domingo, 30 de maio de 1999

Há 80 anos, Einstein brilhava no eclipse de Sobral



Em ciência, boas idéias não bastam; é preciso confirmá-las por meio de observações precisas. A natureza nem sempre se comporta conforme nosso intelecto deseja. Ao propor uma nova teoria, o cientista tem de estar preparado para o ceticismo de seus colegas. É justamente esse ceticismo e o processo de averiguação de novas idéias que legitima a ciência e suas conquistas.
Poucos cientistas foram tão ousados intelectualmente quanto Einstein. No início do século 20, ele escreveu vários artigos que revolucionaram nossa concepção do espaço, do tempo e da gravidade -na teoria da relatividade (TR)-, da luz e suas propriedades e do comportamento da matéria ao nível atômico. Curiosamente, seu Prêmio Nobel de 1921 foi dado por suas idéias sobre as propriedades da luz e não sobre a TR. Certas idéias demoram para ser aceitas.

A TR tem duas partes, as chamadas teorias especial e geral. A teoria da relatividade especial (TRE), proposta em 1905, discute como observadores em movimento relativo com velocidade constante podem comparar os resultados de suas medidas físicas. A restrição a movimentos com velocidade constante incomodava Einstein. Afinal, a maioria dos movimentos na natureza são acelerados. Em 1907, ele teve uma inspiração que abriu as portas para sua nova teoria; é possível imitar os efeitos da gravitação com movimentos acelerados. Por exemplo, quando um elevador sobe -um movimento acelerado-, você se sente mais "pesado". O mesmo efeito poderia ser obtido se fosse possível aumentar a massa da Terra (ou diminuir seu raio), aumentando seu campo gravitacional.

Até então, a teoria da gravitação aceita era aquela proposta em 1687 por Newton. Em 1907, Einstein esboça suas idéias sobre uma teoria da relatividade geral (TRG) e sua relação com a gravitação, mas ainda sem muitos detalhes. Ele propõe que a gravitação poderia desviar raios de luz de suas trajetórias retilíneas, algo que já se especulava desde o início do século 19. Em 1911, ele retoma o projeto, mostrando como o desvio poderia ocorrer mesmo na teoria de Newton, após certas modificações. Como teste desse possível efeito, Einstein sugere medir a posição de estrelas "atrás" do Sol durante um eclipse total (para ofuscar sua luz) e após o eclipse, quando o Sol ocupa outra posição. Caso a gravidade afetasse a luz, as posições das estrelas seriam deslocadas durante o eclipse, pois sua luz passaria perto do Sol.

A primeira tentativa de observação desse efeito deu-se em Minas Gerais, em 1912, por astrônomos ingleses, franceses e brasileiros. A equipe brasileira era chefiada por Henrique Morize, diretor do Observatório Nacional. Infelizmente, as chuvas impediram a observação do eclipse. Outras tentativas em 1914 foram interrompidas pela 1ª Guerra Mundial, inclusive com a prisão da equipe alemã, na Criméia, pelo exército russo.

Einstein refinou sua teoria, mostrando, em 1915, que a gravitação pode ser interpretada como uma curvatura na geometria do espaço. Essa teoria previa um desvio da luz pela gravidade duas vezes maior que na teoria newtoniana. Toda a atenção é então dedicada ao eclipse total de 29 de maio de 1919, no Brasil e parte do Atlântico Sul. Esta coluna festeja o 80º aniversário dessa data.

Duas equipes mediram o desvio da luz durante o eclipse de 1919; uma na ilha de Príncipe, no oeste da África, e outra em Sobral, no Ceará. As medidas em Príncipe, dirigidas pelo astrofísico britânico Arthur Eddington, sofreram com o mau tempo. Já as de Sobral, dirigidas pelo astrônomo britânico Charles Davidson, foram um sucesso.

Após a análise dos resultados, ficou claro que as idéias de Einstein estavam corretas. A luz é mesmo desviada pela gravidade do Sol por um fator calculável por meio da TRG. A consagração de Einstein, como um dos grandes cientistas de todos os tempos, deve muito ao belo céu cearense.

domingo, 23 de maio de 1999

Um futuro movido a hidrogênio



Quais serão nossas fontes de energia no futuro? A história da civilização pode ser contada como a busca por combustíveis capazes de gerar a energia necessária para nos aquecer no inverno, cozinhar alimentos e, mais recentemente, alimentar nossa gigantesca máquina tecnológica.
O padrão básico é a adoção contínua de combustíveis capazes de gerar cada vez mais energia com um custo decrescente de extração.

Após a queima de muita madeira e de carvão vegetal e mineral (que, como sabemos, ainda ocorre), nós entramos na era dos derivados do petróleo e do gás natural, todos esses combustíveis fósseis. Esses combustíveis são encontrados em depósitos subterrâneos, formados durante milhões de anos, a partir de restos animais e vegetais. Cobertos por camadas de minerais, esses depósitos são submetidos a pressões crescentes, liberando água e substâncias voláteis, enquanto o hidrogênio fixa-se ao carbono, formando hidrocarbonos, e assim por diante. O problema é que essas fontes não só são altamente poluentes como também não-renováveis; o petróleo e o gás natural vão acabar (em algumas décadas) e novas alternativas devem ser criadas.

A energia nuclear, uma grande promessa para o futuro devido a sua eficiência, torna-se cada vez mais inviável devido aos possíveis riscos com reatores, como o acidente que ocorreu em Chernobil, Ucrânia, em 1986, quando um dos quatro reatores explodiu, matando 31 pessoas imediatamente, hospitalizando outras 500 e causando a evacuação de uma área de 30 km de raio em torno da usina. A contaminação desse único acidente foi tal que países do norte europeu tiveram de proteger suas reservas alimentares e a incidência de certos tipos de câncer na região é, ainda hoje, quatro vezes maior que no resto da Ucrânia. Fora o risco de acidentes, outro problema é a disposição do lixo radioativo, produzido nos reatores.

Sem dúvida, precauções podem ser tomadas para que o uso da energia nuclear seja seguro; em 1993, 430 usinas nucleares estavam em operação em 27 países, produzindo 17% da energia mundial, números que, sem dúvida, são maiores hoje. Mas há o risco de acidentes, e a quantidade de minerais radiativos usados na produção de energia por fissão (quebra de núcleos atômicos pesados em núcleos mais leves), como o urânio 235 ou o plutônio 239, é também limitada.

Uma outra alternativa, a fusão nuclear, em que núcleos leves (como isótopos de hidrogênio) são fundidos em núcleos mais pesados (como o hélio), liberando uma quantidade fenomenal de energia, não foi ainda tornada economicamente viável; a quantidade de energia gerada é muito menor do que a energia usada para promover a fusão nuclear. É uma pena, pois o combustível, o hidrogênio, é o elemento mais abundante no Universo. A propósito, as estrelas geram sua energia pela fusão nuclear. Basicamente, reatores de fusão na Terra devem reproduzir as condições de temperatura e pressão no interior de uma estrela, um feito tecnológico nada trivial.
Outras possibilidades incluem o uso do álcool, como no programa desenvolvido no Brasil, a energia eólia ou as marés. Mas a fonte de energia mais promissora vem do hidrogênio em forma de gás. Seu uso não seria como em motores a explosão, mas sim na alimentação para mover carros, fábricas etc. Um carro movido a hidrogênio - batizado de "hipercarro" pelo americano Amory Lovins, um proponente do hidrogênio como combustível - produz apenas vapor d'água como "poluição" e não faz barulho.

O hidrogênio seria produzido em refinarias -sem a poluição usual- ou no porão de sua casa, a partir de água, ou metano (CH4). A energia necessária para a produção local de hidrogênio viria de células solares em seu telhado ou na vizinhança. As possibilidades e os ganhos são imensos; não só para o futuro da nossa civilização, mas para o de nosso pobre e finito planeta.

domingo, 16 de maio de 1999

Universos múltiplos e chances de formação de vida



A idéia de que o Universo surgiu há 15 bilhões de anos, de uma "singularidade" no espaço e no tempo conhecida como Big Bang, é algo que inquieta não só muitos físicos como também muitos ateus. Afinal, essa misteriosa criação é parecida com o mito judaico-cristão que encontramos no livro do Gênesis, no Antigo Testamento: uma explosão inicial, muita luz etc.

Sem dúvida, existem elementos semelhantes entre essa visão científica da criação e a visão judaico-cristã. Mas as diferenças são mais importantes do que as semelhanças, embora elas não sejam divulgadas com a mesma verve. Para começar, o mito da criação visa estabelecer uma narrativa que define a hierarquia moral necessária na estruturação da religião. Portanto, aprendemos que há um Deus que cria o mundo ex nihilo, a partir do nada, e que a criação envolve a separação de opostos, como luz e trevas. O mito cria uma ponte entre o nosso mundo e a divindade, por uma história possível de entender.

Já a narrativa científica é diferente. Ela não é baseada em uma hierarquia de poder e deve ser acessível a qualquer pessoa versada em suas técnicas, independentemente de sua fé pessoal. Portanto, uma descrição científica sobre a origem do Universo deve ser analisada apenas pelas lentes da ciência e não da religião do cientista ou do público interessado. A linguagem científica atravessa barreiras religiosas, políticas ou sociais.

Mas e o Big Bang? A maioria das popularizações desse modelo cosmológico começa já com um erro fundamental, que acaba por confundir as pessoas. O modelo do Big Bang não tem nada a dizer sobre o momento "inicial"; sua formulação original, baseada na física clássica, deixa de fazer sentido ao nos aproximarmos do t=0, quando temperatura, pressão e densidade da matéria atingem valores absurdamente altos. A tal "singularidade inicial" ocorre quando insistimos em aplicar as leis da física clássica a situações que requerem outro tipo de tratamento, baseado na física quântica, que estuda o mundo atômico e subatômico; o Universo passa a funcionar com outras leis.

Segundo a física quântica, o vazio não existe; sempre haverá pequenas flutuações de energia aqui e ali no espaço, mesmo que, em média, a energia seja zero. Usando a relação E=mc2, essas flutuações de energia dão origem a partículas de matéria que, após uma efêmera existência, voltam a fazer parte do nada de onde vieram. Essa idéia de flutuação de energia pode ser adaptada a todo o Universo; de um nada inicial, em que a energia em média é zero, pequenas flutuações criam inúmeros universos, como bolhas em um caldeirão mágico, que ferve sem fogo. Dessas flutuações, muitas desaparecem imediatamente, outras após algum tempo e outras poucas crescem, tornando-se universos onde a vida pode se desenvolver.

Aplicando a física quântica à cosmologia, transformamos a criação em um processo estatístico, onde um universo como o nosso é apenas um entre "zilhões" de outros possíveis. Um vencedor de uma loteria diria que, sem dúvida, venceu com a ajuda de Deus; já um perdedor diria que as chances são mesmo tão pequenas que é praticamente impossível vencer. Nós vivemos no Universo premiado...

Será que somos mesmo especiais, uma aberração estatística? Sim e não; caso a gravidade fosse um pouco mais forte, o Universo colapsaria sobre si próprio; se muito fraca, ele expandiria tão rapidamente que estruturas complexas, como galáxias, não existiriam. Mas nós estamos aqui, em um Universo capaz de gerar vida, nos perguntando essas coisas. Somos únicos? De acordo com a visão quântica da criação, outras criaturas nesse ou em múltiplos outros universos "premiados" se perguntam a mesma coisa. O mistério passa a ser menos o momento da criação e sim o cálculo da probabilidade de um universo como o nosso ter surgido de uma flutuação energética a partir do nada.

domingo, 9 de maio de 1999

A união entre a razão e a emoção



Em 1959, o famoso escritor e físico inglês C.P. Snow proferiu uma palestra na Universidade de Cambridge, no Reino Unido, intitulada "As Duas Culturas e a Revolução Científica". Segundo Snow, uma polarização crescente entre as culturas científica e literária estava levando a uma fragmentação do conhecimento humano, sintomática de uma sociedade confusa e doentia.
Snow criou polêmica entre os defensores dos dois campos. De um lado, cientistas acusavam os humanistas de um excessivo intelectualismo que os isolava da sociedade, criando uma cultura elitista absolutamente inútil. Já os humanistas acusavam os cientistas de criar um mundo tecnológico destituído de emoções, poluído e perigoso.

O próprio Snow sugeriu uma solução para o impasse: a criação de uma terceira cultura, a do cientista-humanista, que seria não só capaz de gerar idéias, mas de traduzi-las de modo acessível ao público. A terceira cultura seria a ponte entre razão e emoção, o meio para o cientista revelar a poesia da ciência, e o poeta, a ciência da poesia. Como consequência, a terceira cultura seria a expressão de uma unificação do conhecimento, produto do trabalho do cientista-humanista.

Em seu livro recente, "Consiliência" (Editora Campus), o biólogo e divulgador de ciência Edward O. Wilson propõe precisamente essa unificação do conhecimento, por meio de uma "cientificação" da cultura humanista. Wilson é, sem dúvida, um dos melhores exemplos do cientista-humanista das últimas décadas. Poucos conseguem, como ele, revelar as paixões e os anseios de uma vida dedicada à pesquisa, com glórias e fracassos, o seu lado humano.
Wilson tece seus argumentos em favor de uma unificação do conhecimento, visitando tanto a história da ciência quanto a história das idéias. Segundo ele, a crise começou no século 18, com os "excessos" dos proponentes do Iluminismo -o movimento intelectual que via a razão como fonte de todo o conhecimento, em detrimento da emoção. O resultado foi a criação do movimento Romântico, que desprezava a razão, baseando-se exclusivamente em emoções e sensações para construir uma visão poética do mundo. Um cinismo mútuo contribuiu para aumentar a animosidade entre a cultura da "razão" e a da "emoção".

Claro, ambos os movimentos erraram em seu radicalismo; adaptando uma frase de Einstein, que usou argumento semelhante comparando ciência e religião, a razão sem emoção é capenga e a emoção sem razão é cega. Como em qualquer atividade criativa, não existe uma clara distinção entre as duas culturas. Não há uma polarização radical do processo criativo em ciência ou em qualquer atividade artística; o cérebro humano, de onde brota a criatividade (assim como as polêmicas!), não tem compartimentos separados dedicados exclusivamente à razão ou à emoção. O funcionamento do cérebro é integrado, isto é, une funções diferentes para chegar a um resultado final específico, como uma orquestra que integra as cordas aos sopros e à percussão para produzir uma sinfonia, a consciência como regente. Portanto, o matemático estudando teoria algébrica ou o poeta criando elegias à natureza estão continuamente integrando suas faculdades racionais e emocionais.

Infelizmente, esses raciocínios não ajudam muito a resolver o problema. O que deve ser feito é uma integração como a sugerida por Wilson e outros, a divulgação de idéias científicas de forma humanística, efetivamente gerando essa terceira cultura. O leitor com acesso à Internet pode consultar o site www.edge.org, um fórum de debates entre acadêmicos criado pelo agente literário John Brockman. Embora o fórum tenha o objetivo ambíguo de vender mais livros dos seus clientes (eu sou um ex-cliente) e irrite bastante certos intelectuais, a iniciativa é excelente. Mas, para ser eficiente, o fórum tem de incluir membros de todas as culturas, sem cinismo.

domingo, 2 de maio de 1999

Sonhos e angústias na unificação da física



A história da física pode ser contada como uma busca pela simplificação, por uma descrição compacta da enorme variedade de fenômenos naturais. Tanto assim que teorias são julgadas pela sua capacidade de descrição de uma grande variedade de fenômenos; as "melhores" teorias são aquelas que, usando apenas alguns princípios básicos, abrem as portas para diversas possibilidades.

Embora não exista uma definição óbvia de unificação, as grandes teorias da física são unificadoras, isto é, descrevem aspectos aparentemente diversos da natureza a partir de uma estrutura conceitual e matemática única. Um exemplo bem conhecido é a teoria da gravitação universal, publicada em 1687. Nela, Isaac Newton mostra que a força que move os planetas em órbita em torno do Sol é a mesma que promove a queda de objetos aqui na Terra. Newton unificou a física dos céus e a terrestre, antes consideradas domínios completamente diferentes.

Já no século 19, Michael Faraday e James Clerk Maxwell obtiveram outra unificação profunda dos fenômenos naturais, ao desenvolver a teoria do eletromagnetismo, em que fenômenos elétricos e magnéticos são vistos como manifestações de um único campo eletromagnético e não como fenômenos separados. Portanto, uma corrente elétrica fluindo em um fio traz um campo magnético (o leitor pode testar isso ao colocar uma bússola perto de um fio elétrico e observar que o ponteiro se move quando há corrente - mas cuidado para não levar choque!), enquanto um campo magnético dependente do tempo cria um campo elétrico (por exemplo, um ímã em movimento cria corrente elétrica em um fio).

Tanto Newton quanto Faraday e Maxwell foram muito influenciados por suas visões filosófico-religiosas; eles acreditavam que a natureza, em seu nível mais fundamental, é essencialmente simples, e que a complexidade que observamos no mundo pode ser compreendida com apenas algumas leis básicas.

O eletromagnetismo de Faraday e Maxwell trouxe o conceito de "campo" para a física. Nós estamos cercados de campos por todos os lados! Forças são produzidas por campos; quando aproximamos uma massa pequena de uma massa bem grande, a massa pequena sente o puxão da força gravitacional; quando aproximamos uma carga negativa de outra positiva, a negativa é atraída em direção à carga positiva. Essas forças de atração ocorrem pela presença de campos (a massa grande e a carga positiva também são atraídas).

Em 1916, Einstein propôs uma nova teoria da gravitação, a teoria da relatividade geral, em que mostrou que a força gravitacional é equivalente a uma curvatura do espaço (na verdade, do espaço-tempo) em torno de uma concentração de massa; do mesmo modo que uma bola de chumbo colocada sobre um colchão irá curvá-lo, massas grandes curvam a geometria à sua volta. Portanto, massas menores irão "sentir" a presença dessas massas ao se mover no espaço curvo à sua volta.

Sua teoria era tão elegante sob o ponto de vista conceitual e matemático, que Einstein partiu em busca de uma nova unificação, entre a gravitação e o eletromagnetismo, usando sua nova linguagem geométrica. Foram décadas de tentativas, de ilusões e de frustração. Paralelamente ao esforço de Einstein, outros físicos tentaram usar espaços com mais dimensões para unificar as duas forças. A chamada teoria de Kaluza-Klein usa cinco dimensões, quatro espaciais e uma temporal para unificar a gravitação ao eletromagnetismo.

Hoje, sabemos que há duas outras forças fundamentais, as forças nucleares forte e fraca. Os esforços de Einstein, Theodor Kaluza e Oskar Klein continuam a inspirar a unificação das forças, onde espaços de mais de quatro dimensões e outros ingredientes, como as supercordas, são usados para atingir o objetivo final. Mas essa busca vai ter que ficar para outra coluna.