Buscando a liberdade no interior do núcleo

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

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

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

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

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

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

Brasileiros buscam pistas sobre a estrutura da matéria

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

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

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

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

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

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

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

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

A recriação da infância do Universo em laboratório

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

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

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

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

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

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

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

A busca pela gravitação quântica

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

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

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

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

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

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

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

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

E o mundo não acabou

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Crônica para um novo milênio

Nós temos o privilégio de ser seres "intermilenares", com um pé no milênio que está por terminar e outro no milênio que está por começar. Daí que olhamos tanto para trás quanto para a frente, a história nos ensinando a não repetir os erros do passado e nos inspirando a repensar o futuro.

É difícil resistir à tentação de fazer comparações e projeções, apesar de as projeções serem, na maioria, errôneas. Mas, se pensarmos no mundo ocidental na passagem do último milênio, no ano 1000, e no mundo agora, no ano 2000, percebemos a enormidade das transformações que ocorreram nos últimos mil anos. E começamos a sonhar com o que poderá acontecer nos próximos mil.

A Europa estava assolada pelas trevas medievais, com pestes, pobreza, fome e superstições de todos os tipos. A crença no milenarismo -em que a chegada do ano 1000 coincidiria com o dia do Julgamento Final, quando o Messias reinaria na Terra, inaugurando uma nova era de paz e justiça para aqueles que suportaram seus sofrimentos com virtude e fé- oferecia esperança e terror.

Passados mil anos e aqui estamos nós, com uma sonda meteorológica tentando pousar em Marte (com certos problemas, mas...), a sociedade globalmente "internetizada", realidades sendo reinventadas virtualmente em mundos de silício e nanotecnologia, seres vivos sendo clonados e redesenhados, a humanidade participando como criadora no processo evolucionário, o Universo em expansão, o estudo da física no interior do núcleo atômico, a descoberta dos buracos negros, de outros sistemas solares, das vacinas e dos antibióticos.

Passados mil anos e aqui estamos nós, guerras matando mais nesse século do que em toda a história da humanidade, a população mundial passando dos 6 bilhões, a maioria com fome, doente e analfabeta, a poluição industrial e urbana causando sérios distúrbios ecológicos e climáticos e prometendo outros muito piores, a intolerância pelas diferenças raciais, políticas e culturais e a falta de respeito ao próximo em plena alta, a explosão do capitalismo global afogando economias emergentes, os abusos da energia nuclear ameaçando nossa destruição global e problemas de controle do lixo atômico, a engenharia genética forçando uma nova ética para a humanidade, onde a própria definição do que significa ser humano está em jogo, as pessoas sempre com pressa, muita pressa.

Passados mil anos, nós sabemos pôr um homem na Lua, mas ainda não sabemos como não nos matar. Tanto progresso e tão pouco progresso. Tantas descobertas e tanta ignorância. O que será de nós daqui a mil anos? Será que nós ainda estaremos aqui, nesse planeta que está se tornando cada vez menor para acomodar nossos sonhos e nossas ganâncias? Ou será que levaremos a cabo o processo evolucionário sobre nós mesmos e nos extinguiremos como espécie? Eu, eterno otimista, vejo um futuro muito melhor.

Infelizmente, para chegarmos lá, como nas visões escatológicas dos milenaristas, a coisa vai primeiro piorar. Infelizmente, nós temos uma grande capacidade de reação, mas não de prevenção; nós funcionamos sob pressão. As mudanças climáticas vão ter de causar danos financeiros e sociais sérios antes que os governos façam realmente alguma coisa a respeito. As pesquisas em genética vão criar situações inesperadas que vão acabar por ampliar nossos horizontes éticos, e não criar uma nova treva medieval. A distribuição de alimentos e de riqueza vai melhorar a qualidade de vida da população global. Novas fontes de energia, benignas e renováveis, vão reformular nossa relação com a atmosfera. Tecnologias misturando genética e nanotecnologia irão criar novas curas e novos seres, meio humanos, meio máquinas, que irão pensar e sentir como nós.

Do mesmo modo que nos últimos mil anos nós exploramos nosso planeta, viajando pelos seus quatro cantos, nos próximos mil nós iremos explorar os quatro cantos do nosso e de outros sistema solares, criando novas terras para povoar de vida nossa galáxia. E, quem sabe, até estabelecer contato com outras formas de vida inteligente. O paraíso na Terra, se vier a existir, terá de ser nossa criação.

Os silenciosos ruídos do Universo

Você liga seu rádio e pronto: música, notícias, comerciais, informações enviadas por estações de rádio a enormes distâncias. Uma confusão bastante comum que se faz é achar que ondas de rádio e de som são a mesma coisa. Na verdade, ondas de som e de rádio são duas coisas muito diferentes.

Quando escutamos algum ruído é porque algum distúrbio se propagou pelo ar até chegar aos nossos ouvidos, onde essas vibrações são transformadas em sons pelo nosso cérebro. Sem um meio material, como o ar, não existe som. O mesmo com ondas de água; algum distúrbio, como a queda de uma pedra, gera ondas que se propagam pelo meio que lhes dá suporte, no caso, a água.

Já as ondas de rádio são parte das ondas eletromagnéticas, geradas quando cargas elétricas oscilam com alguma frequência. A luz também é uma onda eletromagnética que, após ser captada por nossos olhos, é transformada em imagem no nosso cérebro. A única diferença entre luz e ondas de rádio é a sua frequência; ondas de luz têm frequências centenas de milhares de vezes maiores do que as ondas de rádio.

Como nosso equipamento para captação de ondas eletromagnéticas é bastante limitado (a luz visível pelos olhos e a radiação em infravermelho, ou calor, pela pele), ondas de rádio passam por nós despercebidamente. O mesmo ocorre com outros tipos de ondas eletromagéticas com frequências ainda maiores do que a luz visível, como a radiação ultravioleta, os raios X e os raios gama, sendo que que algumas podem ser bem nocivas à saúde.

Quando você liga seu rádio, ele capta ondas eletromagnéticas na frequência de ondas de rádio (FM, em torno de 88 milhões a 108 milhões de ciclos por segundo, ou megahertz), transformando-as em sons audíveis por nós, vibrações que se propagam no ar e são transformadas em som no nosso cérebro.

A música e as vozes que ouvimos, com frequências entre 50 e 4.500 hertz -muito menores que os milhões de ciclos das ondas de rádio-, estão codificadas nas ondas de rádio emitidas pela estação. Portanto, as estações mandam uma espécie de onda combinada de alta e baixa frequência (chamada de onda modulada), produzida pelo movimento das cargas elétricas nas suas antenas de transmissão.

As estações AM e FM na Terra não são as únicas fontes de ondas de rádio. Nós sabemos que vários corpos celestes, como estrelas e nebulosas, emitem ondas eletromagnéticas, pois podemos vê-las. Toda a astronomia ótica é baseada no fato de que estrelas e outros objetos astrofísicos geram quantidades enormes de radiação eletromagnética, devido ao movimento acelerado de cargas elétricas que, a altas temperaturas, têm frequências na porção visível do espectro.
Ou seja, podemos ver esses objetos. Mas, se isso é verdade, esses e outros objetos podem gerar ondas eletromagnéticas que, apesar de invisíveis, são tão reais como a luz das estrelas. Hoje em dia, a astronomia é subdividida em todas as janelas das ondas eletromagnéticas, da radioastronomia à de raios gama.

Um novo projeto em radioastronomia promete revolucionar nosso conhecimento nessa área. Nós sabemos que fontes de rádio são em geral "frias", geradas em processos no interior de galáxias ou na formação de sistemas solares. As dimensões do projeto Alma (do inglês Grande Arranjo em Milímetros de Atacama) são realmente fantásticas: 64 antenas parabólicas, cada uma com diâmetro de 14 m, arranjadas em uma área de cerca de 10 km de extensão. Quando trabalharem juntas, as antenas serão equivalentes a uma única antena do tamanho de um campo de futebol. Essa estrutura será construída no deserto de Atacama, no Chile, uma das regiões mais inóspitas e secas do planeta, a 5.500 m de altitude.

A vantagem das ondas de rádio é que elas atravessam zonas com poeira e gás. (A recepção do seu rádio não piora com a poluição). Com isso, podemos "ver" fenômenos ofuscados no visível, como regiões em que uma estrela e seus planetas estão nascendo. As antenas da Alma poderão também "ver" objetos a vários bilhões de anos-luz de distância, mais antigos que a Terra: Alma será uma janela para a própria infância do Universo.

Será que as fontes de petróleo vão se esgotar?

Eu me lembro, quando ainda garoto, da famosa crise no abastecimento de petróleo nos anos 70: racionamento de gasolina, preços altos, filas intermináveis nos postos e viagens curtas nos finais de semana. Neste fim de milênio, vale lembrar que nossa absoluta dependência de combustíveis fósseis pode também levar a vários prognósticos apocalípticos. O que será do mundo se o petróleo acabar?

A crise dos anos 70 acelerou nosso interesse em criar fontes alternativas de energia, como o programa do álcool no Brasil ou de carros movidos a gás natural, que também é um combustível fóssil como o petróleo, mas bem mais abundante. A ênfase deve ser em fontes não só alternativas, mas também renováveis.

Uma possibilidade interessante é o uso de hidrogênio como combustível. Hidrogênio é, de longe, o elemento mais abundante no Universo, em torno de 75%, seguido do gás hélio, com 24%. Mais ainda, um carro movido a hidrogênio produz vapor de água, e não os vários gases tóxicos e poluentes que são produzidos na combustão da gasolina. As vantagens são óbvias. Os primeiros carros movidos a hidrogênio estão programados para ser lançados em 2004, um ótimo presente para a humanidade do novo milênio.

Os países mais poluentes do mundo são os EUA e a China. No caso da China, o combustível mais usado é o carvão, o que faz com que 9 das 10 cidades mais poluídas do mundo estejam em território chinês. Em torno de 33% das mortes nessas cidades estão relacionadas a doenças pulmonares, cardiovasculares e formas de câncer causadas pelo uso abusivo de carvão como combustível.

No caso dos EUA, 40% da poluição causada pelo petróleo vem de automóveis. É realmente absurda a relação dos americanos com carros e a relutância generalizada no uso de transportes públicos. Indo ao trabalho de manhã, você vê milhares de carros com apenas um motorista, todos empilhados no trânsito, enquanto o metrô e os trens passam vazios ao lado das avenidas. Em São Paulo a coisa não é muito melhor, e uma reforma nos transportes públicos é fundamental para garantir o futuro dessa cidade. E de várias outras no Brasil.

Enquanto não desenvolvemos fontes alternativas e renováveis de energia a preços acessíveis, o debate sobre as reservas mundiais de petróleo continua. Mas o foco do debate mudou. Hoje, ao contrário dos anos 70, as previsões são de que as reservas de petróleo durarão muito mais do que o esperado, confortavelmente pelos próximos cem ou mais anos. Eu acho essa previsão lamentável, pois ela irá desacelerar as pesquisas em produção alternativa de energia; infelizmente, novas fontes só irão se tornar viáveis quando houver interesse econômico por trás.
Considerando que anualmente cerca de 14 milhões de galões de petróleo são "acidentalmente" despejados em águas doces e salgadas, fora a poluição atmosférica e o efeito estufa que é causado pela combustão de vários derivados do petróleo, é uma forma de cegueira não acelerarmos as pesquisas de outros combustíveis. A questão não é mais se o petróleo vai acabar, mas se ele vai acabar com a gente.

Para piorar as coisas, em um recente livro, o físico iconoclasta Thomas Gold, ex-diretor do Centro de Radiofísica e Pesquisas Espaciais da Universidade de Cornell, nos EUA, sugere que o petróleo não vai acabar tão cedo, que ele é constantemente renovado por todo um ecossistema subterrâneo que até o momento permanece invisível. Sua idéia é que vastas quantidades de materiais orgânicos foram armazenadas no interior profundo da Terra durante sua infância.

Esses materiais percolam através de rochas até atingir profundidades entre 10 km e 300 km, onde eles são consumidos por vastas colônias de microrganismos, com mais massa orgânica do que toda a vida na superfície. Devido a movimentos internos na Terra, esse material recombinado sobe ainda mais, onde ele é depositado nos reservatórios de petróleo e gás que exploramos. Claro, a hipótese de Gold é altamente especulativa e, espero, errada. Mas, caso ele esteja certo, o nosso futuro vai depender de nossa sabedoria e não de nossa ganância.

A explosiva origem da matéria

Qual a origem da matéria? De onde vem a matéria que preenche o Universo, suas galáxias com bilhões de estrelas, planetas e pessoas? Até recentemente, essa pergunta fazia parte daquele grupo de perguntas misteriosas que dependem mais da fé do que da ciência. Nós ainda não sabemos qual a resposta, mas temos hoje algumas idéias interessantes, talvez os primeiros passos em direção a uma compreensão mais profunda do Universo.

A cosmologia moderna é baseada no modelo do Big Bang, que diz que o Universo teve uma infância muito quente e densa. A idéia é que, próximo ao início de sua história, o Universo era uma espécie de sopa de partículas que interagiam ferozmente com a radiação. O Universo foi gradativamente se expandindo e se resfriando e, aos poucos, estruturas mais complexas foram se formando, começando com núcleos atômicos bem leves, depois átomos de hidrogênio que formaram nuvens enormes e instáveis que, ao colapsar, originaram as galáxias e estrelas.

A composição química do Universo também é bastante simples. Basicamente, o Universo consiste em 75% de hidrogênio, 24% de hélio e o 1% restante de átomos, incluindo carbono, nitrogênio e oxigênio. Esses elementos mais pesados não foram formados na fornalha primordial, mas sim em estrelas, em particular durante os processos que marcam a "morte" desses objetos.

Mas esse cenário supõe que, de alguma forma, existia já uma sopa de partículas. Esse é um problema conhecido como uma "condição inicial", semelhante a um livro de receitas: dadas certas partículas, nós sabemos como "cozinhar" o resto da matéria usando a expansão do Universo como forno. A questão é como que essas partículas apareceram; será que existe algum mecanismo capaz de gerá-las usando as leis da física e não uma "condição inicial"? É como se os cosmólogos tivessem chegado atrasados no cinema e tivessem perdido o início do filme. E com o Universo, não dá para esperar pela próxima sessão...

Para responder a essa pergunta é necessário ir além do modelo do Big Bang em sua versão mais simples, que supõe a existência das partículas. Durante as últimas duas décadas, uma nova versão do Big Bang conhecida como modelo "inflacionário" vem revolucionando nossa concepção da infância do Universo. Essa nova versão da cosmologia também tem algo a dizer sobre a origem da matéria. Se não a resposta final, ao menos um novo modo de se pensar sobre ela. No modelo inflacionário, o Universo não começa como uma sopa primordial de partículas, mas quase vazio. Tudo o que existe é uma fonte de energia que faz com que o Universo se expanda de forma rápida. Essa expansão faz com que a temperatura do Universo seja baixa e não alta, como no modelo tradicional. No modelo inflacionário, o Universo começa frio e não quente.

Aos poucos, essa fonte de energia vai relaxando e chegando ao seu ponto mínimo, como uma bola rolando colina abaixo até chegar a uma vala. Como sabemos, uma bola que rola até uma vala oscila em torno do ponto mínimo até parar lá devido à fricção. Pois é, essa fonte de energia faz a mesma coisa. A diferença é que, no caso do Universo, a energia liberada pela fricção reaparece em forma de partículas. É como se a vala estivesse cheia de partículas inertes que são "acordadas" pela bola.

O resultado é um caos completo: partículas aparecem em números enormes e começam a popular o Universo e a esquentá-lo. Esse processo explosivo, conhecido como ressonância paramétrica, é observado em vários outros sistemas físicos sem nenhuma relação com o Universo. Só que, no Universo, ele dá origem às partículas e ao calor inicial que chamamos de Big Bang. Portanto, de acordo com o modelo inflacionário, o Big Bang não é o começo do filme. O começo fica com a origem dessa fonte de energia, um problema que deixo para outro dia.

Ciência, ética e imortalidade

A pesquisa, tanto nas universidades quanto nas indústrias, é financiada por uma combinação de fundos oriundos do governo e da iniciativa privada, isto é, a própria indústria. Daí que existe uma subdivisão não muito clara entre dois "tipos" de pesquisa, a básica e a aplicada.
Em princípio, a pesquisa básica seria a que não tem em vista sua aplicação imediata na criação e no aperfeiçoamento de tecnologias, estando mais preocupada em entender os fenômenos naturais. A pesquisa aplicada é, também em princípio, direcionada ao mercado, à criação de novas tecnologias que darão lucro para empresas ou independência tecnológica ao Estado.

Na prática, as fronteiras entre pesquisa básica e aplicada são difíceis, em muitos casos, de ser separadas. Daí que é muito comum certos projetos terem um financiamento híbrido. Projetos financiados pelo Estado, como os que vem fazendo a Fapesp (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo), aliás exemplarmente, podem ter aplicações futuras no mercado, como o Projeto Genoma, que busca o mapeamento genético do ser humano. Há o lado da pesquisa básica, a compreensão de nossa estrutura genética, e o lado aplicado, como a cura de doenças, que dependerá de procedimentos médicos que gerarão lucro.

Certas áreas de pesquisa têm um impacto imediato na sociedade. Dois exemplos importantes são a pesquisa na física nuclear e na área da engenharia genética. Em ambos os casos, há financiamento do governo e privado. Em ambos os casos, há a possibilidade de lucro. Na pesquisa nuclear, o lucro pode vir da geração de energia e das inúmeras aplicações médicas. No caso da engenharia genética, das várias aplicações na indústria de alimentos e na medicina. Em ambos os casos, as novas tecnologias podem ser usadas para destruir. A ciência tem o lado luz e o lado sombra.

Em um futuro não muito distante, vamos poder clonar seres humanos, cópias idênticas de você. Poderemos também criar "fazendas humanas", verdadeiras plantações de seres destinados apenas a nos prover com órgãos para transplantes. Esses seres seriam criados com cérebros atrofiados, primitivos, e não se oporiam a nada, como galinhas no matadouro. Eles seriam humanos? Quem teria direito de decidir isso? Um clone seu será mais ou menos humano que você? Esse clone não será "você" sob o ponto de vista psicológico, não terá suas memórias etc. Mas ele/ela poderá aprender tudo a seu respeito. E, se for possível construir um clone que não envelheça rápido (um problema que aflige os clones animais de agora), você poderá existir indefinidamente: imortalidade genética! É só ir de clone em clone...

Num futuro um pouco mais distante, talvez sejamos capazes de captar a essência do seu consciente, a informação neuronal do seu cérebro, o que você é, em um hipercomputador, um híbrido de tecidos orgânicos com chips rápidos. As pessoas poderão conversar com esse computador, que terá a sua voz. Quem é esse computador? Você? Existe então a possibilidade de uma imortalidade não só genética, mas também computadorizada, um programa que será a sua essência e que, em princípio, poderá existir para sempre. Você será uma máquina imortal.
Essas realidades meio que fantásticas ainda não existem. Mas elas poderão vir a existir, mais cedo do que nós pensamos. Seria inútil tentarmos controlar de alguma forma o progresso da pesquisa, genética ou qualquer outra. Ela irá acontecer do mesmo jeito, se não oficialmente, clandestinamente, o que é muito pior. Os cientistas têm o dever de alertar a população do impacto imediato e projetado de suas descobertas, sejam elas financiadas pela indústria ou pelo Estado: algumas questões vão além do lucro. Aqui entra a ética da ciência, na democratização da informação pela pesquisa. O debate do nosso futuro como espécie pertence a todos.

O paradoxo da unificação

O avanço da maioria das ciências depende da eficiência com que generalizações são feitas; dada uma grande variedade de fenômenos, é sempre muito mais atraente tentar explicá-los a partir de uma ou poucas idéias do que ter uma idéia para cada. Em física, nós usamos a mesma equação matemática para descrever vários fenômenos diferentes. É o caso das leis de movimento de Isaac Newton, que podem ser aplicadas na descrição de qualquer movimento que ocorra na natureza, contanto que: 1) ele não seja muito rápido quando comparado à velocidade da luz, de 300 mil quilômetros por segundo; 2) ele não seja o movimento de objetos muito pequenos, na escala molecular ou menor (atômica, nuclear etc.); 3) ele não esteja em uma região com fortes forças gravitacionais, como muito perto do Sol ou de um buraco negro. Ou seja, movimentos na escala "humana" são devidamente descritos pelas leis de Newton.

Quando tentamos descrever o mundo à nossa volta, temos de usar aproximações. Segundo Newton, o mundo pode ser descrito a partir de partículas (ou objetos) interagindo por meio de certas forças. O Sol atrai a Terra devido a sua gravidade (e a Terra atrai o Sol de volta; é a terceira lei de Newton); uma carga elétrica atrai outra de carga oposta ou repele sua irmã de mesma carga. A ação dessas forças nas partículas faz com que elas se movam em movimentos acelerados. Essa mesma descrição é usada em escalas bem menores, onde há outras forças, que só atuam em distâncias nucleares: as forças nucleares forte e fraca. Portanto, usando essa descrição do mundo a partir de partículas e forças, chegamos a uma realidade em que fenômenos podem, ultimamente, ser descritos por essas quatro forças atuando sobre partículas. Esse é o mundo de acordo com o método reducionista, que foi e é eficiente na nossa descrição da natureza e de suas complexidades.

O clímax do reducionismo seria chegar a uma descrição do mundo usando apenas uma força atuando nos blocos fundamentais da matéria: Essa força unificaria a ação de todas as outras quatro forças, e toda a matéria poderia ser reconstruída a partir desses blocos fundamentais. Essa teoria unificada é às vezes chamada de "teoria de tudo", um nome que, acredito, é extremamente infeliz. Sem dúvida, a evolução da física se deu, em grande parte, devido ao nosso esforço em unificar conceitos e idéias, em procurar os aspectos mais fundamentais da realidade, que se escondem por trás de uma aparente complexidade; a natureza, em muitos casos, revela uma simplicidade belíssima, que nós, a partir de nossas leis, conseguimos às vezes descrever.

Mas o sucesso pode criar vícios. Nas últimas décadas, apesar de todos os esforços por uma teoria de unificação, a física está cada vez mais fragmentada: para a maioria dos físicos, chegar ou não a uma teoria que descreva as quatro interações como apenas uma, a energias zilhões de vezes maiores que as do nosso dia-a-dia (em torno de 10 bilhões de bilhões de vezes maiores do que as energias que ligam um elétron a um próton para formar um átomo de hidrogênio), é irrelevante; essa teoria unificada não os ajudará a compreender melhor os processos térmicos que ocorrem em seus cristais ou no interior de Júpiter, ou como funciona a memória.

Aparentemente, há uma divisão "social" entre os físicos e outros cientistas com relação a essas questões. Em defesa da busca pela unificação, deve ser dito que é provável que, caso um dia tenhamos tal teoria, ela irá nos revelar aspectos profundos da natureza, impossíveis de prever. Essa é uma lição da história que não devemos esquecer. Por outro lado, deve-se também dizer que há problemas fundamentais na ciência que são independentes de uma teoria da unificação e, mais importante, igualmente relevantes. É na complementariedade das linhas de pesquisa que está a força da ciência, e não na competição por relevância.

Um mundo imerso em ondas

Ondas estão por toda a parte. Nós ouvimos porque ondas de som se propagam pelo ar, fazendo vibrar o delicado mecanismo dentro de nossos ouvidos. Quando vemos algo, nossos olhos estão captando ondas luminosas refletidas pela superfície do objeto. Os processos neuronais que traduzem esses estímulos externos em sensações são ainda objeto de muita pesquisa. Mas sabemos que os neurônios responsáveis por essa "tradução" funcionam devido à propagação de ondas elétricas pelos axônios. O mapa de realidade externa que é reconstruído em nosso cérebro é o resultado da propagação e interação de diversos tipos de ondas. Mas o que é uma onda?

Por incrível que pareça, essa pergunta tem várias respostas. Fundamentalmente, a existência de ondas deve-se ao amor que a natureza tem pelo equilíbrio estável; quando um sistema em equilíbrio é levemente perturbado, ele tenderá naturalmente a voltar à condição de equilíbrio. A superfície de um lago, ou de uma banheira cheia d'água, permanece intacta, a menos que algum estímulo externo perturbe esse equilíbrio. Rapidamente, ondas concêntricas se propagam a partir do ponto de contato, e a energia extra depositada ali é então dissipada: o sistema volta ao equilíbrio. Portanto, podemos dizer que ondas são uma propagação organizada de um desequilíbrio.

Em geral, ondas são resultados de perturbações lineares, ou seja, que provocam uma resposta proporcional ao estímulo: um estímulo duas vezes maior provoca uma resposta do sistema duas vezes maior. Quando o problema é formulado matematicamente, as soluções das equações representam as ondas que observamos no lago.

Nem todo estímulo gera uma resposta linear. Vários sistemas são dominados por efeitos não-lineares, em que um pequeno estímulo pode gerar uma resposta muito intensa e vice-versa, sem uma relação simples entre os dois. Um exemplo dramático é o de uma onda quebrando na areia. No mar, vemos ondas na superfície com períodos de cinco a dez segundos; esse regime é essencialmente linear.

Quando essas ondas se aproximam da praia, a menor profundidade aumenta a influência de termos não-lineares. A amplitude da onda aumenta, sua velocidade diminui e, não podendo mais se sustentar, ela quebra, fazendo com que o movimento organizado se torne turbulento. Mas seria prematuro concluir que toda a não-linearidade leva à destruição de ordem. Em certos sistemas, é justamente a não-linearidade que provoca a manutenção da onda, compensando exatamente sua tendência natural de se dispersar, como uma espécie de cola. Essas configurações estáveis e não-lineares são conhecidas como sólitons.

Em 1834, o engenheiro inglês J. Scott Russell relatou seu encontro com um sóliton, ou onda solitária: "Estava observando um barco puxado por dois cavalos em um canal estreito, quando os cavalos pararam subitamente. Uma massa de água formou-se em torno do barco e começou a se propagar a uma alta velocidade (15 km/h), uma formação solitária e elegante, que viajou pelo menos por dois ou três quilômetros, até eu perdê-la de vista."

Hoje vemos sólitons em praticamente todas as áreas da física, desde a propagação de sinais em fibras óticas e domínios magnéticos em vários materiais até a condução de certos impulsos nervosos. A não-linearidade também pode trazer a ordem. Claro, ondas não são restritas ao mundo visível. Átomos e partículas de matéria e de radiação (ou, no visível, luz) também são descritos por ondas. Essas "ondas de matéria" não sofrem dissipação como as ondas no mundo visível à nossa volta: a mecânica quântica mostra que ondas de matéria nunca param por si só. Talvez exista uma relação profunda entre ondas e nosso conceito de tempo. Afinal, mudanças ou transformações são uma manifestação da passagem do tempo.

Métodos para datar o passado

Quando cientistas dizem que certa espécie de dinossauro existiu há 100 milhões de anos ou que certos microrganismos têm mais de 1 bilhão de anos, certas pessoas levantam os olhos e perguntam: "Mas como isso é possível? Como os cientistas podem saber esse tipo de coisa, se eles não estavam lá para confirmar?" Essa pergunta é muito importante, e está na raiz de vários conflitos entre a ciência e a religião. Em particular, religiosos mais radicais, quando afirmam que a Terra tem apenas 6.000 anos porque assim "diz" a Bíblia, negam frontalmente esse tipo de informação científica. Por isso, hoje quero discutir como nós, cientistas, sabemos datar o passado com ótima precisão.

O método usa o decaimento de substâncias radiativas. Como sabemos, todo elemento químico tem um determinado átomo, cujo núcleo tem um certo número de prótons e nêutrons. Por exemplo, o elemento hélio tem dois prótons e dois nêutrons no núcleo. Já os isótopos de um elemento químico têm o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. Por exemplo, um isótopo de hélio, o He-3 (três é o número de prótons mais o de nêutrons), tem apenas um nêutron no núcleo. Conhecemos em torno de 1.500 isótopos, dos quais 305 ocorrem naturalmente e 1.200 são artificialmente produzidos. Dos que ocorrem naturalmente, 25 são isótopos radiativos, isto é, que decaem em outros isótopos e/ou elementos químicos. Esses radioisótopos naturais são usados para datar fósseis e materiais biológicos.

O datamento por radioisótopos baseia-se na lei da radiatividade, descoberta em 1902 por Ernest Rutherford e Frederick Soddy. Essa lei explica a desintegração de átomos radiativos. Todos os métodos usam o fato de que cada radioisótopo decai a uma taxa constante, sua meia-vida. O carbono-14 tem meia-vida de 5.730 anos. Portanto, uma amostra contendo 1 milhão de átomos de C-14 conteria 500 mil após 5.730 anos, 250 mil após 11.460 anos etc. Se soubermos a quantidade de átomos na amostra original, podemos facilmente estimar sua idade atual medindo sua radiatividade. Caso contrário, podemos estimar essa quantidade, pois todos os animais ingerem C-14 depositado em plantas verdes. Quando o animal ou a planta morrem, o nível de C-14 decai, sendo gradativamente transformado no isótopo de nitrogênio, N-14: medindo a quantidade de C-14 e N-14 na amostra, estimamos sua idade. O método é usado para amostras de até 40 mil anos, para evitar erros de contaminação.

Outros isótopos são usados para datar amostras mais antigas. O rubídio-87 é um isótopo com uma meia-vida de 48,8 bilhões de anos, decaindo no estrôncio-87, que é estável. O método compara a quantidade de dois isótopos, estrôncio-87 (que vem do R-87) e o estrôncio-86, e foi usado para datar as rochas mais antigas da Terra, com 3,8 bilhões de anos, no sul da Groenlândia. Quando usado em meteoritos, o método acusa uma idade de 4,6 bilhões de anos, aproximadamente a idade do Sistema Solar.

Existem vários outros métodos usando radioisótopos. Esses métodos são replicáveis e quantitativos. Albert Einstein dizia que a ciência sem religião é capenga e que a religião sem ciência é cega. Ou seja, que a ciência nasce de uma inspiração espiritual com relação ao desconhecido, que Einstein atribuía a uma inspiração religiosa. Por outro lado, a religião não pode negar os avanços da ciência, pois corre o perigo de ficar cega. Interpretar a Bíblia como uma descrição literal da história do Universo e da Terra vai de encontro aos achados da ciência moderna. Não acredito que a Bíblia tenha sido escrita com essa intenção, do mesmo modo que artigos científicos não devem ter um conteúdo religioso. É na complementaridade de ambos que reside a solução desse suposto conflito, na aceitação das missões e dos limites da ciência e da religião em nossas vidas.

Uma decisão trágica

O dia 13 de outubro será lembrado como mais um dia trágico na trágica história iniciada em 16 de julho de 1945 com a detonação da primeira bomba nuclear no deserto próximo de Alamogordo, no Novo México, EUA. Em uma decisão profundamente irresponsável, o Senado norte-americano vetou o tratado que proibia testes de explosivos nucleares, provocando protestos no mundo inteiro, especialmente de outras potências nucleares.

As consequências de uma decisão como essa são as piores possíveis; países que estão em vias de desenvolver sua própria tecnologia nuclear bélica terão seus objetivos mais do que justificados. Afinal, se a maior superpotência do mundo se vê no direito de continuar seus testes nucleares e de desenvolver novas tecnologias de destruição, por que não países como Irã, Iraque, Coréia do Norte etc.? A previsão é que, dentro de uma década, o número de países com armas nucleares chegue a uma dezena.
Não é muito difícil imaginar a fragilidade de um mundo controlado pelo medo; mais cedo ou mais tarde, um líder político obcecado pelo poder, com uma visão distorcida das consequências de um ataque nuclear, detonará sua primeira bomba sobre um país vizinho, ou mesmo distante. Ou um país que tenha a bomba e que esteja perdendo uma guerra a usará como último recurso; um animal acossado sempre ataca antes de se entregar à morte.

Inicialmente, parece difícil entender o que passou pela cabeça desses senadores americanos quando votaram, 51 contra 48, por não ratificar o tratado. Os votos foram todos (com exceção de quatro republicanos que votaram com os democratas) dentro de linhas partidárias; ou seja, os republicanos, com a tradição de apoiar a corrida armamentista, votaram contra, e os democratas, a favor. Deixando de lado a ironia de um país que se diz o modelo democrático ter apenas dois partidos, os argumentos dados pelos senadores republicanos foram ridicularizados em outros países: citando as dificuldades (inexistentes sob o ponto de vista científico) de controle de testes nucleares por outros países, esse senadores dizem que os EUA não podem garantir sua segurança enquanto outros países desenvolvem novas armas. Ora, com um arsenal atual capaz de destruir nossa civilização várias vezes, qual a necessidade de novas armas e novos testes?

Poder implica responsabilidade. Para nossa geração e para as gerações futuras. Os EUA tinham em mãos uma grande oportunidade de promover um mundo mais seguro, mais maduro, em que a paz não é obtida por uma política de terror, como na Guerra Fria, mas por meio de uma colaboração entre os países. Infelizmente, a política local falou mais alto do que a responsabilidade e uma guerra partidária, nascida do ódio de um partido contra um presidente de outro, levou a uma decisão com repercussões maiores que qualquer partido ou presidente em qualquer país do mundo.

Provavelmente o leitor se lembra dos protestos contra os testes nucleares da França no atol de Mururoa, no Pacífico, ou da indignação mundial com os recentes testes nucleares da Índia e do Paquistão. Uma das vozes mais ativas no protesto, com ameaças de retaliação econômica, foi justamente os EUA. Como é possível uma hipocrisia dessas? É possível, e continuará a ser possível, enquanto políticos estiverem mais preocupados em gerar empregos (nada melhor do que uma corrida armamentista para tal) para seu eleitorado do que com as repercussões de suas decisões. Claro, os políticos têm de proteger os interesses da população que eles representam. Mas a corrida armamentista cria uma nova dimensão moral, que transcende problemas locais; um mundo sob o caos de uma guerra nuclear é um mundo sem fronteiras. Novos senadores e presidentes serão eleitos, e o tratado deverá ser reavaliado. Talvez esse episódio seja um passo necessário para um futuro mais digno para a humanidade.

A fúria do interior terrestre

O interior da Terra está longe de ser um meio passivo. Pelo contrário, a imagem que prevalece hoje é a de um interior dividido em várias camadas, como uma cebola. A parte central, com um raio de 3.500 km, é dividida em duas partes, a mais interior, sólida, com um raio de 1.300 km, e a mais exterior, líquida. A densidade no centro da Terra pode ser 12 mil vezes maior do que a da água, e a temperatura pode chegar a 5.000C, comparável à da superfície do Sol. Essa energia toda vem ainda do processo de criação e evolução inicial da Terra, com alguma contribuição de decaimentos radioativos. A Terra continua esfriando até hoje.

Essa parte central é envolta por outra camada, chamada manto, que também tem em torno de 3.000 km de raio. Mesmo que não possamos, como os heróis da aventura "Viagem ao Centro da Terra", de Jules Verne, visitar o manto, podemos conhecer sua composição por meio de explosões vulcânicas. A lava que é expulsa nessas explosões vem do manto, o que nos dá uma idéia da incrível complexidade subterrânea de nosso planeta. O manto, por sua vez, é envolto pela crosta terrestre, a fina "capa" com espessura variando entre 8 km e 15 km que nos protege do caos sob nossos pés. Mas essa proteção nem sempre é eficaz.

O leitor mais cético pode se perguntar: "Mas como cientistas podem conhecer tão bem o interior da Terra sem irem lá?". Ótima pergunta. O mapeamento do interior terrestre é um dos vários exemplos em ciência em que extraímos informação sobre algum sistema sem observá-lo diretamente. As informações sobre o mundo subterrâneo nos são reveladas por um dos eventos mais catastróficos do mundo natural, os terremotos.

Se, como descrevi acima, a densidade do interior terrestre aumenta em direção ao centro e a parte superior do manto é feita de material rochoso líquido (o magma, que vira lava quando expelido por vulcões), basicamente nós aqui na superfície boiamos sobre esse material. A caldeira infernal do interior gera quantidades enormes de gases que procuram por um escape em direção à superfície. A pressão é tão grande que chega a locomover pedaços da crosta, às vezes aproveitando falhas e fissuras. Esses movimentos são os terremotos, como os que ocorreram recentemente na Turquia e em Taiwan, causando a morte de milhares de pessoas. Nós, no Brasil, somos abençoados pela ausência de terremotos. E de vulcões, furacões...

Um terremoto que mede 7 na escala Richter (em torno de 25 por ano), libera 1025 ergs de energia, isto é, dez trilhões de trilhões de ergs, a energia equivalente à queima de 38 bilhões de litros de gasolina! Essa violência se propaga pela Terra em forma de ondas de dois tipos, as ondas de pressão (onda-P) e as ondas de torção (onda-S, do inglês "shear"). As ondas-P se propagam frontalmente, como uma coluna de dominós que vai caindo quando o primeiro é empurrado, enquanto a onda-S é mais parecida com as vibrações verticais da corda de um violão.

Essas ondas partem dos focos do terremoto e se propagam pela Terra em várias direções, emergindo em pontos diferentes do planeta, onde elas são estudadas por estações sismográficas. A partir das medidas obtidas nessas estações e das propriedades dessas ondas, podemos inferir qual a composição material do interior da Terra, como uma espécie de raio X. Por exemplo, sabemos que ondas-S são absorvidas por meios líquidos. Usando o fato de que ondas-S jamais são detectadas em pontos diametralmente opostos do planeta, ou seja, que elas não atravessam a Terra passando pela sua região central, deduzimos que essa região deve ser líquida.

Claro, o grande desafio para os que estudam terremotos é a possibilidade de prever quando eles irão ocorrer. Infelizmente, ainda não podemos prever a ocorrência de terremotos, apenas locais de maior risco. A resposta, por enquanto, permanece soterrada no caos subterrâneo.

Onde está o bóson de Higgs?

Segundo a física das partículas elementares, os tijolos fundamentais da matéria podem ser divididos em dois grupos: as partículas que compõem a matéria propriamente dita e as que transmitem as forças entre elas.

Há algumas imagens que são usadas na descrição dessas partículas: por exemplo, falamos de "bolas de bilhar" colidindo a velocidades próximas à da luz, ou usamos o popular brinquedo "Lego" para ilustrar como estruturas complicadas podem ser criadas com componentes simples. No caso do "Lego", as diferentes partículas são como blocos de tamanhos e cores diferentes. Mesmo que as analogias sejam úteis, elas passam uma imagem superficial do que acontece quando "olhamos" o mundo de bilionésimos de centímetro.

O "olhamos" entre aspas é intencional. Na verdade, não vemos partículas interagindo diretamente, como células em um microscópio. As interações são estudadas em aceleradores de partículas, máquinas desenhadas para extrair o máximo de informação durante e após o processo de colisão. Esses aceleradores têm detectores que funcionam como uma máquina fotográfica, registrando as trajetórias das partículas ejetadas na colisão. São como os sulcos deixados no gelo por patinadores: podemos inferir os detalhes da rota de um patinador, seu peso aproximado, quantos patinadores estavam presentes etc. Mas a analogia só funciona por pouco tempo, já que a superfície do gelo em breve se torna um caos de sulcos em todas as direções.

Com o auxílio desses aceleradores, hoje temos uma excelente idéia de quais são os tijolos fundamentais da matéria. O elétron faz parte de um grupo de seis partículas chamadas léptons, enquanto prótons e nêutrons são formados por partículas menores, chamadas quarks, ao todo também em seis. Fora essas 12 partículas de matéria, temos 12 partículas de força, o fóton, que transmite a força eletromagnética, três outras responsáveis pela força nuclear fraca -ligada a certos decaimentos radioativos- e oito glúons, responsáveis principais pelas interações entre quarks. Essa informação é incorporada ao modelo padrão das partículas, um grande sucesso da descrição reducionista.

Mas o modelo padrão tem também sérias limitações. Entre outras, não sabemos por que elétrons e prótons têm a mesma carga elétrica, ou qual a origem das massas das partículas de matéria. (E também das três responsáveis pela força fraca.) A idéia mais aceita é que essas massas resultam da interação das partículas de matéria com uma outra partícula, conhecida como "bóson de Higgs". O nome vem do físico indiano Satyendra Nath Bose, que contribuiu para nossa compreensão do comportamento de partículas que têm a tendência de se agrupar no estado de menor energia possível. As partículas de matéria, léptons e quarks, seguem certas restrições quanto à sua distribuição de energia. O bóson de Higgs supostamente cria um meio muito denso, em que as partículas de matéria devem se locomover. O efeito desse movimento em um meio denso é criar uma massa efetiva para as partículas de matéria, que medimos nos aceleradores. É como uma bola de gude movendo-se em água ou em mel. No mel, a partícula move-se com mais dificuldade, como se tivesse uma inércia maior.

O problema é que o bóson de Higgs é muito tímido; até o momento, ainda não conseguimos observá-lo em aceleradores, o que leva muitos a questionar se esse mecanismo de geração de massa está ou não correto. Mas assim caminha a ciência. Avanços ocorrem justamente das brechas no nosso conhecimento, com os experimentos servindo de bengala para nossa cegueira. Na próxima década, aceleradores atingirão energias altíssimas, em princípio capazes de revelar o mecanismo de geração de massa. Se for o Higgs, ótimo. Senão, certamente teremos aprendido algo fundamental sobre esse mundo invisível.

A grande lixeira nuclear

Nossa sociedade produz quantidades enormes de lixo. Esse lixo é compactado, às vezes tratado e reciclado, enterrado em grandes lixeiras e esquecido. O que fazer com o lixo nuclear, o material altamente radiativo que é produzido no processo de fissão nuclear em reatores?

Infelizmente, com o lixo nuclear, não podemos simplesmente esquecer, acreditando no poder da natureza em "limpar" nossa própria sujeira, como nas encostas de tantos de nossos rios. Com lixo nuclear, a única limpeza vem do tempo: materiais radiativos têm o que chamamos de "meia-vida", o tempo em que sua radiatividade decai a níveis mais aceitáveis. Infelizmente, para alguns materiais nucleares essa vida média pode ser de dezenas de milhares, até milhões, de anos. Mais ainda, o lixo nuclear pode ser tão radiativo que uma exposição de alguns segundos pode matar em dias ou horas.

Esse problema claramente é mais agudo em países que fazem amplo uso da energia nuclear. Mas o lixo vem também das armas nucleares e da aplicação de física nuclear à medicina, como no tratamento de várias formas de câncer. Diferentes tipos de lixo exigem diferentes tipos de tratamento, oferecendo maiores ou menores riscos. Alguns podem até ser reprocessados.

Existe uma ironia por trás do problema do lixo nuclear, que muitas vezes passa despercebida; nós usamos a energia nuclear com fins imediatos, seja para acender a luz em casa ou, há 55 anos, na terrível destruição de duas cidades japonesas e suas populações. O preço é a presença do lixo, a constante e agressiva memória de nossos usos e abusos da energia nuclear. De forma otimista, o uso da energia nuclear será apenas uma rápida fase na história da humanidade, no futuro suplantada por outras fontes de energia, como a solar ou a eólia, que talvez não sejam tão eficientes, mas, sem dúvida, bem mais seguras.

No meio tempo, o lixo nuclear vai se acumulando. Das várias sugestões para seu despojo, vale citar jogá-lo no Sol, no espaço, no fundo do mar, embaixo das calotas polares ou em buracos bem profundos na Terra. Aparentemente, essa última solução é a que está sendo adotada mais seriamente, ao menos pelo governo norte-americano. Técnicos acreditam ter encontrado o local ideal para a grande lixeira nuclear americana: a 150 km de Las Vegas, no meio do deserto, na montanha de Yucca. O projeto, orçado em US$ 35 bilhões, visa criar uma gigantesca cavidade sob a montanha capaz de armazenar, por milhares de anos, 77 mil toneladas de lixo radiativo.

A idéia é manter o lixo em cilindros ultra-resistentes que, associados à própria arquitetura da cavidade, ofereçam um "escudo" praticamente perfeito contra as ações destrutivas da natureza. Enquanto o lixo permanecer isolado, sua radiatividade vai enfraquecendo, até quase tornar-se inofensiva. Trata-se de um projeto único na história da humanidade, que visa construir algo capaz de desafiar a passagem do tempo, permanecendo funcional daqui há 10 mil ou até 100 mil anos. As pirâmides do Egito ainda estão de pé após 4.000 anos, mas não são mais muito funcionais.

Críticos acreditam que o "escudo" não resistirá à contínua ação da água, dizendo que essa estrutura apenas adiará o problema alguns milhares de anos. E isso se um grande terremoto, não raro na região, não destruir a estrutura inteira. E como criar um código capaz de explicar, para alguém daqui há 5.000 anos, o que está enterrado sob a montanha? Como nos comunicaremos no futuro? Será que uma caveira é suficiente? Qual o futuro da linguagem? Imagine que um horrível cataclismo, em 5.000 anos, destrua grande parte da vida na Terra. Um pobre sobrevivente, procurando por outros, se depara com esse estranho sinal, com uma caveira desenhada. "Ah! Deve ser um esconderijo com outros sobreviventes!", pensa nosso azarado. "Deixa eu tentar abrir essa enorme porta aqui..."

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Do nariz de Tycho Brahe aos raios X do Universo

O grande astrônomo dinamarquês Tycho Brahe tinha grandes problemas com seu nariz. Na verdade, seus problemas não eram pelo nariz, mas por sua falta; um golpe da espada de seu primo em um duelo levou-lhe a maior parte do nariz. Como não ter nariz não era aceitável para a corte dinamarquesa, ele moldou um a partir de uma amálgama metálica, cuja composição ele variava de tempos em tempos em seu laboratório.

Aparentemente, Tycho sofria muito com seu nariz; não só a visão de uma pessoa com um nariz metálico era, mesmo no século 16, bastante aterrorizante, como o contato da amálgama com a pele era muito desconfortável. Daí que Tycho procurava continuamente por uma fórmula mais suave para seu rosto. Na noite de 11 de novembro de 1572, quando voltava de seu laboratório alquímico, Tycho viu algo inesperado: aparentemente, uma nova estrela surgira na constelação de Cassiopéia, que tem a forma de um "W" (ou talvez um "M", dependendo do ângulo e da pessoa que a observa).

Na época, a idéia de que uma nova estrela poderia surgir nos céus era absurda. De acordo com a filosofia aristotélica, que ainda dominava o meio acadêmico, os céus eram imutáveis, qualquer transformação sendo relegada à esfera abaixo da órbita lunar. Ora, como uma estrela poderia então surgir do nada? Tycho demonstrou que a "estrela nova" estava muito além da órbita lunar. Mais ainda, essa "estrela" era especial, pois era visível até durante o dia! Ele acompanhou a estrela durante os quatro meses em que ela permaneceu visível a olho nu. (O telescópio só foi usado metodicamente em astronomia a partir de 1609).

Tycho havia observado uma explosão de supernova, o evento que marca a "morte" de estrelas com massas consideravelmente maiores do que a massa do Sol. Suas observações contribuíram para a lenta demolição do edifício aristotélico, abrindo as portas para uma nova astronomia, em que mudanças caracterizam não só os objetos celestes, de planetas a galáxias, mas o próprio Universo. Essa visão dinâmica se deve principalmente à existência de instrumentos cada vez mais poderosos, que permitiram observar fenômenos celestes a distâncias cada vez maiores e com precisão também maior. Essa corrida por visões cada vez mais distantes e precisas é uma busca sem fim, uma metáfora da nossa curiosidade em conhecer as esquinas mais reclusas do Universo que habitamos.

Recentemente, a Nasa, agência espacial dos EUA, lançou um poderoso telescópio, cuja órbita chega a distâncias até 1/3 da distância entre a Terra e a Lua. Esse telescópio difere dos telescópios orbitais, como o Hubble, pois ele não "vê" o Universo dentro de seu espectro visível; conhecido como "Chandra" -em homenagem ao astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar (realmente, não dava para usar o nome inteiro), cujas contribuições foram fundamentais para a compreensão dos processos que determinam a estrutura e o colapso de uma estrela-, esse telescópio produz imagens em raios X, revelando processos que são invisíveis a olho nu.

Posso imaginar a alegria de Tycho Brahe, hoje na parte do Paraíso reservada aos grandes astrônomos, ao saber que a primeira imagem do Chandra foi também de uma supernova em Cassiopéia (não a mesma). E os resultados não poderiam ter sido melhores; as imagens revelam as ondas de material expelido durante a explosão, hoje viajando a velocidades de cerca de 15 milhões de quilômetros por hora. A propagação das ondas mostra como a matéria se espalha pelo espaço interestelar, que é o mecanismo aceito hoje para explicar a distribuição de elementos químicos na galáxia; os mais pesados são produzidos nos momentos finais do colapso que marca o fim da estrela, sendo então distribuídos pelo espaço. O ditado que afirma sermos poeira das estrelas é perfeitamente correto. Inclusive o nariz metálico de Tycho.

O Universo teimoso

Em ciência, buscar a simplicidade é fundamental. Quando deparado com um fenômeno natural ainda não explicado, o cientista tem como missão encontrar a explicação mais econômica possível para as causas do que está sendo observado. Esse princípio é conhecido como a "navalha de Ockham", em homenagem ao filósofo inglês William de Ockham, que viveu em torno de 1300. Portanto, se temos duas teorias que descrevem igualmente bem um certo fenômeno, a mais econômica é a que será aceita pelos cientistas.

Infelizmente, nem sempre a natureza coopera com a procura por teorias simples, que descrevam vários fenômenos. Essa é uma tendência relativamente nova, já que nossos antepassados foram muito bem-sucedidos em propor teorias econômicas e poderosas. Um exemplo é a teoria da gravitação universal de Isaac Newton, que explicou um número enorme de fenômenos que antes eram vistos como independentes, como a órbita dos planetas, a queda de objetos na Terra e as marés.
O sucesso da teoria de Newton foi intoxicante; outras teorias abrangentes foram propostas, como o eletromagnetismo de Michael Faraday e James Maxwell, em que fenômenos elétricos e magnéticos são vistos como manifestações do campo eletromagnético. A navalha de Ockham continuou separando o simples do complicado.

Mas e se o simples não funcionar? Até que ponto a busca pelo simples se torna inútil? Atualmente, a cosmologia está passando por um renascimento, ou mesmo uma redefinição. Tradicionalmente, a cosmologia era restrita a teorias mais ou menos ousadas que descreviam a estrutura e evolução do Universo. Mas, nas últimas duas décadas, um novo ingrediente tornou-se parte do trabalho do cosmólogo, o dado observacional. Com isso, muito do que era especulação passou a ser aceito ou descartado. O exemplo mais conhecido é o modelo do Big Bang. Graças a observações na década de 60, seu competidor maior, o modelo do estado padrão, é hoje visto como uma curiosidade pela maioria dos cosmólogos.

O problema, ou desafio, é que o modelo do Big Bang tem vários pontos ainda obscuros. Por exemplo, ainda não sabemos qual a origem das flutuações de energia responsáveis pela geração de estrutura no Universo. Eu explico: nas enormes distâncias astronômicas, os pontos de referência são as galáxias, que podem ter bilhões de estrelas cada. Como tudo o que tem massa se atrai, quais processos deram origem à atração inicial, que fez com que matéria se concentrasse em regiões relativamente pequenas, que virão a se tornar galáxias? Quais são as sementes que germinam em galáxias?

Na teoria mais aceita, essas sementes são flutuações de energia em campos que existiram nos primeiros momentos após o "Bang", que foram amplificadas durante um curto período de tempo em que o Universo expandiu muito rapidamente. Esse "universo inflacionário" prevê sementes aleatórias, sem uma estrutura básica. Essas sementes estão "inscritas" na radiação de fundo cósmico que banha o Universo. Nos últimos anos, 28 experimentos confirmaram que as sementes obedecem às previsões do universo inflacionário. Isso é muito bom, pois esse modelo é simples e econômico, como demanda Ockham e sua navalha. Infelizmente, nos últimos meses, quatro grupos analisaram esses experimentos e acharam estrutura nas flutuações; caso isso seja verdade, o universo inflacionário está em sérios apuros e com ele os últimos 20 anos de cosmologia teórica. Claro, ainda é cedo para conclusões. Essas observações são suscetíveis a erros de interpretação. É muito possível que as sementes sejam como prevê o universo inflacionário. Por outro lado, é também possível que o Universo, teimoso que é, não queira se submeter aos nossos critérios de simplicidade. Talvez, no caso do Universo, a navalha de Ockham não seja afiada o suficiente.

A estrutura dos átomos

A idéia de que a matéria é feita de pequenos tijolos fundamentais chamados átomos não é nada nova. Ela foi proposta pelos integrantes da última escola de filosofia grega do chamado período pré-socrático, a escola atomística de Leucipo e Demócrito. Apesar de sabermos pouco sobre a vida de Leucipo, sabemos que seu discípulo, Demócrito, um dos filósofos mais prolíficos da antiguidade, viveu entre 460 a.C. e 370 a.C. (Ele foi, portanto, contemporâneo de Sócrates, que nasceu em 470 a.C.)

Os átomos gregos, infinitos em número e indivisíveis, são muito diferentes dos átomos da física e química moderna. Daí seu nome, á-tomo, que em grego significa "o que não pode ser cortado", como a palavra "tomo" usada para indicar volumes de uma coleção de livros. Hoje sabemos que átomos são compostos de partículas ainda menores, os prótons e nêutrons no núcleo e os elétrons em torno. A coisa continua, pois prótons e nêutrons também não são "fundamentais", isto é, indivisíveis, mas sim formados por partículas ainda menores, os quarks. De qualquer forma, a idéia grega de que a matéria pode ser dividida em entidades fundamentais, é incrivelmente moderna.

Uma vez perguntaram ao físico norte-americano Richard Feynman qual seria a frase que deveria ser passada para as gerações futuras, resumindo nosso conhecimento científico mais importante. "Tudo é feito de átomos", respondeu. É irônico que Demócrito, há 2.400 anos, poderia ter dito a mesma coisa...

Claro, a situação não é assim tão simples. A nossa compreensão da estrutura atômica é profundamente diferente da dos gregos. Basta dizer que os gregos não tinham um método empírico de validação das suas idéias; ou seja, a coisa era baseada em especulação e intuição e, mesmo que fosse muito boa, nem sempre correspondia à realidade.

A profunda revolução no conhecimento sobre os átomos ocorreu aproximadamente durante as três primeiras décadas do século 20. Vários modelos foram propostos visando descrever a distribuição de massa e carga dos átomos. Em 1897, J.J. Thomson identificou o elétron e sua carga elétrica negativa. (Na verdade, Thomson mediu a razão entre a carga e a massa do elétron, e/m.) Em 1911, Ernest Rutherford demonstrou que o núcleo atômico era muito menor que o átomo, mais maciço que o elétron e que a carga positiva estava toda concentrada ali. A conclusão era surpreendente: se o núcleo é mais maciço e menor do que o átomo, o átomo, na verdade, é praticamente vazio. Se ampliarmos o núcleo atômico até o tamanho de uma bola de tênis, os elétrons seriam encontrados a 500 metros de distância!

Esse modelo do átomo, uma espécie de minissistema solar com o núcleo no centro e o elétron em órbita, também não descreve corretamente a estrutura atômica. Conforme propôs o físico dinamarquês Niels Bohr em 1913, as órbitas do elétron são muito mais peculiares do que as dos planetas. Elétrons só podem popular certas órbitas, como se o átomo tivesse a estrutura de uma cebola, com o elétron tendo de "pular" de órbita em órbita. Os átomos têm estrutura discreta ou "quantizada". Há uma órbita mais "baixa", o estado fundamental, de onde o elétron não passa; mesmo que os prótons estejam atraindo o elétron (cargas opostas se atraem), ele jamais "cairá" no núcleo.

O modelo de Bohr ainda não foi a palavra final. Na verdade, não podemos visualizar o elétron como uma bolinha saltitando de órbita em órbita, dependendo de sua energia. O elétron é uma distribuição de carga, como se tivéssemos posto a partícula em um liquidificador, distribuindo a sopa resultante em torno do núcleo. Mais ainda, mesmo que o estado fundamental seja esférico (uma bola de carga), os estados excitados têm geometrias mais complicadas, com as "nuvens eletrônicas" interagindo entre si, mudando de órbita (e geometria) e revelando um mundo muito dinâmico.