quinta-feira, 27 de janeiro de 2000

Buscando a liberdade no interior do núcleo

O núcleo atômico, essa concentração de massa com diâmetro da ordem de um milésimo de bilionésimo de centímetro, tem uma personalidade bastante ambivalente na sociedade moderna. Por um lado, a energia liberada nos processos de fissão nuclear vem contribuindo cada vez mais na produção mundial de energia; avanços na medicina nuclear são extremamente importantes na luta contra várias formas de câncer. Por outro lado, o lixo nuclear, materiais radioativos altamente tóxicos produzidos tanto durante a geração de energia quanto no uso em medicina, apresenta um sério problema ambiental. Isso sem falar no lado realmente pesado do uso do núcleo atômico, nas bombas de fissão e de fusão (bomba "H") nuclear. Com toda essa carga emocional, minha escolha de título para essa Micro/Macro deve parecer paradoxal. Afinal, como que liberdade pode coabitar com física nuclear? Em contrapartida, há quem defenda a posição de que a paz mundial se deve a existência de bombas nucleares.

Para responder a essa pergunta, devemos nos esquecer, por algumas linhas, das repercussões mais nefastas da energia nuclear e nos concentrarmos na belíssima física nuclear moderna. Antes de mais nada, uma breve revisão: o núcleo atômico é composto de prótons e nêutrons, os prótons com carga elétrica positiva e os nêutrons...adivinhe! Imediatamente, surge uma questão óbvia. Se os prótons tem carga positiva e cargas iguais se repelem, o que mantém o núcleo colado? Existe uma outra força no núcleo, a força nuclear forte, que é em torno de 100 vezes mais forte do que a repulsão elétrica. Essa força "gruda" os prótons e nêutrons juntos e só age dentro de distâncias nucleares. Isso já sabíamos desde a década de 30. Já nos anos 60, descobriu-se que os prótons e nêutrons, e centenas de outras partículas observadas em experimentos de altas energias, são feitos de uma outra partícula, o quark. Na verdade, existem seis quarks, conforme descobrimos nos anos 90.

Os quarks são partículas muito tímidas. Sua propriedade mais misteriosa é chamada de confinamento: não podemos observar um quark livre, como observamos um elétron ou um próton. Quarks sempre aparecem em pares ou triplas. Se tentarmos separar um par de quarks de forma a isolar um deles, acabamos criando dois pares! O mesmo acontece com ímãs; se você tentar "isolar" um polo magnético quebrando o ímã, você acaba com dois ímãs. A imagem que usamos para representar tal fenômeno é a de um par de quarks ligados por uma mola.

Se expandirmos a mola até ela quebrar, a energia usada cria um novo par de quarks, e ficamos com duas molas e dois pares de quarks na mão; como dizia Einstein, E=mc2, a energia pode criar matéria. Mas nem tudo está perdido.

A mesma teoria que descreve quarks descreve como eles interagem entre si, também por meio de uma força forte. Eles trocam partículas chamadas glúons, que mantém os quarks unidos nos prótons, nêutrons, etc. Essa teoria prevê que a timidez dos quarks desaparece a distâncias bem íntimas. Ou seja, a distâncias muito pequenas e energias muito altas, os quarks se comportam como partículas livres, num processo chamado de liberdade assintótica. Essas distâncias só podem ser atingidas de dois modos: a frações de segundo após o Big-Bang, a fase de altíssimas temperatura e densidade que marca o início da historia do universo, ou em colisões entre núcleos atômicos a altíssimas energias. Nessas condições dramáticas, as partículas que contém os quarks e os glúons sofrem uma metamorfose, transformando-se em uma sopa de quarks e glúons, ou um plasma de quark-glúons, como ovos mutantes que se quebram revelando suas duas ou três gemas (os quarks) e a clara em torno delas (os glúons).

No início de fevereiro, um time com mais de 600 físicos no Cern, laboratório europeu de física de altas energias, declarou ter identificado a presença do plasma de quark-glúons em colisões de núcleos de chumbo e ouro. Para tal, as colisões criaram temperaturas 100 mil vezes maiores que no centro do Sol, que ocorreram quando o Universo tinha menos de um milésimo de segundo de existência. Certos tipos de timidez são extremamente persistentes.

domingo, 23 de janeiro de 2000

Brasileiros buscam pistas sobre a estrutura da matéria

Quando físicos contam para seus amigos que eles estudam a estrutura fundamental da matéria, num bate-papo durante uma festa ou num barzinho, eles podem querer dizer coisas bem diferentes, dependendo de sua área de especialização; um físico pesquisando as propriedades de materiais, como cristais de germânio ou silício, e outro estudando o interior do núcleo atômico, usam metodologias experimentais completamente diferentes, desenhadas para responder questões também diferentes.

Na corrida pela compreensão do muito pequeno, estamos realizando experiências que investigam a estrutura da matéria a distâncias muito menores do que um próton, o integrante do núcleo atômico com carga positiva e um diâmetro aproximado de um milionésimo de bilionésimo de metro (ou 10-15 metros)!Para tal, usamos máquinas conhecidas como aceleradores de partículas, que aceleram dois feixes de partículas em direções contrárias em um túnel subterrâneo de quilômetros de circunferência.

Em certos pontos, esses dois feixes colidem e os cientistas estudam os detritos dessas colisões, que aparecem na forma de novas partículas. Nos pontos das colisões, físicos posicionam os detectores de partículas, que são como máquinas fotográficas desenhadas exclusivamente para captar tipos específicos de partículas que surgem durante as colisões.

Alguns fatores são essenciais para o sucesso da experiência: 1) quanto maior a energia do acelerador, mais profunda nossa cirurgia no interior das partículas subatômicas; 2) quanto mais "focado" for o feixe de partículas, maior a probabilidade de várias colisões ocorrerem nos pontos de encontro dentro dos detectores: isso é o que os físicos chamam de maior "luminosidade"; 3) quanto mais preciso o detector, maior nossa probabilidade de detectar eventos interessantes, possivelmente até novas espécies de partículas.

Atualmente, o acelerador recordista mundial de energia é o "Tevatron", que se encontra a oeste de Chicago, no laboratório conhecido como Fermilab. O Tevatron tem dois detectores, o "CDF" e o "D0". É no D0, um gigante com altura de cinco andares e pesando centenas de toneladas, que encontramos um grupo de físicos e engenheiros brasileiros, parte de uma colaboração envolvendo 50 instituições de pesquisa em 16 países.

A participação brasileira também representa um consórcio de instituições e universidades que inclui, no Rio, o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas e as Universidades Federal e Estadual; em São Paulo, a Universidade Estadual de Campinas e o Instituto de Física Teórica da Unesp; e a Universidade Federal da Bahia.Alguns membros do grupo brasileiro, como Alberto Santoro e outros, já têm uma relação antiga com o Fermilab, havendo participado de vários experimentos na última década.

A novidade é que o D0 está sendo reformado e uma parte importante dessa reforma se deve à contribuição dos cientistas brasileiros. Essa reforma é necessária devido a um futuro aumento na luminosidade do Tevatron, que exigirá um nível de precisão bem mais elevado do detector. O grupo está envolvido no chamado "Detector de Prótons Espalhados", criando dispositivos chamados de "potes romanos", em homenagem ao físico italiano (e romano) Giorgio Mathiae, que desenvolveu os primeiros potes.

Esses potes alojam sofisticados detectores de posição que são então acoplados ao corpo do D0. Com eles, os cientistas esperam seguir o processo de colisão das partículas desde seus momentos iniciais, que passavam despercebidos no passado. A esperança é que esses momentos iniciais incluam fenômenos que abrirão novas direções em nossos estudos da física subatômica.É importante exaltar o aspecto tecnológico do projeto; os detectores de posição usam fibras ópticas acopladas a amplificadores de alta precisão, puxando os limites dessas tecnologias. Isso só pode acontecer nas mãos de um time de altíssima qualidade, um exemplo da ciência de alta qualidade realizada por aqui.

domingo, 16 de janeiro de 2000

A recriação da infância do Universo em laboratório

Nem sempre o dito popular "falem mal, mas falem de mim" é bem-vindo. Um exemplo recente diz respeito a um experimento de extrema importância que será realizado no Laboratório Nacional de Brookhaven, no Estado de Nova York, nos EUA. Um acelerador de partículas, com o nome pouco romântico de Colisor Relativístico de Íons Pesados (do inglês RHIC), andou recebendo manchetes em vários jornais e revistas do mundo inteiro.

Em princípio, essa atenção da mídia é de grande relevância para divulgar a ciência ao público não-especializado: como a ciência pura é, em sua maior parte, financiada pelo governo por meio de bolsas tiradas do orçamento da União -que, por sua vez, vem de impostos-, a população tem o direito de saber para onde está indo esse dinheiro. Mais ainda, a ciência faz parte da cultura gerada pela sociedade e deve, portanto, ser apresentada a essa, do mesmo modo que a música, a pintura ou o cinema. Em um brado bem populista, pode-se até dizer que "a ciência vem do povo e é para o povo".

Voltando ao laboratório de Brookhaven, os jornais anunciaram que a máquina lá construída poderia provocar o fim do mundo: o apocalipse causado por nossas próprias mãos, e não por obra divina. O prestigioso jornal britânico "Sunday Times" alertou que "máquina do Big Bang pode destruir a Terra". Claro, várias pessoas ficaram muito preocupadas com essas notícias que, caso fossem verdadeiras, seriam mesmo assustadoras.

Eis então um ótimo exemplo da mídia dando cobertura à ciência de forma histérica e irresponsável. Esse tipo de atenção da mídia só contribui para aumentar ainda mais as suspeitas que as pessoas têm com relação a pesquisas científicas de altas energias.O RHIC é uma máquina capaz de acelerar íons pesados -núcleos de átomos de elementos como o ouro- até velocidades próximas à velocidade da luz. Esses íons são acelerados em sentido contrário e colidem uns com os outros dentro de detectores, usados para estudar os resultados dessas colisões. O acelerador é um anel subterrâneo, com 3,8 km de circunferência, e sua operação conta com mais de 800 físicos e técnicos do mundo inteiro.

A missão do projeto é recriar as condições de energia e temperatura existentes no Universo, centésimos de milésimos de segundos após o Big Bang.A histeria começou na sessão de "Cartas dos Leitores" da revista americana "Scientific American". Alguns leitores levantaram a possibilidade de as colisões entre íons pesados poderem criar um miniburaco negro que imediatamente afundaria até o centro da Terra, devorando-a em minutos. Em astrofísica, buracos negros são os restos mortais de estrelas bem mais maciças do que o Sol.Mas, em princípio, qualquer concentração de matéria, caso ela seja comprimida a altíssimas densidades, pode ser transformada em um buraco negro.

Para converter um ser humano em um buraco negro, basta comprimi-lo em uma bola com o diâmetro de um bilionésimo de um próton! Essa operação requer energias absolutamente impossíveis para nossos laboratórios. O mesmo com íons de ouro.Outra possibilidade levantada foi a formação de objetos exóticos chamados "strangelets", formados por uma combinação de três tipos de quarks: "up", "down" e "strange". Os quarks "up" e "down" formam o próton e o nêutron, sendo, junto ao elétron, as partículas fundamentais da matéria. Há quatro outros tipos de quarks, incluindo o strange, que são criados e destruídos durante colisões de altas energias.

Caso um strangelet de longa vida e carga negativa fosse criado, ele teria o mesmo efeito de um buraco negro. Um grupo de físicos mostrou que strangelets só podem aparecer no interior de estrelas de nêutrons, objetos astrofísicos com densidades milhões de bilhões de vezes maiores do que o ouro. As descobertas que poderão ser feitas no RHIC são muito promissoras. Mas, certamente, não são apocalípticas.

domingo, 9 de janeiro de 2000

A busca pela gravitação quântica

Em física, o lema "quanto mais simples melhor" é muito importante. De fato, a história das grandes conquistas da física teórica pode ser recontada como a história da busca pela unificação de teorias que, aparentemente, não têm uma ligação imediata. A primeira grande unificação da física ocorreu quando o inglês Isaac Newton demonstrou que a força da gravidade que faz com que uma maçã caia no solo é a mesma que faz com que os planetas girem em torno do Sol.

No século 19, James Clerk Maxwell mostrou que a óptica e os fenômenos elétricos e magnéticos são manifestações de uma única força, a força eletromagnética. Para tal, Maxwell e também Michael Faraday introduziram o conceito de "campo", que reflete no espaço a presença de alguma fonte. Por exemplo, um ímã gera um campo magnético à sua volta, que atrai ou repele outro ímã. Quando esse ímã entra em movimento, ele também gera uma força elétrica que irá interagir com cargas elétricas à sua volta. De lá para cá, o conceito de campo passou a ser essencial em física.

Em 1916, Einstein mostrou que a força gravitacional pode ser interpretada como uma distorção no espaço (e no tempo) em torno de um objeto com massa, unificando a geometria e a gravidade. Ele passou os últimos 30 anos de sua vida procurando uma formulação de sua teoria que unificasse o eletromagnetismo de Maxwell e a força gravitacional.Essa busca pelo "campo unificado" persiste até hoje, apesar de ela ter avançado em direções que nem mesmo Einstein poderia ter intuído.

Com a exploração das propriedades da matéria a distâncias cada vez menores, duas outras forças foram descobertas, as forças nucleares forte e fraca. Dos anos 60 até os anos 80, físicos teóricos construíram uma teoria unificada das forças eletromagnética e fraca, criando a força eletrofraca. Essa teoria deixou claro que o caráter unificado de diferentes forças se manifesta quando estudamos a matéria e suas interações em energias muito altas, o que equivale a distâncias cada vez menores.

Hoje, existem modelos que visam unificar a força forte com a eletrofraca, em energias milhões de bilhões de vezes maiores que as energias nucleares. E a força gravitacional? Aí a coisa complica muito.Isso por causa da ligação da força gravitacional com a geometria do espaço. Como a mecânica quântica, que é a base da unificação das outras três forças, mostra, no mundo do muito pequeno nada é contínuo; tudo se manifesta em pequenos pacotes, ou "quanta". Portanto, para trazer a gravidade dentro desse esquema de unificação, ela também deve ser "quantizada".

Como a gravitação está ligada com a geometria do espaço e com a passagem do tempo, quantizar a gravitação significa quantizar o espaço e o tempo! Ou seja, nas energias absurdamente altas em que a gravitação é quantizada, os conceitos de espaço e tempo deixam de fazer sentido.Para resolver esse dilema, físicos criaram novas entidades para descrever a estrutura material do mundo, as supercordas. A idéia por trás das supercordas é que todas as partículas e forças são na verdade provenientes desses objetos, que vibram com energias diferentes.

Até o momento, a teoria tem se deparado com grandes obstáculos matemáticos que vêm impedindo seu progresso. Mas pequenos passos têm sido dados e hoje vemos que existem apenas cinco tipos de teorias de cordas fundamentais, que se manifestam como partículas a energias mais baixas. Essas teorias têm relações entre si.

Claro, o ideal seria ter uma teoria, pois seu limite em baixas energias geraria as quatro forças da natureza.Mas como explicar o movimento de algo, mesmo uma supercorda, sem a idéia de espaço e tempo? Como o leitor pode ver, o desafio continua em aberto.Talvez, no final desse novo século, tenhamos alguma idéia do princípio fundamental que rege a teoria das supercordas e, com ela, a unificação de todas as forças da natureza. Ou, perversamente, teremos descoberto que, conceitualmente, as coisas não funcionam assim; que nem tudo que é simples e elegante é real.

domingo, 2 de janeiro de 2000

E o mundo não acabou

Se tudo tiver dado certo, você estará curado, ou quase, de sua ressaca de virada de milênio (uma virada simbólica, pois, na verdade, a virada ocorre em 2001), lendo esta coluna confortavelmente em sua casa ou na praia. Como eu escrevi este texto antes da grande virada, não posso garantir qual o meu estado no momento. Mas devo congratulá-lo(a) pela sua perseverança. Por via das dúvidas, resolvi enviar essa coluna para a redação tanto por e-mail como por "pomba-mail". Afinal, é difícil prever o que poderá acontecer com o famoso problema Y2K -o bug do ano 2000.

Claro, se você está lendo esta coluna, ao menos a redação da Folha e os distribuidores de jornais sobreviveram ao possível apocalipse eletrônico. Mas também é possível que, para você estar lendo o Mais! agora, o pessoal da Folha tenha recebido minha coluna via pomba-mail, datilografado o texto nas Olivettis resgatadas às pressas do almoxarifado, fazendo as cópias necessárias usando papel-carbono e o mimeógrafo da escola ao lado. Parece mentira, mas máquinas de escrever, papel carbono e mimeógrafos são coisa do passado. Do milênio passado.

Vamos então supor que o jornal tenha chegado às suas mãos, talvez entregue por alguém de bicicleta, já que as bombas de gasolina também resolveram achar que estamos no ano 1900, e não em 2000. Como não havia bomba de gasolina em 1900, os postos tiveram que fechar e as bicicletas invadiram as ruas do Brasil. Começamos o novo milênio como terminamos o outro, sem carros, sem computadores, sem televisores, sem cinema, sem microondas, sem CDs e DVDs e mesmo sem o rádio.

Com saudades da música, as pessoas começam a cantar em casa, nas ruas, e os teatros com música ao vivo lotam. Aos poucos, as máquinas que sobreviveram ao problema Y2K começam a quebrar e, por falta de peças, elas são encostadas de lado e esquecidas. Sem elevadores, as pessoas preferem abandonar os prédios altos e trabalhar em escritórios em casas ou em prédios de três andares.

A concentração urbana deixa de fazer sentido, e as pessoas começam a voltar para o campo, a plantar sua própria comida, reinventando a agricultura de subsistência em larga escala. No meio tempo, técnicos tentam consertar os computadores, mas, como seu equipamento depende também de microchips que emperraram (não existiam microchips em 1900), eles não conseguem fazer nada.

Após meses de tentativas frustradas, todos desistem da tecnologia e resolvem viver junto à natureza, tranquilos. Algumas pessoas resolvem entoar hinos ao Sol, para garantir uma boa colheita e alimentos fartos para todos. Outros cantam para os céus, para espantar as enchentes.
Quando alguém fica doente, os médicos tentam usar os remédios que sobraram do milênio passado, quando o mundo era adiantado. Mas os remédios vão acabando, seus prazos de validade vão vencendo, e as ervas medicinais se tornam cada vez mais importantes. Grandes peregrinações são organizadas para a floresta amazônica, onde as pessoas aprendem com os ianomâmis e outros nativos como usar as plantas para curar e inspirar. Os índios se tornam nossos mestres.

Claro, as conquistas do milênio passado estão todas nos livros, milhões deles, contando em detalhe nossa história, nossas invenções e nossos absurdos. Aos poucos, as pessoas começam a reinventar o mundo, recriando as tecnologias que fizeram o século 20 ser tão revolucionário.

Mas tudo agora é diferente. O retorno forçado à natureza causou uma pane na cabeça das pessoas. Ficou óbvio o quanto dependemos dela, o quanto nosso equilíbrio nesse mundo é frágil.
A natureza se tornou uma deusa, adorada por todos, uma nova (e velha) religião universal. Os engenheiros e técnicos reinventam as máquinas, os computadores recriados sem problemas com datas -todas são armazenadas na íntegra, isto é, o ano 2999 não é guardado com 99-, e as coisas vão voltando ao normal.

Mas o mundo mudou, e o susto do milênio transformou a sociedade; as pessoas respeitam diferenças, novas fontes de energia reduzem o efeito estufa e o que é colhido ou cortado é replantado. Sem dúvida, tudo isso é uma utopia de início de milênio. Mas será que é tão difícil assim?