A elusiva matéria escura

Em ciência, só sabemos o que podemos medir

Na semana retrasada, cientistas do experimento CDMS, localizado numa mina abandonada no estado de Minnesota, nos EUA, divulgaram os esperados resultados de um experimento que realizam. Seu objetivo é capturar exemplares da elusiva matéria escura, que, estima-se, compõe aproximadamente 84% da matéria cósmica. Apesar de a sua existência ter sido conjeturada no início da década de 1930, nenhuma detecção foi realizada até agora.
 

A dificuldade é que esse tipo de matéria não tem nada a ver com a matéria comum, da qual somos feitos nós e tudo aquilo que vemos à nossa volta e nos céus. Como sabemos, a matéria normal é feita de átomos, e estes, de elétrons, prótons e nêutrons. Essas três partículas interagem entre si de modos diversos, devido à ação de quatro forças fundamentais: a gravidade, o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca, que só se manifestam a distâncias nucleares. "Detectar" uma partícula significa medir o seu efeito em outras, o que ocorre através de uma ou mais dessas quatro forças. Em geral, uma detecção envolve uma colisão entre duas ou mais partículas.
 

Essa colisão transfere energia e momento de uma partícula à outra, e essa transferência pode ser medida. Nas colisões normais, partículas são atraídas ou repelidas por uma ou mais das forças, especialmente a eletricidade e as forças nucleares forte e fraca. O desafio com a detecção de partículas de matéria escura é que sentimos sua presença apenas através da sua massa.
 

E os efeitos da gravidade são extremamente pequenos em escalas atômicas. Sabemos que a matéria escura existe devido ao seu efeito gravitacional sobre a matéria comum: vemos objetos luminosos se comportarem como se estivessem respondendo à atração gravitacional de coisas invisíveis. Por exemplo, galáxias giram mais rapidamente do que deveriam se toda a sua massa fosse apenas aquela feita de átomos. Elas são envoltas numa espécie de véu de matéria escura que modifica a sua rotação.
 

É esse véu que nos fornece as partículas de matéria escura que podem ser detectadas na Terra. À medida que viajamos pelo espaço, atravessamos o véu de matéria escura. Em geral, suas partículas passam direto pela Terra, como se fossem fantasmas. Muito raramente, uma delas pode se chocar com a matéria comum e transferir a sua energia e o seu momento.
 

O laboratório no fundo da mina em Minnesota contém detectores resfriados a baixíssimas temperaturas para eliminar todo o tipo de vibração. Estar nas entranhas da Terra ajuda a filtrar outras partículas indesejadas que também interagem fracamente com a matéria. O desafio é que, mesmo assim, as colisões com as hipotéticas partículas são muito raras, apenas algumas por ano. E elas devem ser diferenciadas de colisões com nêutrons.
 

Apesar da enorme expectativa, a declaração dos cientistas do CDMS foi muito cautelosa; apenas dois sinais suspeitos, que poderiam ser matéria escura, mas que têm também uma probabilidade razoável de ser apenas dois nêutrons comuns.

Devo congratular os cientistas por terem resistido à tentação demasiado humana de inflar seus resultados. Quando se dedica anos de uma carreira a um experimento, é muito difícil não se deixar levar pela empolgação e pela pressão de mostrar resultados revolucionários. A detecção é inconclusiva, sendo útil para limitar as massas e as interações das partículas candidatas. Mas a busca continua, os detectores estão sendo refinados e, no ano que vem terão maior precisão. Talvez a próxima declaração do grupo seja mais positiva. Em ciência só sabemos o que podemos medir.

Is Time In A Hurry?

Time keeps on flipping into the future. (Carl de Souza / AFP/Getty Images)

By Marcelo Gleiser

Well, 2009 is almost over. To me at least, and I bet to most of you, it went way too fast. On average, it was a year like any other, with some new things to celebrate and others to lament. (I'll abstain from listing them. Each person has her own list.) But it's hard to shake off the feeling that everything happened faster, that time seems to be in a hurry to get somewhere. Sometimes, people ask me if it's possible, from a physics perspective, for time to be passing faster. It can't.

According to the theory of relativity, time can slow down but not speed up. There are a few ways to do this. For example, you may move faster than other people. If you get to speeds close to the speed of light, time will slow down for you relative to the others. Hard to do, as the speed of light is a whopping 186,400 miles per second, in round numbers. Or, you may go live on the surface of the Sun. Time there would tick slower than here as well. But that's really not what people have in mind when they wonder about time. The question is about our psychological perception of time. And I am sure many of you would agree that sometimes it does feel like time is on a roller coaster.

Time is a measure of change. If nothing happens, time is unnecessary. So, at a personal level, we perceive the passage of time in the changes that happen around and within us. What's interesting is that--as anyone who has tried to meditate knows--even if you shut off all your senses, time keeps ticking away. As our thoughts unfold, our brains give us time. To "quiet the chatter" is the big challenge for going deeper into a meditative state, to be in the now.

The passage of time is about the ordering of events, things that happen one after another. Numbers, some say, are devices that were created to help us order time. Maybe, although counting chicks is also very useful if you are a hen. However, if we are to order events, we must remember them. Ergo, the perception of time is deeply related to memory. If our memories were to be erased, we would revert to the wonder of babyhood, where time extends forever. The more we have to learn, the more memories we make, the slower time passes. Routine, sameness, makes time speed up. Since routine is not usually equated with fun, this seems to go contrary to the "time flies when you're having fun" dictum. What's going on here?

The answer may be in the level of mindful engagement, that is, in how tuned-in your brain is to what you are doing. Newness, as in fun newness, works as a flood of information and places the focus on the immediate. There is no ordering between events yet and not sense of the passage of time. I have felt this disengagement when lost in a calculation for hours or trying out a new trout stream with my fly rod. This is the opposite of routine, where new memories are not being made and the now is all there is. But maybe someone will prove me wrong.

In physics, things are simpler. Time is a fundamental quantity, something that cannot be defined in terms of anything else. There are some issues with this, that we will address some other time. (Sorry...) The second is the universal unit, and it's defined as 9,192,631,770 oscillations between two levels of the cesium-133 atom. Very different from the tick-tack of old mechanical clocks, which are not very reliable.

Einstein had a colloquial definition of the relativity of time: by the side of a pretty girl an hour feels like a second; if you burn your hand on the stove, a second feels like an hour. His special theory of relativity showed that the simultaneity of two events depends on how they are observed: what may be simultaneous for one observer will not be for another moving with respect to the first. Be that as it may, even in physics the ordering of time is essential: that's causality, causes preceding effects so that the present vanishes into the past and the future becomes the present.

At the cosmic level, there is a well-defined direction of time: the expansion of the universe, which has been going on for 13.7 billion years, pointing resolutely forward. Link it to our own passage through life, and we have a well-defined asymmetry of time, what's sometimes called time's arrow . There is not much we can do to escape this at the physical level. But at the psychological level, to slow down time we have to engage our minds, create more memories, absorb knowledge. Perhaps I will leave my guitar aside for a while and start playing the piano.

Crédito planetário

Só durante guerras já se viu um nível de mobilização similar ao necessário agora

Eis como a globalização afeta o nosso planeta. Talvez o resultado mais importante da conferência de Copenhagen tenha sido a ser a autorização de crédito financeiro para os países que controlarem o desmatamento acelerado. (Estou supondo que a resolução vai ser aprovada, embora ao escrever estas linhas ainda não seja oficial.) Se uma indústria não conseguir atingir os limites definidos nas emissões de gases poluentes, pode comprar crédito investindo em programas de redução de emissão de carbono em outros países.

 De certa forma, a emissão de gás carbônico (CO2) passa a ser uma espécie de moeda global. Finalmente ficou claro, no nível de legislação mundial, que a poluição é um problema global: florestas são "esponjas" de CO2 e quanto mais área planetária for coberta por elas melhor. O corte das florestas, com a consequente perda de superfície verde e mais a queima da madeira, equivale a aproximadamente 20% da emissão de CO2 global. Para o Brasil, isso pode ser um excelente incentivo para que se atinja um equilíbrio razoável entre o desmate da Amazônia e as necessidades da população local. É um passo no rumo certo.

A situação é muito mais séria do que parece. Com o clima, as mudanças são tão graduais que, em escalas de tempo a que estamos acostumados, de décadas, parece que nada está acontecendo. Por um lado isso é bom, pois mostra que nosso planeta não é sujeito à instabilidades climáticas em períodos curtos de tempo. Ainda bem! Caso contrário, seria muito difícil sobre viver aqui. Por outro lado isso é ruim, pois os grupos políticos e industriais que não estão interessados em controlar o nível de emissões ou o desmatamento, criam confusão e polêmica com facilidade, tornando uma questão que é essencialmente científica numa questão política.

Esse foi o caso do governo de George W. Bush, que a presente administração está tentando remediar. Parece que Obama tenha feito a esta altura alguma proposta unilateral de controle de emissões nos EUA, tentando assim demonstrar que o barômetro lá está mudando. Espero que ao lermos essa coluna no domingo, as notícias sejam boas. Minha previsão é de que haverá uma proposta oficial de cortes no nível de emissão não só nos EUA, mas em outros países como a China, o Brasil e a Índia, mas estará ainda longe do que é recomendado para reverter a inércia atual do aquecimento global.

O único modo para fazer as coisas andarem de fato seria com uma mentalidade de guerra: teríamos de declarar guerra ao agravamento do efeito estufa para todos os países do mundo se unirem contra um inimigo comum: a devastação ecológica da Terra. Somente durante guerras vimos o nível de mobilização capaz de levantar os recursos necessários, de convencer a população a se submeter a grandes sacrifícios em prol da vitória.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a população do Japão passava fome para que o exército imperial pudesse comer. Como esse, existem inúmeros exemplos. Mas com esse inimigo sutil e praticamente invisível, com táticas de conquista lentas, fica difícil traçar um plano de defesa. O cerco vai apertando tão aos poucos que a invasão parece que nunca ocorre.

Durante a abertura da cúpula de Copenhagen, os líderes dos quase 200 países presentes assistiram um vídeo com crianças do mundo inteiro pedindo que façam algo para evitar um futuro apocalíptico de desertos e mares invasores. Pela primeira vez na história, a humanidade tem um inimigo comum, que afeta a todos: ela mesma. As decisões que tomamos hoje irão definir o mundo de amanhã. Espero que sejamos sábios o suficiente para nos derrotar e vencer a guerra.

A vida e as rochas

A incrível diversidade da vida é profundamente relacionada com a incrível diversidade dos minerais

Se existe uma divisão clara na natureza, é entre os seres vivos e os minerais. Afinal, como aprendemos na escola, seres vivos tem metabolismo e a habilidade de se reproduzir. Minerais, por sua vez, são inertes, respondendo ao que ocorre à sua volta. Os dois não podiam ser mais distintos e independentes.
 

No entanto, nos últimos anos, aprendemos que existe, e que sempre existiu, uma relação íntima entre as rochas e as vida.
 

Se foram os minerais ou compostos químicos inertes que deram origem à vida, foi ela que, por sua vez, transformou profundamente a história geológica da Terra.
 

Tendo a matéria não-viva se transformado em matéria animada, a incrível diversidade da vida é profundamente relacionada com a incrível diversidade dos minerais.
 

Tudo começou de maneira bem simples. Há 4,5 bilhões de anos, a Terra havia acabado de se formar. Os minerais que existiam naquela época passavam a maior parte do tempo em ebulição: a Terra era constantemente bombardeada por asteroides e cometas. Os minerais, na época, eram poucos, algumas centenas, semelhantes aos que são encontrados nos asteroides de hoje.
 

O tempo passou. Em torno de 3,9 bilhões de anos atrás, os bombardeios acalmaram e a crosta terrestre foi, aos poucos, se solidificando por períodos mais longos.
 

Não se sabe exatamente como aconteceu, mas os minerais simples que existiam, junto com gases existentes na atmosfera terrestre, sujeitos à atividade elétrica e à radiação ultravioleta solar, produziram os primeiros aminoácidos -os passos iniciais em direção à vida.
 

Os primeiros sinais de vida confirmados datam de 3,5 bilhões de anos atrás. Esses organismos primitivos, que eram seres unicelulares, foram o único tipo de vida que existia na Terra pelos próximos 2 bilhões de anos. Foram eles que transformaram a natureza da vida e, de quebra, também os minerais na Terra.
 

Quando falamos em vida na Terra, pensamos em seres complexos, multicelulares. Na verdade, a história é bem diferente. A transição de seres unicelulares para multicelulares foi lenta e improvável. Mesmo dentre os seres unicelulares, houve a transição dos procariotas aos eucariotas. Os procariotas, de alguma forma, descobriram o mecanismo que foi essencial na transformação da vida e do nosso planeta: a fotossíntese.

Aos poucos, os procariotas foram absorvendo o gás carbônico da atmosfera e fazendo com que ele se transformasse em oxigênio. Sendo um elemento químico altamente reativo, o oxigênio é uma espécie de granola geoquímica, energia para promover reações cada vez mais complexas. Esse enriquecimento energético da atmosfera foi a grande virada na história do nosso planeta.
 

Com mais energia disponível, a vida foi ficando mais complexa. Os eucariotas surgiram provavelmente da aliança simbiótica de dois ou mais procariotas. Por exemplo, as mitocôndrias, que aparecem nas células do nosso corpo, devem ter sido procariotas que foram absorvidos ou comidos por outros.

Mas a fotossíntese não foi importante só para a evolução da vida. Transformou as rochas também. Ao reagir com o ferro, o carbono, o enxofre e o silício, o oxigênio criou uma espécie de Big Bang mineral, uma explosão na diversidade das rochas espalhadas pela Terra.
 

Se os seres unicelulares deram origem, ao mesmo tempo, tanto à complexidade da vida quanto à complexidade dos minerais, a hipótese de que a Terra, como um todo, é, de certa forma, uma criatura viva, ganha força. Vivos ou não vivos, nossa descendência é a mesma.

Comendo a Terra

Temos de aprender a tratar bem do nosso planeta e conviver com ele

Começa amanhã a tão esperada conferência internacional do clima em Copenhague, onde quase 200 nações tentarão, mais uma vez, chegar a algum tipo de acordo com relação às emissões de gás carbônico e outros possíveis controles do aquecimento global.

Infelizmente, apesar do consenso da comunidade científica, existem ainda aqueles que duvidam que mudanças climáticas estejam sendo causadas pelas nossas atividades planetárias. Artigos irresponsáveis, até documentários na TV, confundem as pessoas, tentando atribuir o aquecimento acelerado da Terra a fatores externos, como, por exemplo, irregularidades na energia do Sol. A verdade, porém, é que estamos depredando nosso planeta em ritmo tão forte que, se não nos dermos conta disso rápido, pagaremos todos um preço muito alto.

Não há dúvida de que o mundo hoje, apesar das aparências, está mais rico: mais pessoas comem e vivem melhor. Mas qual o custo disso? No dia 24 de setembro, um grupo internacional de cientistas liderado por Johan Rockström, do Instituto de Estudos Ambientais de Estocolmo, publicou um artigo na revista "Nature" delineando nove limites planetários, que definem os parâmetros para uma exploração estável do nosso planeta.

Entre eles, estão limites na emissão de gases poluentes, perda de biodiversidade, conversão de ecossistemas em terras agrícolas, uso da água etc. A população mundial aumentou de 3,7 bilhões em 1970 (lembram do "90 milhões em ação" da Copa de 1970?) para 6,9 bilhões hoje, e continua crescendo um bocado -a uma taxa de 80 milhões de pessoas por ano.

Como todo mundo precisa comer e beber, o aumento da população leva a uma maior demanda por comida, água e energia que, por sua vez, leva a um aumento da produção agrícola e pecuária. Enquanto a população mundial vai inchando, os recursos planetários vão encolhendo. Com o aumento da classe média em países como a China, a Índia e o Brasil, aumenta a demanda por carne. O problema aqui é que, para cada quilo de carne consumida, são necessários 16 quilos de grãos. Adicione-se a isso a emissão de metano que vem do gado (é, a flatulência polui), a destruição das florestas para pastos e a necessidade de água para os grãos e para o gado. Essa bola de neve consumista leva à depredação desenfreada do planeta.

Eventualmente, a coisa tem de quebrar. Os limites de Rockström são uma tentativa de estabelecer padrões de consumo condizentes com o simples fato de que nosso planeta é finito e que, portanto, tem recursos finitos. A tecnologia sem dúvida alivia em muito essa pressão, mas não faz milagres. Existem leis essenciais da natureza, como a lei de conservação da energia e a segunda lei da termodinâmica -que afirma que o grau de desordem num sistema sempre aumenta-, que nenhuma tecnologia pode bater. Para podermos viver em paz com o nosso planeta, temos de aprender a tratá-lo bem.

Esses são os maiores desafios deste século. Produzir mais comida não é suficiente; temos de trabalhar para estabilizar a população mundial, dar incentivos financeiros para que populações à beira de florestas parem de cortá-las para plantar e criar gado. Para isso, a educação das populações mais pobres e o auxílio no controle da natalidade e da mortalidade infantil são essenciais. O problema tem dimensões globais e precisa de um esforço global para ser combatido. Espero que as nações mais ricas iniciem esse processo em Copenhague, inclusive dando incentivos para que os países mais pobres tenham uma chance. Essa é a hora em que o pequeno sacrifício de alguns pode beneficiar a todos.