicamente, a substância passa a funcionar como um ímã, embora um ímã bastante fraco.

Apesar de o diamagnetismo ter sido descoberto em 1846 pelo grande físico inglês Michael Faraday, ninguém imaginou que o fenômeno fosse ter alguma relevância ou aplicação. Quanto à idéia de levitação, outro grande físico britânico, Lord Kelvin (William Thomson), disse: "Será provavelmente impossível observar esse fenômeno, devido à dificuldade de encontrarmos um magneto forte o suficiente (para induzir o diamagnetismo forte) ou uma substância diamagnética leve o suficiente, já que as forças magnéticas são muito fracas".

É possível mostrar que os campos magnéticos necessários para levitar objetos de dimensões relativamente pequenas, como uma amêndoa ou um sapo, têm uma intensidade apenas cem vezes maior do que um desses ímãs que usamos para pendurar recados na porta da geladeira. Mesmo que não seja possível fazer esses experimentos em casa (ainda), em um laboratório é possível adquirir o equipamento necessário por aproximadamente US$ 100 mil, soma razoável para testes nas ciências naturais.

Um grupo da Holanda conseguiu de fato levitar amêndoas, sapos, líquidos, fatias de pizza e outros objetos com alguns centímetros de diâmetro. Esses experimentos permitem simular um ambiente de "microgravidade" semelhante ao encontrado por astronautas no espaço. (Imagino que o astronauta americano John Glenn, 77, que voltou ao espaço recentemente, tenha achado a microgravidade um tanto incômoda.) Portanto, podemos estudar como plantas ou cristais cresceriam no espaço sem sairmos do laboratório, o que pode ser útil para projetos de exploração do sistema solar e mais além.

E a levitação de pessoas? Infelizmente, as tecnologias mais avançadas permitem apenas levitar um objeto com no máximo 15 centímetros. Mas, no futuro, quem sabe?

domingo, 8 de novembro de 1998

A importância do imperfeito na arte e na ciência

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

O conceito de perfeição é algo que guia muitas de nossas aspirações, tanto em nossas vidas privadas como no ambiente profissional. Falamos, ou ouvimos falar, de "relações perfeitas" entre duas pessoas como um modelo a ser seguido, ou de almejar sempre a perfeição no trabalho, "quanto mais perfeito, mais eficiente", etc. Na religião, aprendemos que nosso objetivo é chegar ao paraíso, lar da perfeição absoluta, final de jornada para aqueles que, se não conseguiram atingir a perfeição em vida, pelo menos tentaram. E, claro, o belo e o perfeito em geral andam de mãos dadas.

Como não poderia deixar de ser, muito da criatividade humana, nas artes ou nas ciências, é inspirado pelo ideal de perfeição. Mas nem tudo. Pelo contrário, várias idéias que revolucionaram nossa produção artística e científica vêm justamente da exaltação ou da percepção da importância do imperfeito.

O leitor pode pensar que estou enlouquecendo ou que acordei de mau humor. Mas não é por aí. Nas artes, exemplos do rompimento com a busca pela perfeição são fáceis de encontrar; de certa forma, quase toda a pintura moderna é ou foi baseada nesse esforço de explorar o imperfeito. Isso não significa que o imperfeito não seja belo. Por exemplo, quem já apreciou um quadro de Monet, em particular aqueles inspirados por seus jardins em Giverny, sabe que existe muita beleza no imperfeito. Talvez possamos até dizer que a pintura moderna tem como objetivo encontrar a estética do imperfeito. O mesmo com a música atonal ou esculturas abstratas. Hoje, o imperfeito é muito mais inspirador do que o perfeito.

Na física moderna, o imperfeito ocupa um lugar de honra. De fato, caso a natureza fosse perfeita, o Universo seria um lugar muito sem graça. Do microcosmo das partículas elementares da matéria ao macrocosmo das galáxias e mesmo do Universo, imperfeição é fundamental. Isso não significa que a idéia de imperfeição, ou matematicamente, de simetria exata, não seja importante na construção de nossas teorias. Sem a menor dúvida, o fato de muitos sistemas apresentarem um alto grau de simetria é fundamental para seu estudo. Por exemplo, a estrutura hexagonal dos flocos de neve é uma manifestação macroscópica de simetrias que existem em nível molecular. Mas, ao mesmo tempo, dois flocos de neve jamais serão iguais. A natureza cria uma variação sem fim em torno de um mesmo tema, ou simetria.

Segundo nossas teorias atuais, a geração de estruturas complexas a partir de componentes simples é um processo que depende fundamentalmente de alguma imperfeição. De modo geral, a coisa funciona assim: primeiro, construímos um modelo que exibe um altíssimo grau de simetria. Por exemplo, esse modelo pode descrever como as partículas elementares da matéria interagem entre si a energias muito altas, mais altas do que as que podemos simular em experimentos. Como consequência dessa simetria, o modelo exibe certas propriedades. A teoria da grande unificação diz que, em energias muito altas, as forças nucleares forte e fraca são unificadas com a força eletromagnética. A unificação das forças é consequência das simetrias exibidas com as interações das partículas com essas energias.

O segundo passo é dizer que a simetria é quebrada em energias mais baixas. Ou seja, em energia mais baixa, as forças forte, fraca e eletromagnética não se comportam mais de modo unificado ou simétrico. Em particular, esse é o caso das energias em que vivemos, em nossa realidade assimétrica. Durante a história do Universo, houve várias quebras de simetria. Como produto dessas imperfeições, apareceram as massas dos elétrons, prótons e nêutrons, as partículas que constituem a matéria. Vários outros "fósseis" das imperfeições cósmicas foram propostos nos últimos 20 anos. Cada vez fica mais claro que, a nova ciência, como a nova arte, precisa do imperfeito para criar.

domingo, 1 de novembro de 1998

O gene egoísta e a indiferença da natureza

MARCELO GLEISER
especial pata a Folha

Eu me lembro do choque e irritação que sentia, quando criança, ao assistir a esses documentários sobre a violência do mundo animal; batalhas mortais entre escorpiões e aranhas, ou centenas de formigas devorando um lagarto ainda vivo, ou baleias assassinas atacando focas e pinguins, ou leões atacando antílopes etc. E, para finalizar, apareciam as detestáveis hienas, "rindo" enquanto comiam os restos de algum pobre animal.

Como que a natureza pode ser assim tão cruel e insensível, indiferente a tanta dor e sofrimento? (Eu vou me abster de falar da dor e sofrimento que a espécie dominante do planeta, supostamente a de maior sofisticação, cria não só nos animais, mas também em si própria. Bem, acho que já falei.) Certos exemplos são particularmente horríveis: existe uma espécie de vespa cuja fêmea deposita seus ovos dentro de lagartas. Ela paralisa a lagarta com seu veneno, e, quando os ovos chocam, as larvas podem se alimentar das entranhas da lagarta, que assiste viva ao martírio de ser devorada de dentro para fora.

A resposta é que a natureza não tem nada a dizer sobre compaixão ou ética de comportamento. Por trás dessas ações assassinas se esconde um motivo simples: a preservação de uma determinada espécie por meio da sobrevivência e transmissão de seu material genético para futuras gerações. Portanto, para entendermos as intenções da vespa ou do leão, temos de esquecer qualquer tipo de julgamento que possamos fazer com relação à "humanidade" desses atos (aliás, não é à toa que a palavra "humano", quando usada como adjetivo, expressa o que chamaríamos de comportamento decente. Parece que isentamos o resto do mundo animal desse comportamento, embora seja óbvio o quanto é fácil para nós nos unirmos aos animais em nossas ações "desumanas").

O gene é um grande egoísta. O zoólogo e escritor inglês Richard Dawkins, um dos grandes divulgadores de ciência para o público não-especializado, usa frequentemente esse termo "gene egoísta", inclusive como título de um de seus livros. A idéia é que a preservação (pela sobrevivência do animal) e a transmissão (pela geração de uma prole) de DNA -material genético dos seres vivos- explicam vários "mistérios" do mundo natural, incluindo a sua aparente crueldade, que tanto nos choca nos documentários de TV.

Por exemplo, a plumagem às vezes excessiva nos machos de algumas espécies de pássaros, como o pavão, ou as complicadas e elaboradas danças de acasalamento de outras podem ser explicadas pelo egoísmo dos genes; o macho com melhor plumagem, o melhor dançarino ou o melhor cantor são, aos olhos da fêmea, os portadores dos genes mais saudáveis e, portanto, uma melhor escolha para o acasalamento. E quanto mais saudáveis os pais, mais saudáveis serão seus descendentes.

Como podemos ter certeza, ou ao menos defender, esse tipo de argumento? Um dos métodos é conhecido como "engenharia ao reverso": Ao analisarmos um par de predador e presa, como o leão e o antílope, vemos que ambos são equipados para cumprir suas missões; o leão, com suas garras, dentes e músculos, para perseguir, atacar e matar o antílope; o antílope, para escapar o mais rapidamente possível do leão. O equilíbrio é alcançado à medida que os números de animais das duas espécies vai se autocontrolando. Sem leões, as savanas africanas estariam abarrotadas de antílopes, e, sem antílopes, os leões morreriam de fome (claro, estou simplificando o sistema predador-presa para exemplificar o argumento).

Segundo esse prisma, a idéia de compaixão é puramente humana. Predadores não têm a menor culpa de matar suas presas, pois sua sobrevivência e a de sua espécie dependem dessa atividade. E na mesma espécie? Para propagar seu DNA, machos podem lutar até a morte por uma fêmea ou pela liderança do grupo. Mas aqui poderíamos falar também da espécie humana, não?