A certeza da incerteza

No mundo atômico, são probabilidades que contam, não medidas precisas

Todo mundo gosta de ter certeza, de estar sempre certo, de acertar. Para muita gente, principalmente aquelas pessoas que chamamos de teimosas, ou, em casos mais drásticos, de arrogantes, incertezas e dúvidas refletem uma espécie de fraqueza de caráter.

Infelizmente, saber aceitar que é perfeitamente razoável não sabermos tudo, que não precisamos estar sempre certos, requer uma boa dose de humildade. Especialmente quando você é daquelas pessoas que, de modo geral, estão sempre certas, sabem o que querem e não têm paciência para incertezas e imprecisões. Esse tipo de personalidade aparece com frequência por toda parte: nos esportes (como o técnico de vôlei da minha adolescência), nos escritórios e hospitais e, claro, nas universidades.

O grande matemático e físico francês Pierre-Simon de Laplace, que viveu no final do século 18, acreditava tanto na física de Newton que dizia que uma supermente que soubesse as posições e velocidades de todos os átomos que existem poderia usar as leis da mecânica para prever o futuro.

Por exemplo, a mente poderia prever que você estaria lendo essa coluna, qual trecho dela estaria lendo etc. Esse determinismo era o emblema do Universo-relógio, onde tudo estaria predeterminado pelas leis da física.

Claro, nem todo mundo gostou da ideia. O Romantismo, por exemplo, foi uma reação ao racionalismo exagerado do Iluminismo.

Qual era lugar do livre arbítrio, do amor, da dúvida, nesse cosmo-máquina? Segundo esse ultrarracionalismo, incertezas são apenas produto da nossa incapacidade de construir uma mente poderosa o suficiente para englobar toda a realidade. Laplace afirmaria que quanto mais avançarmos o nosso conhecimento, menores serão nossas incertezas sobre o mundo. Imagino que ele ficaria chocado com o que ocorreu no início do século 20, cem anos após a sua morte. Era o tempo da mecânica quântica e da relatividade, onde a noção de saber absoluto foi profundamente questionada.

Especialmente na mecânica quântica, o princípio de incerteza, proposto por Werner Heisenberg em 1927, expressa precisamente a impossibilidade de obtermos informação com precisão absoluta em sistemas de dimensões atômicas. O princípio, em sua versão mas simples, afirma que é impossível medirmos a velocidade e a posição de uma partícula com precisão arbitrária: quanto maior a precisão na medida da posição, menor a precisão na medida da velocidade.
Lembrando que posição e velocidade são exatamente as quantidades de que a supermente precisaria para os seus cálculos determinísticos, vemos que a noção de um determinismo absoluto teve de ser abandonada. No mundo atômico, são probabilidades que contam, não certezas.

A perda de precisão absoluta, a substituição de certeza por probabilidade, incomodou (e incomoda) muita gente. Einstein, por exemplo, morreu convencido de que a teoria quântica, apesar de extremamente bem sucedida em explicar os átomos e suas propriedades, não era a palavra final. Tal como a sua teoria da relatividade veio a generalizar a teoria da gravidade de Newton, ele estava convicto de que uma teoria mais profunda tomaria conta das incertezas quânticas. Muita gente procurou (e procura) por essa teoria, até agora sem sucesso.

De fato, experimentos demonstram que a teoria quântica tal qual a conhecemos hoje é mesmo muito eficiente. Por outro lado, existem ainda muitos mistérios em sistemas quânticos. Mas acho difícil que as incertezas desapareçam. Melhor que seja assim, para mantermos nossa humildade perante a natureza.

Carecas suadas

Buracos negros são menos negros do que se imagina

Talvez nenhum objeto no Universo seja mais enigmático do que os buracos negros. Mesmo Einstein, cuja teoria da relatividade geral prevê a sua existência, não acreditava que eles fossem possíveis. Pudera. No coração dos buracos negros as leis da física deixam de fazer sentido, algo que nenhum físico gosta de contemplar. Na verdade, não são as leis da física que deixam de valer, apenas aquelas reservadas à descrição dos fenômenos clássicos, leia-se familiares de nosso dia-a-dia: no centro de um buraco negro, a física do muito pequeno, a mecânica quântica, tem papel fundamental. E, como mostrou o físico Stephen Hawking, fora dele também.

Segundo a teoria da relatividade geral de Einstein, a matéria encurva o espaço à sua volta e afeta também a passagem do tempo. Quanto maior a concentração de matéria, maior o seu efeito na curvatura do espaço e no fluir das horas. Esses efeitos, embora sempre presentes, se fazem relevantes apenas em casos extremos. Mesmo um planeta como a Terra exerce apenas uma pequena influência sobre o espaço e o tempo.

Mas, com as estrelas, os efeitos já são mensuráveis. Uma das primeiras confirmações da teoria de Einstein foi obtida medindo a deflexão da luz proveniente de estrelas distantes ao passar perto do Sol. Aliás, as medidas foram obtidas em Sobral, no Ceará, durante um eclipse total. Com os buracos negros, a luz não é apenas defletida; ela desaparece por inteiro. Se algo penetra no chamado horizonte de eventos, uma fronteira esférica em torno do buraco negro, jamais sai.

Dessa fronteira para dentro, o caminho é um só: em direção ao centro do buraco negro, ou "singularidade", um ponto onde a gravidade atinge um valor infinito e a estrutura do espaço e do tempo deixa de fazer sentido.

Buracos negros nascem quando estrelas morrem. Não qualquer estrela, mas estrelas bem pesadas, com massas maiores do que a do Sol. Quando as estrelas deixam de gerar calor e radiação, elas começam a implodir devido à própria gravidade. Em estrelas suficientemente pesadas, o processo continua indefinidamente, até que uma enorme quantidade de matéria fica aprisionada num volume mínimo. Por exemplo, para o Sol virar um buraco negro, teria de se contrair até uma esfera de 3 km de raio. Quando a estrela vira um buraco negro, muito de sua massa é ejetada para o espaço.

O resto é "tragado" pela singularidade, como água escoando por um ralo. A diferença é que não existe um cano levando a água para outro lugar. A menos que o buraco negro gire. Nesse caso, pode existir um "buraco de minhoca", uma espécie de garganta cósmica ligando dois pontos distantes do Universo. Tudo indica que é muito difícil manter essas passagens abertas.

Com o colapso da estrela, muita informação desaparece. Uma das questões interessantes da astrofísica moderna é o que ocorre com ela. Segundo as teorias atuais, os buracos negros são de certa forma objetos simples. Tudo o que precisamos para caracterizá-los é a sua massa e a sua rotação. Toda a complexidade da estrela some na singularidade e o que vemos fora do horizonte precisa de apenas dois números para ser descrito. Por isso, dizemos que os buracos negros "não têm cabelo". Hawking calculou que buracos negros são menos negros do que se imagina. Eles emitem radiação com potência inversa à sua massa.

Ou seja, buracos negros são carecas e suam, aos poucos perdendo a sua massa. Com isso, vão ficando cada vez menores, o que leva a uma importante questão: o que ocorre quando o horizonte "evapora" até a singularidade? Será que existem singularidades sem um horizonte à sua volta? Mas isso deixo para outra semana.

Anjos e demônios da ciência

No filme, os cientistas são inocentes e os cardeais são sábios

Como não podia deixar de ser, hoje escrevo sobre o filme "Anjos e Demônios", baseado no romance homônimo de Dan Brown.

Para os leitores que não tiveram a oportunidade de assistir ao filme ou ler o livro, a narrativa trata de um complô para assassinar a cúpula da Igreja Católica durante a escolha de um novo papa. Uma bomba extremamente poderosa foi escondida em algum lugar da famosa basílica de São Pedro, no Vaticano, e irá explodir, a menos que nosso herói, o professor de Harvard especialista na interpretação de símbolos Robert Langdon (Tom Hanks), consiga desvendar uma série de mistérios e pistas.

A bomba, e aqui entra o tema principal do filme, é um artefato que usa uma amostra de antimatéria criada pelos cientistas do Cern, o centro europeu de física de partículas, a casa do LHC, o gigantesco colisor de partículas que deverá entrar em funcionamento em alguns meses. O filme retrata o conflito entre os magistérios que supostamente disputam o domínio da sociedade: a religião e a ciência.

A cena inicial se passa no templo da ciência, onde os seus sacerdotes, os cientistas do Cern, preparam-se para acionar a maior máquina já construída na história. A bela física italiana Vittoria Vetra (Ayelet Zurer) e seu colega, um padre físico (vejam que essa união não é impossível), planejam isolar um pouco de antimatéria.

O ponto é que antimatéria é extremamente rara: o Universo é composto quase exclusivamente de matéria, os átomos formados de partículas elementares como elétrons e quarks (componentes dos prótons e nêutrons). Ainda bem. Partículas de matéria desintegram-se imediatamente quando entram em contato com partículas de antimatéria, transformando-se em raios gama, uma forma de radiação eletromagnética de altíssima energia. Se você apertasse a mão da sua antipessoa, o Brasil desapareceria em instantes.

A bomba que ameaça destruir o Vaticano é feita de antimatéria, roubada do experimento no Cern. No livro, fica claro que a intenção dos físicos é recriar o Big Bang, o momento da criação, transformando mistério em ciência. O padre físico quer provar que Deus existe; os cientistas, que a ciência explica até mesmo o mistério da criação sem a necessidade de interferências sobrenaturais. No meio tempo, a liderança da Igreja Católica pode desaparecer do mapa: o fim da religião pelas mãos da ciência.

Não vou contar o que acontece no filme, para não estragar a surpresa.

Mesmo que o enredo não faça muito sentido do ponto de vista científico, Dan Brown consegue trazer o conflito entre ciência e religião ao grande público, o que acho notável.

Infelizmente, no filme vemos uma tendência a manter estereótipos que me parecem injustos. Existe uma aura de inocência nos cientistas e de sapiência nos cardeais, como se cientistas fossem imaturos e irresponsáveis perante a autoridade moral da igreja.

O templo da ciência parece um brinquedo perante o majestoso templo da igreja. (E, em termos de beleza, não há mesmo o que comparar. Mas a questão aqui é a função de cada um.)
Mas o que define a sociedade moderna? Os "brinquedos" digitais da ciência ou a moral ancestral da religião?

A sabedoria e a moralidade não são província exclusiva da religião. Muitas pessoas sábias e altamente morais não são religiosas. Todos sabem que matar é errado (mesmo que as religiões se esqueçam disso com frequência), e a maioria sabe que devemos amar o nosso próximo. Os desafios que enfrentaremos ao longo deste século, do aquecimento global à crise de energia, serão resolvidos nos templos da ciência e não nos belos templos da religião.

Expansão do Universo

Não existe um lado de fora, o que ocorre é que mais espaço vai sendo criado

Pelas minhas contas, essa é a coluna número 600. Acho que a ocasião merece ser celebrada.
Como são vocês, meus leitores, que mantêm a coluna viva, resolvi escrever sobre um tema que, com frequência, recebo pedidos para abordar de novo: a expansão do Universo.

Dentre as perguntas mais comuns, aqui vão duas das mais populares: se o Universo está em expansão, o que existe do "lado de fora"? Mais Universo? A outra: se o Universo está em expansão, onde fica o centro? Somos nós o centro de tudo? (Deixo outras perguntas para futuras colunas.)

Para começar, o que significa dizer que o Universo está em expansão? Quando ouvimos isso, a imagem que imediatamente vem à mente é a de uma bomba explodindo: do centro da explosão, pedaços de matéria voam em todas as direções.

Essa imagem intuitiva -sem dúvida inspirada pelo nome "Big Bang", dado ao evento que marca a origem do Universo- não tem nada a ver com a expansão cósmica! E causa muita confusão. Quando uma bomba explode, os pedaços voam pelo espaço, se distanciando uns dos outros cada vez mais. O espaço, palco onde ocorreu a explosão (e todos os outros fenômenos naturais), permanece fixo.

Com o Universo, a situação é completamente diferente. O espaço não é mais rígido. É ele que estica com a expansão, como se fosse uma tira elástica. Imagine, então, uma tira elástica bem larga, onde você distribui uma porção de moedas, que são as galáxias.

Esse é o nosso modelo do Universo, em duas dimensões. (A banda elástica tem duas direções, norte-sul e leste-oeste. O espaço em que vivemos tem três, as duas e uma para cima e para baixo. Mas é mais fácil visualizar as coisas só em duas dimensões.) No Universo-elástico, a expansão do espaço equivale ao estiramento da tira elástica. E o que ocorre?

As moedas (galáxias) são carregadas pela expansão da tira elástica. Elas não "voam" como pedaços de dinamite, mas pegam carona no espaço que vai estirando cada vez mais. À medida que isso ocorre, as galáxias vão se distanciando. A expansão do universo é uma expansão do espaço.

O que nos leva à primeira pergunta.

O que existe do "lado de fora"? A resposta é talvez surpreendente: não existe um lado de fora; mais espaço vai sendo criado à medida que a expansão vai ocorrendo. Vamos imaginar que nossa tira elástica é um balão de aniversário, uma esfera. No nosso Universo reduzido a duas dimensões, vivemos na superfície desse balão, em uma das moedas-galáxia, como amebas bidimensionais.

No balão, todos os pontos são equivalentes. O que vemos durante a expansão? Em 1929, Edwin Hubble (cujo nome foi dado ao nosso querido telescópio) mostrou que as galáxias se afastam umas das outras com velocidades que crescem com a distância.

Voltando ao balão, cada galáxia verá a mesma coisa, as outras galáxias se afastando. O balão vai esticando e crescendo, as galáxias vão se afastando e mais espaço vai aparecendo entre elas. Nesse Universo-balão, não existe um "lado de fora"; só existe o balão.

Isso é difícil de visualizar porque sempre insistimos de ver o balão de longe, "de cima", de uma terceira dimensão. Para digerir isso, temos que imaginar que vivemos na superfície do balão, como amebas bidimensionais. Nada de pular pra cima!

Podemos agora responder à segunda pergunta: no balão, todos os pontos são equivalentes; a população de amebas de cada galáxia verá as outras se afastando dela e se achará o centro de tudo. A expansão do Universo não tem um centro; é a mais plena democracia geométrica, onde nenhum ponto é mais importante do que os outros.

Beleza e verdade

Einstein defendia o belo como critério de verdade em teorias científicas

Em 1819, o poeta inglês John Keats, um dos expoentes do movimento romântico, escreveu: "a verdade é bela e a beleza, verdade. Isso é tudo o que precisas saber em vida; tudo o que precisas saber". (Perdoem-me pela tradução amadora.)

Apesar das várias críticas argumentando que essas linhas são inocentes e que até estragam o poema (como escreveu T. S. Eliot, outro grande poeta), a fama delas ultrapassa os comentários negativos. Tanto que viraram até nome de livro, como no caso da recente obra do matemático Ian Stewart, onde ele conta a história da busca por simetria (que ele equaciona com beleza) na matemática e na física teórica.

Historicamente, a matemática é extremamente eficiente na descrição dos fenômenos naturais. O prêmio Nobel Eugene Wigner escreveu sobre a "surpreendente eficácia da matemática na formulação das leis da física, algo que nem compreendemos nem merecemos". Toquei outro dia na questão de a matemática ser uma descoberta ou uma invenção humana.

Aqueles que defendem que ela seja uma descoberta creem que existem verdades universais e inalteráveis, independentes da criatividade humana. Nossa pesquisa simplesmente desvenda as leis e teoremas que estão por aí, existindo em algum meta-espaço das ideias, como dizia já Platão.
Nesse caso, uma civilização alienígena descobriria a mesma matemática, mesmo se a representasse com símbolos distintos. Se a matemática for uma descoberta, todas as inteligências cósmicas (se existirem) vão obter os mesmos resultados. Assim, ela seria uma língua universal e única. Os que creem que a matemática é inventada, como eu, argumentam que nosso cérebro é produto de milhões de anos de evolução em circunstâncias bem particulares, que definiram o progresso da vida no nosso planeta.

Conexões entre a realidade que percebemos e abstrações geométricas e algébricas são resultado de como vemos e interpretamos o mundo.

Em outras palavras, a matemática humana é produto da nossa história evolutiva. Claro, civilizações que se desenvolverem em situações semelhantes (na superfície de um planeta rochoso com muita água e vegetação, sob um sol irradiando principalmente na porção visível do espectro eletromagnético etc.) poderão obter uma matemática semelhante: a matemática reflete as mentes que a criam.

Mas qual a relação da matemática com a beleza? Matemáticos e físicos atribuem beleza à teoremas e teorias, criando uma estética da "verdade". Os mais belos são aqueles que conseguem explicar muito com pouco.

Quando possível, os teoremas e teorias mais belos são também os mais simples; dadas duas ou mais explicações para o mesmo fenômeno, vence a mais simples. Esse critério é conhecido como a "lâmina de Ockham", atribuído a William de Ockham, um teólogo inglês do século 14.

Einstein, dentre outros, era um defensor da beleza como critério de verdade em teorias científicas: uma teoria tem que ser bela para estar correta. E, sem dúvida, muitas dela são, ao menos de acordo com critérios de elegância e simplicidade na matemática.

Para os que creem na matemática como linguagem universal, essa estética leva à existência de uma única verdade. Acho isso preocupante, pois me soa como ecos de um monoteísmo judaico-cristão, uma infiltração religiosa, mesmo que sutil e metafórica, nas ciências. Melhor é defender a matemática e a beleza como nossa invenção. Criamos uma linguagem para descrever o mundo, que não podemos deixar de achar bela.

À memória de meu pai, Izaac Gleiser (nascido em 31 de maio de 1927)

Decifrando a origem da vida

Como num jogo de lego, o RNA teve que sair de moléculas ainda mais simples

Por uma dessas coincidências imprevisíveis, nesta semana escrevo sobre a vida mais uma vez.
É bem verdade que semana passada o tema foi mais exótico, a busca por vida inteligente fora da Terra, um projeto que tem pouquíssima chance de ter sucesso. (Mas se não tentarmos jamais teremos êxito). Hoje, apesar do tema também girar em torno da vida, o foco não é em seu estágio mais avançado, a vida inteligente, mas em seu estado mais primitivo, a sua origem.

Segundo teorias modernas, a vida na Terra começou simples. O que vemos hoje, animais extremamente sofisticados com trilhões de células, é o resultado de bilhões de anos de evolução. Os primeiros seres vivos, que surgiram há aproximadamente 3,8 bilhões de anos, quando o planeta era um bebê, tinham uma célula. E foram necessários em torno de 2 bilhões de anos para que esses seres unicelulares descobrissem as vantagens de se juntar e criar colônias multicelulares.

Essa passagem do uni ao multicelular é um mistério. Mas não é o maior deles. Mais complicado é entender como surgiram as primeiras células. De modo bem simplificado, podemos visualizar uma célula como um balão cheio de substâncias. A superfície do balão-a membrana- protege o seu interior. Lá dentro, existem muitas coisas, sendo a mais importante delas o núcleo da célula, onde encontramos o material genético, o DNA.

Células mais primitivas usam outro tipo de material genético, o RNA, que é mais simples. Daí que, voltando ao passado, muitos cientistas supõem que a vida primitiva começou com o RNA. Esse cenário ficou conhecido como o "mundo de RNA".

Essas moléculas gigantescas faziam os dois trabalhos importantes para sustentar a vida: promoviam uma série de reações químicas e regiam a reprodução da célula. Mas como as moléculas de RNA surgiram?

Esse é um dos grande desafios na resolução do mistério da origem da vida: se a vida começou simples, moléculas como o RNA tiveram de ser feitas a partir de moléculas mais simples, como num jogo de Lego.

Imagine que você tenha peças de três cores: verde, amarelo e azul. Moléculas de RNA têm três ingredientes principais: açúcares ou riboses (verde), fosfatos (amarelo) e as bases químicas que podem aparecer em quatro formas diferentes (azul).

Imagine uma molécula de RNA como um colar muito longo em que esses três tipos de peças estão ligados, sempre na mesma ordem. O que muda são as quatro bases ao longo da molécula. Para que o mundo de RNA funcione, é necessário sintetizar esses longos colares, começando por juntar um açúcar com uma base, formando um "nucleotídeo". O RNA é uma sequência de nucleotídeos. Há mais de 20 anos os cientistas vêm tentando realizar essa síntese sem sucesso. Na semana passada, tudo mudou.

Um grupo da Universidade de Manchester, na Inglaterra, após dez anos de tentativas, conseguiu sintetizar dois dos quatro nucleotídeos. O interessante é que a reação foi por um caminho muito diferente do que outros tentaram antes. Em vez de tentar juntar um açúcar e uma base e depois o fosfato, a reação foi feita em ordem diversa, com ingredientes que supostamente existiam na Terra primitiva. Os químicos descobriram outro caminho para chegar ao mesmo lugar.

Até mesmo radiação ultravioleta, que era abundante na superfície da Terra, foi usada na síntese. A descoberta foi recebida com entusiasmo. Ela torna mais viável um cenário para a origem da vida que pode ser testado no laboratório. Mas é bom sermos cautelosos. Viabilidade não é prova: a natureza pode ter usado um caminho diferente do que o dos cientistas.

Tem alguém lá fora?

Se não procurarmos, jamais encontraremos vida extraterrestre

Na semana passada, participei de uma conferência no Space Telescope Institute, a casa do Telescópio Espacial Hubble. Apropriadamente, na segunda-feira o ônibus espacial Atlantis voou em direção ao telescópio-satélite para instalar novas câmeras numa última viagem de revisão e reparos. O venerável instrumento, um dos mais famosos da história da tecnologia, será aposentado em 2014, após 24 anos de serviço.

A missão da Atlantis e seus sete astronautas é das mais arriscadas até hoje, devido à quantidade de lixo espacial na mesma órbita do Hubble, a uma altitude aproximada de 500 quilômetros. Técnicos da Nasa estimam a probabilidade de colisão com um micrometeoro (pedaços de satélites abandonados ou dos dois que colidiram em fevereiro) em 1 em 229 -relativamente alta. As diretrizes de segurança da Nasa estipulam uma probabilidade mínima de 1 em 200.

O trânsito espacial em torno da Terra está ficando bem congestionado. Espero que o Hubble consiga sobreviver mais cinco anos.

A conferência tratava de um tópico um tanto popular, a busca por vida no Universo. Vou tratar de assuntos diversos em outros domingos, mas hoje queria começar por uma das palestras finais, apresentada por Jill Tarter, uma das cientistas líder do projeto Seti, a busca por inteligência extraterrestre. Quem viu o filme "Contato", inspirado no romance homônimo de Carl Sagan, deve lembrar da heroína do filme, interpretada pela atriz Jodie Foster, que tentava "ouvir" transmissões de rádio feitas por civilizações tecnologicamente avançadas vivendo em planetas distantes. Do mesmo modo que nossos rádios captam ondas emitidas por antenas transmissoras, se apontarmos uma antena bem sensível na direção de um planeta poderíamos, em princípio, ouvir as transmissões feitas de lá. Claro, eles também podem estar na escuta...

Na prática, essa busca é extremamente complexa. As chances de sucesso são quase nulas. A transmissão tem de ser na nossa direção, com uma potência suficiente para que nossas antenas possam captá-la, e numa frequência em que estejamos sintonizados. Como sabemos dos nossos rádios, para ouvirmos algo temos de sintonizar numa estação, por exemplo, 98,5 MHz, o que significa uma onda de rádio com 98,5 milhões de ciclos por segundo. Qual seria a estação dos ETs? Existe essencialmente um número infinito de frequências. Escolher as mais "prováveis" envolve um jogo de adivinhação muito subjetivo.

São já 50 anos de Seti e até agora nada. Isso não surpreende a dra. Tarter.

"Estamos apenas engatinhando em nossa busca. Nossa civilização é muito jovem, temos poucos recursos. Por outro lado, se não procurarmos, jamais encontraremos". Verdade. Mesmo que a chance de sucesso seja muito pequena, imagine se, um dia, os cientistas do Seti captam um sinal que é claramente produzido por outra civilização. Alguns acham que tal descoberta seria a mais importante da história, que tudo mudaria: não só não seríamos o único planeta com vida, mas teríamos companhia tecnológica.

Muito provavelmente, dada a tenra idade da nossa tecnologia, os ETs estariam muito na nossa frente. Quem sabe nos ajudariam a resolver nossos problemas de fome, doenças, efeito estufa... do jeito que as coisas andam, acho melhor nós mesmos cuidarmos dos nossos assuntos. Enquanto isso, quem quiser ajudar pode doar o tempo em que seu computador está parado para que cientistas do Seti possam destrinchar os bilhões de sinais que recebem. Basta ir ao site setiathome .ssl.berkeley.edu. Quem sabe o sinal não chegará ao seu computador?

Será Deus um matemático?

A geometria vem de um cérebro adaptado ao mundo em que existe

O título desta coluna vem de um livro recém-lançado nos EUA, de autoria do astrofísico Mario Livio. Nele, Livio examina a origem da matemática. Será ela obra da mente humana, uma invenção? Ou será que descobrimos a matemática que já existe, uma espécie de superestrutura conceitual que define o Universo e suas leis? Os que acreditam que seja esse o caso gostam da metáfora (atenção!) de que a matemática é a expressão da mente de Deus: Deus é o grande geômetra, o arquiteto universal.

O grande físico teórico Eugene Wigner, que ganhou o Prêmio Nobel pelos seus estudos das simetrias matemáticas que regem o comportamento atômico, achava a eficácia da matemática na descrição dos fenômenos naturais surpreendente. Por que ela funciona tão bem a ponto de nos permitir prever coisas que nem sabíamos que poderiam existir? Por exemplo, quando o escocês James Clerk Maxwell mostrou que todos os fenômenos elétricos e magnéticos podem ser descritos por apenas quatro equações, não poderia imaginar que dessa união viria a descoberta de que a luz é uma onda eletromagnética e que outras existem, invisíveis aos nossos olhos, como os raios X ou as micro-ondas. Várias partículas elementares da matéria foram descobertas usando apenas princípios de simetria. Será que a natureza é mesmo uma estrutura matemática?
Livio descreve argumentos a favor dessa hipótese e contra ela, optando por uma solução de compromisso: parte é descoberta e parte inventada.

A favor, ele mostra como, de fato, a matemática tem uma permanência diversa da das ciências naturais: um teorema matemático, uma vez demonstrado, é correto para sempre. Já em física ou química, explicações que parecem razoáveis numa época às vezes se provam erradas, ou aproximações de explicações mais sofisticadas.

Será, então, que uma civilização extraterrestre redescobriria os mesmos resultados matemáticos do que nós, como se fossem uma espécie de código da natureza? Pitágoras, Platão, Galileu, Newton, Einstein, muitos matemáticos (mas não todos) e os físicos que hoje trabalham em teorias de supercordas diriam que sim. Talvez mudem os símbolos, mas a essência dos resultados seria a mesma.

Um astrofísico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Max Tegmark, chega a afirmar que o Universo é matemática e que infinitos outros universos existem, replicando todas as combinações lógicas e geométricas possíveis. Acho que Tegmark confundiu a ficção de Jorge Luis Borges com a realidade. Sua posição é, para mim, religiosa.

Não há dúvida de que certos resultados matemáticos, como 2 + 2 = 4, são verdadeiros independentemente de como sejam descritos. Mesmo assim, vou além de Livio e afirmo que a matemática é uma invenção humana, uma linguagem criada para descrever a nossa realidade. Somos produtos de milhões de anos de evolução, adaptados ao mundo em que vivemos.

Na superfície da Terra vemos árvores, pedras e animais, unidades que naturalmente definem os números inteiros, que usamos para contar. No céu vemos estrelas e imaginamos constelações. Uma criatura marinha inteligente e solitária, vivendo nas profundezas e sem luz ou outras formas de vida por perto, provavelmente desenvolveria uma outra matemática.

Nossa geometria descreve aproximadamente as formas que vemos à nossa volta; esferas, quadrados, cubos, círculos, linhas. Ela vem de um cérebro adaptado ao mundo em que existe. Se uma civilização extraterrestre tiver desenvolvido linguagem equivalente, é porque existe numa realidade semelhante. O único Deus matemático é aquele que inventamos.

Melhores de 2008

Publicação lista as descobertas importantes do ano passado

Recebi recentemente um exemplar da publicação americana "Science News" com uma lista das 20 mais importantes (de acordo com eles) descobertas científicas de 2008. Resolvi fazer uma seleção das que são mais relevantes aos temas de que tratamos aqui na coluna.
Gostaria de incluir outras, mas o espaço é curto. Aqui vão:

1. Planetas extrassolares fotografados: dois grupos de astrônomos apresentaram as primeiras fotografias de planetas girando em torno de outras estrelas. Um deles, usando o Telescópio Espacial Hubble, identificou um planeta em torno da estrela Formalhaut, a 25 anos-luz de distância da Terra. O outro, usando dois enormes telescópios no topo da montanha Mauna Kea, no Havaí, fotografou nada menos do que três planetas girando em torno da estrela HR 8799, a 130 anos-luz da Terra. Ou seja, pela primeira vez na história, astrônomos fotografaram um outro sistema solar.

A caça a planetas extrassolares começou há pouco mais de dez anos. E já são mais de 300 deles. Isso leva os cientistas a uma conclusão muito importante: se a maioria das estrelas tem seus planetas, o número de planetas por galáxia é gigantesco. Só na nossa, que tem em torno de 300 bilhões de estrelas, pode haver mais do que um trilhão de planetas. E isso sem contar as luas! Se estamos interessados em vida extraterrestre, esses números indicam que não faltam possíveis casas onde a vida pode ter surgido.

2. O gigantesco acelerador de partículas LHC é ligado -e desligado: localizado na fronteira entre a Suíça e a França, o acelerador passou o em seu primeiro teste quando foi ligado, no dia 10 de setembro. Prótons viajaram pelo percurso de 27 quilômetros em túneis cem metros abaixo do subsolo com velocidades próximas à da luz. O objetivo do acelerador é colidir prótons com outros prótons, transformando sua energia de movimento em matéria segundo a famosa fórmula E = mc2. (Quanto mais rápidos os prótons, mais energia têm e mais matéria pode ser gerada em suas colisões).

Uma das perguntas a que os cientistas querem responder com o LHC é de onde vem a massa de partículas como o elétron e os quarks, componentes dos prótons. Infelizmente, um vazamento de hélio líquido que refrigera os ímãs supercondutores no túnel levou ao fechamento do acelerador até julho deste ano. Com o filme "Anjos e Demônios" saindo agora (que se passa, em parte, no laboratório onde fica o LHC), a popularidade do experimento é enorme. Como são, também, as expectativas de resultados.

3. Macaco controla braço mecânico com seu cérebro: eletrodos foram implantados nos cérebro de macacos na região que controla o movimento muscular. Usando o seu pensamento, ou a intenção de mover o braço, os macacos conseguiram aperfeiçoar seu controle do braço mecânico a ponto de alimentar-se com ele. Um computador traduziu a atividade elétrica dos neurônios dos macacos em sinais para o braço. A promessa de próteses é enorme. Infelizmente, no momento, os eletrodos implantados no cérebro de macacos ou mesmo de pessoas acabam atacados pelo sistema imunológico como invasores.

4. Nova evidência indica que vida na Terra começou bem cedo: cristais de zircão datando de 4,2 bilhões de anos atrás indicam possível atividade biológica. Até então, os primeiros sinais de vida na Terra datavam de, no máximo, 3,8 bilhões de anos atrás. Se comprovada, essa descoberta indicará que a vida aqui surgiu bem antes do que o esperado e sob condições bem dramáticas: muito vulcanismo e quedas de asteroides. Se isso ocorreu aqui, a possibilidade de ter ocorrido em outros planetas aumenta bastante.

Fósseis da Criação

Uma espécie de semente de gravidade surgiu após o Big Bang

Na semana passada, escrevi sobre dois telescópios espaciais prestes a serem lançados pela Agência Espacial Europeia. Dia 6 de maio, os telescópios espaciais Herschel e Planck iniciarão sua viagem em direção ao local de onde medirão as propriedades do cosmo bebê.
Para minimizar a interferência de sinais de micro-ondas da Terra, o Planck terá uma órbita a 1,5 milhão de quilômetros, um centésimo da distância entre a Terra e o Sol. Serão seis semanas até que chegue ao ponto exato, de onde colherá dados por 14 meses.

Essencialmente, o satélite é um termômetro extremamente preciso, capaz de medir variações de um milionésimo de grau na temperatura da radiação cósmica de fundo, o fóssil deixado quando os primeiros átomos de hidrogênio foram formados, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás.

O Planck poderá testar os modelos atuais de como galáxias surgiram a partir da sopa de matéria que preenchia o cosmo em seus primórdios. Para reproduzir as propriedades que medimos do Universo, astrônomos precisam de uma receita extremamente estranha. São três ingredientes principais, fora a radiação cósmica de fundo. O primeiro deles é o mais óbvio: a matéria comum, formada de átomos com prótons no núcleo e elétrons girando à sua volta. É dela que somos feitos, de hidrogênio, carbono e ferro. Segundo a receita atual, essa matéria constitui só 4% do Universo.

O próximo ingrediente também é uma forma de matéria, mas que não tem nada a ver com a matéria comum. Essa é a chamada "matéria escura", cujo nome vem do fato de não ser capaz de produzir luz ou radiação de qualquer espécie, como fazem nossas queridas estrelas. Ninguém sabe que matéria é essa. Dezenas de experimentos estão tentando detectá-la, e o grande colisor de partículas na Suíça, o LHC, em breve tentará forjá-la a partir de matéria comum. (É, isso é possível, ao menos em teoria.)
A matéria escura, segundo a receita cósmica atual, consiste em aproximadamente 23% do Universo. Os 73% restantes supostamente fazem parte da "energia escura", algo que também desconhecemos, como abordei em várias colunas passadas.

Voltando aos modelos que irão ser testados pelo Planck, o mais importante deles descreve a origem das galáxias. Quando astrônomos mapeiam o Universo, observam que as galáxias estão distribuídas como se existissem na superfície de bolhas num banho de espuma: regiões esféricas com pouca matéria, os vazios cósmicos (o interior das bolhas), cercadas de galáxias à sua volta.

Como isso ocorreu? Segundo os modelos modernos, são necessários três ingredientes. A matéria comum, claro, que compõe as estrelas e os planetas; a matéria escura; e uma espécie de semente gravitacional, aglomerados de um tipo de matéria exótica que presumivelmente surgiu nos primeiros instantes de existência do cosmo.

Essas sementes atraem a matéria escura que, por sua vez, atrai a matéria comum. Bem estranho, eu sei. Por isso o Planck é tão necessário. Segundo os modelos, o Universo bebê expandiu incrivelmente rápido devido a essa matéria exótica. Caso isso tenha ocorrido, a textura do próprio espaço sofreu distorções que se propagaram como ondas desde então. Caso as ondas existam e sejam suficientemente grandes, Planck poderá medi-las.

Se tiver sucesso, teremos uma janela para enxergar o Universo quando ele tinha apenas um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo -muito perto do início de tudo.
Essas ondas são o que mais se aproxima de um fóssil da criação. Os próximos 14 meses serão de muita ansiedade para a cosmologia.

Mapeando a Criação

Decolam em maio dois telescópios que prometem revolucionar a astronomia

Estamos prestes a ver detalhes da criação do cosmo. Parece pseudociência mas não é. Dia 6 de maio, um foguete Ariane-5 da Agência Espacial Europeia decolará com uma carga preciosa: o telescópio de infravermelho Herschel e o telescópio de micro-ondas Planck, que prometem revolucionar nosso conhecimento do Universo. Nada mais apropriado para o Ano Internacional da Astronomia.

O Herschel, batizado em homenagem ao astrônomo que descobriu Urano, em 1781, terá um espelho de 3,5 metros de diâmetro, o maior já posto em órbita. Como comparação, o espelho do famoso Telescópio Espacial Hubble tem 2,4 metros. Entre outras coisas, seu objetivo é capturar a radiação emitida por objetos extremamente distantes, as primeiras galáxias e sua subsequente evolução.

Vale lembrar que, em astronomia, quanto mais distante o objeto, mais antigo ele é. Isso porque a luz emitida por uma estrela ou por uma nuvem de gás precisa viajar até nós, o que toma tempo. Mesmo que a luz e todos os outros tipos de radiação eletromagnética viajem à incrível velocidade de 300 mil quilômetros por segundo, as distâncias cósmicas são tão imensas que a luz leva tempo para viajar de uma fonte até nós. O Sol, por exemplo, está a 8 minutos-luz de distância da Terra: a luz demora 8 minutos de lá até aqui.

Andrômeda, a galáxia mais próxima de nós, está a 2 milhões de anos-luz: a luz que vemos agora saiu de lá há 2 milhões de anos. Portanto, olhar para o espaço é viajar para o passado, a única máquina do tempo que conhecemos. Quanto mais poderoso o telescópio, mais no passado mergulhamos.

O telescópio Herschel será capaz de captar a radiação vinda das primeiras estrelas, formadas milhões de anos após o Big Bang, o evento que marca a origem do Universo. Será, também, capaz de estudar o nascimento de estrelas mais recentes, juntamente com os seus planetas. Portanto, veremos o nascimento de outros sistemas estelares, aprendendo como o nosso próprio Sistema Solar nasceu.

Ao vermos outras estrelas nascerem, aprendemos sobre as nossas origens. Como informação complementar, o Herschel analisará também a composição química desses berços estelares, bem como de nuvens de matéria espalhadas pelo cosmo. Se somos formados de poeira das estrelas -nosso carbono, ferro e oxigênio são restos de explosões estelares que ocorreram há bilhões de anos- poderemos compreender como essa poeira é formada e espalhada pelo espaço sideral. Não veremos a nossa Terra nascer, mas veremos outras.

A missão Planck nos remete ainda mais para o passado cósmico. Seus detectores serão capazes de captar com precisão dez vezes maior do que a de missões anteriores o eco da primeira radiação liberada no Universo, datando do nascimento dos primeiros átomos, 380 mil anos após o Big Bang. Imagine um termômetro com precisão de um milionésimo de grau. Com isso, astrônomos e cosmólogos poderão estudar como as maiores estruturas cósmicas foram formadas -berços não de estrelas, mas de galáxias.
Mas o Planck irá ainda mais longe.

Uma das predições da cosmologia moderna é que o cosmo-bebê, com apenas um trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo de idade (10-36 segundo), se expandiu violentamente, a chamada fase "inflacionária". Se isso ocorreu, e os dados que temos indicam que sim, existem sinais que o Planck poderá captar. Os detalhes desses sinais e de suas consequências deixo para a semana que vem. E pensar que são apenas 400 anos desde que Galileu apontou um telescópio pela primeira vez aos céus.

Poucos testemunhos da inventividade humana são tão impressionantes.

Metabolismo e reprodução são propriedades essenciais

Definindo vida

A vida é uma dessas coisas mais fáceis de identificar do que de definir. É incrível que, passados tantos séculos desde que começamos a pensar cientificamente sobre o mundo, ainda não tenhamos uma definição universalmente aceita sobre o que é a vida.

Por exemplo, sabemos que uma pedra não está viva. E por quê? Uma pedra não come, não bebe, não se reproduz. Comer e beber significa que atribuímos aos seres vivos a necessidade de se alimentar e de transformar alimentos em energia. Ou seja, seres vivos exibem alguma forma de metabolismo. A reprodução, a capacidade de fazer cópias de si mesmo, é outra característica fundamental dos seres vivos. A espécie que não se reproduz desaparece. Portanto, metabolismo e reprodução são as duas propriedades mais importantes da vida. Qualquer definição do que seja vida tem que incluí-las. Mas e o fogo? Se alimenta também, consumindo oxigênio e a matéria que entra em combustão. E se reproduz, espalhando-se por onde pode. Porém, todos concordam que o fogo não é considerado um ser vivo.

Estrelas, também, podem confundir. Por meio da fusão nuclear, consomem o hidrogênio em seu interior, transformando-o no elemento hélio, um processo que libera enormes quantidades de radiação. Numa espécie de autofagia, as estrelas se alimentam da própria matéria. De certa forma, estrelas também se reproduzem: quando uma "morre", explode com enorme violência, espalhando sua matéria pelo espaço. Se essa matéria colidir com uma nuvem de hidrogênio, causará instabilidades que fazem com que a nuvem entre em colapso e se transforme, caso tenha matéria suficiente, numa nova estrela. Dentre outras coisas, a diferença entre o fogo ou uma estrela e uma ameba ou uma mariposa está na composição química: seres vivos são formados por compostos orgânicos, moléculas complexas que incluem proteínas e ácidos nucléicos, o RNA e DNA usados na reprodução.

Vemos na insistência de uma definição da vida uma limitação da linguagem. Não é que não saibamos como definir a vida; talvez a vida seja indefinível, ao menos de forma precisa e universal. Talvez tenhamos que nos contentar com uma definição operacional: a vida é um sistema de reações químicas autossustentáveis capazes de extrair energia do ambiente e de se replicar. Mesmo que essa definição não mencione compostos orgânicos, é difícil incluir o fogo e as estrelas nela. Em discussões sobre o que é a vida, sempre se fala nos vírus e nos príons como casos limite. Os vírus só se reproduzem em contato com uma célula viva, e os príons nem material genético têm. Por não terem autonomia, ambos são considerados "replicadores" em vez de seres vivos. Essas distinções e definições não são apenas questões de interesse acadêmico.

Com a exploração de outros planetas e luas, é cada vez mais importante compreendermos as várias facetas da vida. Mesmo que limitados no momento pelo que estudamos aqui na Terra, nossas definições precisam ser gerais o suficiente para englobar formas de vida inesperadas. É difícil prever em detalhe o que nos espera em outros mundos. Talvez nada, ao menos a julgar pelo que encontramos até agora. Contudo, como dizia Carl Sagan, a ausência de evidência não é evidência de ausência. (Aliás, essa definição funciona também para fadas, duendes, Deus...)

Devemos manter a cabeça aberta e nossas definições amplas, para englobar o desconhecido. Seja o que for, se estiver vivo precisará de energia e terá de se reproduzir. Com relação a isso, não temos do que duvidar.

Desafios climáticos

Serão necessárias ideias e tecnologias completamente novas

Na semana passada, li uma reportagem da jornalista Sharon Begley na revista americana "Newsweek" que me deixou preocupado. Eu já sabia do enorme desafio que será conseguirmos desenvolver tecnologias de geração de energia limpa de modo a diminuirmos a concentração de dióxido de carbono (CO2) e outros gases causadores do efeito estufa em tempo útil. Mas os números são desanimadores. E desafiadores.

Começando do começo, é inútil continuarmos a discutir se o aumento da temperatura global está ou não sendo causado pela poluição industrial. Segundo a maioria esmagadora dos cientistas, especialmente aqueles que se ocupam justamente das pesquisas nesta área, o aumento da temperatura global desde o inicio da era industrial não é uma coincidência.

Mesmo considerando possíveis efeitos naturais -emissões de gases subterrâneos, erupções vulcânicas, flutuações na luminosidade solar- não há dúvida de que a correlação existe: o aumento da temperatura global é, em grande parte, causado pela nossa dependência de combustíveis fósseis. Dado isso, precisamos agir o quanto antes para diminuí-la.

A questão principal no debate sobre como enfrentar os desafios da mudança climática é se devemos focar nossos esforços no desenvolvimento de tecnologias que já existem ou se devemos investir em pesquisas capazes de inovações inesperadas na área.

Em princípio, a resposta é óbvia: devemos fazer os dois. Aprimorar tecnologias de exploração de energia solar, dos ventos, de biomassa e nuclear para que se tornem mais eficientes é fundamental. Muitos dizem que isso será suficiente, que basta melhorarmos o que já temos. Do lado oposto, o diretor do Departamento de Energia americano, o Prêmio Nobel de Física Steven Chu, afirma que precisaremos de invenções revolucionárias, do calibre mesmo de um Prêmio Nobel. O químico Nate Lewis, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que tenta criar materiais capazes de realizar uma espécie alternativa de fotossíntese, produzindo hidrogênio a partir de água e luz solar, concorda.

O objetivo aqui nos EUA é cortar as emissões em 20% até 2020. O problema é que isso não é suficiente: apenas traria as emissões americanas de volta aos níveis de 1990, que é menos do que o Protocolo de Kyoto (que os EUA rejeitaram) exigia. A meta de longo prazo sugerida é cortar em 80% até 2050. Em 2006, o consumo energético do planeta foi de 14 trilhões de watts. Supondo que a população cresça minimamente (saindo dos 6,7 bilhões atuais e chegando a 9 bilhões em 2050), que o crescimento econômico global seja baixo (1,6% ao ano) e que haverá um aumento na eficiência do uso de energia de 500% (!), o mundo usará 28 trilhões de watts em 2050, o dobro de 2006. Como atingir isso com as energias alternativas?

Para usinas nucleares produzirem 10 trilhões de watts em 2050, são necessários 10 mil reatores novos, ou seja, um reator construído dia sim, dia não a partir de agora. Usando todos os ventos disponíveis no planeta, produziríamos 10 trilhões ou 15 trilhões de watts. Um número mais realista seria em torno de 3 trilhões de watts, com 1 milhão de turbinas eólicas. Já com a energia solar, a mais ineficiente no momento, para atingirmos 10 trilhões de watts em 2050, precisaríamos cobrir 1 milhão de telhados por dia até lá! Impossível.

A solução é investir pesado na pesquisa básica, especialmente naquela voltada para a geração de energia. Serão necessárias ideias completamente novas, combinando engenharia, física, química e biologia. Um passo ainda mais fundamental, que o Brasil e todos os outros países do mundo deveriam estar tomando agora, é ampliar substancialmente o ensino de ciência nas escolas. Só assim a nova geração terá a chance de transformar o seu próprio futuro.

Misteriosos vazios cósmicos

O que se sabe sobre a energia escura é pouco e muito estranho

Já se vão 11 anos desde que o cosmo tornou-se mais misterioso do que nunca. Tudo começou em 1929, quando o astrônomo americano Edwin Hubble descobriu que o Universo está em expansão, com o espaço entre as galáxias crescendo como se fosse uma tira elástica. Para concluir isso, Hubble mediu a luz emitida por galáxias distantes e analisou suas propriedades, comparando-a com a luz emitida por objetos mais próximos.

Essa comparação é muito útil: existe um efeito, chamado efeito Doppler, que diz que, quando uma fonte de luz se afasta ou se aproxima do observador (ou o observador dela, dá no mesmo), a luz é distorcida: se o objeto se afasta, a luz é desviada para tons avermelhados; se o objeto se aproxima, para tons azulados.

Hubble mostrou que a maioria absoluta das galáxias mostra um desvio para o vermelho, concluindo que elas estão se afastando, com velocidades proporcionais à distância entre elas. A taxa de expansão cósmica depende da quantidade de matéria (e energia) no Universo: quanto mais matéria, mais lenta a expansão.

No caso de a quantidade total de matéria estar acima de um valor crítico, vence a gravidade, e o Universo acabaria caindo sobre si mesmo. Observações atuais mostram que o cosmo existe bem em torno desse valor crítico. Nesse caso, a expansão continuaria para sempre. Ao menos assim se pensava até 1998. Cada geração enfrenta os seus mistérios e desafios. Assim caminha a ciência, de mistério em mistério.

Mas esse de agora é dos bons. Em 1998, dois grupos de astrônomos mediram a luz emitida por objetos muito distantes, estrelas que explodiram bilhões de anos atrás. Essas estrelas, chamadas supernovas, são como fogos de artifício cósmicos. Usando técnicas semelhantes às de Hubble (mas com telescópios e instrumentos de análise muito mais sofisticados), os astrônomos concluíram algo muito estranho: as estrelas parecem brilhar com luz mais fraca do que o esperado.

Como o efeito Doppler conecta o brilho da estrela com sua velocidade, é possível concluir que a luz mais fraca se deve a uma expansão mais rápida: em torno de 5 bilhões de anos atrás, o Universo resolveu acelerar a sua expansão. Como muitos leitores já devem ter ouvido, a conjectura mais popular é de que essa aceleração cósmica -a tira elástica esticando mais rápido- se deve a uma nova forma de material, a chamada energia escura. O problema é que se sabe muito pouco desse material. E o que se sabe é muito estranho. Diferentemente dos átomos que compõem a matéria comum, a energia escura não é formada por partículas de matéria.

Supostamente, ela é uma nova substância que permeia todo o cosmo. Dada essa excentricidade, é saudável procurar explicações menos revolucionárias. Uma delas é que vivemos numa região com pouca matéria, um vazio cósmico. Nesse caso, a taxa de expansão cósmica ao nosso redor seria mais rápida. A existência desses vazios não é novidade; as galáxias estão distribuídas pelo Universo de forma irregular. Mas, na média, tudo se passa como se o cosmo fosse igual em todos os lugares. Esse é o "princípio cosmológico", uma adaptação do princípio copernicano.

Quando Copérnico sugeriu que a Terra não era o centro do cosmo, nós nos tornamos mais mundanos, nossa posição, pouco especial. A ideia de que vivemos num enorme vazio (de 1 bilhão de anos-luz de raio) nos remete de volta a um local especial. Aparentemente, esse enorme vazio é pouco provável. Mas vazios menores, como numa esponja, em princípio podem surtir o efeito desejado. Qualquer que seja a solução do mistério da energia escura, aprenderemos muito com ela.

Como sabemos?

Nossa construção da realidade, por ser sempre filtrada, é incompleta

Como sabemos que o mundo é do jeito que é? Fácil, diria uma pessoa pragmática: basta olhar e medir. Vemos a árvore, a cadeira, a mesa; ouvimos o vento, a música, as vozes das pessoas. Sentimos o calor e o frio na nossa pele. Uma vez que essa informação sensorial é integrada pelo nosso cérebro, construímos uma concepção do real que nos permite funcionar no mundo.

Sabemos aonde ir, o que comer, o que evitar tocar; sentimos o prazer de uma boa refeição, de um abraço carinhoso. Mas e quando vamos além dos nossos sentidos, usando instrumentos para estender a nossa concepção da realidade? Não vemos galáxias a olho nu (talvez Andrômeda, em noites muito especiais) e muito menos um átomo de carbono. Como sabemos que estão lá, que existem?

Quando Galileu mostrou seu telescópio para os senadores de Veneza, muitos se recusaram a aceitar que o que viam era real. Mais recentemente, no final do século 19, o grande físico e filósofo austríaco Ernst Mach se recusava a aceitar a existência dos átomos pois estes, segundo ele, nunca poderiam ser visualizados. Mach e os senadores estavam errados.

O que se vê através dos telescópios é perfeitamente real. Captamos os fótons -as partículas de luz- emitidos (ou refletidos, no caso de planetas e luas) pelo corpo celeste. Se a fonte não emite nas faixas visíveis do espectro, ou está tão longe que não podemos captar fótons entre o vermelho e o violeta, captamos ondas de rádio ou micro-ondas, radiação eletromagnética que nossos olhos não enxergam, mas que nem por isso é menos real.

Quando elétrons pulam de órbita nos átomos, também emitem (ou absorvem) fótons, que podem ser detectados por instrumentos ou, no caso de serem visíveis, pelos nossos olhos. Os instrumentos usados no estudo dos fenômenos naturais são uma extensão dos nossos sentidos. Um dos feitos mais espetaculares da ciência é justamente essa ampliação da realidade, o ver além do visível.

A situação se complica quando a complexidade do fenômeno nos força a filtrar dados, selecionando apenas uma parte do que ocorre. Nossos cérebros fazem isso constantemente, o que chamamos de "foco"; caso contrário, seríamos inundados a tal ponto por sons e imagens que não conseguiríamos fazer nada. Quando olhamos para uma estrela a olho nu ou com um telescópio óptico, vemos apenas parte dela, o que ela emite no visível. Uma visão completa da estrela incorporaria suas emissões no infravermelho, no ultravioleta, no raio X etc. A consequência desse fato é simples, mas profunda: nossa construção da realidade, por ser sempre filtrada, é incompleta. Sabemos apenas aquilo que medimos.

No caso das partículas elementares, o problema é ainda mais grave. O gigantesco acelerador LHC, por exemplo, que deve entrar em funcionamento dentro de alguns meses na Suíça, criará em torno de 600 milhões de colisões entre partículas por segundo. Essas colisões geram 700 megabytes de dados por segundo, mais de 10 petabytes por ano. Um petabyte equivale a mil trilhões de bytes (1015), 1 milhão de discos rígidos com 1 gigabyte cada.

Para tornar a pesquisa viável, os grupos de cientistas filtram os dados, selecionando eventos designados "interessantes". Essa seleção, por sua vez, é baseada em teorias atuais que especulam sobre o que existe além do que já conhecemos. Apesar de as teorias serem sólidas, elas só serão confirmadas pelos experimentos. Existe o risco de que fenômenos inesperados, não-previstos pelas teorias, sejam eliminados pela filtragem dos dados.

Nesse caso, nossas próprias teorias limitam o que sabemos sobre o mundo - uma conclusão um tanto paradoxal.

Robôs apaixonados

Será que nós estamos prontos para amar as máquinas?

Na semana passada, revi o filme "Inteligência Artificial", de Steven Spielberg (coluna de 2 de setembro de 2001). À parte o drama da narrativa -onde um robô-menino, recriado brilhantemente pelo então jovem ator e vencedor do Oscar, Haley Joel Osment, sai pelo mundo em busca do amor de sua vida, a sua mãe humana- o filme mostra uma Nova York do futuro, parcialmente submersa. As torres do World Trade Center aparecem despontando sombriamente das águas. Nove dias após a publicação da minha coluna, as torres foram destruídas. Isso, nem o grande Spielberg poderia ter previsto.

Exibi o filme para a minha classe, como parte de nossas discussões sobre os usos e abusos da tecnologia. Por coincidência, no mesmo dia em que vimos o filme, o presidente Barack Obama assinou projeto cancelando restrições às pesquisas com células-tronco, revertendo a política obscurantista de seu predecessor. Aleluia!

Obama assinou também uma declaração prometendo a separação entre ciência e ideologia política, proibindo a distorção e omissão de fatos e dados científicos para satisfazer as agendas de grupos de interesse. Leia-se, para deixar claro que os resultados científicos sobre a gravidade do aquecimento global e suas causas não podem mais ser distorcidos. Estava na hora de a nação que mais polui o planeta assumir a responsabilidade e a liderança na luta contra o efeito estufa.
O que vimos na semana que passou é só o começo. Finalmente, a ciência mais uma vez recebe o respeito que merece dos nossos vizinhos do norte.

Agora é a vez de o nosso país fazer o mesmo, começando por aumentar os recursos dos ministérios da Ciência e Tecnologia e da Educação. Não fazer isso é nos prender ao passado.
Se a reviravolta científica nos EUA é uma boa indicação, a pesquisa será reaquecida no mundo inteiro; quando o planeta passa por uma crise como a atual, podemos rezar ou criar novas alternativas, novas tecnologias, novos modos de pensar. Investir na nossa inventividade me parece ser a alternativa mais promissora.

Mas quero voltar aos temas levantados pelo filme. A ficção científica, quando bem feita, tem o poder de nos remeter à uma reflexão sobre a condição humana; o que somos, como vivemos, por que existimos. Stanley Kubrick, um dos grande diretores de todos os tempos, iniciou o projeto do filme. Antes de morrer em 1999, passou o comando a Spielberg; não há dúvida de que o filme teria sido muito diferente nas mãos de Kubrick. Menos melodramático, com certeza, embora seja impossível não se emocionar com o robô que, como o boneco Pinóquio, queria ser um menino de verdade.

Eis a questão central: o que no faz humanos? Será a "nossa capacidade de tentar tornar os nossos sonhos em realidade"? A nossa capacidade de amar? No filme, a grande revolução que ocorre na indústria robótica se dá quando o cientista-gênio (William Hurt no papel do Prof. Hobby), consegue programar o amor no robô-menino: com uma combinação de sete palavras, como num encanto mágico ou cabalístico, o robô passa a amar a sua mãe completa e totalmente. À parte os seus circuitos internos, ele passa a agir e sentir como um ser humano.

Além da busca do robô por sua humanidade, o filme questiona o outro lado da equação: será que nós estamos prontos para amar máquinas?

Apesar de estarmos longe de criar máquinas inteligentes e, mais ainda, máquinas capazes de amar, podemos refletir sobre essas possibilidades. Podemos não. Devemos. O casamento da genética com a cibernética vai mudar o mundo. Com o passar das décadas, seremos cada vez menos carne e osso. Mas não por isso menos humanos.

Infância violenta

A Lua é a costela da Terra; tudo que bate nela fica registrado

Todo nascimento tende a ser um misto de violência e poesia. E isso não é verdade apenas para animais. Nosso Sistema Solar também teve um nascimento e uma primeira infância extremamente violenta e bela. Tudo começou quando uma gigantesca nuvem contendo principalmente hidrogênio e hélio entrou em colapso devido à sua própria gravidade.

Fora esses dois gases, elementos mais pesados, como carbono, oxigênio, ferro e ouro também estavam presentes, embora em menores quantidades. Ao colapsar, a nuvem gasosa, que inicialmente era aproximadamente esférica, foi se achatando, tomando cada vez mais a forma de uma pizza cósmica. Há 4,6 bilhões de anos, o Sol entrou em ignição no centro da pizza, por meio do processo de fusão nuclear que transforma hidrogênio em hélio. Fez-se a luz. Em torno da luz central, giravam os proto-planetas, aderindo materiais. Os mais externos, os atuais gigantes gasosos, sujeitos à temperaturas baixas, podiam agregar materiais gasosos e engordaram mais; os mais internos, a Terra dentre eles, agregaram principalmente materiais rochosos e metais, como o ferro e o níquel. Assim nasceram os planetas.

A situação era complicada. Os planetas foram criados a partir da agregação de materiais, um pouco como uma bola de neve que é atirada na tempestade; ao viajar, a bola vai aderindo cada vez mais neve e crescendo.

(Sei que a imagem é estranha quando estão fazendo mais de 30C, mas da minha janela aqui no norte dos Estados Unidos vejo tudo ainda branco.) O problema é que esses materiais não são todos agregados aos planetas nascentes. Sobra muito detrito, o que hoje chamamos de asteroides e cometas.

Conclusão: durante os primeiros 500 milhões de anos, bombardeios devastadores eram comuns. De tamanhos variados, esses impactos eram extremamente violentos. Como comparação, o asteroide responsável pela extinção dos dinossauros em tempos bem mais recentes (há só 65 milhões de anos) tinha um diâmetro de dez quilômetros. A energia liberada nesse único impacto é equivalente à detonação de todas as bombas de hidrogênio que existiam no clímax da Guerra Fria multiplicada por cem mil. Isso é o que ocorre quando uma pedra desse tamanho colide com a Terra a mais de 20 mil quilômetros por hora.

O impacto mais dramático foi a colisão com um planetoide do tamanho de Marte logo no início da formação do Sistema Solar, em torno de 4,5 bilhões de anos atrás. A colisão, meio de lado, arrancou uma enorme quantidade de massa da Terra que reorganizou-se em órbita à sua volta.
Essa massa mais uma vez agregou-se tornando-se na nossa Lua: a Lua é a costela da Terra. A composição das rochas lunares trazidas pelos astronautas das missões Apolo mostra enorme semelhança com a composição da crosta terrestre. A abundância de ferro na Terra e a sua ausência na Lua indicam que a colisão arrancou material mais próximo da superfície terrestre; o ferro, sendo mais pesado, em sua maior parte havia já afundado em direção ao centro da Terra. Hoje é responsável, como o níquel também é, pelo magnetismo que orienta as bússolas dos viajantes.

A Lua nos oferece um retrato da infância violenta do Sistema Solar. Não tendo atmosfera e movimentos de crosta, o que bate nela fica registrado.

Analisando as crateras lunares, cientistas determinaram que a Lua sofreu um pico no bombardeio em torno de 3,9 bilhões de anos atrás. A causa? Um rearranjo nas órbitas de Urano e Netuno que desalojaram inúmeros cometas e asteroides. Felizmente, hoje vivemos em tempos bem mais calmos. O Sistema Solar, em sua meia idade, é bem mais sereno.

Astroteologia

É alta a chance de que "eles" sejam mais inteligentes

Aparentemente, foi o filósofo grego Epicuro que sugeriu, já em torno de 270 a.C., que existem inúmeros mundos espalhados pelo cosmo, alguns como o nosso e outros completamente diferentes, muitos deles com criaturas e plantas.

Desde então, ideias sobre a pluralidade dos mundos têm ocupado uma fração significativa do debate entre ciência e religião. Em um exemplo dramático, o monge Giordano Bruno foi queimado vivo pela Inquisição Romana em 1600 por pregar, dentre outras coisas, que cada estrela é um Sol e que cada Sol tem os seus planetas.

Religiões mais conservadoras negam a possibilidade de vida extraterrestre, especialmente se for inteligente. No caso do cristianismo, Deus é o criador e a criação é descrita na Bíblia, e não vemos qualquer menção de outros mundos e gentes. Pelo contrário, os homens são as criaturas escolhidas e, portanto, privilegiadas. Todos os animais e plantas terrestres estão aqui para nos servir. Ser inteligente é uma dádiva que nos põe no topo da pirâmide da vida.

O que ocorreria se travássemos contato com outra civilização inteligente? Deixando de lado as inúmeras dificuldades de um contato dessa natureza- da raridade da vida aos desafios tecnológicos de viagens interestelares- tudo depende do nível de inteligência dos membros dessa civilização.

Se são eles que vêm até aqui, não há dúvida de que são muito mais desenvolvidos do que nós. Não necessariamente mais inteligentes, mas com mais tempo para desenvolver suas tecnologias. Afinal, estamos ainda na infância da era tecnológica: a primeira locomotiva a vapor foi inventada a menos de 200 anos (em 1814).

Tal qual a reação dos nativos das Américas quando viram as armas de fogo dos europeus, o que são capazes de fazer nos pareceria mágica.

Claro, ao abrirmos a possibilidade de que vida extraterrestre inteligente exista, a probabilidade de que sejam mais inteligentes do que nós é alta. De qualquer forma, mais inteligentes ou mais avançados tecnologicamente, nossa reação ao travar contato com tais seres seria um misto de adoração e terror. Se fossem muito mais avançados do que nós, a ponto de haverem desenvolvido tecnologias que os liberassem de seus corpos, esses seres teriam uma existência apenas espiritual. À essa altura, seria difícil distingui-los de deuses.

Por mais de 40 anos, cientistas vasculham os céus com seus rádio telescópios tentando ouvir sinais de civilizações inteligentes. Quem viu "Contato" com Jody Foster ou leu o livro de Carl Sagan que inspirou o filme lembra das várias cenas em que ela tenta decifrar os sinais de rádio que recebia.

Infelizmente, até agora nada foi encontrado. Muitos cientistas acham essa busca uma imensa perda de tempo e de dinheiro. As chances de que algo significativo venha a ser encontrado são extremamente remotas.

Em quais frequências os ETs estariam enviando os seus sinais? E como decifrá-los? Por outro lado, os que defendem a busca afirmam que um resultado positivo mudaria profundamente a nossa civilização. A confirmação da existência de outra forma de vida inteligente no universo provocaria uma revolução. Alguns até afirmam que seria a maior notícia já anunciada de todos os tempos. Eu concordo.

Não estaríamos mais sós. Se os ETs fossem mais avançados e pacíficos, poderiam nos ajudar a lidar com nossos problemas sociais, como a fome, o racismo e os confrontos religiosos. Talvez nos ajudassem a resolver desafios científicos. Nesse caso, quão diferentes seriam dos deuses que tantos acreditam existir? Não é à toa que inúmeras seitas modernas dirigem suas preces às estrelas e não aos altares.

A ciência e as religiões

Forçar a rigidez é condenar a congregação a viver no passado

Como escrevi em colunas recentes, neste ano celebramos dois grandes aniversários. O primeiro, o bicentenário do nascimento de Charles Darwin e o sesquicentenário da publicação de seu revolucionário "A Origem das Espécies". O segundo, os quatrocentos anos da publicação do livro "Astronomia Nova", em que Johannes Kepler mostrou que a órbita de Marte é elíptica, inferindo que todas as outras seriam também.

No mesmo ano, 1609, Galileu Galilei apontou o seu telescópio para os céus mudando a astronomia para sempre.

Em ambos os casos, as descobertas científicas criaram sérios atritos com as autoridades religiosas. Atritos que, infelizmente, sobrevivem de alguma forma até hoje, principalmente com as religiões monoteístas que dominam o mundo ocidental e o Oriente Médio: judaísmo, cristianismo e islamismo. O momento é oportuno para iniciarmos uma reavaliação das suas causas e apontar, talvez, resoluções.

Simplificando, pois temos apenas algumas linhas, o problema maior não começa no embate entre a ciência e a religião. Começa no embate entre as religiões. Existe uma polarização cada vez maior já dentro das religiões entre correntes mais ortodoxas e aquelas mais liberais. As diferenças são enormes. Por exemplo, no caso do judaísmo, podemos hoje encontrar rabinas liderando congregações, algo que enfureceria ao meu avô e a seus amigos.

Nos EUA, algumas correntes protestantes, como os episcopélicos, têm pastores e bispos abertamente homossexuais. Nessas correntes mais liberais dentre as religiões se vê também uma relação completamente diferente com a ciência.

Em vez do radicalismo imposto por uma interpretação liberal da Bíblia, as correntes mais liberais tendem a ver o texto bíblico de forma simbólica, como uma representação metafórica de acontecimentos e fatos passados com o intuito -dentre outros- de fornecer uma orientação moral para a população. (A questão da necessidade de um código moral de origem religiosa deixo para outro dia.)

Escuto pastores e rabinos afirmarem regularmente que é absurdo insistir que a Terra tenha menos de 10 mil anos ou que Adão e Eva surgiram da terra. Para um número cada vez maior de congregações, é fútil fechar os olhos para os avanços da ciência.

Para eles, a preservação dos valores religiosos, da coesão de suas congregações depende de uma modernização de suas posições de modo que possam refletir o mundo em que vivemos hoje e não aquele em que pessoas viviam há dois mil anos.

O mundo mudou, a sociedade mudou, a religião também deve mudar.

Insistir na rigidez da ortodoxia é condenar a congregação a viver no passado, numa realidade incompatível com a sociedade moderna. Se o pastor ou rabino ortodoxo tem câncer e recebe terapia de radiação, ele deve saber que é essa mesma radiação que permite a datação de fósseis com centenas de milhões de anos. É hipocrisia aceitar a cura da radiação nuclear e ainda assim negar os seus outros usos.

Fechar os olhos para os avanços da ciência é escolher um retorno ao obscurantismo medieval, quando homens viviam suas vidas assombrados por espíritos e demônios, subjugados pelo medo a aceitar a proteção de Deus. A escolha por uma devoção religiosa -se é essa a sua escolha- não deveria ser produto do medo.

No fim de semana passado, a catedral de São Paulo em Melbourne, Austrália, ofereceu um simpósio sobre Darwin. Nos EUA, outro simpósio reuniu cerca de 800 pastores e rabinos para discutir modos de reconciliação entre ciência e religião. Parece que finalmente um novo diálogo está começando. Já era tempo.

Rejeição cósmica

A noção de que objetos podem escapar da atração gravitacional é importante na exploração do espaço

Pobre SDSS J090745.0+24507. A uma incrível velocidade de três milhões de quilômetros por hora, essa pobre estrela já está muito longe do seu berçário, a Via Láctea. Ela foi catapultada de nossa galáxia por um gigante furioso, o buraco negro que reina em seu centro, um monstro com uma massa equivalente a quatro milhões de sóis.

Atualmente, a estrela rejeitada está a uma distância aproximada de 200 mil anos-luz do centro galáctico, bem mais distante do que o Sol, que fica a 30 mil anos-luz do centro. Ainda bem. Caso contrário, poderíamos ter um fim parecido. Ou, pior ainda, poderíamos ser sugados para as entranhas do monstro faminto.

Descoberta em 2005, essa foi a primeira "estrela hiperveloz", tipo de objeto que atinge velocidades tão altas que é capaz de escapar da atração gravitacional da galáxia e ser lançado no espaço sideral. A noção de que objetos podem escapar da atração gravitacional é extremamente importante na exploração do espaço.

Por exemplo, para que um foguete escape da Terra, precisa atingir uma velocidade aproximada de 11 quilômetros por segundo, um pouco menos do que 40 mil quilômetros por hora. (Na prática, como a propulsão continua quando o foguete está voando e a atração gravitacional diminui com a altitude, a velocidade é menor.) No caso da estrela, como ela não tem um motor, o mecanismo de propulsão deve ser diferente. É o próprio buraco negro que fornece a energia para o escape da estrela.

Modelos que visam explicar o mecanismo de expulsão das estrelas hipervelozes usam uma propriedade conhecida como catapulta ou estilingue gravitacional.

Quando um satélite se aproxima de um planeta, ele sofre uma aceleração, como uma pedra que cai no chão. À medida que o satélite vai se aproximando e o planeta continua em sua órbita em torno do Sol, o satélite pode ganhar velocidade e ser lançado adiante, como se tivesse ganho um empurrão. Um efeito parecido ocorre se você está num carrossel que gira rápido e de repente larga dele. Ou se está patinando no gelo de mãos dadas com alguém, girando alegremente até que sua companheira cai e você continua, lançado para longe.

Esse efeito foi usado para lançar a sonda espacial Pionneer-10 para fora do Sistema Solar. No caso, o planeta que deu o empurrão foi Júpiter, acelerando a sonda de 9,8 km/s até 22,4 km/s. Esse truque é usado comumente em voos espaciais.

No caso das estrelas hipervelozes, o modelo aceito atualmente considera que seja um par de estrelas que se aproxime do buraco negro. Essas estrelas binárias são muito comuns, de fato muito mais comuns do que estrelas solitárias como o Sol. Ao chegarem cada vez mais perto, uma das estrelas é tragada pelo buraco negro enquanto a outra é acelerada com tremenda violência para fora do plano da galáxia. O efeito é dramático. Estrelas na galáxia costumam viajar a uma velocidade média de 100 quilômetros por segundo. O adjetivo hiperveloz é bem dado.

Hoje já são dezenas delas, todas ejetadas do centro da Via Láctea. A descoberta oferece mais uma confirmação da existência do buraco negro no centro da nossa galáxia. Oferece também um mapa da gravidade em torno da galáxia, especialmente da matéria escura, matéria que não produz a própria luz e não é formada por átomos comuns.

A imagem de estrelas sendo ejetadas a velocidades de milhões de quilômetros por hora nos dá uma noção da incrível violência dos processos que ocorrem no centro da galáxia. Certamente, o centro da Via Láctea é um lugar para observarmos bem de longe.