domingo, 29 de junho de 2003

Cinquenta anos de "vida" no laboratório

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O ano de 1953 foi notável para a biologia. James Watson e Francis Crick apresentaram seus resultados sobre a estrutura da molécula de DNA, revelando a sua forma de dupla hélice. Essa descoberta, devidamente celebrada neste seu cinquentenário, abriu as portas para a manipulação direta dos genes, que hoje começa a dar frutos.

O século 21 promete ser o século da genética, em particular da engenharia genética. Dos alimentos transgênicos aos clones animais, estamos presenciando o despertar de uma nova ciência que, como é de praxe com descobertas revolucionárias, vem acompanhada de muitas promessas e medos. Ao estendermos a engenharia genética aos humanos, estamos pondo em xeque não só a sua capacidade de curar (ou prevenir) várias doenças como, também, de redefinir o que significa ser humano em um contexto no qual seres podem, ao menos em princípio, ser fabricados.

Mas a estrutura do DNA não foi a única grande descoberta em bioquímica realizada em 1953. Os americanos Harold Urey e Stanley Miller tentaram algo ainda mais ambicioso: fabricar a vida, ou ao menos alguns de seus ingredientes básicos, no laboratório. A origem da vida na Terra era (e ainda é) um grande mistério. E não é para menos. Em sua essência, seres vivos são conjuntos de macromoléculas orgânicas de grande complexidade, capazes de realizar uma série de operações e transformações químicas que levam à sua subsistência (alimentação) e à sua reprodução. De alguma forma, moléculas inertes, quando combinadas a um certo nível de complexidade, se transformam em seres vivos. A questão é como se dá esta combinação, ou melhor, como o simples se torna complexo e, eventualmente, vivo.

Urey e Miller partiram do princípio de que a composição química da Terra primordial era simples. A sua idéia era reproduzir o ambiente de então no laboratório, tentando gerar moléculas orgânicas complexas a partir de moléculas simples. Vem à mente o popular jogo infantil Lego, no qual pequenos blocos, quando conectados de forma correta, produzem estruturas arbitrariamente complexas.

Urey e Miller sugeriram que, se os compostos químicos simples funcionavam como os blocos de Lego, a eletricidade existente na Terra primordial seria a força que fundiria o simples em complexo (equivalente, de certa forma, à inteligência da pessoa que cria as estruturas com Legos, a faísca criadora). Essa eletricidade primordial era consequência da intensa atividade atmosférica da época, que gerava um número enorme de relâmpagos.

A questão era quais elementos químicos deveriam ser usados. Afinal, a receita certa depende do conhecimento das condições da Terra quando ela tinha em torno de 1 bilhão de anos, algo nada trivial. As pistas deixadas dessa época são poucas e eram ainda mais escassas em 1953. Urey e Miller supuseram que a sopa primordial fosse composta de água, metano, dióxido de carbono e amônia, ou seja, uma mistura de compostos simples contendo os átomos mais essenciais da bioquímica, hidrogênio, carbono, oxigênio e nitrogênio.

Os relâmpagos foram simulados por descargas elétricas, que eram ativadas periodicamente. Após alguns dias, uma análise da mistura acusou a presença de aminoácidos, compostos orgânicos complexos encontrados em todos os seres vivos na Terra, os blocos que compõem as proteínas. Uma década após o experimento de Urey e Miller, cientistas usando processos semelhantes sintetizaram as bases nitrogenadas (ou nucleotídeos) da molécula de DNA.

Esses experimentos, embora tenham provado que é possível sintetizar moléculas complexas a partir de outras mais simples, estão longe de sintetizar um ser vivo ou mesmo uma molécula de DNA. Críticos argumentam que o ambiente na Terra primordial era muito diferente e talvez impróprio à geração de moléculas complexas. Recentemente, cientistas da Nasa mostraram que resultados semelhantes podem ocorrer no espaço, onde eletricidade é substituída por radiação ultravioleta, proveniente de estrelas. Nesse caso, as moléculas que deram origem à vida na Terra seriam provenientes do espaço, transportadas por asteróides e cometas. O debate continua: no espaço ou na Terra, o enigma da origem da vida permanece.

domingo, 22 de junho de 2003

A curvatura do espaço-tempo

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O animador de televisão americano David Letterman gosta de fazer a lista das "Dez Mais", que podem ser perguntas, fatos absurdos, notícias estranhas etc. Eu também gosto, modestamente, de fazer uma lista, a das "dez perguntas mais populares em cosmologia". Recentemente (na coluna de 8 de junho), escrevi sobre a questão do começo, onde a pergunta (uma das mais populares da lista) era "O que ocorreu antes do começo?" Ou seja, se o Universo surgiu mesmo do Big Bang, o que havia antes disso?

Essa questão aborda a natureza do tempo, sua origem e seu significado. Mas ficou faltando algo. A resposta depende da teoria da relatividade geral, desenvolvida por Einstein em 1915 (a versão especial da teoria data de 1905). Nela, para falar de tempo deve-se necessariamente falar de espaço: o que existe é um contínuo espaço-temporal de quatro dimensões, três espaciais (norte-sul, leste-oeste, acima-abaixo) e uma temporal.

Esse contínuo se chama espaço-tempo. Segundo a teoria da relatividade, qualquer evento ocorrendo na natureza, seja uma bola caindo ao chão, seja a explosão de uma estrela, deve ser caracterizado pela sua posição nesse espaço-tempo quadridimensional. Portanto, um ponto no espaço-tempo é descrito por quatro números, três para a sua posição e um relacionado ao instante em que o evento ocorre. "Calma aí!" -exclama o leitor. "Você está me confundindo: no dia-a-dia também descrevemos o movimento dos objetos usando quatro números, três para a sua posição no espaço e um para o tempo. Qual a diferença entre esses quatro números e o espaço-tempo da teoria da relatividade?"

A pergunta é boa, mesmo que não esteja na lista. A diferença é enorme. Na física aplicável ao dia-a-dia, carros, trens, elevadores etc., espaço e tempo são vistos como entidades separadas, absolutas, uma distinta do outra. Na relatividade, o tempo é tratado como uma dimensão espacial, uma distância no espaço-tempo. Para isso, ele é multiplicado pela velocidade da luz. (Lembre-se de que velocidade tem unidade de distância dividida por tempo, como em km/h. Portanto, multiplicar tempo por velocidade resulta em distância.)

Vejamos um exemplo. Uma bola cai de uma altura de um metro. Segundo a física não-relativística, falamos de sua posição inicial, de sua posição final e de quanto tempo ela demorou para cair. Em relatividade, falamos de dois pontos no espaço-tempo, separados por uma distância.

Essa junção do espaço com o tempo causa efeitos peculiares. Na sua maioria, eles passam despercebidos, limitados que somos em nossa percepção da realidade. Mas, quando movimentos ocorrem com velocidades próximas da velocidade da luz, ou quando a força gravitacional é muito intensa, a natureza unificada do espaço-tempo se torna palpável, mesmo para nossos olhos míopes. A pergunta da lista está ligada com esses efeitos gravitacionais fortes.

"Como o espaço pode encurvar?" Espaço é a entidade que usamos para medir distâncias entre pontos. Um espaço deformável, portanto, é aquele em que as distâncias podem mudar, como em uma superfície elástica puxada nessa ou naquela direção. Segundo Einstein, a presença de massas deforma o espaço-tempo, alterando a geometria do espaço e o fluir do tempo. Uma analogia muito comum é o de uma bola de chumbo sobre um colchão: na vizinhança mais imediata da bola o colchão se deforma.

Claro, a analogia é apenas sugestiva, já que o que deforma o colchão é o peso da bola na gravidade terrestre. Mas a idéia é que campos gravitacionais fortes alteram a geometria do espaço-tempo. Esse é o caso perto de estrelas muito maciças, ou dos misteriosos buracos negros, onde a curvatura é tal que o espaço-tempo se fecha sobre si mesmo, como um casulo.
Pode parecer estranho que algo tão intangível como o espaço (ou o tempo) responda à presença de massas. Mas é importante lembrar que teorias físicas são descrições da natureza criadas com um propósito muito claro, o de ajudar na compreensão de fenômenos mensuráveis e quantificáveis. Se elas ocasionalmente resultam em explicações surpreendentes, é porque nossa miopia é grande. Cada teoria pode ser vista como uma lente um pouco mais forte, que permite desvendar um ou outro novo detalhe da natureza, de suas infinitas formas e criatividade.

domingo, 15 de junho de 2003

Galáxias em uma xícara de café

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Certa vez, uma amiga compositora mencionou que, para ela, poucos objetos naturais eram tão belos quanto uma galáxia espiral. (Na época, eu achava os seus olhos, enormes, azuis, bem mais belos. Mas essa é uma outra história.) Como estávamos em um restaurante jantando, resolvi impressioná-la, mostrando como fazer uma galáxia em uma xícara de café: "Basta você pôr um pouco de creme bem devagar sobre o café e misturar delicadamente os dois fluidos por alguns segundos. Em pouco tempo, você verá uma galáxia espiral surgir na sua xícara". O resultado, mesmo que imperfeito, foi convincente.

O interessante é que a brincadeira com a xícara e os dois fluidos não está tão distante assim da realidade. Os modelos que descrevem a formação de galáxias espirais também são baseados na interação entre dois fluidos: um a matéria comum das estrelas e das nuvens de gás interestelar (principalmente hidrogênio e hélio) e outro um fluido mais exótico, a chamada matéria escura, cuja composição permanece ainda desconhecida.

O café, de menor viscosidade, faz o papel da matéria escura, e o creme, mais viscoso, o da matéria estelar. Note que até as cores são sugestivas do papel de cada um. A fricção entre o café e o creme e a interna a cada fluido fazem o papel da atração gravitacional entre os dois tipos de matéria e, também, entre si.

O movimento de rotação induzido pela colher na mistura do café com o creme faz o papel do movimento de rotação que ocorre durante o processo de formação da galáxia: no início, é conveniente imaginar os dois tipos de matéria como sendo duas esferas difusas de gás, misturadas e girando lentamente.

O movimento de rotação é contrabalançado pela atração gravitacional entre os dois fluidos. Depois de algum tempo, algumas regiões tornam-se mais densas do que outras, exercendo então maior atração gravitacional sobre a matéria à sua volta. Essa instabilidade causa a contração das duas esferas de gás que, girando, vão dando forma à galáxia nascente. A matéria escura, que, por definição, interage apenas gravitacionalmente com outros tipos de matéria e com si própria, mantém-se mais difusa do que a matéria visível, que assume a forma espiralada.

A menos que o leitor seja como a minha avó, que tomava leite com uma gota microscópica de café, o café com creme a que me refiro tem muito mais café do que creme (o popular "pingado"). Os dois tipos de matéria que compõem a galáxia também aparecem em proporções desiguais. A matéria comum, a que vemos em estrelas e nuvens de gás, representa menos de 10% da matéria total da galáxia, dominada pela matéria escura. A matéria comum, feita de átomos com prótons, nêutrons e elétrons, tal como a que nos compõe, é minoria absoluta: na galáxia, domina o invisível aos olhos.

Imagino que o leitor esteja se perguntando: "Mas, se essa matéria escura é invisível, como sabemos que ela existe? Afinal, o café é preto, mas visível". A detecção da matéria escura, ao menos até o momento, é feita indiretamente, através de sua ação gravitacional sobre a matéria visível da galáxia. Em particular, uma das pistas vem da curva de rotação da galáxia, a medida do quão rápido suas diferentes partes giram em torno de seu centro, como um redemoinho cósmico.

Se a galáxia fosse composta apenas de matéria visível, sua velocidade de rotação (ou melhor, a das estrelas em seus braços espirais) deveria diminuir após certa distância do centro.
Entretanto, o que se observa é que a velocidade permanece constante até as regiões mais externas da parte visível da galáxia. Isso se deve à presença da matéria escura, que se estende bem além da matéria visível, formando um halo invisível em torno da galáxia, como um véu.
Vários experimentos aqui na Terra estão tentando detectar as partículas de matéria escura diretamente. Na medida em que circulamos pelo espaço, elas vão passando através da superfície, quase como fantasmas. Volta e meia, uma pode se chocar com um detector, acusando a sua presença. Mas, pelo jeito, teremos tempo para muitos cafés com creme antes que ocorra alguma detecção.

domingo, 8 de junho de 2003

Antes do começo

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Antes do começo, o que existia? O nada? Como pensar sobre o nada sem supor a existência de algo? O nada faz sentido por si só? Ou ele precisa de seu oposto -o tudo- para ter significado? Não seria, talvez, melhor pensar em espaço e ausência de espaço, o vazio? Mas, se no início existia apenas o vazio, de onde então surgiram o cosmo, a matéria, o espaço no qual ela se move e cria formas complexas, algumas até vivas? Como algo material pode surgir do nada, que por definição é imaterial?

Perguntas como essas vêm assombrando e inspirando a humanidade desde os seus primórdios. A resposta mais popular lança mão da fé: no Ocidente, foi um Criador que fez tudo a partir do nada. Mas essa é apenas uma versão. Existem muitas, espalhadas pelo mundo e pelo tempo. Para o povo maori, da Nova Zelândia, o mundo surgiu do nada, sem a ação de nenhum ser sobrenatural, sem que antes existisse qualquer coisa: o cosmo simplesmente surgiu, de repente, produto de uma ânsia abstrata de algo concreto existir.

Tenho certeza de que vários leitores já se perguntaram sobre isso, talvez tenham passado noites ao pé de uma fogueira com os amigos, olhando para o céu repleto de estrelas, tentando entender o porquê disso tudo, do mundo à nossa volta. Por que o mundo? Por que nós? O nada não é muito mais simples?

Surge a ciência, e a secularização da sociedade moderna força uma retomada dessas antigas questões. Mas agora, sob as suas lentes racionais, precisas, quantitativas e verificáveis. O que a ciência tem a dizer sobre essas questões, sobre a criação de todas as coisas? O que ela tem a dizer sobre o porquê de as coisas existirem?

Nada. A ciência não explica o porquê das coisas. Ela explica o como. Na verdade, esse tipo de pergunta, o porquê, não é província do discurso científico. Partículas com cargas elétricas são atraídas umas às outras. Daí entendemos os átomos, a estrutura das moléculas, as reações químicas em que elétrons são trocados entre elementos ou atraídos e repelidos por eles. Por que cargas elétricas opostas se atraem? Não sabemos. Mas entendemos como elas se atraem e, a partir disso, criamos toda uma sociedade movida a eletricidade, tecnologias digitais que dependem de nossa compreensão dos átomos, lasers etc.

Por que objetos são atraídos uns aos outros pela força que chamamos de gravidade? Também não sabemos. Mas sabemos descrever como eles se atraem e, a partir disso, podemos descrever como os planetas giram em torno do Sol, como as estrelas nascem e morrem, como as galáxias são formadas, como o Universo se expande há já 14 bilhões de anos, e cada vez mais rapidamente.

Falando em expansão, voltemos à pergunta inicial. Afinal, se o Universo está em expansão, ele foi menor antes. Melhor dizendo, as distâncias entre os vários objetos que o compõem eram tanto menores quanto mais perto do momento inicial, do tempo zero. Nesse caso, no tempo zero, tudo deveria estar amontoado em um único ponto. É isso? Tudo cabe num ponto? E antes desse tempo zero? O que existia antes do começo?

Essas perguntas são província da ciência. Que alívio. A resposta é, talvez, desencorajadora: não é possível falarmos sobre antes do começo, pois antes do começo o tempo simplesmente não existia. Seria como tentar descobrir o que existe ao norte do pólo Norte. Ou quem era você antes de seus pais o conceberem.

Mais sofisticadamente, o conceito de tempo tal como o entendemos em nosso dia-a-dia, o tique-taque constante e regular do passar das horas, não faz sentido perto da origem do Universo. A física que usa esse tempo uniforme e familiar não funciona nas condições extremas que reinavam nos primórdios cósmicos. A realidade não é descrita por um espaço inerte e por um tempo regular, fluindo como um rio. Tanto espaço quanto tempo flutuavam caoticamente: o espaço deformado em todas as direções e, em cada ponto, um tempo diverso. Não existia um "antes" antes do próprio tempo -como o entendemos- existir.

Tinha razão santo Agostinho, quando disse que o tempo veio com a Criação. Mas e a Criação, de onde veio? De uma flutuação quântica no Universo primordial, diz a cosmologia moderna. Do desejo inerente de algo existir, dizem os maoris. Sob a ótica da história, a pergunta é mais importante do que a resposta.

domingo, 1 de junho de 2003

Vinte anos de unificação

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São já 20 anos desde que um grupo de cientistas do Centro Europeu de Física de Altas Energias (Cern) em Genebra, Suíça, detectou conclusivamente partículas que comprovaram a unificação de duas das quatro forças fundamentais da natureza: eletromagnetismo e força nuclear fraca. Hoje, gostaria de revisitar essa descoberta, cujas repercussões ainda reverberam (e muito) pelo mundo da física.

Segundo o Modelo Padrão, que reúne tudo o que se sabe sobre os tijolos fundamentais da matéria (as partículas que não podem ser divididas em partículas menores), existem quatro forças fundamentais, que descrevem como essas partículas interagem entre si. Duas são familiares: a gravidade, que descreve como massas atraem massas, e o eletromagnetismo, que descreve como cargas elétricas iguais se atraem, opostas se repelem e, também, a relação profunda entre eletricidade e magnetismo (já uma unificação), no qual cargas elétricas em movimento criam campos magnéticos.

As outras duas forças fundamentais só agem em distâncias nucleares. Por isso não nos damos conta de sua existência. São a força nuclear forte, que descreve como prótons, mesmo repelidos eletricamente, permanecem juntos nos núcleos, e a força nuclear fraca, que controla, entre outras coisas, o decaimento radioativo de vários átomos. A força fraca só é ativa a distâncias cem vezes menores do que um próton. Ela (como a força forte) é uma força de curto alcance. Curtíssimo.

Para entender o que significa unificar forças, é necessário explorar como funcionam. Imagine dois patinadores no gelo. Vamos supor que cada um deles seja um elétron. Como ambos têm carga elétrica negativa, quando muito próximos eles sofrem uma repulsão. Essa repulsão é representada pela troca de outras partículas que compõem o campo eletromagnético, chamadas fótons. Vamos representar os fótons por bolas de tênis. A repulsão entre elétrons pode ser representada por patinadores atirando bolas de tênis um no outro. (Na verdade, a situação é um pouco mais complicada, pois o fóton não tem massa, e a bola de tênis tem, mas a imagem da força mediada por partículas é válida.)

O curto alcance da força fraca seria representado por bolas de chumbo pesadíssimas: os patinadores só conseguem atirá-las a curtas distâncias. Ou seja, as partículas que medeiam a força fraca, três em número, têm massas altíssimas.

Dentro dessa representação das forças por partículas mediadoras, nada mais distinto do que a força eletromagnética, de alcance infinito, e a força fraca, de curtíssimo alcance. A diferença está na massa das partículas mediadoras: o fóton, sem massa, tem alcance infinito (as bolas de tênis são atiradas a qualquer distância), enquanto as três que medeiam a força fraca têm massa alta e curto alcance.

Nos anos 60, os americanos Steven Weinberg e John Ward e o paquistanês Abdus Salam, baseados em resultados de outro americano, Sheldon Glashow, propuseram um modelo de unificação das duas forças. A idéia básica é que, acima de certas energias, da ordem de cem vezes a massa do próton dividida pela velocidade da luz ao quadrado (você se lembra de E = mc2? Invertida, essa relação mostra que massa pode ser obtida de energia, m = E/c2), a força fraca também fica de longo alcance, como a força eletromagnética. Acima dessas energias, fica difícil distinguir entre as duas forças, todas partículas ficam sem massa.

Bela teoria, mas como testá-la? Ela previa também as massas das três partículas mediadoras da força fraca a baixas energias. Em maio de 1983, após quase uma década de confirmações indiretas, experimentos no Cern encontraram as três mediadoras da força fraca, com as massas previstas pela teoria. Estava confirmada a unificação das duas forças.

A história ainda não terminou. A teoria prevê também a existência do bóson de Higgs, responsável por dar massa a todas as partículas de matéria. Até agora, o Higgs não apareceu. Dois experimentos, marcados para os próximos anos, vão tentar achá-lo. Caso eles falhem, a estrutura da teoria e, portanto, da unificação "eletrofraca" terá de ser repensada.