MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Existem poucas questões que exercem tanto fascínio quanto a possibilidade de vida extraterrestre. A idéia de que nosso planeta, um ínfimo grão na vastidão do cosmos, seja o único com condições propícias para a vida é extremamente implausível.
Para um físico ou um astrônomo, basta pensar em termos estatísticos. A nossa galáxia, a Via Láctea, contém centenas de bilhões de estrelas. Um número enorme delas deve ter planetas à sua volta, tal como o Sol com seus nove planetas. Destes, uma grande parte estará perto o suficiente de sua estrela para não serem muito frios e longe o bastante para não serem quentes demais. Muitos deles terão atmosfera e água cobrindo parte de sua superfície. Finalmente, uma fração menor deles terá desenvolvido acidentalmente macromoléculas orgânicas capazes de se reproduzir e de se alimentar. Esses planetas exibirão o fenômeno vida.
Como existem centenas de bilhões de galáxias no Universo, é praticamente certo que vários milhões (ou bilhões?) de planetas serão nossos companheiros.
Para muitos biólogos, as coisas não são tão simples assim. A matéria viva é extremamente complexa, resultado de combinações de repetição muito improvável. Segundo esse ponto de vista, a vida é um acidente raro, cuja repetição em outros lugares do Universo não é nada óbvia.
Não bastam apenas os ingredientes -as moléculas orgânicas, água, uma atmosfera propícia- e tempo, no nosso caso cerca de 5 bilhões de anos, para que a vida simplesmente apareça. O fenômeno vida na Terra é uma singularidade estatística, e não falamos sobre seres vivos complicados, como os que vemos ao nosso redor. Aí a coisa fica mais difícil de ser entendida.
Para entender como a vida apareceu em nosso planeta e como ela existe em outros, temos de encontrar mundos onde essa singularidade estatística possa, talvez, reaparecer.
Os planetas não têm luz própria, mas refletem a luz da estrela em torno da qual eles giram . Achar planetas em torno de estrelas distantes com um telescópio é praticamente impossível. Mas eles são encontrados de forma indireta, baseada em sua ação gravitacional sobre a estrela. Segundo a terceira lei de movimento de Isaac Newton, a cada ação corresponde uma reação de igual intensidade e em sentido oposto. Assim, a estrela atrai o planeta e este também a atrai. Para planetas muito maciços, como Júpiter no caso do Sol, a estrela exibe um pequeno movimento circular em torno do "centro de gravidade" do sistema estrela-planeta.
É fácil entender o que é o centro de gravidade de um sistema. Imagine uma coleção de halteres construídos com massas iguais ou diferentes em suas extremidades. O ponto de equilíbrio de um deles, se as duas massas forem exatamente iguais, é o centro da haste. Se você balanceá-lo sobre uma haste vertical e girá-lo, suas extremidades descreverão "órbitas" circulares idênticas. Mas se uma das extremidades for muito mais maciça que a outra, o centro de gravidade não será mais exatamente no centro, mas perto da extremidade de maior massa. Quando esse sistema girar em torno de seu ponto de equilíbrio, a massa maior (a estrela) descreverá um movimento circular de raio pequeno, mas não nulo. Esse movimento causa pequenas variações na luz proveniente da estrela, que são medidas com grande precisão.
Até o momento, oito planetas foram encontrados usando-se esse método. Eles giram em torno de estrelas localizadas entre 46 anos-luz e 90 anos-luz do Sol e suas massas variam entre 0,45 e 11,6 da massa de Júpiter. A maioria desses planetas está muito perto de sua estrela (mais perto do que Mercúrio se encontra do Sol) e são extremamente quentes, caracterizando sistemas solares muito diferentes do nosso. Até o momento, nós ainda somos uma singularidade estatística. Mas isso é só uma questão de tempo.
quinta-feira, 19 de março de 1998
domingo, 8 de março de 1998
A antimatéria e as assimetrias do Universo
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Em setembro de 1995, um grupo de cientistas da Alemanha e da Itália liderados por Walter Oelert, do Instituto de Física Nuclear de Jurlich, na Alemanha, conseguiu, pela primeira vez na história, produzir átomos de antimatéria em laboratório. Essa incrível descoberta foi anunciada ao mundo em janeiro de 1996, causando verdadeira sensação dentro e fora do mundo acadêmico. Vale a pena revisitar e explorar o porquê da euforia.
Antes de mais nada, o que é antimatéria? Ao contrário de sua reputação misteriosa, a antimatéria não tem nada de muito extraordinário. Basicamente, partículas de antimatéria são semelhantes às partículas de matéria, mas com uma grande diferença: sua carga elétrica é oposta. Portanto, a antipartícula do elétron, o pósitron, tem carga positiva, enquanto a do próton tem carga negativa, o antipróton.
Mas se a antimatéria é assim tão sem graça, por que tantas estórias e mistérios? O problema é justamente esse. Segundo as leis da física de partículas, matéria e antimatéria deveriam aparecer na natureza em pé de igualdade. No entanto, observações astronômicas mostram que a antimatéria é extremamente rara no Universo. O mistério da antimatéria está em sua ausência.
Em 1931, Paul Dirac, um dos grandes físicos deste século, previu a existência da antimatéria, aplicando a teoria da relatividade à recém-descoberta mecânica quântica. Dois anos mais tarde, Carl Anderson, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (EUA), detectou pósitrons em laboratório. Em 1955, antiprótons foram obtidos em experimentos feitos em Berkeley, na Califórnia.
Mas Dirac também previu que, ao entrarem em contato, matéria e antimatéria se desintegrariam imediatamente e suas massas seriam transformadas em radiação eletromagnética. Em outras palavras, se matéria e antimatéria existissem em pé de igualdade no Universo, nós não estaríamos aqui nos perguntando sobre suas propriedades. Nós somos produto dessa assimetria fundamental no Universo.
Como a explicação dessa assimetria é ainda alvo de muita discussão no meio acadêmico, a produção de átomos de antimatéria é extremamente importante. Até 1995, apenas partículas isoladas de antimatéria haviam sido observadas em laboratório, produto de colisões a energias altíssimas em aceleradores de partículas. Oelert e sua equipe produziram o primeiro átomo de antimatéria, um átomo de "anti-hidrogênio", com um antipróton no núcleo circundado por um pósitron.
Para tal feito, os físicos usaram o anel de Antipróton de Baixas Energias (Lear) no Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear (Cern), na Suíça: um pequeno acelerador de forma circular capaz de acelerar antiprótons produzidos em outras colisões. A cada volta completa no anel (3 milhões de vezes por segundo!), os antiprótons bombardeavam uma amostra do gás xenônio. Muito raramente, a colisão dos antiprótons com os átomos de xenônio fazia parte da energia de um antipróton se converter em um par elétron-pósitron. Ainda mais raramente, a velocidade de um pósitron era suficientemente próxima da de um antipróton para que os dois se atraíssem eletricamente e formassem um átomo de "anti-hidrogênio".
Uma vez criados, os antiátomos existiam por apenas 40 bilionésimos de segundo, viajando a uma velocidade próxima à da luz por dez metros, até colidirem com os átomos da parede do acelerador, desintegrando-se em radiação eletromagnética. O desafio agora é criar antiátomos em quantidades muito maiores (apenas nove foram criados originalmente) e armazená-los sem que eles possam ser aniquilados em colisões com a matéria. Comparando as propriedades do anti-hidrogênio com o hidrogênio normal, talvez encontremos alguma informação sobre a origem da assimetria responsável pela nossa existência.
especial para a Folha
Em setembro de 1995, um grupo de cientistas da Alemanha e da Itália liderados por Walter Oelert, do Instituto de Física Nuclear de Jurlich, na Alemanha, conseguiu, pela primeira vez na história, produzir átomos de antimatéria em laboratório. Essa incrível descoberta foi anunciada ao mundo em janeiro de 1996, causando verdadeira sensação dentro e fora do mundo acadêmico. Vale a pena revisitar e explorar o porquê da euforia.
Antes de mais nada, o que é antimatéria? Ao contrário de sua reputação misteriosa, a antimatéria não tem nada de muito extraordinário. Basicamente, partículas de antimatéria são semelhantes às partículas de matéria, mas com uma grande diferença: sua carga elétrica é oposta. Portanto, a antipartícula do elétron, o pósitron, tem carga positiva, enquanto a do próton tem carga negativa, o antipróton.
Mas se a antimatéria é assim tão sem graça, por que tantas estórias e mistérios? O problema é justamente esse. Segundo as leis da física de partículas, matéria e antimatéria deveriam aparecer na natureza em pé de igualdade. No entanto, observações astronômicas mostram que a antimatéria é extremamente rara no Universo. O mistério da antimatéria está em sua ausência.
Em 1931, Paul Dirac, um dos grandes físicos deste século, previu a existência da antimatéria, aplicando a teoria da relatividade à recém-descoberta mecânica quântica. Dois anos mais tarde, Carl Anderson, do Instituto de Tecnologia da Califórnia (EUA), detectou pósitrons em laboratório. Em 1955, antiprótons foram obtidos em experimentos feitos em Berkeley, na Califórnia.
Mas Dirac também previu que, ao entrarem em contato, matéria e antimatéria se desintegrariam imediatamente e suas massas seriam transformadas em radiação eletromagnética. Em outras palavras, se matéria e antimatéria existissem em pé de igualdade no Universo, nós não estaríamos aqui nos perguntando sobre suas propriedades. Nós somos produto dessa assimetria fundamental no Universo.
Como a explicação dessa assimetria é ainda alvo de muita discussão no meio acadêmico, a produção de átomos de antimatéria é extremamente importante. Até 1995, apenas partículas isoladas de antimatéria haviam sido observadas em laboratório, produto de colisões a energias altíssimas em aceleradores de partículas. Oelert e sua equipe produziram o primeiro átomo de antimatéria, um átomo de "anti-hidrogênio", com um antipróton no núcleo circundado por um pósitron.
Para tal feito, os físicos usaram o anel de Antipróton de Baixas Energias (Lear) no Conselho Europeu para Pesquisa Nuclear (Cern), na Suíça: um pequeno acelerador de forma circular capaz de acelerar antiprótons produzidos em outras colisões. A cada volta completa no anel (3 milhões de vezes por segundo!), os antiprótons bombardeavam uma amostra do gás xenônio. Muito raramente, a colisão dos antiprótons com os átomos de xenônio fazia parte da energia de um antipróton se converter em um par elétron-pósitron. Ainda mais raramente, a velocidade de um pósitron era suficientemente próxima da de um antipróton para que os dois se atraíssem eletricamente e formassem um átomo de "anti-hidrogênio".
Uma vez criados, os antiátomos existiam por apenas 40 bilionésimos de segundo, viajando a uma velocidade próxima à da luz por dez metros, até colidirem com os átomos da parede do acelerador, desintegrando-se em radiação eletromagnética. O desafio agora é criar antiátomos em quantidades muito maiores (apenas nove foram criados originalmente) e armazená-los sem que eles possam ser aniquilados em colisões com a matéria. Comparando as propriedades do anti-hidrogênio com o hidrogênio normal, talvez encontremos alguma informação sobre a origem da assimetria responsável pela nossa existência.
domingo, 1 de março de 1998
Recriando as menores estruturas do Universo
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Eu me lembro, quando garoto, de infernizar a vida de meu pai com perguntas do tipo "Mas, pai, por que...?". As perguntas mais chatas de responder eram, as que cientistas podem passar uma vida inteira tentando responder. Parafraseando Milan Kundera, "as perguntas mais importantes são as que uma criança faz. São perguntas sem resposta e, portanto, perguntas que definem as limitações das possibilidades humanas".
Por exemplo, "Pai, o que que acontece se eu cortar um pedaço de pau em pedacinhos bem pequenos?". "Bem, você vai ficar com vários pedaços pequenos de madeira", meu pai responderia aliviado, pensando ter se safado rapidamente. Mas eu, como toda criança curiosa, não ia desistir assim, tão facilmente.
"Mas e se eu continuar cortando sem parar? Os pedaços de madeira desaparecem?"
Pois é, o que acontece quando dividimos a matéria em pedaços cada vez menores? Bem, diria o físico de partículas, você encontraria moléculas, que são agregados de átomos, depois átomos, que são agregados de partículas de matéria chamadas prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons ocupam o núcleo atômico, carregando praticamente toda a massa do átomo. Elétrons giram "ao redor" do núcleo, carregando suas cargas negativas. As aspas indicam que esse modelo do átomo como um minissistema solar não é realmente muito apropriado.
A esta altura, claro que não estamos mais "cortando" o átomo para dividi-lo. Experiências que estudam a estrutura da matéria no nível atômico e subatômico usam máquinas conhecidas como aceleradores de partículas, que colide matéria contra matéria a energias (velocidades) altíssimas. Quanto maior a energia da colisão, menores as distâncias que podemos estudar.
Um exemplo: suponha que você queira estudar o interior de uma laranja sem cortá-la. Um método seria deixá-la cair. De uma altura de 20 cm, nada de muito dramático aconteceria. Mas, se a laranja cair de uma altura de 20 m, ao colidir com o chão sua velocidade seria grande o suficiente para que seu interior nos fosse revelado: bagaço, sementes e muito suco.
Aceleradores de partículas estudam as menores estruturas da matéria por meio de colisões de altíssimas energias. O Tevatron, que atinge as maiores energias do mundo está a 40 km de Chicago, no Laboratório Nacional de Acelerador Fermi. As colisões ali produzidas atingem energias que permitem o estudo da estrutura da matéria a distâncias cem milhões de vezes menores que um átomo de hidrogênio, mil vezes menores que um próton!
A essas energias, fica claro que prótons e nêutrons não são partículas fundamentais, mas sim formadas por partículas ainda menores, chamadas quarks. Mas será que existem partículas ainda menores que os quarks? Será que essa hierarquia não vai terminar nunca? Estas perguntas óbvias não são nada simples.
Isso não significa que não há respostas. Na verdade, temos até respostas demais, baseadas em diferentes modelos do que acontece com a matéria a altíssimas energias, além das que podemos, no momento, estudar com nossos aceleradores. Esses modelos recebem nomes exóticos como supersimetria, tecnicolor, ou preons. Independente dos detalhes de cada modelo, todos dizem que a hierarquia termina, se não no nível dos quarks, num subnível próximo deles. Ou seja, que a matéria tem uma estrutura fundamental baseada em certas partículas elementares.
Alguns desses modelos serão testados na próxima década, quando um novo acelerador, que está sendo construído no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), perto de Genebra, na Suíça, colidirá partículas com energias até oito vezes maiores que o Tevatron. Mas, talvez ainda mais importante do que as respostas, serão as novas perguntas que surgirão do coração dessas colisões.
especial para a Folha
Eu me lembro, quando garoto, de infernizar a vida de meu pai com perguntas do tipo "Mas, pai, por que...?". As perguntas mais chatas de responder eram, as que cientistas podem passar uma vida inteira tentando responder. Parafraseando Milan Kundera, "as perguntas mais importantes são as que uma criança faz. São perguntas sem resposta e, portanto, perguntas que definem as limitações das possibilidades humanas".
Por exemplo, "Pai, o que que acontece se eu cortar um pedaço de pau em pedacinhos bem pequenos?". "Bem, você vai ficar com vários pedaços pequenos de madeira", meu pai responderia aliviado, pensando ter se safado rapidamente. Mas eu, como toda criança curiosa, não ia desistir assim, tão facilmente.
"Mas e se eu continuar cortando sem parar? Os pedaços de madeira desaparecem?"
Pois é, o que acontece quando dividimos a matéria em pedaços cada vez menores? Bem, diria o físico de partículas, você encontraria moléculas, que são agregados de átomos, depois átomos, que são agregados de partículas de matéria chamadas prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons ocupam o núcleo atômico, carregando praticamente toda a massa do átomo. Elétrons giram "ao redor" do núcleo, carregando suas cargas negativas. As aspas indicam que esse modelo do átomo como um minissistema solar não é realmente muito apropriado.
A esta altura, claro que não estamos mais "cortando" o átomo para dividi-lo. Experiências que estudam a estrutura da matéria no nível atômico e subatômico usam máquinas conhecidas como aceleradores de partículas, que colide matéria contra matéria a energias (velocidades) altíssimas. Quanto maior a energia da colisão, menores as distâncias que podemos estudar.
Um exemplo: suponha que você queira estudar o interior de uma laranja sem cortá-la. Um método seria deixá-la cair. De uma altura de 20 cm, nada de muito dramático aconteceria. Mas, se a laranja cair de uma altura de 20 m, ao colidir com o chão sua velocidade seria grande o suficiente para que seu interior nos fosse revelado: bagaço, sementes e muito suco.
Aceleradores de partículas estudam as menores estruturas da matéria por meio de colisões de altíssimas energias. O Tevatron, que atinge as maiores energias do mundo está a 40 km de Chicago, no Laboratório Nacional de Acelerador Fermi. As colisões ali produzidas atingem energias que permitem o estudo da estrutura da matéria a distâncias cem milhões de vezes menores que um átomo de hidrogênio, mil vezes menores que um próton!
A essas energias, fica claro que prótons e nêutrons não são partículas fundamentais, mas sim formadas por partículas ainda menores, chamadas quarks. Mas será que existem partículas ainda menores que os quarks? Será que essa hierarquia não vai terminar nunca? Estas perguntas óbvias não são nada simples.
Isso não significa que não há respostas. Na verdade, temos até respostas demais, baseadas em diferentes modelos do que acontece com a matéria a altíssimas energias, além das que podemos, no momento, estudar com nossos aceleradores. Esses modelos recebem nomes exóticos como supersimetria, tecnicolor, ou preons. Independente dos detalhes de cada modelo, todos dizem que a hierarquia termina, se não no nível dos quarks, num subnível próximo deles. Ou seja, que a matéria tem uma estrutura fundamental baseada em certas partículas elementares.
Alguns desses modelos serão testados na próxima década, quando um novo acelerador, que está sendo construído no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), perto de Genebra, na Suíça, colidirá partículas com energias até oito vezes maiores que o Tevatron. Mas, talvez ainda mais importante do que as respostas, serão as novas perguntas que surgirão do coração dessas colisões.
domingo, 22 de fevereiro de 1998
A primeira experiência de teletransporte
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Imagine um futuro longínquo, quando aviões, trens ou qualquer outro meio de transporte tenham se tornado coisa do passado. Para ir de um ponto a outro no espaço, bastará entrar em uma cabine de teletransporte e sair, instantaneamente, em outra, no destino desejado. Poderemos começar uma viagem em São Paulo e terminá-la no Rio, ou em outra galáxia...
Mas essa história é velha! Basta assistir a um episódio da série "Jornada nas Estrelas" que veremos o Capitão Kirk ser teletransportado sem maiores mistérios. Ficção científica? Sem dúvida. Mas, recentemente, físicos na Áustria e na Itália, conseguiram pela primeira vez teletransportar uma propriedade de um fóton -uma partícula de luz cuja existência foi proposta por Einstein em 1905- de um ponto a outro no espaço. Instantaneamente.
Sabemos que a luz pode ser descrita como ondas eletromagnéticas que se propagam à velocidade de 300.000 km/s no espaço vazio. Como toda onda, a luz pode ser polarizada, ou seja, ela pode estar vibrando em apenas um determinado plano.
Imagine uma corda com uma das extremidades amarrada a uma árvore. Vibrando a outra extremidade, podemos fazer com que a corda ondule com "polarizações" diferentes, por exemplo, perpendicular ou paralela à árvore. O fóton, como digno representante corpuscular da luz, ou melhor, da radiação eletromagnética, também exibe diferentes polarizações.
Nas experiências feitas na Áustria e na Itália, a propriedade do fóton teletransportada foi sua polarização. Imagine que Maria esteja interessada em teletransportar para João a polarização de um fóton. Maria tem dois fótons, que ela chama de A e M (de mensageiro). João tem um fóton B. O teletransporte seria, então, fazer com que o fóton de João (B) adquira a polarização original do fóton de Maria (A). No teletransporte, nenhum fóton viaja fisicamente através do espaço separando Maria e João. Apenas as propriedades do fóton A, de Maria, se materializam instantaneamente no fóton B, de João. (Para o leitor curioso, esse fenômeno não viola a causalidade.)
Como que esse fenômeno bizarro de interação instantânea a distância é possível? O comportamento de objetos no mundo submicroscópico muitas vezes vai contra nossas noções do que é ou não possível. No caso dos fótons, é possível construir um par de fótons que exibem, juntos, uma propriedade conhecida como "entrelaçamento".
Se um par de fótons está entrelaçado, ao medirmos a polarização de um deles, o outro imediatamente assumirá a polarização perpendicular à que foi medida. Se os fótons A e M estão entrelaçados e se medirmos A com polarização vertical, M assumirá polarização horizontal.
O que é fantástico é que esse efeito não depende da distância entre os dois fótons. A e M podem estar separados por um metro, dez quilômetros (como no experimento recente) ou estar em outra parte da galáxia. Mas, ao medirmos a polarização de A, M assumirá imediatamente a polarização perpendicular. Einstein jamais aceitou essa possibilidade. Mas vários experimentos comprovaram o entrelaçamento de dois fótons.
Voltando a João e Maria, eles entrelaçam os fótons M e B. Maria, por sua vez, entrelaça seus dois fótons, A e M. O que acontece? Quando Maria entrelaça A e M, sabemos que M assumirá a polarização perpendicular a A. Mas, como M e B também estão entrelaçados, sabemos que B assumirá a polarização perpendicular a M. Ou seja, B assumirá a polarização original de A.
As aplicações são potencialmente imensas, mesmo que ainda não possamos sequer imaginar como teletransportar seres humanos. Mas nos campos emergentes de criptografia e computação quântica (computadores baseados em moléculas), o teletransporte será um ingrediente fundamental. O que era ficção vai se tornando, de fóton em fóton, realidade.
especial para a Folha
Imagine um futuro longínquo, quando aviões, trens ou qualquer outro meio de transporte tenham se tornado coisa do passado. Para ir de um ponto a outro no espaço, bastará entrar em uma cabine de teletransporte e sair, instantaneamente, em outra, no destino desejado. Poderemos começar uma viagem em São Paulo e terminá-la no Rio, ou em outra galáxia...
Mas essa história é velha! Basta assistir a um episódio da série "Jornada nas Estrelas" que veremos o Capitão Kirk ser teletransportado sem maiores mistérios. Ficção científica? Sem dúvida. Mas, recentemente, físicos na Áustria e na Itália, conseguiram pela primeira vez teletransportar uma propriedade de um fóton -uma partícula de luz cuja existência foi proposta por Einstein em 1905- de um ponto a outro no espaço. Instantaneamente.
Sabemos que a luz pode ser descrita como ondas eletromagnéticas que se propagam à velocidade de 300.000 km/s no espaço vazio. Como toda onda, a luz pode ser polarizada, ou seja, ela pode estar vibrando em apenas um determinado plano.
Imagine uma corda com uma das extremidades amarrada a uma árvore. Vibrando a outra extremidade, podemos fazer com que a corda ondule com "polarizações" diferentes, por exemplo, perpendicular ou paralela à árvore. O fóton, como digno representante corpuscular da luz, ou melhor, da radiação eletromagnética, também exibe diferentes polarizações.
Nas experiências feitas na Áustria e na Itália, a propriedade do fóton teletransportada foi sua polarização. Imagine que Maria esteja interessada em teletransportar para João a polarização de um fóton. Maria tem dois fótons, que ela chama de A e M (de mensageiro). João tem um fóton B. O teletransporte seria, então, fazer com que o fóton de João (B) adquira a polarização original do fóton de Maria (A). No teletransporte, nenhum fóton viaja fisicamente através do espaço separando Maria e João. Apenas as propriedades do fóton A, de Maria, se materializam instantaneamente no fóton B, de João. (Para o leitor curioso, esse fenômeno não viola a causalidade.)
Como que esse fenômeno bizarro de interação instantânea a distância é possível? O comportamento de objetos no mundo submicroscópico muitas vezes vai contra nossas noções do que é ou não possível. No caso dos fótons, é possível construir um par de fótons que exibem, juntos, uma propriedade conhecida como "entrelaçamento".
Se um par de fótons está entrelaçado, ao medirmos a polarização de um deles, o outro imediatamente assumirá a polarização perpendicular à que foi medida. Se os fótons A e M estão entrelaçados e se medirmos A com polarização vertical, M assumirá polarização horizontal.
O que é fantástico é que esse efeito não depende da distância entre os dois fótons. A e M podem estar separados por um metro, dez quilômetros (como no experimento recente) ou estar em outra parte da galáxia. Mas, ao medirmos a polarização de A, M assumirá imediatamente a polarização perpendicular. Einstein jamais aceitou essa possibilidade. Mas vários experimentos comprovaram o entrelaçamento de dois fótons.
Voltando a João e Maria, eles entrelaçam os fótons M e B. Maria, por sua vez, entrelaça seus dois fótons, A e M. O que acontece? Quando Maria entrelaça A e M, sabemos que M assumirá a polarização perpendicular a A. Mas, como M e B também estão entrelaçados, sabemos que B assumirá a polarização perpendicular a M. Ou seja, B assumirá a polarização original de A.
As aplicações são potencialmente imensas, mesmo que ainda não possamos sequer imaginar como teletransportar seres humanos. Mas nos campos emergentes de criptografia e computação quântica (computadores baseados em moléculas), o teletransporte será um ingrediente fundamental. O que era ficção vai se tornando, de fóton em fóton, realidade.
domingo, 15 de fevereiro de 1998
Uma brevíssima história do vazio
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Há muitos anos, Gilberto Gil compôs uma canção que dizia: "É sempre bom lembrar que um copo vazio está cheio de ar". Ela lembra a frase budista: "Onde existe luz existe sombra". Vazio e cheio, luz e sombra: a idéia da complementaridade de opostos está profundamente arraigada no pensamento humano.
Mas o que acontece com o copo vazio se todo o seu ar for retirado? Imaginemos uma fantástica bomba de vácuo, uma máquina capaz de sugar todo o ar de dentro de qualquer recipiente perfeitamente lacrado. Será que conseguiremos chegar ao ponto de um vazio absoluto? (Claro, um copo implodiria devido à pressão, mas estamos imaginando um copo "perfeito".)
A possibilidade ou não da existência de um "vazio absoluto" já era debatida ferozmente na Grécia Antiga, em torno do século 5 a.C. Segundo Parmênides, filósofo pré-socrático que viveu em Eléa, sul da Itália, o Universo é permeado pela presença de "Eon", o Ser em seu sentido mais abstrato, a Existência onipresente e estática, imutável e perfeita. Portanto, o Vazio é uma impossibilidade, já que sua existência seria equivalente à de um Não-Ser, que contradiria a onipresença absoluta do Eon.
Para contrariar os parmenidianos, os atomistas postularam que tudo é composto de átomos e se movimenta no vazio. Tudo na natureza pode ser reduzido a átomos e seus agregados, que se movem no espaço vazio. A imutabilidade do Ser de Parmênides é transferida aos átomos, indestrutíveis e eternos. Mas, para os atomistas, o vazio existe.
Aristóteles retomou de certa forma a tese de Parmênides de que o vazio não existe: "A natureza odeia o vácuo". Como para ele a velocidade dos corpos em movimento é inversamente proporcional à densidade do meio, um meio perfeitamente vazio (densidade nula) implicaria movimentos de velocidade infinita, um absurdo para Aristóteles.
Pulando quase 2.000 anos, o debate sobre a natureza do vazio voltou a estimular a imaginação dos filósofos da natureza. René Descartes, no século 18, postulou a existência de vórtices no espaço que transportavam os planetas em suas órbitas, enquanto Newton assumiu, como os atomistas, que o espaço interplanetário é vazio; a força da gravidade é a responsável pelos movimentos dos objetos celestes.
No século 19, o problema do vazio reapareceu em outro ramo da física, o eletromagnetismo. O britânico James Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética que se propaga à velocidade de 3.000 km/s. Mas as ondas se propagam em um meio material: as de som se propagam no ar e as do mar, na água. De fato, ondas são apenas uma manifestação da propagação de energia através de um meio material. E as ondas luminosas? Em que meio elas se propagam?
Para Maxwell, ondas luminosas se propagam em um meio material chamado "éter". Todos os cientistas da época acreditavam na existência do éter, apesar de suas propriedades muito estranhas, preenchendo todo o espaço (Aristóteles outra vez!), mas, ao mesmo tempo, sendo imponderável, rígido como um sólido e incapaz de oferecer resistência ao movimento dos objetos celestes.
Em 1905, Einstein apresenta sua teoria da relatividade restrita, em que ele mostra que o éter é perfeitamente descartável. O vazio reaparece triunfalmente, juntamente com toda uma reformulação das idéias newtonianas de espaço e tempo. Mas a festa durou pouco. Com o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 20, ficou claro que pequenas violações na lei de conservação de energia são possíveis, mesmo que por pouquíssimo tempo. E como matéria e energia são "interconversíveis", essas flutuações quânticas de energia podem criar matéria. O vácuo quântico é repleto dessas flutuações, partículas que aparecem e desaparecem continuamente numa dança de criação e destruição. O vazio não existe. Aristóteles, que não riu por último, pode sorrir novamente.
especial para a Folha
Há muitos anos, Gilberto Gil compôs uma canção que dizia: "É sempre bom lembrar que um copo vazio está cheio de ar". Ela lembra a frase budista: "Onde existe luz existe sombra". Vazio e cheio, luz e sombra: a idéia da complementaridade de opostos está profundamente arraigada no pensamento humano.
Mas o que acontece com o copo vazio se todo o seu ar for retirado? Imaginemos uma fantástica bomba de vácuo, uma máquina capaz de sugar todo o ar de dentro de qualquer recipiente perfeitamente lacrado. Será que conseguiremos chegar ao ponto de um vazio absoluto? (Claro, um copo implodiria devido à pressão, mas estamos imaginando um copo "perfeito".)
A possibilidade ou não da existência de um "vazio absoluto" já era debatida ferozmente na Grécia Antiga, em torno do século 5 a.C. Segundo Parmênides, filósofo pré-socrático que viveu em Eléa, sul da Itália, o Universo é permeado pela presença de "Eon", o Ser em seu sentido mais abstrato, a Existência onipresente e estática, imutável e perfeita. Portanto, o Vazio é uma impossibilidade, já que sua existência seria equivalente à de um Não-Ser, que contradiria a onipresença absoluta do Eon.
Para contrariar os parmenidianos, os atomistas postularam que tudo é composto de átomos e se movimenta no vazio. Tudo na natureza pode ser reduzido a átomos e seus agregados, que se movem no espaço vazio. A imutabilidade do Ser de Parmênides é transferida aos átomos, indestrutíveis e eternos. Mas, para os atomistas, o vazio existe.
Aristóteles retomou de certa forma a tese de Parmênides de que o vazio não existe: "A natureza odeia o vácuo". Como para ele a velocidade dos corpos em movimento é inversamente proporcional à densidade do meio, um meio perfeitamente vazio (densidade nula) implicaria movimentos de velocidade infinita, um absurdo para Aristóteles.
Pulando quase 2.000 anos, o debate sobre a natureza do vazio voltou a estimular a imaginação dos filósofos da natureza. René Descartes, no século 18, postulou a existência de vórtices no espaço que transportavam os planetas em suas órbitas, enquanto Newton assumiu, como os atomistas, que o espaço interplanetário é vazio; a força da gravidade é a responsável pelos movimentos dos objetos celestes.
No século 19, o problema do vazio reapareceu em outro ramo da física, o eletromagnetismo. O britânico James Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética que se propaga à velocidade de 3.000 km/s. Mas as ondas se propagam em um meio material: as de som se propagam no ar e as do mar, na água. De fato, ondas são apenas uma manifestação da propagação de energia através de um meio material. E as ondas luminosas? Em que meio elas se propagam?
Para Maxwell, ondas luminosas se propagam em um meio material chamado "éter". Todos os cientistas da época acreditavam na existência do éter, apesar de suas propriedades muito estranhas, preenchendo todo o espaço (Aristóteles outra vez!), mas, ao mesmo tempo, sendo imponderável, rígido como um sólido e incapaz de oferecer resistência ao movimento dos objetos celestes.
Em 1905, Einstein apresenta sua teoria da relatividade restrita, em que ele mostra que o éter é perfeitamente descartável. O vazio reaparece triunfalmente, juntamente com toda uma reformulação das idéias newtonianas de espaço e tempo. Mas a festa durou pouco. Com o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 20, ficou claro que pequenas violações na lei de conservação de energia são possíveis, mesmo que por pouquíssimo tempo. E como matéria e energia são "interconversíveis", essas flutuações quânticas de energia podem criar matéria. O vácuo quântico é repleto dessas flutuações, partículas que aparecem e desaparecem continuamente numa dança de criação e destruição. O vazio não existe. Aristóteles, que não riu por último, pode sorrir novamente.
domingo, 8 de fevereiro de 1998
As nebulosas e as sementes primordiais do Universo
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
O astrônomo inglês William Herschel, descobridor do planeta Urano, comparava o céu noturno com um jardim "repleto de criações as mais variadas". Após décadas de árduas observações, Herschel compilou um catálogo celeste com mais de 2.500 dessas "criações", na época conhecidas apenas como nebulosas.
Para Herschel e outros astrônomos do início do século 19, nebulosas eram objetos celestes difusos, que, ao contrário de planetas ou estrelas, não apareciam como pontos de luz mas como manchas luminosas. Foram necessários outros cem anos para que a natureza das nebulosas fosse desvendada.
Por que a demora? Se olharmos para o céu em uma noite sem Lua, longe de qualquer cidade e de suas luzes, podemos distinguir apenas três objetos que seriam classificados por Herschel como nebulosas: Andrômeda, nossa galáxia vizinha, a aproximadamente 2 milhões de anos-luz do Sol, e as duas Nuvens de Magalhães, a 170 mil anos-luz do Sol. Devido à sua distância de nós, as nebulosas são difíceis de serem observadas. Com o desenvolvimento dos telescópios de grande porte, ficou claro que elas são vários tipos de objetos de natureza muito diversa, as "criações" do jardim cósmico de Herschel.
Existem galáxias, nebulosas planetárias, que são restos mortais de explosões estelares, aglomerados globulares de estrelas, nuvens de gás interestelar e vários outros tipos de "nebulosas". Mas, nem mesmo em seus sonhos mais criativos, Herschel poderia imaginar o quanto é rico e complicado o jardim celeste.
Nas últimas duas décadas, armados de poderosos telescópios e de novas tecnologias ópticas, que permitem que vastas porções do céu sejam fotografadas digitalmente com grande precisão, astrônomos descobriram que os céus não só exibem as mais variadas criações, mas também uma riquíssima cultura.
Talvez o melhor modelo da estrutura cósmica descoberta pelos astrônomos seja a do banho de espuma. Do mesmo modo que em um banho de espuma bolhas se tocam apenas na superfície, galáxias também são encontradas na "superfície" de bolhas, regiões com o interior praticamente vazio.
Um dos maiores mistérios da astronomia moderna é desvendar os mecanismos responsáveis pela formação dessas vastas estruturas cósmicas. Segundo observações atuais, muitas delas trabalho do excelente astrônomo brasileiro Luis Nicolacci da Costa, os "vazios cósmicos" podem ter diâmetros de dezenas de milhões de anos-luz!
O escultor principal dessa vasta estrutura cósmica é a força da gravidade. Modelos numéricos que tentam reproduzir as estruturas observadas usam a gravidade como a força responsável pelo colapso da matéria em estruturas organizadas, de galáxias e aglomerados de galáxias a bolhas cósmicas. No momento, os modelos mais bem-sucedidos, ou seja, que reproduzem melhor as estruturas observadas, usam três ingredientes. Primeiro, se adiciona matéria bariônica, ou seja, matéria ordinária, feita de prótons e nêutrons. A essa adiciona-se um outro tipo de matéria, conhecida como "matéria escura", que apenas interage com a matéria ordinária devido à gravidade. A natureza da matéria escura permanece ainda um mistério. Mas estamos certos de sua presença no Universo.
Mas só adicionarmos matéria e gravidade não é suficiente. É necessário também plantarmos sementes, concentrações de energia que possam provocar o colapso inicial da matéria bariônica e escura. Essas sementes primordiais são resultado de processos físicos que ocorreram durante a infância do Universo e ainda são foco de muita especulação. Mas, sem essas sementes, o jardim cósmico jamais poderá florescer, dando origem às suas ricas criações.
especial para a Folha
O astrônomo inglês William Herschel, descobridor do planeta Urano, comparava o céu noturno com um jardim "repleto de criações as mais variadas". Após décadas de árduas observações, Herschel compilou um catálogo celeste com mais de 2.500 dessas "criações", na época conhecidas apenas como nebulosas.
Para Herschel e outros astrônomos do início do século 19, nebulosas eram objetos celestes difusos, que, ao contrário de planetas ou estrelas, não apareciam como pontos de luz mas como manchas luminosas. Foram necessários outros cem anos para que a natureza das nebulosas fosse desvendada.
Por que a demora? Se olharmos para o céu em uma noite sem Lua, longe de qualquer cidade e de suas luzes, podemos distinguir apenas três objetos que seriam classificados por Herschel como nebulosas: Andrômeda, nossa galáxia vizinha, a aproximadamente 2 milhões de anos-luz do Sol, e as duas Nuvens de Magalhães, a 170 mil anos-luz do Sol. Devido à sua distância de nós, as nebulosas são difíceis de serem observadas. Com o desenvolvimento dos telescópios de grande porte, ficou claro que elas são vários tipos de objetos de natureza muito diversa, as "criações" do jardim cósmico de Herschel.
Existem galáxias, nebulosas planetárias, que são restos mortais de explosões estelares, aglomerados globulares de estrelas, nuvens de gás interestelar e vários outros tipos de "nebulosas". Mas, nem mesmo em seus sonhos mais criativos, Herschel poderia imaginar o quanto é rico e complicado o jardim celeste.
Nas últimas duas décadas, armados de poderosos telescópios e de novas tecnologias ópticas, que permitem que vastas porções do céu sejam fotografadas digitalmente com grande precisão, astrônomos descobriram que os céus não só exibem as mais variadas criações, mas também uma riquíssima cultura.
Talvez o melhor modelo da estrutura cósmica descoberta pelos astrônomos seja a do banho de espuma. Do mesmo modo que em um banho de espuma bolhas se tocam apenas na superfície, galáxias também são encontradas na "superfície" de bolhas, regiões com o interior praticamente vazio.
Um dos maiores mistérios da astronomia moderna é desvendar os mecanismos responsáveis pela formação dessas vastas estruturas cósmicas. Segundo observações atuais, muitas delas trabalho do excelente astrônomo brasileiro Luis Nicolacci da Costa, os "vazios cósmicos" podem ter diâmetros de dezenas de milhões de anos-luz!
O escultor principal dessa vasta estrutura cósmica é a força da gravidade. Modelos numéricos que tentam reproduzir as estruturas observadas usam a gravidade como a força responsável pelo colapso da matéria em estruturas organizadas, de galáxias e aglomerados de galáxias a bolhas cósmicas. No momento, os modelos mais bem-sucedidos, ou seja, que reproduzem melhor as estruturas observadas, usam três ingredientes. Primeiro, se adiciona matéria bariônica, ou seja, matéria ordinária, feita de prótons e nêutrons. A essa adiciona-se um outro tipo de matéria, conhecida como "matéria escura", que apenas interage com a matéria ordinária devido à gravidade. A natureza da matéria escura permanece ainda um mistério. Mas estamos certos de sua presença no Universo.
Mas só adicionarmos matéria e gravidade não é suficiente. É necessário também plantarmos sementes, concentrações de energia que possam provocar o colapso inicial da matéria bariônica e escura. Essas sementes primordiais são resultado de processos físicos que ocorreram durante a infância do Universo e ainda são foco de muita especulação. Mas, sem essas sementes, o jardim cósmico jamais poderá florescer, dando origem às suas ricas criações.
domingo, 1 de fevereiro de 1998
Beleza = simetria + ordem
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
A beleza é uma dessas coisas extremamente difíceis de serem definidas com precisão. O que para uns é belo, para outros pode ser horrível. Essa subjetividade cultural da beleza vai além do visual. Para os ocidentais, uma ópera chinesa ou um recital de cítara indiana pode ser uma experiência dolorosa. Para um aborígine australiano, Mozart pode soar no mínimo distante, certamente exótico.
No entanto, existem certos valores estéticos que parecem transcender fronteiras culturais ou mesmo temporais. Após a conquista romana do Egito, a decoração das múmias passou a ser influenciada pela arte clássica, criando uma espécie de fusão entre a arte egípcia e a greco-romana.
Retratos das pessoas mumificadas, pintados em estilo clássico, decoravam as tampas dos sarcófagos, dando-nos a oportunidade de aprender um pouco sobre os valores culturais e artísticos de uma sociedade que existiu há cerca de 2.000 anos.
É um fato curioso e relevante a universalidade do conceito de simetria como expressão do belo. Mesmo para olhos "ocidentais", a beleza da arte egípcia antes e depois da conquista romana é indiscutível. O mesmo acontece com a arte muçulmana, com suas decorações suntuosas de mesquitas em ladrilhos pintados em padrões geométricos, que influenciou a obra do pintor francês Henri Matisse. E quem não gosta de um tapete persa?
Portanto, algumas obras só são belas para uma certa cultura, enquanto outras transcendem barreiras culturais. A meu ver, a diferença entre dois tipos de beleza está ligada à noção de ordem. Temos de organizar o mundo à nossa volta por razões originalmente ditadas pela sobrevivência em um ambiente austero e competitivo.
Unidos à necessidade "tribal" de organização, certos fenômenos naturais se manifestam ordenadamente. Na aparição diurna do Sol, no ciclo anual das estações ou na volta periódica dos planetas, a natureza exibe, de forma aconchegantemente previsível, ciclos que ajudam a organizar nossa vida. O imprevisível, como furacões, tempestades ou a morte, está ligado ao mistério do desconhecido e à quebra da ordem. A desordem é assustadora e inspiradora, à sua maneira.
Simetria é o ponto de encontro entre beleza e ordem. Existe algo profundamente satisfatório na apreciação de uma forma simétrica, seja ela a arquitetura de um templo grego, de uma pirâmide egípcia ou de uma catedral gótica. Ou as asas de uma borboleta, a concha de um molusco, um arco-íris. Essa apreciação universal pelo simétrico como manifestação do belo vai além de sua expressão artística através dos tempos. Simetria é também uma das grandes fontes de inspiração da criatividade científica.
Pitágoras, no século 6 a.C., fundou uma escola filosófica que preconizava os números como representação da estética universal, uma ponte entre a razão humana e o mundo natural. Segundo os pitagóricos, tudo podia ser representado por números, sendo o papel do filósofo descobrir as relações secretas entre eles e a natureza.
Os pitagóricos criaram a noção de harmonia para representar o estado de transcendência que é atingido quando nossas aspirações estéticas, manifestas por meio dos números e suas relações, encontram ressonância no mundo real. Ordem, beleza e simetria são unificadas em uma experiência que une o místico ao intelectual.
Essa busca pelo que é tanto racionalmente belo quanto relacionado com uma descrição do mundo real é o que inspira grande parte da obra científica tanto no passado quanto hoje. Nós, como os pitagóricos, também celebramos a harmonia dos números na descrição científica da natureza.
especial para a Folha
A beleza é uma dessas coisas extremamente difíceis de serem definidas com precisão. O que para uns é belo, para outros pode ser horrível. Essa subjetividade cultural da beleza vai além do visual. Para os ocidentais, uma ópera chinesa ou um recital de cítara indiana pode ser uma experiência dolorosa. Para um aborígine australiano, Mozart pode soar no mínimo distante, certamente exótico.
No entanto, existem certos valores estéticos que parecem transcender fronteiras culturais ou mesmo temporais. Após a conquista romana do Egito, a decoração das múmias passou a ser influenciada pela arte clássica, criando uma espécie de fusão entre a arte egípcia e a greco-romana.
Retratos das pessoas mumificadas, pintados em estilo clássico, decoravam as tampas dos sarcófagos, dando-nos a oportunidade de aprender um pouco sobre os valores culturais e artísticos de uma sociedade que existiu há cerca de 2.000 anos.
É um fato curioso e relevante a universalidade do conceito de simetria como expressão do belo. Mesmo para olhos "ocidentais", a beleza da arte egípcia antes e depois da conquista romana é indiscutível. O mesmo acontece com a arte muçulmana, com suas decorações suntuosas de mesquitas em ladrilhos pintados em padrões geométricos, que influenciou a obra do pintor francês Henri Matisse. E quem não gosta de um tapete persa?
Portanto, algumas obras só são belas para uma certa cultura, enquanto outras transcendem barreiras culturais. A meu ver, a diferença entre dois tipos de beleza está ligada à noção de ordem. Temos de organizar o mundo à nossa volta por razões originalmente ditadas pela sobrevivência em um ambiente austero e competitivo.
Unidos à necessidade "tribal" de organização, certos fenômenos naturais se manifestam ordenadamente. Na aparição diurna do Sol, no ciclo anual das estações ou na volta periódica dos planetas, a natureza exibe, de forma aconchegantemente previsível, ciclos que ajudam a organizar nossa vida. O imprevisível, como furacões, tempestades ou a morte, está ligado ao mistério do desconhecido e à quebra da ordem. A desordem é assustadora e inspiradora, à sua maneira.
Simetria é o ponto de encontro entre beleza e ordem. Existe algo profundamente satisfatório na apreciação de uma forma simétrica, seja ela a arquitetura de um templo grego, de uma pirâmide egípcia ou de uma catedral gótica. Ou as asas de uma borboleta, a concha de um molusco, um arco-íris. Essa apreciação universal pelo simétrico como manifestação do belo vai além de sua expressão artística através dos tempos. Simetria é também uma das grandes fontes de inspiração da criatividade científica.
Pitágoras, no século 6 a.C., fundou uma escola filosófica que preconizava os números como representação da estética universal, uma ponte entre a razão humana e o mundo natural. Segundo os pitagóricos, tudo podia ser representado por números, sendo o papel do filósofo descobrir as relações secretas entre eles e a natureza.
Os pitagóricos criaram a noção de harmonia para representar o estado de transcendência que é atingido quando nossas aspirações estéticas, manifestas por meio dos números e suas relações, encontram ressonância no mundo real. Ordem, beleza e simetria são unificadas em uma experiência que une o místico ao intelectual.
Essa busca pelo que é tanto racionalmente belo quanto relacionado com uma descrição do mundo real é o que inspira grande parte da obra científica tanto no passado quanto hoje. Nós, como os pitagóricos, também celebramos a harmonia dos números na descrição científica da natureza.
domingo, 25 de janeiro de 1998
O dramático ciclo de vida das estrelas
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
O que é uma estrela? A expli cação mais simples é que uma estrela normal é uma bola de fogo enorme que passa a vida em luta com a gravidade.
A pressão das reações termo nucleares no interior da estrela balança a força gravitacional, que tende a fazê-la implodir. Uma estrela é resultado do dra mático balanço entre implosão e explosão, que pode durar bi lhões de anos.
Ainda não sabemos ao certo como nasce uma estrela. Os mo delos mais plausíveis assumem que elas nascem em regiões ri cas em gás, principalmente hi drogênio. Com a explosão de uma outra estrela vizinha, essas nuvens de gás passam a ter re giões mais densas do que outras e começam a implodir devido à gravidade, tornando-se cada vez mais densas.
Na medida em que essas Ése mentes» continuam seu colap so, sua temperatura e densida de aumentam, eventualmente permitindo a "fusão" de hi drogênio em hélio.
A enorme energia liberada por esses processos de fusão nu clear causa uma pressão que se opõe ao colapso da massa gaso sa. Assim nasce uma estrela.
Na maior parte da existência de uma estrela normal, essas duas forças opostas continuam seu balanço de forma quase que pacífica. Para uma estrela como o nosso Sol, hoje em sua meia-i dade, esse período de paz dura em torno de 10 bilhões de anos.
Mas a vida de uma estrela no céu é tão dramática quanto a de uma Éestrela do cinema» na Terra. Para que a estrela possa existir, ela tem de se autoconsu mir, devorando desesperada mente suas entranhas de hidro gênio para balancear a inexo rável força da gravidade. É a fútil luta contra o tempo, que jamais será vencida, apenas atenuada. No final, a estrela não tem mais combustível para continuar sua luta; a gravida de, em seu triunfo final, faz com que ela comece a implodir.
Os detalhes da fase de implo são dependem da massa inicial da estrela. É como se, de repen te, tirassem os três primeiros andares de um edifício de dez pavimentos. Sem suporte, os se te andares superiores despen cam, causando pressões ainda maiores na parte inferior.
Em geral, esse colapso é segui do de uma expansão da estrela, que pode resultar na expulsão de enormes quantidades de ma téria para o espaço, numa espé cie de estertor cósmico.
As pressões mais elevadas na região central fazem com que elementos químicos mais pesa dos que o hélio sejam fundidos. Para estrelas como o Sol, a fu são nuclear chega até aos ele mentos carbono e oxigênio. Pa ra estrelas mais pesadas, ela chega até ao elemento ferro.
Uma estrela consome tudo o que pode antes de declarar a gravidade vencedora. Após a luta, a estrela encontra, ao me nos em parte, um repouso final. Há três possibilidades para a configuração final de seus res tos mortais, que dependem de sua massa inicial.
Estrelas até oito vezes mais maciças do que o Sol se tornam anãs brancas, com um diâme tro de 10 mil quilômetros e uma densidade igual à que obtería mos se comprimíssemos a torre Eiffel em um centímetro cúbico!
Estrelas mais pesadas termi nam sua existência em uma ex plosão de supernova. Para elas, existem dois destinos possíveis. Se o núcleo central, sua região mais densa, tiver massa até três vezes a massa do Sol, ele se transformará em uma estrela de nêutrons, uma espécie de nú cleo atômico gigante (feito ape nas de nêutrons), com diâmetro de apenas um quilômetro e densidade um bilhão de vezes maior que a das anãs brancas.
Núcleos ainda mais pesados continuam seu colapso gravita cional, tornando-se cada vez menores e mais densos, até que sua gravidade se torne tão in tensa, que nem mesmo a luz possa escapar de seu interior. Assim nasce um buraco negro, onde a gravidade reina supre ma e sozinha.
domingo, 18 de janeiro de 1998
O homem que colocou o Sol no centro do Universo
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Nós aprendemos na escola que Nicolau Copérnico, o intrépido astrônomo polonês do século 16, foi o primeiro a propor que o Sol está no centro do cosmos. Antes dele, segundo nossas lições de história, todos pensavam que a Terra era o centro.
Mas Copérnico não foi o primeiro a propor o Sol como centro do cosmos. Ele foi um personagem fundamental da história da astronomia, uma ponte entre a Era Clássica e o pensamento renascentista, que revolucionou a concepção do Universo.
Mas, se ele não foi o primeiro a propor o sistema heliocêntrico (o Sol no centro), então quem foi? A resposta está em um texto de Arquimedes, o grande inventor e matemático grego.
Em "O Contador de Areia", Arquimedes propôs uma notação especial para representar números muito grandes. Para ilustrar seu novo método, ele calculou quantos grãos de areia seriam necessários para encher todo o volume do cosmos. Para isso, ele se baseou no maior cosmos que existia na época, o modelo de Aristarco de Samos.
O curioso é que o modelo de Aristarco era completamente diferente dos de seus antecessores. Conforme escreveu Arquimedes, "Aristarco supôs que o Sol e as estrelas fixas permanecem imóveis, com o Sol no centro e a Terra girando ao seu redor em um movimento circular". Até então, se acreditava que as estrelas faziam parte de uma esfera cristalina que girava, assim como todos os planetas e o Sol, em torno da Terra.
Para compreendermos melhor o incrível feito de Aristarco, vamos voltar à Grécia Antiga, em torno de 310 a.C., aproximadamente o ano de seu nascimento. A filosofia de Aristóteles reinava suprema, justificando de forma simples os movimentos encontrados na natureza, com seu irresistível apelo ao bom senso. Portanto, objetos pesados caem no chão porque são feitos do elemento "terra", ao qual sempre tendem a voltar. Já os objetos celestes, como os planetas, a Lua, as estrelas e o Sol, são feitos de um quinto elemento (ou a quinta-essência, o "éter"), cujo movimento natural é o circular. Segundo os aristotélicos, os objetos celestes viajam em órbitas circulares em torno da Terra, que permanece fixa no centro do cosmos.
É muito natural assumir que a Terra está imóvel no centro e que todo o resto do céu gira à sua volta. Afinal, nada do que vemos todos os dias e noites nos céus nos dá uma indicação de que a Terra está em movimento. Mas nossa percepção não corresponde necessariamente à realidade. Livrar-se dessa visão antropocêntrica é talvez uma das tarefas mais difíceis na atividade de um cientista.
No seu único trabalho que sobreviveu, Aristarco usa de argumentos geométricos brilhantes para obter não só os diâmetros relativos da Terra, do Sol e da Lua como também suas distâncias relativas. Concluindo que o Sol é muito maior do que a Terra e que ele está muito mais longe de nós que a Lua, Aristarco propôs seu modelo heliocêntrico, num gesto de extrema coragem intelectual. É possível, como propôs Arthur Koestler, em seu livro "Os Sonâmbulos", que Aristarco tenha sido influenciado por idéias pitagóricas.
Infelizmente, argumentos do tipo -"mas, se a Terra está em movimento, por que ao jogarmos uma pedra para cima ela cai em nossas mãos?"- e a falta de uma prova concreta de que a Terra está mesmo em movimento fizeram com que as idéias de Aristarco fossem esquecidas por quase 2.000 anos. Copérnico, na Itália, em plena Renascença, conhecia os textos de Arquimedes e de Aristarco. Seu ato heróico não foi por ter sido o primeiro a propor o heliocentrismo, mas ter obtido uma síntese das idéias de Aristarco com os princípios estéticos da Renascença, expressa na sua recriação de um novo cosmos, dominado pelo Sol.
domingo, 11 de janeiro de 1998
O enigma da singularidade inicial
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Uma das questões mais fascinantes da cosmologia é também talvez a mais difícil de ser abordada: a questão da singularidade inicial, da origem de tudo, a origem do Universo, do tempo, do espaço e da matéria.
Em matemática, o termo "singularidade" representa um ponto que não pode ser descrito por uma função contínua. Imagine uma superfície qualquer, como a de um globo, em que qualquer ponto pode ser localizado em função de dois números (ou coordenadas), como a latitude e a longitude.
Agora imagine a mesma superfície com um pequeno furo em um local qualquer. Esse ponto é uma "singularidade" nessa superfície, não fazendo parte de descrição em termos de uma função contínua.
Segundo o modelo do Big Bang, o Universo surgiu de uma singularidade inicial, um "ponto" no qual todas as funções que descrevem seu comportamento exibem singularidades. Por exemplo, a densidade de matéria tende ao infinito, as distâncias entre dois (e todos) os pontos tende a zero e a temperatura tende ao infinito.
A singularidade inicial marca nossa ignorância completa do que aconteceu nesse instante, que os religiosos chamam de momento da Criação. Nossa descrição matemática dos processos físicos ocorridos nesse instante é inconsistente. Nossa compreensão do comportamento da matéria e da energia a tais temperaturas e pressões é incompleta e inconclusiva.
À primeira vista, a singularidade inicial parece ser algo que não pode ser compreendido racionalmente por meio de um discurso puramente científico. Mas vamos com calma. Durante o século 20, todo um novo universo físico nos foi revelado pelo estudo dos átomos e das partículas elementares.
Com o estudo cuidadoso dessas entidades submicroscópicas, ficou claro que a física das dimensões muito pequenas, a mecânica quântica, é completamente diferente da física que descreve o comportamento da matéria em dimensões acessíveis à percepção humana.
Imagine que a história do Universo esteja registrada em um filme que podemos passar do passado para o presente ou vice-versa. Se passarmos o filme do presente para o passado, veremos o Universo se encolher, com as distâncias entre as galáxias ficando cada vez menores.
Se continuarmos a passar o filme em direção ao passado, chegaremos a uma época em que a matéria estava completamente desintegrada e que a temperatura era enorme, muito maior que no interior do Sol. Continuando nossa projeção, chegaremos a uma época em que o próprio tamanho do Universo será comparável às distâncias subatômicas.
Se ignorássemos o que nos ensinou a mecânica quântica, chegaríamos eventualmente na singularidade inicial, na qual todas as distâncias entre todos os pontos chegariam a zero; o Universo deixaria de existir, com a singularidade engolindo o próprio espaço e o tempo.
Mas não podemos ignorar a mecânica quântica! A singularidade inicial é o que chamamos de um conceito clássico, uma consequência de aplicarmos uma teoria, no caso, a teoria da relatividade geral de Einstein, em um regime no qual ela não é aplicável. Portanto, a existência da singularidade inicial não deve ser interpretada como uma barreira absoluta do conhecimento, mas como um ponto em que a descrição do Universo como um todo deve ser feita através de um casamento entre a mecânica quântica e a relatividade geral.
Ainda não sabemos como construir uma teoria capaz de descrever os momentos iniciais do Universo, embora existam alguns candidatos. O enigma da singularidade inicial persiste, talvez menos misterioso do que no passado, mas igualmente inescrutável no presente.
especial para a Folha
Uma das questões mais fascinantes da cosmologia é também talvez a mais difícil de ser abordada: a questão da singularidade inicial, da origem de tudo, a origem do Universo, do tempo, do espaço e da matéria.
Em matemática, o termo "singularidade" representa um ponto que não pode ser descrito por uma função contínua. Imagine uma superfície qualquer, como a de um globo, em que qualquer ponto pode ser localizado em função de dois números (ou coordenadas), como a latitude e a longitude.
Agora imagine a mesma superfície com um pequeno furo em um local qualquer. Esse ponto é uma "singularidade" nessa superfície, não fazendo parte de descrição em termos de uma função contínua.
Segundo o modelo do Big Bang, o Universo surgiu de uma singularidade inicial, um "ponto" no qual todas as funções que descrevem seu comportamento exibem singularidades. Por exemplo, a densidade de matéria tende ao infinito, as distâncias entre dois (e todos) os pontos tende a zero e a temperatura tende ao infinito.
A singularidade inicial marca nossa ignorância completa do que aconteceu nesse instante, que os religiosos chamam de momento da Criação. Nossa descrição matemática dos processos físicos ocorridos nesse instante é inconsistente. Nossa compreensão do comportamento da matéria e da energia a tais temperaturas e pressões é incompleta e inconclusiva.
À primeira vista, a singularidade inicial parece ser algo que não pode ser compreendido racionalmente por meio de um discurso puramente científico. Mas vamos com calma. Durante o século 20, todo um novo universo físico nos foi revelado pelo estudo dos átomos e das partículas elementares.
Com o estudo cuidadoso dessas entidades submicroscópicas, ficou claro que a física das dimensões muito pequenas, a mecânica quântica, é completamente diferente da física que descreve o comportamento da matéria em dimensões acessíveis à percepção humana.
Imagine que a história do Universo esteja registrada em um filme que podemos passar do passado para o presente ou vice-versa. Se passarmos o filme do presente para o passado, veremos o Universo se encolher, com as distâncias entre as galáxias ficando cada vez menores.
Se continuarmos a passar o filme em direção ao passado, chegaremos a uma época em que a matéria estava completamente desintegrada e que a temperatura era enorme, muito maior que no interior do Sol. Continuando nossa projeção, chegaremos a uma época em que o próprio tamanho do Universo será comparável às distâncias subatômicas.
Se ignorássemos o que nos ensinou a mecânica quântica, chegaríamos eventualmente na singularidade inicial, na qual todas as distâncias entre todos os pontos chegariam a zero; o Universo deixaria de existir, com a singularidade engolindo o próprio espaço e o tempo.
Mas não podemos ignorar a mecânica quântica! A singularidade inicial é o que chamamos de um conceito clássico, uma consequência de aplicarmos uma teoria, no caso, a teoria da relatividade geral de Einstein, em um regime no qual ela não é aplicável. Portanto, a existência da singularidade inicial não deve ser interpretada como uma barreira absoluta do conhecimento, mas como um ponto em que a descrição do Universo como um todo deve ser feita através de um casamento entre a mecânica quântica e a relatividade geral.
Ainda não sabemos como construir uma teoria capaz de descrever os momentos iniciais do Universo, embora existam alguns candidatos. O enigma da singularidade inicial persiste, talvez menos misterioso do que no passado, mas igualmente inescrutável no presente.
domingo, 4 de janeiro de 1998
As misteriosas explosões de raios gama
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Quando o assunto é explosões, nada pode competir com fenômenos astrofísicos. A morte de uma estrela modesta como o Sol, por exemplo, acompanha uma explosão que engole todos os planetas até Júpiter, transformando tudo que encontrar pela frente em poeira cósmica. (O leitor não precisa se preocupar em aumentar o valor de sua apólice de seguros. O Sol ainda produzirá energia "docilmente" por mais uns 5 bilhões de anos.)
Estrelas com uma massa consideravelmente maior do que a do Sol têm sua morte marcada por um evento ainda mais dramático, conhecido como explosão de supernova. Durante seu clímax, essa explosão pode ser mais brilhante do que uma galáxia inteira com bilhões de estrelas.
Mas supernovas são como "estalinhos de São João" em comparação com as explosões de raios gama, um dos maiores mistérios da astrofísica moderna.
Em 1963, os EUA assinaram um tratado que proíbe testes nucleares na atmosfera, no espaço e embaixo d'água. Para monitorar a atividade nuclear de outros países no espaço (leia-se a então União Soviética), foram lançados detectores em órbitas localizadas mais ou menos na metade da distância entre a Terra e a Lua, capazes de revelar um pulso originado de uma explosão nuclear a distâncias de até quase 2 milhões de km da Terra.
Ian Strong e sua equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos não detectaram nenhuma explosão nuclear espacial. Mas, ocasionalmente, seus detectores assinalavam um fenômeno completamente inesperado: pulsos de radiação altamente energética, muito lentos para serem explosões nucleares e muito rápidos para serem causados por qualquer outra fonte astrofísica conhecida, como supernovas. Strong e seus colaboradores batizaram esses eventos de "explosões de raios gama".
Strong e seu time só publicaram seus resultados em 1973, tentando no meio tempo encontrar alguma explicação plausível para os estranhos eventos. Nos últimos 25 anos, mais de 2.000 explosões de raios gama foram detectadas por vários outros grupos, provocando uma enorme agitação na comunidade astrofísica mundial. Sabemos que esses eventos não têm nada a ver com nosso Sistema Solar ou com nossa galáxia. Eles são eventos cosmológicos e não "locais". Mas ainda não temos a menor idéia do mecanismo responsável por essas explosões gigantescas, onde elas ocorrem e por que elas ocorrem. Tudo o que sabemos é que essas explosões são os eventos mais violentos no Universo.
Mas algum progresso está sendo feito. Em 1996, um time de astrofísicos holandeses e italianos lançou um satélite chamado BeppoSax. No dia 8 de maio de 1997, o BeppoSax detectou uma explosão de raios gama acompanhada por uma emissão prolongada de raios X. Em poucas horas, um dos telescópios gigantes no topo do monte Mauna Kei, no Havaí, fotografava o espectro da misteriosa fonte de raios gama.
Da análise do espectro, ficou claro que a explosão ocorreu mais ou menos na metade do intervalo de tempo entre o presente e a origem do Universo, ou seja, entre o presente e a origem do próprio tempo.
A confirmação de que as explosões de raios gama ocorreram durante a infância do Universo só aumenta seu mistério. Para serem observadas hoje, essas explosões têm de gerar em segundos mais energia do que o Sol gera durante seus 10 bilhões de anos de atividade. Que tipo de fenômeno é capaz de gerar essa quantidade monstruosa de energia em tão pouco tempo? Muito possivelmente, a explicação virá de uma compreensão mais profunda da relação entre matéria e energia em campos gravitacionais muito intensos. Existem mais coisas entre o céu e a Terra do que jamais poderá supor nossa vã ciência.
especial para a Folha
Quando o assunto é explosões, nada pode competir com fenômenos astrofísicos. A morte de uma estrela modesta como o Sol, por exemplo, acompanha uma explosão que engole todos os planetas até Júpiter, transformando tudo que encontrar pela frente em poeira cósmica. (O leitor não precisa se preocupar em aumentar o valor de sua apólice de seguros. O Sol ainda produzirá energia "docilmente" por mais uns 5 bilhões de anos.)
Estrelas com uma massa consideravelmente maior do que a do Sol têm sua morte marcada por um evento ainda mais dramático, conhecido como explosão de supernova. Durante seu clímax, essa explosão pode ser mais brilhante do que uma galáxia inteira com bilhões de estrelas.
Mas supernovas são como "estalinhos de São João" em comparação com as explosões de raios gama, um dos maiores mistérios da astrofísica moderna.
Em 1963, os EUA assinaram um tratado que proíbe testes nucleares na atmosfera, no espaço e embaixo d'água. Para monitorar a atividade nuclear de outros países no espaço (leia-se a então União Soviética), foram lançados detectores em órbitas localizadas mais ou menos na metade da distância entre a Terra e a Lua, capazes de revelar um pulso originado de uma explosão nuclear a distâncias de até quase 2 milhões de km da Terra.
Ian Strong e sua equipe do Laboratório Nacional de Los Alamos não detectaram nenhuma explosão nuclear espacial. Mas, ocasionalmente, seus detectores assinalavam um fenômeno completamente inesperado: pulsos de radiação altamente energética, muito lentos para serem explosões nucleares e muito rápidos para serem causados por qualquer outra fonte astrofísica conhecida, como supernovas. Strong e seus colaboradores batizaram esses eventos de "explosões de raios gama".
Strong e seu time só publicaram seus resultados em 1973, tentando no meio tempo encontrar alguma explicação plausível para os estranhos eventos. Nos últimos 25 anos, mais de 2.000 explosões de raios gama foram detectadas por vários outros grupos, provocando uma enorme agitação na comunidade astrofísica mundial. Sabemos que esses eventos não têm nada a ver com nosso Sistema Solar ou com nossa galáxia. Eles são eventos cosmológicos e não "locais". Mas ainda não temos a menor idéia do mecanismo responsável por essas explosões gigantescas, onde elas ocorrem e por que elas ocorrem. Tudo o que sabemos é que essas explosões são os eventos mais violentos no Universo.
Mas algum progresso está sendo feito. Em 1996, um time de astrofísicos holandeses e italianos lançou um satélite chamado BeppoSax. No dia 8 de maio de 1997, o BeppoSax detectou uma explosão de raios gama acompanhada por uma emissão prolongada de raios X. Em poucas horas, um dos telescópios gigantes no topo do monte Mauna Kei, no Havaí, fotografava o espectro da misteriosa fonte de raios gama.
Da análise do espectro, ficou claro que a explosão ocorreu mais ou menos na metade do intervalo de tempo entre o presente e a origem do Universo, ou seja, entre o presente e a origem do próprio tempo.
A confirmação de que as explosões de raios gama ocorreram durante a infância do Universo só aumenta seu mistério. Para serem observadas hoje, essas explosões têm de gerar em segundos mais energia do que o Sol gera durante seus 10 bilhões de anos de atividade. Que tipo de fenômeno é capaz de gerar essa quantidade monstruosa de energia em tão pouco tempo? Muito possivelmente, a explicação virá de uma compreensão mais profunda da relação entre matéria e energia em campos gravitacionais muito intensos. Existem mais coisas entre o céu e a Terra do que jamais poderá supor nossa vã ciência.
domingo, 28 de dezembro de 1997
O cérebro humano e o mistério da consciência
.
O cérebro e o seu funcionamento representam um dos grandes desafios para a ciência moderna. É irrelevante, para compreender por que alguém chora ao ouvir um poema ou ao dizer adeus a uma pessoa amada, descrever o cérebro como um conjunto de bilhões de neurônios que se comunicam por impulsos elétricos.
Até mesmo a compreensão do funcionamento de um único neurônio apresenta dificuldades. Neurônios aparentemente podem tomar "decisões" individualmente, resolvendo quando transmitir ou não um determinado impulso. Representações simplistas de um neurônio como um ente inerte que apenas dá passagem a sinais elétricos levam a modelos do cérebro que estão longe de corresponder ao seu funcionamento real.
Passando dos neurônios para as funções superiores do cérebro, cria-se uma série de problemas extremamente complexos. Como definir a mente? Como temos consciência de nós mesmos? Como definir o que é a consciência? Qual a relação entre a mente e a consciência?
O neurologista português Antonio R. damásio, que trabalha há muitos anos nos Estados Unidos, acredita que "consciência" é um fenômeno biológico que nos permite explorar o conteúdo da mente, dos sentimentos, dos pensamentos e do conhecimento.
Note o uso do termo "biológico" na definição de consciência. Para damásio e muitos outros (em geral a maioria dos cientistas que trabalham nessa área), a consciência é um estado emergente do cérebro, explicável cientificamente. Não é necessário inventar uma faísca divina, uma alma ou outra explicação sobrenatural para preencher nossa ignorância de como funciona o cérebro. Apesar disso, cientistas admitem que é necessário descobrir novos aspectos da atividade cerebral, talvez um novo paradigma científico.
Em 1937, o grande neurobiólogo Charles Sherrington usou a seguinte metáfora para descrever o funcionamento do cérebro: "De repente, a parte superior da grande massa cinzenta, que há momentos jazia perfeitamente inerte, começa a ser iluminada por pequenos pontos de luz que produzem pulsos viajando em todas as direções. O cérebro está acordando e, com ele, a mente desperta mais uma vez. É como se a Via Láctea entrasse em uma dança cósmica. Rapidamente, a massa cinzenta se transforma em uma roça de fiar mágica, milhões de pontos de luz acendendo e apagando de forma precisa e harmônica, gerando padrões e subpadrões plenos de significados que se renovam constantemente." (C.S. Sherrington, "Man on His Nature", Cambridge University Press, Cambridge, 1951. Tradução minha.)
Essa visão dinâmica do cérebro permanece até hoje. Técnicas modernas de observação, como a ressonância nuclear magnética e a tomografia por emissão de pósitrons, permitem que os pesquisadores possam "observar" o cérebro em ação. O aspecto mais imediato que é revelado nessas observações é a imensa complexidade do funcionamento cerebral, até mesmo em tarefas que aparentemente são tão simples.
Por exemplo, pense em alguma pessoa querida que esteja longe. Você consegue recriar a imagem e a voz dessa pessoa, acionando neurônios responsáveis pela visão e pela audição. Você pode também recriar a presença dessa pessoa em algum lugar especial, como uma casa de campo durante alguma ocasião especial, como uma noite de Ano Novo. Surgindo em sua mente, essa memória faz você ficar consciente de quanto você tem saudade dessa pessoa, trazendo lágrimas aos seus olhos. Você sussurra, em uma linguagem silenciosa, interna a sua mente: "Feliz Ano Novo!", estabelecendo um canal de comunicação entre você e seu passado, um tempo que só existe em sua consciência.
O cérebro e o seu funcionamento representam um dos grandes desafios para a ciência moderna. É irrelevante, para compreender por que alguém chora ao ouvir um poema ou ao dizer adeus a uma pessoa amada, descrever o cérebro como um conjunto de bilhões de neurônios que se comunicam por impulsos elétricos.
Até mesmo a compreensão do funcionamento de um único neurônio apresenta dificuldades. Neurônios aparentemente podem tomar "decisões" individualmente, resolvendo quando transmitir ou não um determinado impulso. Representações simplistas de um neurônio como um ente inerte que apenas dá passagem a sinais elétricos levam a modelos do cérebro que estão longe de corresponder ao seu funcionamento real.
Passando dos neurônios para as funções superiores do cérebro, cria-se uma série de problemas extremamente complexos. Como definir a mente? Como temos consciência de nós mesmos? Como definir o que é a consciência? Qual a relação entre a mente e a consciência?
O neurologista português Antonio R. damásio, que trabalha há muitos anos nos Estados Unidos, acredita que "consciência" é um fenômeno biológico que nos permite explorar o conteúdo da mente, dos sentimentos, dos pensamentos e do conhecimento.
Note o uso do termo "biológico" na definição de consciência. Para damásio e muitos outros (em geral a maioria dos cientistas que trabalham nessa área), a consciência é um estado emergente do cérebro, explicável cientificamente. Não é necessário inventar uma faísca divina, uma alma ou outra explicação sobrenatural para preencher nossa ignorância de como funciona o cérebro. Apesar disso, cientistas admitem que é necessário descobrir novos aspectos da atividade cerebral, talvez um novo paradigma científico.
Em 1937, o grande neurobiólogo Charles Sherrington usou a seguinte metáfora para descrever o funcionamento do cérebro: "De repente, a parte superior da grande massa cinzenta, que há momentos jazia perfeitamente inerte, começa a ser iluminada por pequenos pontos de luz que produzem pulsos viajando em todas as direções. O cérebro está acordando e, com ele, a mente desperta mais uma vez. É como se a Via Láctea entrasse em uma dança cósmica. Rapidamente, a massa cinzenta se transforma em uma roça de fiar mágica, milhões de pontos de luz acendendo e apagando de forma precisa e harmônica, gerando padrões e subpadrões plenos de significados que se renovam constantemente." (C.S. Sherrington, "Man on His Nature", Cambridge University Press, Cambridge, 1951. Tradução minha.)
Essa visão dinâmica do cérebro permanece até hoje. Técnicas modernas de observação, como a ressonância nuclear magnética e a tomografia por emissão de pósitrons, permitem que os pesquisadores possam "observar" o cérebro em ação. O aspecto mais imediato que é revelado nessas observações é a imensa complexidade do funcionamento cerebral, até mesmo em tarefas que aparentemente são tão simples.
Por exemplo, pense em alguma pessoa querida que esteja longe. Você consegue recriar a imagem e a voz dessa pessoa, acionando neurônios responsáveis pela visão e pela audição. Você pode também recriar a presença dessa pessoa em algum lugar especial, como uma casa de campo durante alguma ocasião especial, como uma noite de Ano Novo. Surgindo em sua mente, essa memória faz você ficar consciente de quanto você tem saudade dessa pessoa, trazendo lágrimas aos seus olhos. Você sussurra, em uma linguagem silenciosa, interna a sua mente: "Feliz Ano Novo!", estabelecendo um canal de comunicação entre você e seu passado, um tempo que só existe em sua consciência.
domingo, 21 de dezembro de 1997
O mundo que poderemos deixar para nossos filhos
.
Outro dia, almocei com um colega astrônomo italiano, que tinha participado em Genebra, na Suíça, de um painel mundial de cientistas que estudam os possíveis efeitos de mudanças globais e locais no clima devido à interferência humana. Em meia hora de conversa, meu colega me deixou completamente arrasado. Como é quase Natal, acho que devemos refletir sobre o nosso presente para as gerações futuras.
O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) foi estabelecido em 1988 pela Organização Meteorológica Mundial e pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente com os objetivos de avaliar cientificamente os processos responsáveis por mudanças climáticas e seus impactos socioeconômico e ambiental e de formular estratégias de ação. Vários brasileiros estão envolvidos nesse Painel, incluindo L. G. Meira Filho, J. Goldenberg, P. Nastari, P. Moura Costa e outros, trabalhando com centenas de cientistas da Argentina ao Zimbábue.
As conclusões das análises científicas são baseadas em modelos climáticos sofisticados, que utilizam computadores dos mais poderosos do mundo. Abaixo cito algumas das conclusões do segundo estudo do painel, apresentadas em 1995.
Existem dois agentes principais de mudanças climáticas. O primeiro resulta da ação combinada dos gases que produzem o efeito estufa, ou seja, que impedem que a radiação de calor vá para as camadas superiores da atmosfera, provocando um aquecimento global do planeta. O painel concluiu que as concentrações desses gases aumentaram substancialmente durante a era industrial (de 1800 em diante). Por exemplo, o metano aumentou em 145%, enquanto o dióxido de carbono aumentou em 30% e o óxido nitroso, em 15%.
O aumento da concentração desses gases levou a uma elevação de 0,3°C a 0,6°C na temperatura média do planeta desde o final do século passado, com ênfase nos últimos anos, que foram os mais quentes desde 1860. O nível global do mar subiu entre 10 cm e 25 cm nos últimos cem anos.
O segundo agente das mudanças climáticas são os aerossóis, partículas microscópicas em suspensão no ar, geradas principalmente na queima de combustíveis fósseis e de biomassa. Aerossóis causam o efeito inverso ao dos gases do efeito estufa, produzindo um resfriamento que, na maioria das vezes, é local e de duração curta em comparação com o aquecimento causado por gases-estufa.
As extrapolações para o futuro levaram em conta grande parte das possíveis incógnitas que aparecem nesses difíceis estudos. Mesmo assim, as conclusões são terríveis. Até o ano 2100, a temperatura global média subirá entre 1°C e 3,5°C, com um aumento associado no nível do mar entre 15 cm e 95 cm. Localmente, as variações climáticas irão exacerbar secas e enchentes, com incêndios de vastas proporções, pestes agrícolas descontroladas, alterações em diversos ecossistemas, que, por sua vez, influenciarão a produção agropecuária e a indústria pesqueira.
Fora prejuízos ao planeta como um todo e às atividades econômicas locais, a poluição atmosférica causará cada vez mais danos à saúde global da população mundial, com um aumento nos tipos de agentes infecciosos, nas doenças do aparelho respiratório e na incidência de câncer. A isso, se deve adicionar o impacto psicológico devido, por exemplo, à emigração de comunidades costeiras, forçada por furacões, maremotos ou pelo aumento aparentemente inofensivo do nível do mar. (O que será do mundo sem Veneza? Ou Trancoso?)
Nessa época em que nos preocupamos tanto com histórias apocalípticas inspiradas pela Bíblia, talvez devêssemos nos preocupar mais com o lento apocalipse que nós próprios estamos causando, com nossa ganância e arrogância, ao mundo que vamos deixar para nossos filhos.
Outro dia, almocei com um colega astrônomo italiano, que tinha participado em Genebra, na Suíça, de um painel mundial de cientistas que estudam os possíveis efeitos de mudanças globais e locais no clima devido à interferência humana. Em meia hora de conversa, meu colega me deixou completamente arrasado. Como é quase Natal, acho que devemos refletir sobre o nosso presente para as gerações futuras.
O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) foi estabelecido em 1988 pela Organização Meteorológica Mundial e pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente com os objetivos de avaliar cientificamente os processos responsáveis por mudanças climáticas e seus impactos socioeconômico e ambiental e de formular estratégias de ação. Vários brasileiros estão envolvidos nesse Painel, incluindo L. G. Meira Filho, J. Goldenberg, P. Nastari, P. Moura Costa e outros, trabalhando com centenas de cientistas da Argentina ao Zimbábue.
As conclusões das análises científicas são baseadas em modelos climáticos sofisticados, que utilizam computadores dos mais poderosos do mundo. Abaixo cito algumas das conclusões do segundo estudo do painel, apresentadas em 1995.
Existem dois agentes principais de mudanças climáticas. O primeiro resulta da ação combinada dos gases que produzem o efeito estufa, ou seja, que impedem que a radiação de calor vá para as camadas superiores da atmosfera, provocando um aquecimento global do planeta. O painel concluiu que as concentrações desses gases aumentaram substancialmente durante a era industrial (de 1800 em diante). Por exemplo, o metano aumentou em 145%, enquanto o dióxido de carbono aumentou em 30% e o óxido nitroso, em 15%.
O aumento da concentração desses gases levou a uma elevação de 0,3°C a 0,6°C na temperatura média do planeta desde o final do século passado, com ênfase nos últimos anos, que foram os mais quentes desde 1860. O nível global do mar subiu entre 10 cm e 25 cm nos últimos cem anos.
O segundo agente das mudanças climáticas são os aerossóis, partículas microscópicas em suspensão no ar, geradas principalmente na queima de combustíveis fósseis e de biomassa. Aerossóis causam o efeito inverso ao dos gases do efeito estufa, produzindo um resfriamento que, na maioria das vezes, é local e de duração curta em comparação com o aquecimento causado por gases-estufa.
As extrapolações para o futuro levaram em conta grande parte das possíveis incógnitas que aparecem nesses difíceis estudos. Mesmo assim, as conclusões são terríveis. Até o ano 2100, a temperatura global média subirá entre 1°C e 3,5°C, com um aumento associado no nível do mar entre 15 cm e 95 cm. Localmente, as variações climáticas irão exacerbar secas e enchentes, com incêndios de vastas proporções, pestes agrícolas descontroladas, alterações em diversos ecossistemas, que, por sua vez, influenciarão a produção agropecuária e a indústria pesqueira.
Fora prejuízos ao planeta como um todo e às atividades econômicas locais, a poluição atmosférica causará cada vez mais danos à saúde global da população mundial, com um aumento nos tipos de agentes infecciosos, nas doenças do aparelho respiratório e na incidência de câncer. A isso, se deve adicionar o impacto psicológico devido, por exemplo, à emigração de comunidades costeiras, forçada por furacões, maremotos ou pelo aumento aparentemente inofensivo do nível do mar. (O que será do mundo sem Veneza? Ou Trancoso?)
Nessa época em que nos preocupamos tanto com histórias apocalípticas inspiradas pela Bíblia, talvez devêssemos nos preocupar mais com o lento apocalipse que nós próprios estamos causando, com nossa ganância e arrogância, ao mundo que vamos deixar para nossos filhos.
domingo, 14 de dezembro de 1997
Há cem anos, Thomsom descobria o elétron
Em outubro de 1897, o físico inglês J. J. Thomson (1856-1940), no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, "descobriu" o elétron, um dos feitos científicos mais importantes dos últimos cem anos.
Thomson estava interessado nos estranhos fenômenos que ocorrem quando descargas elétricas atravessam tubos catódicos, que são ampolas de vidro com duas placas metálicas em seu interior, ligadas aos pólos de uma bateria. A ampola contém gás bastante rarefeito. Os tubos de televisão são versões modernas desses tubos catódicos.
Ao se conectar à bateria, um estranho raio se propaga pelo tubo catódico, produzindo uma mancha fosforescente em sua parede. Thomson mostrou que esses "raios catódicos" eram defletidos por um campo magnético e por um campo elétrico. (O leitor pode fazer uma experiência divertida, passando um imã em frente a uma tela de TV e checando a distorção da imagem.)
Baseado em suas medidas, Thomson mostrou que esses raios eram compostos de "corpúsculos" com carga elétrica negativa e com massa pelo menos 1.000 vezes menor do que um átomo de hidrogênio, o objeto mais leve conhecido na época. (Ele não usou o nome elétron, inventado em 1891 pelo físico irlandês G. Johnstone Stoney.)
Seus resultados eram independentes do tipo de gás usado no tubo catódico. Corajosamente, Thomson concluiu que esses corpúsculos eram constituintes dos átomos de todas as substâncias. O elétron foi descoberto!
A descoberta do elétron foi também a descoberta da primeira partícula elementar. Por elementar, denotamos objetos que não podem ser subdivididos em outros ainda menores.
Segundo essa definição, o átomo não é uma partícula elementar, já que é composto por prótons, nêutrons e elétrons. Nem mesmo os prótons e nêutrons são elementares; eles são compostos por quarks.
Com sua descoberta, Thomson deu continuidade a uma tradição antiga, herdada dos filósofos pré-socráticos da Grécia Antiga, a busca pelos constituintes fundamentais da matéria.
O elétron criou sérias dores de cabeça para os físicos do início do século 20. Em 1924, o físico francês Louis de Broglie propôs que, tal como Einstein havia sugerido para o fóton (partículas de radiação eletromagnética) em 1905, elétrons também exibem a chamada dualidade onda-partícula, isto é, exibem propriedades físicas de ondas, como a difração, e também propriedades de partículas. Tudo depende do preparo do experimento.
Essa dualidade de comportamento sugere que na realidade o elétron não é partícula nem onda. Mas nós apenas sabemos representá-lo através dessas duas imagens concretas. E já que o elétron exibe esta ou aquela propriedade, de acordo com os detalhes do experimento, o próprio observador tem um papel na definição da realidade física do elétron. Não podemos dizer que um determinado elétron existe antes de ele ser observado.
A tecnologia depende de modo fundamental das propriedades do elétron. Correntes elétricas são elétrons em movimento.
Imagens em tubos de televisão são formadas quando elétrons se chocam contra o interior da tela, pintado de material fosforescente. Transistores, usados em quase todos aparelhos eletrodomésticos e computadores, dependem da mobilidade de elétrons em diversos tipos de materiais, como silício e germânio.
Inúmeras aplicações tecnológicas futuras sendo estudadas hoje são baseadas nas propriedades do elétron, como por exemplo supercondutividade a altas temperaturas, chips ultravelozes, ou "computadores quânticos", que usam moléculas para efetuar cálculos.
Sem dúvida, esse é o século do elétron. E pelo jeito, o elétron continuará a nos surpreender ainda por muitos outros séculos.
Thomson estava interessado nos estranhos fenômenos que ocorrem quando descargas elétricas atravessam tubos catódicos, que são ampolas de vidro com duas placas metálicas em seu interior, ligadas aos pólos de uma bateria. A ampola contém gás bastante rarefeito. Os tubos de televisão são versões modernas desses tubos catódicos.
Ao se conectar à bateria, um estranho raio se propaga pelo tubo catódico, produzindo uma mancha fosforescente em sua parede. Thomson mostrou que esses "raios catódicos" eram defletidos por um campo magnético e por um campo elétrico. (O leitor pode fazer uma experiência divertida, passando um imã em frente a uma tela de TV e checando a distorção da imagem.)
Baseado em suas medidas, Thomson mostrou que esses raios eram compostos de "corpúsculos" com carga elétrica negativa e com massa pelo menos 1.000 vezes menor do que um átomo de hidrogênio, o objeto mais leve conhecido na época. (Ele não usou o nome elétron, inventado em 1891 pelo físico irlandês G. Johnstone Stoney.)
Seus resultados eram independentes do tipo de gás usado no tubo catódico. Corajosamente, Thomson concluiu que esses corpúsculos eram constituintes dos átomos de todas as substâncias. O elétron foi descoberto!
A descoberta do elétron foi também a descoberta da primeira partícula elementar. Por elementar, denotamos objetos que não podem ser subdivididos em outros ainda menores.
Segundo essa definição, o átomo não é uma partícula elementar, já que é composto por prótons, nêutrons e elétrons. Nem mesmo os prótons e nêutrons são elementares; eles são compostos por quarks.
Com sua descoberta, Thomson deu continuidade a uma tradição antiga, herdada dos filósofos pré-socráticos da Grécia Antiga, a busca pelos constituintes fundamentais da matéria.
O elétron criou sérias dores de cabeça para os físicos do início do século 20. Em 1924, o físico francês Louis de Broglie propôs que, tal como Einstein havia sugerido para o fóton (partículas de radiação eletromagnética) em 1905, elétrons também exibem a chamada dualidade onda-partícula, isto é, exibem propriedades físicas de ondas, como a difração, e também propriedades de partículas. Tudo depende do preparo do experimento.
Essa dualidade de comportamento sugere que na realidade o elétron não é partícula nem onda. Mas nós apenas sabemos representá-lo através dessas duas imagens concretas. E já que o elétron exibe esta ou aquela propriedade, de acordo com os detalhes do experimento, o próprio observador tem um papel na definição da realidade física do elétron. Não podemos dizer que um determinado elétron existe antes de ele ser observado.
A tecnologia depende de modo fundamental das propriedades do elétron. Correntes elétricas são elétrons em movimento.
Imagens em tubos de televisão são formadas quando elétrons se chocam contra o interior da tela, pintado de material fosforescente. Transistores, usados em quase todos aparelhos eletrodomésticos e computadores, dependem da mobilidade de elétrons em diversos tipos de materiais, como silício e germânio.
Inúmeras aplicações tecnológicas futuras sendo estudadas hoje são baseadas nas propriedades do elétron, como por exemplo supercondutividade a altas temperaturas, chips ultravelozes, ou "computadores quânticos", que usam moléculas para efetuar cálculos.
Sem dúvida, esse é o século do elétron. E pelo jeito, o elétron continuará a nos surpreender ainda por muitos outros séculos.
domingo, 7 de dezembro de 1997
Os problemas sobre o cálculo da idade do Universo
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble concluiu, a partir de suas observações, que o Universo está em expansão, com as galáxias se afastando umas das outras com velocidades proporcionais a suas distâncias. Hubble raciocinou que, como as galáxias estão se afastando cada vez mais agora, em algum instante no passado elas estavam praticamente se superpondo. Medindo as velocidades de várias galáxias e as distâncias entre elas, ele concluiu que esse instante ocorreu há cerca de 2 bilhões de anos.
O problema com essa estimativa é que já se sabia que a Terra tinha mais de 2 bilhões de anos. Como ela pode ser mais velha que o Universo? A questão roubou o sono de vários cosmólogos até 1952, quando Walter Baade demonstrou, com medidas mais precisas, que o Universo teria pelo menos 5 bilhões de anos. A idade da Terra hoje é estimada em torno de 4,5 bilhões de anos.
Mas a questão da idade do Universo está longe de ser resolvida. Existem três métodos usados para se estimar a idade do Universo. O primeiro deles é o usado por Hubble e Baade, que estima distâncias entre galáxias remotas e suas velocidades, extraindo delas a idade do Universo.
Em Astronomia, distâncias são estimadas a partir de uma lei que diz que a luminosidade de uma fonte cai com o quadrado da distância. Se temos duas fontes iguais em lugares distintos, sabendo-se a distância até o lugar mais próximo, podemos estimar a distância até o lugar mais distante. Assim, Hubble estimou a distância até a galáxia Andrômeda, que está a aproximadamente 2 milhões de anos-luz do Sol.
Esses "indicadores de distância" são fundamentais para se obter medidas precisas de distância. Em suas observações, Hubble usou um tipo de estrela conhecida como variável Cefeida, cuja luminosidade varia periodicamente. Mas encontrar variáveis Cefeida ou outros indicadores de distância em galáxias muito distantes não é nada fácil. E aí é que começa o problema dos astrônomos modernos. Diferentes indicadores de distância resultam em estimativas diferentes de distância e, portanto, em estimativas diferentes da idade do Universo. Valores atuais variam entre 8 e 25 bilhões de anos!
O segundo método utilizado para se estimar a idade do Universo vem do estudo de aglomerados estelares, conjuntos de milhares de estrelas atraídas entre si pela gravidade. A idéia é que nesses aglomerados podem ser encontradas algumas das estrelas mais velhas que existem. Como nós conhecemos razoavelmente bem como uma estrela se desenvolve queimando seu hidrogênio como combustível, podemos estimar sua idade a partir dos diferentes estágios durante sua evolução. A idade do Universo tem de ser maior do que a idade de suas estrelas mais velhas, ecoando o problema de Hubble com a idade da Terra.
Estimativas da idade desses aglomerados estelares variam entre 10 e 14 bilhões de anos. Finalmente, pode-se usar a "nucleocosmocronologia", que se baseia em medidas da abundância e da produção de isótopos radioativos e em estudos da evolução química de nossa galáxia para se estimar a época de formação dos elementos químicos encontrados no sistema solar. As estimativas indicam uma idade para a Via Láctea de pelo menos 9,6 bilhões de anos, com erros que tendem a aumentar esse valor em mais de 1 bilhão ou 2 bilhões de anos.
O que podemos concluir agora? Que o Universo tem de 10 a 20 bilhões de anos; que problemas com as várias medidas de distância, evolução estelar e abundância isotópica serão, em princípio, resolvidos na próxima década. Que boatos jornalísticos recentes dizendo que o modelo do Big Bang está errado devido a problemas com a idade do Universo não têm sentido. E que a Ciência está longe de progredir em linha reta ou de forma previsível.
especial para a Folha
Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble concluiu, a partir de suas observações, que o Universo está em expansão, com as galáxias se afastando umas das outras com velocidades proporcionais a suas distâncias. Hubble raciocinou que, como as galáxias estão se afastando cada vez mais agora, em algum instante no passado elas estavam praticamente se superpondo. Medindo as velocidades de várias galáxias e as distâncias entre elas, ele concluiu que esse instante ocorreu há cerca de 2 bilhões de anos.
O problema com essa estimativa é que já se sabia que a Terra tinha mais de 2 bilhões de anos. Como ela pode ser mais velha que o Universo? A questão roubou o sono de vários cosmólogos até 1952, quando Walter Baade demonstrou, com medidas mais precisas, que o Universo teria pelo menos 5 bilhões de anos. A idade da Terra hoje é estimada em torno de 4,5 bilhões de anos.
Mas a questão da idade do Universo está longe de ser resolvida. Existem três métodos usados para se estimar a idade do Universo. O primeiro deles é o usado por Hubble e Baade, que estima distâncias entre galáxias remotas e suas velocidades, extraindo delas a idade do Universo.
Em Astronomia, distâncias são estimadas a partir de uma lei que diz que a luminosidade de uma fonte cai com o quadrado da distância. Se temos duas fontes iguais em lugares distintos, sabendo-se a distância até o lugar mais próximo, podemos estimar a distância até o lugar mais distante. Assim, Hubble estimou a distância até a galáxia Andrômeda, que está a aproximadamente 2 milhões de anos-luz do Sol.
Esses "indicadores de distância" são fundamentais para se obter medidas precisas de distância. Em suas observações, Hubble usou um tipo de estrela conhecida como variável Cefeida, cuja luminosidade varia periodicamente. Mas encontrar variáveis Cefeida ou outros indicadores de distância em galáxias muito distantes não é nada fácil. E aí é que começa o problema dos astrônomos modernos. Diferentes indicadores de distância resultam em estimativas diferentes de distância e, portanto, em estimativas diferentes da idade do Universo. Valores atuais variam entre 8 e 25 bilhões de anos!
O segundo método utilizado para se estimar a idade do Universo vem do estudo de aglomerados estelares, conjuntos de milhares de estrelas atraídas entre si pela gravidade. A idéia é que nesses aglomerados podem ser encontradas algumas das estrelas mais velhas que existem. Como nós conhecemos razoavelmente bem como uma estrela se desenvolve queimando seu hidrogênio como combustível, podemos estimar sua idade a partir dos diferentes estágios durante sua evolução. A idade do Universo tem de ser maior do que a idade de suas estrelas mais velhas, ecoando o problema de Hubble com a idade da Terra.
Estimativas da idade desses aglomerados estelares variam entre 10 e 14 bilhões de anos. Finalmente, pode-se usar a "nucleocosmocronologia", que se baseia em medidas da abundância e da produção de isótopos radioativos e em estudos da evolução química de nossa galáxia para se estimar a época de formação dos elementos químicos encontrados no sistema solar. As estimativas indicam uma idade para a Via Láctea de pelo menos 9,6 bilhões de anos, com erros que tendem a aumentar esse valor em mais de 1 bilhão ou 2 bilhões de anos.
O que podemos concluir agora? Que o Universo tem de 10 a 20 bilhões de anos; que problemas com as várias medidas de distância, evolução estelar e abundância isotópica serão, em princípio, resolvidos na próxima década. Que boatos jornalísticos recentes dizendo que o modelo do Big Bang está errado devido a problemas com a idade do Universo não têm sentido. E que a Ciência está longe de progredir em linha reta ou de forma previsível.
domingo, 30 de novembro de 1997
O Universo está em constante expansão
Se conseguirmos escapar das luzes da cidade grande, em uma noite sem nuvens e sem Lua, podemos distinguir uma faixa difusa de luz se estendendo pelo céu, uma névoa que brilha por si só, decorada aqui e ali por estrelas. Essa faixa de luz, como nós sabemos, é parte da Via Láctea, a galáxia onde vivemos.
Uma galáxia é um aglomerado de estrelas e gás atraídos pela gravidade. Na Via Láctea, existem centenas de bilhões de outras estrelas além do Sol. E no Universo existem centenas de bilhões de outras galáxias, cada uma contendo desde milhões até centenas de bilhões de estrelas.
Por incrível que pareça, até o início da década de 20, não sabíamos ao certo se existiam outras galáxias no Universo. Astrônomos debatiam se as "nebulosas" vistas com seus telescópios eram outras galáxias (conhecidas na época como "universos-ilha"), distantes da Via Láctea, ou se eram apenas nuvens de gás interestelar fazendo parte da nossa galáxia.
Em 1924, o jovem astrônomo norte-americano Edwin Hubble resolveu de vez essa questão, provando que algumas nebulosas não faziam parte da Via Láctea, mas eram outros "universos-ilha". O Universo se tornou muito maior do que muitos até então suspeitavam.
Mas a maior descoberta de Hubble ainda estava por vir. Entre 1929 e 1931, Hubble demonstrou que o Universo não só era muito maior do que se suspeitava, mas que ele era uma entidade dinâmica, em expansão.
Para demonstrar sua tese, Hubble usou o chamado "efeito Doppler", proposto pelo físico austríaco Johann Christian Doppler em 1842. Nós somos muito familiarizados com a versão auditiva do efeito Doppler. Quando uma sirene ou uma buzina viajam em nossa direção, ouvimos seus tons sempre mais agudos do que quando a mesma sirene ou buzina estão em repouso. Já quando a sirene ou buzina se afastam, ouvimos seus tons sempre mais graves.
Esse é um efeito típico da propagação de ondas. No caso da sirene ou buzina que se afastam, a distância entre duas cristas consecutivas (ou "comprimento de onda") aumenta, causando o som mais grave.
É como se o movimento da fonte "esticasse" a onda. No caso contrário, quando a fonte se aproxima, o comprimento de onda diminui e ouvimos o tom mais agudo. O mesmo efeito acontece com ondas de luz emitidas por alguma fonte, como uma estrela ou uma galáxia.
Examinando a luz emitida por várias galáxias em um aparelho chamado espectroscópio, Hubble observou que, geralmente, essa luz apresentava um desvio para maiores comprimentos de onda. Como o vermelho é a cor com maior comprimento de onda, esse efeito ficou conhecido como "desvio para o vermelho".
Baseado no efeito Doppler, Hubble concluiu que as galáxias estavam se afastando de nós com velocidades proporcionais a sua distância. Portanto, uma galáxia duas vezes mais distante se afasta duas vezes mais rápido. A expansão do Universo obedece a uma lei extremamente simples!
A noção de que o Universo está em expansão incita uma série de perguntas. No decorrer dos próximos meses, teremos a oportunidade de discutir algumas delas em detalhe. Eis aqui as cinco perguntas mais populares:
1) Se o Universo está em expansão, onde fica seu centro?
2) Essa expansão implica que o Universo deve ter tido um começo. Qual é a sua idade?
3) Qual é o seu tamanho?
4) Será que existe um "outro" universo lá fora?
5) Se o Universo teve um começo, qual será seu fim?
A curiosidade da humanidade em conhecer sua origem e destino é tão antiga quanto sua história. Por meio do casamento da física com a astronomia, cosmólogos estão, pela primeira vez, conseguindo desvendar alguns desses mistérios. Mas outros sempre aparecem em seu lugar.
Uma galáxia é um aglomerado de estrelas e gás atraídos pela gravidade. Na Via Láctea, existem centenas de bilhões de outras estrelas além do Sol. E no Universo existem centenas de bilhões de outras galáxias, cada uma contendo desde milhões até centenas de bilhões de estrelas.
Por incrível que pareça, até o início da década de 20, não sabíamos ao certo se existiam outras galáxias no Universo. Astrônomos debatiam se as "nebulosas" vistas com seus telescópios eram outras galáxias (conhecidas na época como "universos-ilha"), distantes da Via Láctea, ou se eram apenas nuvens de gás interestelar fazendo parte da nossa galáxia.
Em 1924, o jovem astrônomo norte-americano Edwin Hubble resolveu de vez essa questão, provando que algumas nebulosas não faziam parte da Via Láctea, mas eram outros "universos-ilha". O Universo se tornou muito maior do que muitos até então suspeitavam.
Mas a maior descoberta de Hubble ainda estava por vir. Entre 1929 e 1931, Hubble demonstrou que o Universo não só era muito maior do que se suspeitava, mas que ele era uma entidade dinâmica, em expansão.
Para demonstrar sua tese, Hubble usou o chamado "efeito Doppler", proposto pelo físico austríaco Johann Christian Doppler em 1842. Nós somos muito familiarizados com a versão auditiva do efeito Doppler. Quando uma sirene ou uma buzina viajam em nossa direção, ouvimos seus tons sempre mais agudos do que quando a mesma sirene ou buzina estão em repouso. Já quando a sirene ou buzina se afastam, ouvimos seus tons sempre mais graves.
Esse é um efeito típico da propagação de ondas. No caso da sirene ou buzina que se afastam, a distância entre duas cristas consecutivas (ou "comprimento de onda") aumenta, causando o som mais grave.
É como se o movimento da fonte "esticasse" a onda. No caso contrário, quando a fonte se aproxima, o comprimento de onda diminui e ouvimos o tom mais agudo. O mesmo efeito acontece com ondas de luz emitidas por alguma fonte, como uma estrela ou uma galáxia.
Examinando a luz emitida por várias galáxias em um aparelho chamado espectroscópio, Hubble observou que, geralmente, essa luz apresentava um desvio para maiores comprimentos de onda. Como o vermelho é a cor com maior comprimento de onda, esse efeito ficou conhecido como "desvio para o vermelho".
Baseado no efeito Doppler, Hubble concluiu que as galáxias estavam se afastando de nós com velocidades proporcionais a sua distância. Portanto, uma galáxia duas vezes mais distante se afasta duas vezes mais rápido. A expansão do Universo obedece a uma lei extremamente simples!
A noção de que o Universo está em expansão incita uma série de perguntas. No decorrer dos próximos meses, teremos a oportunidade de discutir algumas delas em detalhe. Eis aqui as cinco perguntas mais populares:
1) Se o Universo está em expansão, onde fica seu centro?
2) Essa expansão implica que o Universo deve ter tido um começo. Qual é a sua idade?
3) Qual é o seu tamanho?
4) Será que existe um "outro" universo lá fora?
5) Se o Universo teve um começo, qual será seu fim?
A curiosidade da humanidade em conhecer sua origem e destino é tão antiga quanto sua história. Por meio do casamento da física com a astronomia, cosmólogos estão, pela primeira vez, conseguindo desvendar alguns desses mistérios. Mas outros sempre aparecem em seu lugar.
domingo, 23 de novembro de 1997
O reducionismo na ciência e suas limitações
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Se conseguirmos escapar das luzes da cidade grande, em uma noite sem nuvens e sem Lua, podemos distinguir uma faixa difusa de luz se estendendo pelo céu, uma névoa que brilha por si só, decorada aqui e ali por estrelas. Essa faixa de luz, como nós sabemos, é parte da Via láctea, a galáxia onde vivemos.
Uma galáxia é um aglomerado de estrelas e gás, atraídos gravitacionalmente. Na Via láctea, existem centenas de bilhões de outras estrelas além do Sol. E no Universo, fora nossa galáxia, existem centenas de bilhões de outras galáxias, cada uma contendo desde milhões até centenas de bilhões de estrelas.
Por incrível que pareça, até o início da década de vinte nos não sabíamos ao certo se existiam outras galáxias no Universo. Astronômos debatiam se as "nebulosas" vistas com seus telescópios eram outras galáxias (conhecidas na época como "universos-ilha"), distantes da Via láctea, ou se eram apenas nuvens de gás interestelar fazendo parte da nossa galáxia.
Em 1924, o jovem astronômo americano Edwin Hubble resolveu de vez essa questão, provando que algumas nebulosas não faziam parte da Via láctea, mas eram outros "universos-ilha". O Universo se tornou muito maior do que muitos até então suspeitavam.
Mas a maior descoberta astronômica de Hubble ainda estava por vir. Entre 1929 e 1931, Hubble demonstrou conclusivamente que o Universo não só era muito maior do que se suspeitava, mas que ele era uma entidade dinâmica, em expansão.
Para demonstrar que o Universo estava em expansão, Hubble usou o chamado "efeito Doppler", proposto pelo físico austríaco Johann Christian Doppler em 1842. Nós somos muito familiares com a versão auditiva do efeito Doppler. Quando uma sirene ou uma buzina viaja em nossa direção, ouvimos seu tom sempre mais agudo do que quando a mesma sirene ou buzina está em repouso. Já quando a sirene ou buzina se afasta, ouvimos seu tom sempre mais grave.
Esse é um efeito típico da propagação de ondas. No caso da sirene ou buzina que se afastam, a distância entre duas cristas consecutivas (ou "comprimento de onda") aumenta, causando o som mais grave. É como se o movimento da fonte "esticasse" a onda. No caso contrário, quando a fonte se aproxima, o comprimento de onda diminui e ouvimos o tom mais agudo.
O mesmo efeito acontece com ondas de luz emitidas por alguma fonte, como uma estrela ou uma galáxia.
Examinando a luz emitida por várias galáxias através de um aparelho chamado espectroscópio, Hubble observou que, na sua maioria, a luz das galáxias apresentava um desvio para maiores comprimentos de onda. Como o vermelho é a cor com maior comprimento de onda, esse efeito ficou conhecido como "desvio para o vermelho".
Baseado no efeito Doppler, Hubble concluiu que as galáxias estavam se afastando de nós com velocidades proporcionais à sua distância. Portanto, uma galáxia duas vezes mais distante, se afasta duas vezes mais rápido. A expansão do Universo obedece a uma lei extremamente simples!
A noção de que o Universo está em expansão imediatamente incita uma série de perguntas. No decorrer dos próximos meses teremos a oportunidade de discutir algumas delas em detalhe. Eis aqui as cinco perguntas mais populares:
1) Se o Universo está em expansão, onde é o seu centro?
2) Se o Universo está em expansão, ele deve ter tido um começo. Nesse caso, qual é a sua idade?
3) Se o Universo está em expansão, qual é o seu tamanho?
4) Se o Universo está em expansão, será que existe um "outro" Universo lá fora?
5) Se o Universo está em expansão e portanto teve um começo, qual será seu fim?
A curiosidade da humanidade em conhecer sua origem e destino é tão antiga quanto sua história. Através do casamento da Física com a Astronomia, cosmólogos estão, pela primeira vez, conseguindo desvendar alguns desses mistérios. Mas curiosamente, outros sempre aparecem em seu lugar.
especial para a Folha
Se conseguirmos escapar das luzes da cidade grande, em uma noite sem nuvens e sem Lua, podemos distinguir uma faixa difusa de luz se estendendo pelo céu, uma névoa que brilha por si só, decorada aqui e ali por estrelas. Essa faixa de luz, como nós sabemos, é parte da Via láctea, a galáxia onde vivemos.
Uma galáxia é um aglomerado de estrelas e gás, atraídos gravitacionalmente. Na Via láctea, existem centenas de bilhões de outras estrelas além do Sol. E no Universo, fora nossa galáxia, existem centenas de bilhões de outras galáxias, cada uma contendo desde milhões até centenas de bilhões de estrelas.
Por incrível que pareça, até o início da década de vinte nos não sabíamos ao certo se existiam outras galáxias no Universo. Astronômos debatiam se as "nebulosas" vistas com seus telescópios eram outras galáxias (conhecidas na época como "universos-ilha"), distantes da Via láctea, ou se eram apenas nuvens de gás interestelar fazendo parte da nossa galáxia.
Em 1924, o jovem astronômo americano Edwin Hubble resolveu de vez essa questão, provando que algumas nebulosas não faziam parte da Via láctea, mas eram outros "universos-ilha". O Universo se tornou muito maior do que muitos até então suspeitavam.
Mas a maior descoberta astronômica de Hubble ainda estava por vir. Entre 1929 e 1931, Hubble demonstrou conclusivamente que o Universo não só era muito maior do que se suspeitava, mas que ele era uma entidade dinâmica, em expansão.
Para demonstrar que o Universo estava em expansão, Hubble usou o chamado "efeito Doppler", proposto pelo físico austríaco Johann Christian Doppler em 1842. Nós somos muito familiares com a versão auditiva do efeito Doppler. Quando uma sirene ou uma buzina viaja em nossa direção, ouvimos seu tom sempre mais agudo do que quando a mesma sirene ou buzina está em repouso. Já quando a sirene ou buzina se afasta, ouvimos seu tom sempre mais grave.
Esse é um efeito típico da propagação de ondas. No caso da sirene ou buzina que se afastam, a distância entre duas cristas consecutivas (ou "comprimento de onda") aumenta, causando o som mais grave. É como se o movimento da fonte "esticasse" a onda. No caso contrário, quando a fonte se aproxima, o comprimento de onda diminui e ouvimos o tom mais agudo.
O mesmo efeito acontece com ondas de luz emitidas por alguma fonte, como uma estrela ou uma galáxia.
Examinando a luz emitida por várias galáxias através de um aparelho chamado espectroscópio, Hubble observou que, na sua maioria, a luz das galáxias apresentava um desvio para maiores comprimentos de onda. Como o vermelho é a cor com maior comprimento de onda, esse efeito ficou conhecido como "desvio para o vermelho".
Baseado no efeito Doppler, Hubble concluiu que as galáxias estavam se afastando de nós com velocidades proporcionais à sua distância. Portanto, uma galáxia duas vezes mais distante, se afasta duas vezes mais rápido. A expansão do Universo obedece a uma lei extremamente simples!
A noção de que o Universo está em expansão imediatamente incita uma série de perguntas. No decorrer dos próximos meses teremos a oportunidade de discutir algumas delas em detalhe. Eis aqui as cinco perguntas mais populares:
1) Se o Universo está em expansão, onde é o seu centro?
2) Se o Universo está em expansão, ele deve ter tido um começo. Nesse caso, qual é a sua idade?
3) Se o Universo está em expansão, qual é o seu tamanho?
4) Se o Universo está em expansão, será que existe um "outro" Universo lá fora?
5) Se o Universo está em expansão e portanto teve um começo, qual será seu fim?
A curiosidade da humanidade em conhecer sua origem e destino é tão antiga quanto sua história. Através do casamento da Física com a Astronomia, cosmólogos estão, pela primeira vez, conseguindo desvendar alguns desses mistérios. Mas curiosamente, outros sempre aparecem em seu lugar.
domingo, 16 de novembro de 1997
Um passeio pelos "mistérios" da antimatéria
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Antimatéria é um assunto que sempre desperta um certo ar de mistério, de algo "do outro mundo". O próprio nome se dá mesmo a esse tipo de especulação. Afinal, "anti" quer dizer contrário, oposto ou conflitante. A antimatéria é muito menos misteriosa que sua reputação sugere. Mas isso não significa que ela seja menos fascinante.
Antimatéria não significa o oposto de matéria. Para entendermos o seu significado, devemos estudar a constituição da matéria no nível das partículas elementares.
Em meados dos anos 20, duas novas teorias sacudiam a física: a teoria da relatividade especial de Albert Einstein e a teoria quântica, de Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrõdinger e outros. Enquanto a relatividade especial descreve o movimento de objetos a velocidades próximas à da luz, a teoria quântica trata da física do muito pequeno, descrevendo processos que ocorrem em dimensões atômicas ou ainda menores.
Uma das questões na mente de alguns físicos da época era como casar as duas teorias, ou seja, como tratar movimentos muito rápidos que ocorrem a escalas atômicas. Por exemplo, elétrons orbitando o núcleo atômico podem assumir velocidades relativísticas, onde as correções da relatividade especial são importantes no estudo de seu movimento.
Em 1929, o físico inglês Paul Dirac obteve a primeira formulação relativística da mecânica quântica. Mas ao tentar resolver a equação do movimento de um elétron, Dirac se deparou com algo inesperado: fora o elétron, sua teoria parecia descrever o movimento de outra partícula!
Após algumas interpretações errôneas, Dirac e outros compreenderam que a outra solução era na verdade uma nova partícula, com massa idêntica ao elétron, mas com carga elétrica oposta. Como o elétron tem carga negativa, sua antipartícula ficou conhecida como pósitron. No resto, o pósitron é normal.
Em pouco tempo, ficou claro que todas partículas têm suas antipartículas. O próton, por exemplo, tem seu companheiro de carga negativa, o antipróton. A união da teoria quântica com a relatividade especial demanda a existência da antimatéria! Nos anos 30 e 40, as primeiras partículas de antimatéria foram detectadas no laboratório. Elas, portanto, não existem apenas no universo matemático dos físicos teóricos.
A relação entre matéria e antimatéria é bastante dramática. Quando uma partícula de matéria se choca com uma de antimatéria, elas se desintegram em radiação eletromagnética. Suas massas são convertidas em energia eletromagnética de acordo com a famosa fórmula E=mc2.
Essa energia é carregada pelas partículas que compõem o campo eletromagnético, conhecidas como fótons, cuja existência foi proposta por Einstein em 1905. Portanto, ao colidirem, partículas de matéria e antimatéria se desintegram em fótons.
Mas o contrário também pode ocorrer: fótons podem criar pares de partículas e antipartículas. Matéria, antimatéria e fótons são parceiros de uma constante dança subatômica de criação e destruição. Essa conversão entre matéria e energia é observada rotineiramente em aceleradores de partículas, capazes de colidi-las a altíssimas energias.
"Espere um momento!", exclama o leitor atento. "Se essa desintegração entre matéria e antimatéria realmente ocorre, onde foi parar toda essa antimatéria?" Ótima pergunta! Obviamente, se estamos aqui, sabemos que pelo menos a Terra é feita de matéria. A Lua também, pois vários astronautas pousaram lá sem se desintegrar. O mesmo vale para Marte. O Sistema Solar é dominado por matéria. Nossa galáxia também. Extrapola-se que o Universo seja praticamente só matéria. Mas a razão dessa imperfeição cósmica, a qual devemos nossa existência, vai ter que ficar para outra coluna.
especial para a Folha
Antimatéria é um assunto que sempre desperta um certo ar de mistério, de algo "do outro mundo". O próprio nome se dá mesmo a esse tipo de especulação. Afinal, "anti" quer dizer contrário, oposto ou conflitante. A antimatéria é muito menos misteriosa que sua reputação sugere. Mas isso não significa que ela seja menos fascinante.
Antimatéria não significa o oposto de matéria. Para entendermos o seu significado, devemos estudar a constituição da matéria no nível das partículas elementares.
Em meados dos anos 20, duas novas teorias sacudiam a física: a teoria da relatividade especial de Albert Einstein e a teoria quântica, de Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrõdinger e outros. Enquanto a relatividade especial descreve o movimento de objetos a velocidades próximas à da luz, a teoria quântica trata da física do muito pequeno, descrevendo processos que ocorrem em dimensões atômicas ou ainda menores.
Uma das questões na mente de alguns físicos da época era como casar as duas teorias, ou seja, como tratar movimentos muito rápidos que ocorrem a escalas atômicas. Por exemplo, elétrons orbitando o núcleo atômico podem assumir velocidades relativísticas, onde as correções da relatividade especial são importantes no estudo de seu movimento.
Em 1929, o físico inglês Paul Dirac obteve a primeira formulação relativística da mecânica quântica. Mas ao tentar resolver a equação do movimento de um elétron, Dirac se deparou com algo inesperado: fora o elétron, sua teoria parecia descrever o movimento de outra partícula!
Após algumas interpretações errôneas, Dirac e outros compreenderam que a outra solução era na verdade uma nova partícula, com massa idêntica ao elétron, mas com carga elétrica oposta. Como o elétron tem carga negativa, sua antipartícula ficou conhecida como pósitron. No resto, o pósitron é normal.
Em pouco tempo, ficou claro que todas partículas têm suas antipartículas. O próton, por exemplo, tem seu companheiro de carga negativa, o antipróton. A união da teoria quântica com a relatividade especial demanda a existência da antimatéria! Nos anos 30 e 40, as primeiras partículas de antimatéria foram detectadas no laboratório. Elas, portanto, não existem apenas no universo matemático dos físicos teóricos.
A relação entre matéria e antimatéria é bastante dramática. Quando uma partícula de matéria se choca com uma de antimatéria, elas se desintegram em radiação eletromagnética. Suas massas são convertidas em energia eletromagnética de acordo com a famosa fórmula E=mc2.
Essa energia é carregada pelas partículas que compõem o campo eletromagnético, conhecidas como fótons, cuja existência foi proposta por Einstein em 1905. Portanto, ao colidirem, partículas de matéria e antimatéria se desintegram em fótons.
Mas o contrário também pode ocorrer: fótons podem criar pares de partículas e antipartículas. Matéria, antimatéria e fótons são parceiros de uma constante dança subatômica de criação e destruição. Essa conversão entre matéria e energia é observada rotineiramente em aceleradores de partículas, capazes de colidi-las a altíssimas energias.
"Espere um momento!", exclama o leitor atento. "Se essa desintegração entre matéria e antimatéria realmente ocorre, onde foi parar toda essa antimatéria?" Ótima pergunta! Obviamente, se estamos aqui, sabemos que pelo menos a Terra é feita de matéria. A Lua também, pois vários astronautas pousaram lá sem se desintegrar. O mesmo vale para Marte. O Sistema Solar é dominado por matéria. Nossa galáxia também. Extrapola-se que o Universo seja praticamente só matéria. Mas a razão dessa imperfeição cósmica, a qual devemos nossa existência, vai ter que ficar para outra coluna.
domingo, 9 de novembro de 1997
Em busca das partículas fundamentais da matéria
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Demócrito e Leucipo, filósofos gregos do século 5 a.C., sugeriram que tudo no mundo é feito de átomos. Embora o átomo dos gregos seja diferente do átomo moderno, a idéia de que a matéria é feita de entidades fundamentais, indivisíveis, sobreviveu até hoje, como uma das heranças culturais da Grécia Antiga, assustadora em sua intuição de como funciona o mundo.
O átomo moderno não é perfeitamente denso nem indivisível como o dos gregos. Sabemos que os átomos têm um núcleo, composto por prótons e nêutrons, por sua vez orbitado por elétrons. O átomo mais simples, o de hidrogênio, tem apenas um próton e um elétron, enquanto o de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons e pode ter 146 nêutrons!
Nas décadas de 30 a 50, os físicos estudaram processos envolvendo partículas em níveis de energia cada vez maiores. Basicamente, o método usado para estudar a composição fundamental da matéria é a força bruta. A idéia é colidir objetos a energias altíssimas em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas e ver o que acontece. Por exemplo, podemos provocar a colisão entre um próton e um núcleo de um átomo de ouro, observando o resultado da colisão em detectores de partículas, máquinas capazes de "fotografar" o que acontece durante e após a colisão.
O que foi descoberto com esses experimentos e com as observações de raios cósmicos _partículas vindas do espaço que ao colidirem com a atmosfera têm papel semelhante ao dos aceleradores de partículas_ surpreendeu os cientistas. Esses experimentos revelaram centenas de outras partículas "elementares", resultados da transformação entre energia e massa prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. A energia de movimento das partículas é transformada em matéria, em novas partículas, durante a colisão. É como se colidíssemos bolas de tênis e criássemos elefantes e caminhões como resultado!
A descoberta dessas centenas de partículas levou os físicos a questionar o próprio conceito de "partícula elementar". Afinal, centenas de tijolos fundamentais da matéria, não são lá muito fundamentais. Essa situação embaraçosa mudou nos anos 60, com a sugestão do físico americano Murray Gell-Mann de que essas partículas eram compostas por outras menores que ele chamou de "quarks", termo tirado de um texto de James Joyce.
A idéia é simples. Do mesmo modo que os vários átomos podem ser explicados por combinações de prótons, nêutrons e elétrons, essas várias partículas podem ser explicadas por combinações de apenas alguns quarks. Com isso, físicos chegaram a um novo tipo de classificação das partículas fundamentais da matéria: as que são compostas por quarks e as que não são compostas por eles. As partículas que não são compostas por quarks são chamadas de léptons, do grego leve. O elétron, por exemplo, é um lépton.
A distinção entre esses dois tipos de partículas é baseada na interação entre elas. Todas as partículas compostas por quarks interagem através da força nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo atômico. Como o núcleo é feito de prótons e nêutrons, e prótons sofrem uma repulsão elétrica, algo mais forte que essa repulsão tem de estar agindo. Essa "cola" nuclear é a força nuclear forte. Portanto, prótons e nêutrons são feitos por quarks, três para ser exato.
Hoje sabemos que existem seis quarks, todos observáveis em aceleradores de partículas. O mais pesado, o "top" quark, foi observado pela primeira vez ano passado no Fermilab, em um laboratório perto de Chicago. A esses seis quarks são adicionados seis léptons. Com isso, chegamos aos 12 tijolos fundamentais da matéria, versão atual. Mas o que acontecerá quando aumentarmos ainda mais as energias de nossos aceleradores?
especial para a Folha
Demócrito e Leucipo, filósofos gregos do século 5 a.C., sugeriram que tudo no mundo é feito de átomos. Embora o átomo dos gregos seja diferente do átomo moderno, a idéia de que a matéria é feita de entidades fundamentais, indivisíveis, sobreviveu até hoje, como uma das heranças culturais da Grécia Antiga, assustadora em sua intuição de como funciona o mundo.
O átomo moderno não é perfeitamente denso nem indivisível como o dos gregos. Sabemos que os átomos têm um núcleo, composto por prótons e nêutrons, por sua vez orbitado por elétrons. O átomo mais simples, o de hidrogênio, tem apenas um próton e um elétron, enquanto o de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons e pode ter 146 nêutrons!
Nas décadas de 30 a 50, os físicos estudaram processos envolvendo partículas em níveis de energia cada vez maiores. Basicamente, o método usado para estudar a composição fundamental da matéria é a força bruta. A idéia é colidir objetos a energias altíssimas em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas e ver o que acontece. Por exemplo, podemos provocar a colisão entre um próton e um núcleo de um átomo de ouro, observando o resultado da colisão em detectores de partículas, máquinas capazes de "fotografar" o que acontece durante e após a colisão.
O que foi descoberto com esses experimentos e com as observações de raios cósmicos _partículas vindas do espaço que ao colidirem com a atmosfera têm papel semelhante ao dos aceleradores de partículas_ surpreendeu os cientistas. Esses experimentos revelaram centenas de outras partículas "elementares", resultados da transformação entre energia e massa prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. A energia de movimento das partículas é transformada em matéria, em novas partículas, durante a colisão. É como se colidíssemos bolas de tênis e criássemos elefantes e caminhões como resultado!
A descoberta dessas centenas de partículas levou os físicos a questionar o próprio conceito de "partícula elementar". Afinal, centenas de tijolos fundamentais da matéria, não são lá muito fundamentais. Essa situação embaraçosa mudou nos anos 60, com a sugestão do físico americano Murray Gell-Mann de que essas partículas eram compostas por outras menores que ele chamou de "quarks", termo tirado de um texto de James Joyce.
A idéia é simples. Do mesmo modo que os vários átomos podem ser explicados por combinações de prótons, nêutrons e elétrons, essas várias partículas podem ser explicadas por combinações de apenas alguns quarks. Com isso, físicos chegaram a um novo tipo de classificação das partículas fundamentais da matéria: as que são compostas por quarks e as que não são compostas por eles. As partículas que não são compostas por quarks são chamadas de léptons, do grego leve. O elétron, por exemplo, é um lépton.
A distinção entre esses dois tipos de partículas é baseada na interação entre elas. Todas as partículas compostas por quarks interagem através da força nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo atômico. Como o núcleo é feito de prótons e nêutrons, e prótons sofrem uma repulsão elétrica, algo mais forte que essa repulsão tem de estar agindo. Essa "cola" nuclear é a força nuclear forte. Portanto, prótons e nêutrons são feitos por quarks, três para ser exato.
Hoje sabemos que existem seis quarks, todos observáveis em aceleradores de partículas. O mais pesado, o "top" quark, foi observado pela primeira vez ano passado no Fermilab, em um laboratório perto de Chicago. A esses seis quarks são adicionados seis léptons. Com isso, chegamos aos 12 tijolos fundamentais da matéria, versão atual. Mas o que acontecerá quando aumentarmos ainda mais as energias de nossos aceleradores?
domingo, 2 de novembro de 1997
A força da ciência está na sua universalidade
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Dada a complexidade do mundo em nossa volta, não é nada surpreendente que os cientistas usem simplificações aparentemente drásticas no estudo de fenômenos naturais. Por exemplo, se quisermos estudar a órbita da Lua em torno da Terra, é irrelevante incluirmos em nossa descrição que a Terra tem montanhas, oceanos e atmosfera, ou que a Lua tem crateras de todos os tamanhos. Basta sabermos a massa da Terra e a da Lua e a distância entre elas.
O balanço de uma folha ao vento, o vaivém de uma criança num balanço, um sino soando: todos esses "sistemas" podem ser modelados, com maior ou menor precisão, pelo movimento de um pêndulo sujeito a uma força externa. No caso da folha, a força externa vem do vento, no caso da criança, dos empurrões de seu pai e, no caso do sino, do padre puxando a corda.
Numa primeira aproximação, o modelo matemático que descreve o movimento desses sistemas é essencialmente o mesmo. Pela descrição matemática dos fenômenos, os físicos revelam a belíssima unidade que existe na natureza. Modelos imitam a natureza, recriando suas sutilezas de forma compreensível.
Descrever o comportamento de sistemas complexos por fórmulas simples é um ingrediente fundamental no trabalho científico e um de seus maiores desafios. Há um equilíbrio delicado entre simplificar demais _ignorando dados fundamentais sobre um sistema_ e incluir detalhes irrelevantes que compliquem desnecessariamente seu estudo.
Para testarmos a eficiência de um modelo, comparamos suas previsões com medidas obtidas por cuidadosas observações. No exemplo da folha balançando ao vento, podemos medir o tempo que a folha demora para voltar a um determinado ponto. Se o resultado medido não for semelhante à previsão do modelo, este tem de ser modificado.
Isso é verdade tanto para o balançar de uma folha quanto para qualquer modelo matemático de descrição de algum fenômeno, de escalas subatômicas até o Universo como um todo. E aqui a intuição do cientista é fundamental. Como encontrar as modificações corretas? Para mim, a construção de modelos é uma arte: a de modelar a natureza.
Pelo seu processo criativo, o cientista viabiliza sua visão do mundo. Para mim, assim como a obra de um artista, a obra de um cientista é um reflexo de sua personalidade. Claro, o veículo de expressão é completamente diferente, pois as linguagens são diferentes. Mas o momento que existe entre o surgimento de uma idéia e sua expressão, seja por uma equação ou por uma aquarela, é essencialmente idêntico.
Ao recriar o mundo matematicamente, o cientista reinventa a realidade a sua volta, representando-a por símbolos universais. Mesmo que o processo criativo científico seja tão subjetivo quanto o processo criativo artístico, o produto final do trabalho do cientista é acessível a qualquer outro que domine o vocabulário técnico da ciência. (E, espero, também ao público não especializado por um esforço dos cientistas de transmitir suas idéias de modo acessível.)
Em princípio, não deve haver subjetividade na interpretação de uma obra científica. Os modelos criados por cientistas são universais. Por meio da universalidade de sua linguagem, esses modelos são gradativamente corrigidos e aprimorados (o progresso científico raramente caminha em linha reta), chegando eventualmente a uma formulação aceita pela comunidade científica.
É nessa universalidade que reside a força da ciência. As equações que descrevem um fenômeno são idênticas para todos os cientistas, independentemente de qualquer diferença religiosa, racial ou política. A natureza não se presta a nossos tolos jogos de poder. A Ciência, em sua versão mais pura, é uma das formas mais humanas de conhecimento.
especial para a Folha
Dada a complexidade do mundo em nossa volta, não é nada surpreendente que os cientistas usem simplificações aparentemente drásticas no estudo de fenômenos naturais. Por exemplo, se quisermos estudar a órbita da Lua em torno da Terra, é irrelevante incluirmos em nossa descrição que a Terra tem montanhas, oceanos e atmosfera, ou que a Lua tem crateras de todos os tamanhos. Basta sabermos a massa da Terra e a da Lua e a distância entre elas.
O balanço de uma folha ao vento, o vaivém de uma criança num balanço, um sino soando: todos esses "sistemas" podem ser modelados, com maior ou menor precisão, pelo movimento de um pêndulo sujeito a uma força externa. No caso da folha, a força externa vem do vento, no caso da criança, dos empurrões de seu pai e, no caso do sino, do padre puxando a corda.
Numa primeira aproximação, o modelo matemático que descreve o movimento desses sistemas é essencialmente o mesmo. Pela descrição matemática dos fenômenos, os físicos revelam a belíssima unidade que existe na natureza. Modelos imitam a natureza, recriando suas sutilezas de forma compreensível.
Descrever o comportamento de sistemas complexos por fórmulas simples é um ingrediente fundamental no trabalho científico e um de seus maiores desafios. Há um equilíbrio delicado entre simplificar demais _ignorando dados fundamentais sobre um sistema_ e incluir detalhes irrelevantes que compliquem desnecessariamente seu estudo.
Para testarmos a eficiência de um modelo, comparamos suas previsões com medidas obtidas por cuidadosas observações. No exemplo da folha balançando ao vento, podemos medir o tempo que a folha demora para voltar a um determinado ponto. Se o resultado medido não for semelhante à previsão do modelo, este tem de ser modificado.
Isso é verdade tanto para o balançar de uma folha quanto para qualquer modelo matemático de descrição de algum fenômeno, de escalas subatômicas até o Universo como um todo. E aqui a intuição do cientista é fundamental. Como encontrar as modificações corretas? Para mim, a construção de modelos é uma arte: a de modelar a natureza.
Pelo seu processo criativo, o cientista viabiliza sua visão do mundo. Para mim, assim como a obra de um artista, a obra de um cientista é um reflexo de sua personalidade. Claro, o veículo de expressão é completamente diferente, pois as linguagens são diferentes. Mas o momento que existe entre o surgimento de uma idéia e sua expressão, seja por uma equação ou por uma aquarela, é essencialmente idêntico.
Ao recriar o mundo matematicamente, o cientista reinventa a realidade a sua volta, representando-a por símbolos universais. Mesmo que o processo criativo científico seja tão subjetivo quanto o processo criativo artístico, o produto final do trabalho do cientista é acessível a qualquer outro que domine o vocabulário técnico da ciência. (E, espero, também ao público não especializado por um esforço dos cientistas de transmitir suas idéias de modo acessível.)
Em princípio, não deve haver subjetividade na interpretação de uma obra científica. Os modelos criados por cientistas são universais. Por meio da universalidade de sua linguagem, esses modelos são gradativamente corrigidos e aprimorados (o progresso científico raramente caminha em linha reta), chegando eventualmente a uma formulação aceita pela comunidade científica.
É nessa universalidade que reside a força da ciência. As equações que descrevem um fenômeno são idênticas para todos os cientistas, independentemente de qualquer diferença religiosa, racial ou política. A natureza não se presta a nossos tolos jogos de poder. A Ciência, em sua versão mais pura, é uma das formas mais humanas de conhecimento.
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