Dia da Física - 19/05

Em 2005 foi declarado pela UNESCO como Ano  Internacional da Física, em homenagem aos 100 anos das publicações dos artigos revolucionários de Albert Einstein. Em 1905 Einstein publicou o artigo que explicou o efeito fotoelétrico e introduz o conceito do fóton (o quantum de luz), explicou a origem do movimento Browniano (movimento de partículas em suspensão em um líquido), reforçando a hipótese da existência dos átomos, que naquele momento não estava bem estabelecida ainda.  Contudo, os mais famosos foram os artigos que ele apresentou a Teoria da Relatividade Restrita e a equivalência entre massa e energia, a famosa equação  E=mc²

No dia 19 de maio de 2005 a Sociedade Brasileira de Física declarou o dia 19 de maio como o dia da Física, devido ao fato de 19/05 lembrar o ano de 1905.

Parabéns para todos nós físicos !!!!

Mais do que fórmulas matemáticas

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 19/04/2013

A física é um conjunto de conhecimentos que possibilita compreendermos a natureza de uma maneira muito profunda. As teorias e os modelos desenvolvidos ao longo de séculos construíram uma estrutura que permite entender o universo em larga escala – explicando os movimentos de planetas, estrelas e galáxias –, bem como descrever a interação das partículas elementares para a formação de átomos e moléculas.

Essa ousadia de tentar explicar tudo, é claro, tem um preço. A física consegue resolver de maneira exata um certo número de problemas. Outros são solucionados apenas de maneira aproximada. Por exemplo, para calcularmos os efeitos gravitacionais entre dois corpos, como a Terra e a Lua, encontramos uma equação geral que descreve o movimento. Entretanto, se considerarmos a ação de um terceiro corpo, como o Sol, a solução não é mais analítica, ou seja, não dispomos mais de uma equação geral. Nesse caso, é necessário fazer uma solução numérica, ou seja, resolver a equação de forma aproximada. Quanto mais aproximações numéricas são feitas, mais preciso é o resultado obtido. Aqui, a limitação é apenas a capacidade computacional de resolver o problema.

A descrição matemática que a física usa leva, muitas vezes, as pessoas a confundi-la com a própria matemática. Como professor, já ouvi diversas vezes de alunos iniciantes que a física era um monte de fórmulas matemáticas. Isso decorre do fato de, infelizmente, a física ser apresentada dessa maneira para os alunos do ensino fundamental e médio, como uma contínua aplicação de fórmulas matemáticas e, na maioria das vezes, sem a contextualização necessária.

Quando lemos um livro ou um texto qualquer, não basta apenas conhecermos o significado de cada palavra isolada. É a partir do conjunto que elas formam frases e expressam ideias. Com um conjunto de ideias é que construímos um certo entendimento de um determinado assunto. Por exemplo, em um poema, cada verso e a ordem em que surgem são importantes para expressar a ideia do poeta. Além disso, cada leitor pode fazer uma interpretação diferente, construindo assim uma nova forma de entendimento, que pode mudar a cada leitura.

Da mesma maneira, a abordagem de um problema físico não é apenas a aplicação de uma determinada equação. Para descrever os fenômenos da natureza, os físicos quase sempre começam pelo problema mais simples, atacando-o da forma mais ampla possível, para só depois resolver os problemas mais complicados de uma forma mais particular.

Sobre molas e pêndulos

Um dos problemas prediletos dos físicos chama-se ‘oscilador harmônico’. Exemplos de osciladores harmônicos simples é o movimento periódico de um objeto preso a uma mola ou um pêndulo. Nesses casos, temos um objeto que se aproxima e se afasta periodicamente da posição de equilíbrio na qual a mola não se encontra nem comprimida nem esticada ou, no caso de um pêndulo, quando a massa não está nem na posição mais alta nem na mais baixa, conforme mostra a figura.

A equação que descreve esse movimento, baseada nas leis de Newton, é facilmente resolvida e explica com grande precisão esse movimento, calculando-se, por exemplo, a frequência da oscilação do corpo.

Para um sistema massa mola, essa frequência depende da razão entre a constante de mola – que por sua vez depende do tipo de material de que ela é feita – e do valor da massa do corpo. Para o pêndulo, se ele oscilar com pequenas amplitudes, essa frequência depende do comprimento do pêndulo e da aceleração da gravidade.

 Por que esse problema, de uma massa pendurada em uma mola ou um pêndulo oscilando, pode ter alguma importância fundamental na física?

É que esse tipo de situação – oscilação periódica – se apresenta em muitas situações físicas. Por exemplo, em alguns circuitos eletrônicos, os movimentos das correntes elétricas se comportam como se fossem osciladores. Os aparelhos de rádio e televisão convencionais captam os sinais emitidos por estações por meio de antenas. Para sintonizarmos em uma estação específica, ajustamos o equipamento de forma que os seus circuitos internos criem oscilações na mesma frequência que a estão recebendo, para amplificar o sinal recebido. Por isso as emissoras de rádio sempre divulgam a frequência na qual elas estão transmitindo. Ou seja, se uma estação de rádio transmite em 100 MHz (cem milhões de Hertz), para captar o sinal é necessário que o aparelho de rádio esteja ajustado na mesma frequência.

Oscilação quântica

Outro problema interessante de se descrever como se fosse um oscilador harmônico é a interação entre átomos ligados entre si formando uma estrutura sólida. Embora as ligações químicas entre átomos ocorram em função da interação da força eletromagnética, em uma primeira aproximação, para poder compreender esse fenômeno, podemos imaginar que os átomos estão ligados entre si por pequenas molas, que fazem com que eles oscilem em torno de uma posição de equilíbrio.

Como se trata da interação entre átomos, a descrição desse fenômeno precisa lançar mão da física quântica. Ao se resolver o problema do ‘oscilador harmônico quântico’, é possível descrever em quais frequências os átomos oscilam e calcular com que energia isso ocorre. O resultado obtido mostra que os átomos nessa situação somente assumem alguns valores de energia proporcionais a constante de Planck, que é a constante fundamental da física quântica. Como consequência, é possível descrever como se comporta a capacidade térmica dos materiais em função da temperatura, que é de fundamental importância para aplicações tecnológicas.

Esse método que a física utiliza, associado a uma descrição matemática precisa, permite que possamos descrever o enredo no qual se desenvolvem os fenômenos físicos. Infelizmente, fenômenos complexos, como a própria vida e o pensamento estão fora do alcance da abordagem da física. Talvez um dia, com o avanço das teorias e dos métodos nessa área, possamos também desvendar esses mistérios e compreender o universo como um todo.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O maravilhoso fenômeno da vida

Coluna Física sem mistério

Ciência Hoje on line

Publicada em 15 de março de 2013

Um dos fenômenos mais maravilhosos que existem é a vida. Qualquer um já se emocionou ao ver o nascimento de uma criança ou de um animal. Nascem pequenos e frágeis, totalmente dependentes, mas depois crescem e se tornam aptos a se reproduzir e dar continuidade à espécie.

Mas como surgiu a vida em nosso planeta? Como essa vida poderá ser preservada, se ao longo do tempo observamos o desaparecimento de inúmeras espécies? Essas são questões extremamente complexas e que não têm respostas definitivas. Também não tenho a pretensão de apresentar qualquer resposta, mas podemos refletir um pouco sobre como a matéria conseguiu se organizar e como a natureza pôde produzir seres tão complexos como nós, que são capazes de pensar sobre isso.

Sabemos que somos feitos de átomos e estes têm uma estrutura nuclear composta por prótons (partículas com carga elétrica positiva) e nêutrons (sem carga elétrica). Ao redor do núcleo estão os elétrons (com carga elétrica negativa), que permitem que os átomos se combinem formando moléculas. Essas combinações geram estruturas que podem ser simples, com apenas dois átomos, como o gás hidrogênio (H₂), ou complexas, com vários átomos, como a molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico), responsável pelo código genético.

Os átomos são forjados no interior das estrelas, por meio do processo de fusão nuclear de átomos de hidrogênio e hélio que elas têm em seu interior. Quando as estrelas atingem determinados estados de evolução, esses átomos são arremessados para o espaço para formar novas estrelas e, em alguns casos, planetas ao seu redor. Em condições muito particulares, esse processo permite o surgimento da vida, como aconteceu na Terra.

Por meio da combinação de átomos, desenvolvemos materiais que não existem na natureza e construimos equipamentos extermamente complexos. Mas nenhum deles, até hoje, conseguiu alcançar o grau de sofisticação das formas de vida que conhecemos.

A quantidade de informações existentes no código genético das espécies mais primitivas é muito superior à de qualquer dispositivo que possamos imaginar. Os diversos equipamentos desenvolvidos são fruto da inteligência humana. Os seres vivos, segundo as evidências científicas que temos, são resultado de inúmeras experiências feitas pela própria natureza ao longo de bilhões de anos.

Energia vital

Para que se consiga organizar algo, necessita-se de energia. Não se produz um equipamento ou estrutura mais complexa sem gasto energético. Em nosso cotidiano, percebemos facilmente que colocar ordem nas coisas é mais trabalhoso do que bagunçá-las.

Para que uma estrutura se organize, não basta qualquer tipo de energia. É necessário que ela tenha certa qualidade ou capacidade para realizar um trabalho útil. Quando ocorre um processo químico ou físico, parte dessa qualidade ou capacidade de realizar trabalho sempre é perdida. Por isso, quanto maior for a complexidade do processo, mais energia ele demanda e mais qualidade ela deve ter. Em toda transformação de energia há um preço a pagar. Invariavelmente parte da energia é transformada em energia com baixa qualidade, como o calor, por exemplo.

Os seres vivos são sistemas termodinâmicos abertos, ou seja, recebem energia do meio externo. Um organismo permanece vivo no seu estado altamente organizado ao importar energia de alta qualidade de fora de si mesmo.

As plantas conseguem se desenvolver a partir da energia captada da luz solar e usada no processo de fotossíntese, que transforma gás carbônico em carboidratos (e utiliza outros elementos também). Um dos subprodutos desse processo é o oxigênio. Os animais, por sua vez, usam as plantas e outros animais como fonte de energia, que é extraída das ligações químicas desses seres durante o processo de digestão. Logo, percebemos que a principal fonte de energia em nosso planeta é o Sol.

Quando privamos um organismo das suas fontes de energia, ele morre e toda a sua estrutura se degrada rapidamente. Isso acontece porque na natureza há uma tendência de todos os sistemas, com o passar do tempo, se desorganizarem.

A ordem e a desordem estão associadas a uma característica fundamental da natureza chamada entropia. A entropia está relacionada à quantidade de informação necessária para caracterizar um sistema. Quanto maior a entropia, mais informações são necessárias para descrevermos o sistema (veja a coluna 'O caos e a ordem').

A manutenção da vida é um embate constante contra a entropia. Desde a concepção, o nosso organismo se desenvolve e fica mais complexo. Partimos de uma única célula e chegamos à fase adulta com trilhões delas, especializadas para determinadas funções. Para alcançar esse estágio, temos que consumir muita energia, pois, quanto mais desordem há no processo, mais informação necessitamos para organizá-lo.

Por exemplo, quando temos um baralho organizado na sequência das cartas e naipes, sabemos que a carta 4 de paus está depois da 3 de paus e antes da 5 de paus. Se as cartas estiverem embaralhadas, pode ser necessário verificar todas as cartas para encontrar a 4 de paus, ou seja, será preciso saber a ordem de muitas cartas antes de encontrar a desejada.

Organização genética

Para que a vida surja, é preciso certo grau de ordem. Não basta simplesmente misturarmos os elementos básicos (proteínas, aminoácidos etc.) e esperarmos que apareça uma forma de vida. São necessárias informações para que cada parte se ordene de maneira adequada. Quem cumpre essa tarefa é a molécula de DNA, que garante também a continuação da vida, ao fazer com que cada nova geração receba as informações do código genético de seus antecessores.

Os DNAs de todas as formas de vida do nosso planeta são formados a partir das mesmas bases nucleicas, embora com graus de sofisticação diferentes. Essa é uma das evidências importantes da evolução. Todos os seres vivos, de alguma maneira, são aparentados, pois compartilham a mesma química fundamental.

A estrutura do DNA começou a ser compreendida em 1953, quando o biólogo britânico Francis Crik (1916-2004) e o biólogo norte-americano James Watson (1928-) mostraram que a molécula de DNA tem a forma de uma dupla hélice, como se fosse uma escada retorcida, em que os ‘corrimãos’ são formados por fosfato e açúcar e os degraus por uma sequência de pares de bases nitrogenadas: a adenina (A), a citosina (C), a timina (T) ou a guanina (G). Além disso, eles descobriram que a adenina só pode se ligar com a timina e que a citosina só pode se ligar com a guanina.

Essa estrutura peculiar permite que a molécula de DNA quebre a ligação entre as bases, se desenrole e faça cópias de si mesma. Como as ligações entre as bases são únicas, novas bases se ligam a cada uma das hélices, permitindo que a molécula de DNA se duplique. Dessa forma, a vida consegue se perpetuar.

Embora seja possível encontrar em nuvens estelares os elementos e alguns tijolos fundamentais da vida, como o carbono, o nitrogênio, o oxigênio e cadeias de aminoácidos, a organização desses elementos que culminou com o surgimento dos seres vivos é, até onde sabemos, um evento isolado. A vida é algo singular e, até o momento, sabemos que ela ocorreu apenas em um único lugar do universo: o nosso planeta. Para ter a completa compreensão desse incrível fenômeno, ainda será preciso superar muitos desafios. Esse é o mistério da vida!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Tempo rei

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 15/02/2013

Tempo Rei! 

Oh Tempo Rei! 

Oh Tempo Rei! 

Transformai 

As velhas formas do viver 

Ensinai-me 

Oh Pai! 

O que eu, ainda não sei 

Mãe Senhora do Perpétuo 

Socorrei!...

(Gilberto Gil)

Os leitores que acompanham os textos desta coluna já devem ter percebido que o tempo é um dos meus assuntos favoritos. Esse é um tema que me fascina há muito tempo (sem falso trocadilho), pois suscita reflexões tanto do ponto de vista da física quanto da filosofia, psicologia, arte, literatura, música e outras tantas disciplinas. 

O tempo, apesar de ter uma medição bem definida, não é de fácil definição nem de universal percepção. Podemos ficar envolvidos com certas atividades nas quais não percebemos o tempo passar. É o que acontece, por exemplo, quando fazemos algo que nos agrada, como uma leitura cativante ou estar na companhia de uma pessoa interessante.

Da mesma maneira, em outras situações, alguns poucos minutos podem nos causar a sensação de que horas se passaram. É o caso de quando fazemos algo maçante ou vivemos um problema angustiante, como ficar preso no elevador.

Como já abordei em outra oportunidade (veja a coluna ‘A invenção do tempo’), marcar o tempo sempre foi uma necessidade humana, pois a nossa vida é determinada por ciclos e a repetição destes foi fundamental para o desenvolvimento da humanidade, em particular da agricultura, nos primórdios da civilização

os dias atuais, controlar o tempo é mais vital (veja a coluna ‘A luta cotidiana contra o tempo’). Praticamente todos nós temos agendas que marcam os nossos compromissos. Os mais conectados, como eu, têm a agenda no telefone celular, para lembrar o início de cada compromisso, seja na hora em que ele vai começar, ou dias antes, como é o caso do aviso para me lembrar que está chegando o dia de enviar uma nova coluna para a Ciência Hoje On-line.

O tempo pode nos parecer abstrato, sem realidade física, apenas uma sucessão de eventos que marcam a sua passagem, como a rotação e translação da Terra e o movimento dos ponteiros dos relógios. Mas o tempo tem uma conexão profunda com aspectos fundamentais da natureza e, ao mesmo tempo, não pode existir sozinho.

A construção de um conceito

A busca pelo entendimento sobre o que seria o tempo vem de épocas antigas. Existe a famosa reflexão feita por Santo Agostinho (354-430) sobre a natureza dessa dimensão: “O que é, por conseguinte, o tempo? Se ninguém me perguntar, eu sei; se o quiser explicar a quem me fizer a pergunta, já não sei. Porém, atrevo-me a declarar, sem receio de contestação, que se nada sobreviesse, não haveria tempo futuro, e se agora nada houvesse, não existiria o tempo presente.”

Essa afirmação mostra a dificuldade em se definir o tempo. Para Santo Agostinho, sua existência está ligada de alguma forma à existência do mundo que nos cerca, de forma que ele não estaria desconectado do próprio universo.

Um dos mais influentes filósofos de todos os tempos, o francês René Descartes (1596-1650), em seus diversos escritos, refletiu acerca do tempo, considerando-o a maneira de conhecer a duração de alguma coisa e, dessa forma, ele estaria apenas em nosso pensamento.

O conceito clássico de tempo como algo de fundamental importância para descrever os fenômenos naturais tem uma das suas primeiras definições na grandiosa obra de Isaac Newton (1642-1727) Principia, que o apresenta como “o tempo absoluto, verdadeiro e matemático, de si próprio, e de sua própria natureza flui igualmente sem consideração por nada externo, e por um outro nome é chamado de duração...”

Newton afirma que o tempo é algo independente, que passa sem sofrer qualquer ação, seja ela humana ou natural. Para ele, o tempo é decorrência de uma sucessão de eventos, como a maioria de nós o percebe. Para medir o tempo, segundo Newton, é necessário medir o movimento, seja a oscilação de um pêndulo ou os movimentos celestes (como a rotação e translação da Terra). Em suas próprias palavras, “todos os movimentos podem ser acelerados ou retardados, mas o progresso verdadeiro ou reproduzível do tempo absoluto não é suscetível a nenhuma mudança”.

ssa forma de compreender o tempo permaneceu inalterada até o começo do século 20. Nessa época estavam consolidados dois pilares importantes da física: a mecânica clássica e o eletromagnetismo. O primeiro, que se baseia principalmente nas ideias de Newton, permite a descrição de inúmeros fenômenos, como o movimento dos planetas. O segundo se sustenta principalmente na teoria eletromagnética desenvolvida por James C. Maxwell (1831-1879), que mostrava por meio de quatro equações fundamentais, entre diversos resultados, que a luz era uma onda eletromagnética.

A relatividade do tempo

Essas teorias apresentavam, porém, certas incompatibilidades, em particular no que tange à descrição de observadores em movimento, ou seja, diferentes observadores perceberiam os fenômenos eletromagnéticos de maneira diferente. Isso significava que ou as equações de Maxwell estavam erradas ou os princípios da mecânica clássica estavam incorretos.

Para resolver esse problema, Albert Einstein (1876-1955), em 1905, publicou um artigo revolucionário, denominado ‘Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento’, no qual apresenta os princípios da teoria da relatividade restrita. Essa teoria tem dois princípios fundamentais. De uma maneira simplificada, eles afirmam que as leis físicas são as mesmas para todos os observadores inerciais (em repouso ou em movimento uniforme) e que a velocidade da luz é invariante para qualquer observador.

Com base nesses princípios, Einstein mostrou que, ao contrário do que Newton defendia, a passagem do tempo depende do movimento. Quanto mais rápido se move, mas lento o tempo passa. Por mais incrível que isso possa parecer, tal resultado foi observado em diversos experimentos científicos e máquinas como os aceleradores de partículas somente funcionam de maneira adequada por serem projetadas em função das previsões da teoria de Einstein.

Posteriormente, em 1915, Einstein estendeu a sua teoria para explicar os fenômenos em referenciais acelerados, o que levou à elaboração da teoria da relatividade geral, que se tornou uma nova teoria para a força da gravidade. Um dos seus resultados relevantes é que a gravidade também afeta a passagem de tempo, de forma que quanto mais perto estamos do centro da Terra, mais devagar ela ocorre.

Algumas das teorias mais modernas elaboradas para descrever a gravidade em nível quântico, como a dos loops gravitacionais, predizem a possibilidade de tanto o espaço quanto o tempo serem discretos. Dessa forma, nenhum instante de tempo poderia ser menor do que uma quantidade na ordem de 10^-34 s (1 dividido por 10 seguido de 33 zeros!). O tempo deixaria de ser algo contínuo para se transformar em algo discreto. Contudo, isso ainda é apenas teoria e não há evidências experimentais para confirmá-la.

O tempo, tão presente nas nossas vidas, é muito enigmático. Sua verdadeira natureza ainda é debatida por filósofos e investigada pelos cientistas. Uma resposta definitiva ainda não foi alcançada. Somente o tempo nos ensinará o seu real significado.  

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O impacto do meteoro na Rússia

Nessa semana houve muita agitação devido a passagem do asteroide 2012 DA14, que passou próximo da Terra, apenas 22 mil quilômetros. Apenas a título de comparação a distância Terra-Lua é na ordem de 380 mil quilômetros e o diâmetro da Terra é 12,5 mil quilômetros, ou seja ele passou apenas duas vezes o diâmetro do nosso planeta. Para se ter uma noção de como ele passou perto, basta lembrar que a órbita que ficam os satélites de comunicação, que permitem as transmissões telefônicas, dados e televisão, fica na ordem de 36 mil quilômetros. Essa foi a primeira vez que um asteroide passou tão perto da Terra desde se começou monitorar esses objetos. O vídeo abaixo mostra bem como aconteceu a passagem.

Mas, sem dúvida, o mais espetacular acontecimento que houve foi a entrada na atmosfera de um meteoro , que, segundo estimativas da Academia Russa de Ciências, tinha cerca de 10 toneladas e 15m de comprimento e entrou na atmosfera terrestre a uma velocidade de 54 mil km/h e deve ter se fragmentado ao uma altura de 50 a 30 km da superfície. Esse evento não teve nada haver com a passagem do asteroide 2012 DA14 e nem com a renuncia do papa Bento XVI (como alguns místicos podem imaginar). 

A energia liberada no processo de fragmentação do meteoro foi enorme. Estima-se que foi cerca de 10 vezes a bomba de Hiroshima.

O vídeo abaixo é um dos muitos que foram feitos com o impacto do meteoro.

De fato, esse meteoro foi uma dos muitos que adentram a nossa atmosfera todos os dias. Devido o seu tamanho houve essa grande liberação de energia, o que provocou os estragos e os feridos na Rússia.

As leis humanas e as da física

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 18/01/2013

A vida em sociedade leva-nos a obedecer regras de convivência. Em qualquer lugar, temos que seguir padrões determinados por critérios morais e de costume ou, em sociedades democráticas, pelos poderes constituídos por seus próprios cidadãos.

Chamamos as regras estabelecidas pelo governo ou por tribunais de ‘leis’, que têm por objetivo controlar e alterar nosso comportamento. Transgredir uma lei leva (quase) sempre a uma consequência, seja ela na forma de uma ação educativa, advertência, multa ou até prisão.

As leis humanas são, assim, definidas por meio de acordos que a própria sociedade estabelece. Dessa forma, algo que é proibido por lei em determinado país, pode não ser em outro.

Quando nos referimos a leis, é comum se mencionar as chamadas ‘leis da física’ ou ‘leis da natureza’. Mas existem, de fato, essas leis? Serão sempre válidas em todos os lugares e em todos os tempos?

Existem muitas leis e muitos princípios que foram elaborados no âmbito da física nas mais diferentes épocas. São famosas as três leis do movimento de Newton; as leis da termodinâmica; os princípios da conservação da energia, momento linear e angular, da relatividade, da invariância da velocidade da luz, entre tantos outros.

Como são muitos, vamos discutir apenas alguns destes para podermos entender melhor o que são essas leis e esses princípios e quais as semelhanças e diferenças entre eles e as leis do ponto de vista jurídico.

Princípios fundamentais

Um dos princípios mais importantes das nossas leis é que todos os cidadãos são iguais perante elas, independentemente de sexo, raça ou religião. Esse princípio é colocado como basilar na nossa Constituição e não pode ser alterado por nenhuma lei que venha a ser proposta.

No caso da física, um dos princípios mais fundamentais de todas as suas teorias é o princípio da conservação da energia. Em todos os processos físicos, químicos e biológicos, observamos que existe uma quantidade que se mantém constante perante todas as transformações, a qual definimos como energia.

Com base nesse princípio, podemos descrever diversos fenômenos físicos. Por exemplo, quando levantamos um objeto de 1 kg do chão a uma altura de 1 metro, o nosso corpo gasta energia (a qual obtemos dos alimentos) para realizar esse deslocamento. A maior parte dessa energia é transferida para o campo gravitacional da Terra, pois quando afastamos um objeto da superfície da Terra temos que vencer a força da gravidade que sempre o atrai. O resto é dissipado na forma de calor e consumido nos próprios processos de transformações que o nosso corpo realiza.

Nesse exemplo, a energia transferida para o campo gravitacional da Terra é da ordem de 10 joules. Joule é a unidade de medida de energia nomeada em homenagem ao físico britânico James Prescott Joule (1818-1889). Se soltarmos o objeto, ele começa a entrar em movimento e a energia que ficou armazenada no campo gravitacional se transforma em energia cinética (energia de movimento). Ele atingirá o solo a uma velocidade de aproximadamente 4,5 m/s ou 16 km/h. Como podemos ter certeza desses resultados?

O que torna válido qualquer princípio físico é a experiência. Em todos os experimentos realizados até hoje, a energia sempre se conserva. Ela se transforma de diferentes maneiras, mas seu valor total nunca se altera.

Da mesma forma que o princípio da igualdade contido na Constituição brasileira levou à formulação de diversas leis para garantir os direitos das pessoas, o princípio da conservação da energia permitiu que se fossem desenvolvidas inúmeras leis da física.

Uma delas é a primeira lei da termodinâmica, a qual afirma que a variação da energia em um corpo é igual a quantidade de calor que cede (ou recebe) mais (ou menos) o trabalho sobre ele (ou por ele realizado). A partir dessa lei, podemos explicar inúmeros fenômenos físicos e também desenvolver diversas tecnologias. Entre elas está a ideia de máquinas térmicas, sejam elas movidas por energia de origem química, elétrica ou nuclear.

A primeira lei da termodinâmica foi elaborada pelo físico e matemático alemão Rudolf Clausius (1822-1888) e por William Thomson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Sua formulação decorre dos experimentos e interpretações realizados não apenas por esses pesquisadores, mas por muitos outros.

Regulamentar x descrever

Na física, uma lei está necessariamente relacionada à forma que descrevemos determinado fenômeno. Por exemplo, a segunda lei de Newton, que relaciona a variação da quantidade de movimento de um corpo com a força resultante a ele aplicada, tem um certo limite de validade. Embora essa lei seja válida para encontrar a equação de movimento de corpos que vão desde um grão de areia a automóveis, aviões e até naves espaciais, quando ela é aplicada na escala atômica, os resultados previstos não são corretos, divergindo fortemente dos experimentos. Nessa escala muito pequena, as leis que descrevem os fenômenos são as leis da mecânica quântica.

Na mecânica quântica há uma grande mudança de paradigma, no qual não faz mais sentido descrever um evento físico em termos de uma equação de movimento. Os objetos na escala atômica – como elétrons, prótons e nêutrons – têm simultaneamente comportamento de partícula e de onda (veja a coluna 'Uma estranha forma de ver o mundo').

As leis da física não podem ser revogadas, como acontecem nas leis jurídicas. Podemos encontrar situações na qual elas não são mais válidas, o que leva a proposição de novas leis. Essa nova lei deve descrever novos fenômenos e, em alguns casos, até prever outros que ainda não foram observados. Contudo, ela também deve descrever com mais precisão os fenômenos que eram anteriormente descritos pela teoria anterior.

É como o caso citado da mecânica quântica em relação às leis de Newton. Descrever o movimento de um automóvel pelas leis da mecânica quântica é possível, mas exige um grau de complexidade tão grande que não vale a pena, pois a teoria newtoniana obtém resultados muito bons.

Enquanto as leis jurídicas são criadas pelo homem para regulamentar o nosso comportamento em sociedade, as leis da física não regulam os fenômenos, apenas os descrevem. Quando surgem novas situações, se for vontade da sociedade, podemos modificar as leis. No caso do surgimento de novos fenômenos físicos, temos que criar novas leis para descrevê-los, mas essa nova lei deve dar conta também dos fenômenos descritos pela teoria anterior. E assim vamos tentando compreender a natureza.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

E o mundo não se acabou!

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on line
Publicada em 21/12/2012

Há três anos, em novembro de 2009, escrevi uma coluna sobre as possibilidades do fim do mundo – ‘Quando será o fim do mundo?’. A motivação era o lançamento do filme2012, que descreve o fim do mundo acarretado por fenômenos ocorridos no Sol. No enredo do filme, um aumento na produção de neutrinos elevou a temperatura do núcleo da Terra, provocando enormes terremotos, maremotos e movimento dos continentes, que, por sua vez, levaram à destruição de grandes cidades, inclusive o Rio de Janeiro – em uma cena forte, o Cristo Redentor é completamente destruído.

Uma das grandes motivações do filme foi a descoberta de um calendário maia que indica o fim de um ciclo de 5.125 anos e a suposta possibilidade de o término desse ciclo estar associado a uma destruição catastrófica do nosso planeta, que iniciaria uma nova era. O dia exato do fim desse ciclo seria o dia 21 de dezembro de 2012 (a data exata em que esta coluna está sendo publicada!).

Contudo, se você está lendo este texto, é porque o mundo de fato não acabou. O Sol continua brilhando da mesma maneira que os últimos bilhões de anos e deve continuar assim pelo menos pelos próximos 5 bilhões.

O evento astronômico importante que está ocorrendo nesta data é o início do solstício de verão, que se inicia às 8 horas e 12 minutos (no horário de Brasília). A palavra solstício significa ‘sol parado’ e foi escolhida porque, nesse dia, o astro-rei nasce na posição mais ao sul. Depois, a cada dia, sua nascente começa a se deslocar até que, em 20 de março, chega exatamente no leste, dando início ao outono.

Durante o verão no hemisfério sul, essa parte do globo fica mais iluminada pelo Sol e por isso, nessa estação, temos os dias mais longos, as noites mais curtas e períodos mais quentes. O verão e as demais estações do ano ocorrem em função de o eixo de rotação da Terra estar inclinado em cerca de 23 graus em relação a uma reta perpendicular ao plano de órbita do nosso planeta, e não por ele se aproximar do Sol, como o senso comum alguma vezes supõe.

Vilões na ficção, inofensivos na realidade

O grande vilão do filme 2012, que provoca o fim do nosso mundo, são os neutrinos. Nesse momento, mais de 100 bilhões de neutrinos estão atravessando o seu corpo. Mas não se preocupe. Os neutrinos são partículas subatômicas inofensivas. Existem três tipos deles: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau.

O neutrino do elétron foi proposto teoricamente pelo físico alemão Wolfgang Pauli (1900-1958) em 1930, para poder explicar um fenômeno conhecido como decaimento beta, no qual um nêutron se transforma em um elétron (que tem carga elétrica negativa), um pósitron (partícula com mesma massa do elétron, mas com carga elétrica positiva) e um antineutrino do elétron (antipartícula do neutrino). Ele foi efetivamente observado em 1956. Os neutrinos dos múon e tau estão associados a essas partículas subatômicas e foram descobertos em experimentos realizados em grandes aceleradores de partículas.

O neutrino não possui carga elétrica e não se tem certeza do valor exato de sua massa, mas medidas indiretas sugerem que esta seja centenas de vezes menor que a massa do elétron. Ele interage com outras partículas somente por meio da força gravitacional e da nuclear fraca (duas das quatro interações fundamentais da natureza, ao lado da eletromagnética e da nuclear forte). É a segunda partícula mais abundante do universo, sendo a primeira o fóton, partícula da radiação eletromagnética, em particular a luz visível.

Os neutrinos podem ser produzidos em reatores nucleares, pelo processo de fissão nuclear, e no interior das estrelas, por processos de fusão nuclear – como acontece com o Sol. Há produção de grandes quantidades de neutrinos quando ocorre um evento astronômico chamado supernova.

Uma supernova é quando uma estrela com dezenas de vezes a massa do Sol chega ao seu ciclo final de vida e ‘explode’. Durante esse evento, uma estrela pode brilhar por meses mais do que uma galáxia inteira, ou seja, mais do que centenas de bilhões de estrelas juntas.

Se ocorresse a explosão de uma supernova nas vizinhanças do sistema solar, com certeza o nosso planeta correria riscos, pois, além dos inofensivos neutrinos, que não causariam nenhum mal a nós, grande parte da radiação produzida nesse fenômeno estaria na faixa dos raios gama, estes com energia muito alta, capaz de causar a destruição de todas as formas de vida na Terra. Contudo, nenhuma estrela vizinha a nós, na escala de centenas de anos-luz, corre o risco de se transformar em supernova nos próximos milhões de anos.

Curiosamente, os neutrinos estiveram em cena no ano de 2011, quando um grupo de cientistas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), na Suíça, e do Laboratório Nacional de Gran Sasso, na Itália, anunciaram que tinham medido neutrinos que viajaram mais rápido do que a luz.

Esse resultado, se fosse correto, teria abalado um dos pilares da física, a teoria da relatividade de Einstein, e muito do que sabemos deveria ser revisto. Contudo, meses depois foi verificado que havia um mau contato em um dos sistemas de detecção, o que gerou um erro na medida do tempo de voo dos neutrinos, induzindo a um resultado errôneo. (veja a coluna ‘Quem está correto, Dr. Einstein?’).

Ameaças remotas x preocupações reais

No Cern, temos o LHC (sigla, em inglês, de Grande Colisor de Hádrons), que também causou comoção quando foi inaugurado, pois algumas pessoas imaginaram que ele poderia produzir um buraco negro e engolir toda a Terra.

Os buracos negros são um dos estágios finais de vida de grandes estrelas e podem surgir como o resto de uma supernova. Nesse caso, a densidade de matéria é tão grande e a força gravitacional fica tão intensa que nem a luz é capaz de escapar dela (daí o nome de buraco negro).

Existem previsões teóricas de que poderiam surgir buracos negros microscópicos em condições de altas energias, mas eles evaporariam em questão de nanossegundos. Além disso, embora o LHC tenha atingido níveis de energia nunca antes observados, estes são muito pequenos quando comparados aos raios cósmicos que atingem continuamente a nossa atmosfera. Ou seja, se fosse possível surgir esses miniburacos negros, com certeza eles não durariam o suficiente para crescer e engolir o nosso planeta.

Os receios e temores com relação ao fim do mundo sempre existiram na cultura e nas religiões de diversos povos em todas as épocas da história. Como habitantes de um imenso universo, de fato estamos sujeitos a cataclismos que podem destruir a vida na Terra (como já houve em um passado distante). Contudo, na época em que vivemos, é mais fácil o homem danificar o meio ambiente de uma forma irreversível ou entrar em uma louca guerra nuclear que torne o nosso planeta inabitável do que um evento astronômico destruir o nosso planeta. Este, sim, deve ser o nosso maior temor.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Ficção e realidade no espaço

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 16/11/2012

Quando eu ainda era um garoto, na década de 1970, um dos programas de televisão de que eu mais gostava era uma série sobre ficção científica e viagens espaciais chamadaPerdidos no espaço. Ela foi produzida em meados dos anos 1960, mas, naquela época, era novidade aqui no Brasil.

Perdidos no espaço tratava das aventuras de uma família norte-americana – a família Robinson –, um robô (que se tornou um dos personagens mais queridos da série) e o piloto de uma espaçonave (Júpiter 2), que os conduzia pelo espaço em busca de novos planetas. Era necessário encontrar novos mundos que pudéssemos habitar, por causa da superpopulação da Terra no final do século 20.

Devido à sabotagem de um espião (Dr. Smith) que invadiu a nave em seu lançamento – e ficou preso nela –, Júpiter 2 nunca chegou ao seu destino, mas acabou encontrando outros mundos. O garoto Will Robinson, Dr. Smith e o robô foram os melhores personagens da série, que teve três temporadas.

No programa, o lançamento fictício da espaçonave que ficaria ‘perdida no espaço’ ocorreu no dia 16 de outubro de 1997, com destino ao sistema estelar Alfa Centauri, o mais próximo da Terra, a pouco mais de 4 anos-luz de distância (um ano-luz representa a distância que a luz percorre em um ano e equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros).

O sistema Alfa Centauri possui três estrelas. Alfa Centauri A é cerca de 23% maior que o Sol e semelhante a ele. Alfa Centauri B é uma estrela com raio 14% menor que o da primeira e tem cor alaranjada. Finalmente, Alfa Centauri C, também conhecida como Proxima Centauri, é uma estrela tipo anã-vermelha, muito pouco brilhante e com diâmetro de apenas 1,5 vezes o de Júpiter.

Alfa Centauri C está a 4,2 anos-luz da Terra, enquanto Alfa Centauri A e B estão a 4,4 anos-luz. As três estrelas orbitam em torno de uma posição que chamamos de ‘centro de massa’ do sistema. As duas estrelas maiores completam uma translação ao redor desse ponto a cada 80 anos e estão distantes entre si aproximadamente 1,67 bilhões de quilômetros, o que equivale à distância entre o Sol e Saturno. Alfa Centauri C gasta mais de um milhão de anos para completar a sua órbita e está a 2,2 trilhões de quilômetros (0,24 ano-luz) da dupla principal.

Olhando da Terra, Alfa Centauri é a estrela mais brilhante da constelação do Centauro. Para encontrá-la, basta procurar bem próximo da constelação do Cruzeiro do Sul. Alfa Centauri é a terceira estrela mais brilhante do nosso céu. É possível observar a dupla Alfa Centauri A e B com um pequeno telescópio. Sem dúvida é um belo espetáculo para os amantes da astronomia. Já Alfa Centauri C só pode ser vista por meio de instrumentos mais sofisticados.

Nosso vizinho mais próximo

No último dia 16 de outubro, 15 anos depois do ficcional lançamento de Júpiter 2, foi anunciada a descoberta de um planeta com tamanho semelhante ao da Terra e apenas 13% mais massa que esta orbitando Alfa Centauri B. Contudo, esse planeta está muito próximo da estrela, a apenas 6 milhões de quilômetros dela, e gasta somente 3,2 dias para completar sua órbita. Dessa forma, ele não se encontra na chamada ‘região habitável’, onde há chance de existir água no estado líquido e temperaturas amenas que possam suportar a vida.

Embora o sistema Alfa Centauri seja nosso vizinho próximo – localizado praticamente no mesmo quarteirão –, enviar uma sonda espacial ou chegar pessoalmente até lá está muito além das nossas possibilidades tecnológicas. Na série Perdidos no espaço, a família Robinson levaria cinco anos para realizar a viagem, se deslocando a uma velocidade próxima à da luz. Durante esse período, eles estariam em um estado de hibernação.

Talvez a hibernação seja a maneira de conseguirmos, em um futuro próximo, realizar essas viagens interestelares. Mas, com a tecnologia atual, levaria dezenas de milhares de anos para percorrermos a distância que nos separa de Alfa Centauri.

Se viajássemos com velocidade próxima à da luz, como faria a nave Júpiter 2, a viagem não levaria de fato cinco anos para os tripulantes da nave. Nesse caso, poderíamos ter efeitos bem interessantes.

Espaço e tempo relativos

Albert Einstein (1879-1955), ao desenvolver a teoria da relatividade, mostrou que a velocidade da luz é a velocidade limite do universo e que o espaço e o tempo são relativos ao nosso movimento. Ao viajarmos com velocidade próxima à da luz, o tempo passa de uma forma mais lenta. Esse é o fenômeno da dilatação temporal.

Embora ainda não tenhamos construído espaçonaves que viajem nessa velocidade, esse efeito é observado em experimentos realizados em aceleradores de partículas, nos quais prótons e elétrons, por exemplo, são acelerados a essa incrível velocidade.

Algumas partículas elementares têm um tempo de vida muito curto antes de se desintegrarem em outras. Quando estão viajando em velocidades próximas à da luz, elas ‘vivem mais’. Por exemplo: quando uma partícula elementar chamada muon (que tem cerca de 200 vezes a massa do elétron) está em repouso em relação a um observador, ela tem um tempo de vida de 2,2 milionésimos de segundo. Quando está viajando a 99,94% da velocidade da luz em relação a esse mesmo observador, ela permanece estável por 64 milionésimos de segundo. Contudo, para a partícula, passaram-se os mesmos 2,2 milionésimos de segundo.

Se enviássemos uma espaçonave para Alfa Centauri a uma velocidade de 99,9% da velocidade da luz, para quem fica na Terra a viagem demorará um pouco mais de quatro anos, afinal, a estrela está a 4 anos-luz de distância. Mas, para quem está na espaçonave, a viagem demoraria pouco mais de dois meses. Como isso é possível?

Associado ao efeito de dilatação temporal, existe o efeito de contração do espaço. Quem está na espaçonave, viajando em velocidade constante, tem a sensação de que está em repouso e todo o resto está se movendo em sua direção. Temos percepção semelhante quando viajamos por uma estrada reta com o automóvel mantendo sempre a mesma velocidade. Parece que são as árvores, os postes etc. que se movem e nós estamos parados.

De acordo com a teoria da relatividade, se nos movêssemos em velocidades próximas à da luz, teríamos a sensação de estar em repouso e de que todo o universo está se aproximando de nós. E, de fato, o espaço percorrido seria mais curto. Isso acontece porque o espaço e o tempo estão interligados, formando um contínuo ‘espaço-tempo’. Portanto, uma dilatação do tempo corresponde a uma contração do espaço na direção em que estamos nos movendo.

No caso da viagem para Alfa Centauri que imaginamos acima, teríamos percorrido apenas a distância de pouco mais de 2 meses-luz, ou aproximadamente 1,7 trilhões de quilômetros, e não os mais de 40 trilhões de quilômetros que separa Alfa Centauri da Terra.

Mas ainda demorará muito para conseguirmos fazer nossa primeira visita ao planeta recém-descoberto em Alfa Centauri. Por enquanto, resta-nos apenas espiar de longe e usar a imaginação.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

A Física Quântica e o Nobel

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 19/10/2012

Todos os anos, no começo do mês de outubro, cria-se no meio científico muita expectativa em relação ao anúncio dos ganhadores do prêmio Nobel. Esse prêmio é considerado uma das mais importantes honrarias para os cientistas – embora também seja concedido para as áreas de literatura e paz, que não estão associadas à investigação científica.

Com relação ao prêmio de física de 2012, até brinquei com os meus alunos que eu não tinha recebido nenhum telefonema da Academia Real Sueca de Ciências – instituição responsável pela escolha – e teria que esperar o próximo ano. Eu sei que é altamente improvável que eu receba esse telefonema, mas sem dúvida todo físico um dia sonhou em ganhar tal honraria.

O primeiro laureado com o prêmio Nobel de Física, em 1901, foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), pela descoberta dos raios X, uma radiação eletromagnética com comprimento de onda da ordem de um décimo de nanômetro (um nanômetro equivale a um bilionésimo de um metro) e que pode ser utilizada para o estudo das estruturas atômicas e a realização de imagens do interior do corpo humano – aplicação bem conhecida.

Neste ano, o prêmio foi dado ao pesquisador francês Serge Haroche e ao norte-americano David J. Wineland pela criação de “métodos experimentais que permitem medir e manipular sistemas quânticos individuais”. É mais um prêmio concedido ao desenvolvimento de um dos pilares da física: a física quântica.

Esse ramo da física começou a ser desenvolvido no início do século 20, quando novas descobertas começaram a mostrar que os conceitos da física clássica (a mecânica newtoniana, o eletromagnetismo e a termodinâmica) não conseguiam explicar alguns resultados experimentais observados.

Um exemplo foi a teoria proposta em 1899 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) para explicar o comportamento da radiação emitida por um corpo negro. Um corpo negro ideal é um corpo que absorve toda a radiação incidente sobre ele e, depois de aquecido, emite radiação com determinada característica. Se fossem utilizados o eletromagnetismo e a termodinâmica conhecidos na época para explicar esse comportamento, surgia uma discordância entre os conceitos teóricos e os resultados experimentais.

Planck então deduziu uma fórmula que descrevia os resultados experimentais. Para obtê-la, ele introduziu o conceito de que a energia em um corpo negro somente poderia ser absorvida na forma de valores discretos, em ‘pacotes’ – ou quanta, termo em latim que acabou batizando o ramo da física que nascia ali.

O físico propôs que a energia era resultado da multiplicação da frequência da radiação por uma determinada constante, que posteriormente foi batizada com seu nome (constante de Planck) e é igual a 6,62 x 10^-34 J.s (onde J = joule, unidade de energia; s = segundo). Esse é considerado o marco do início da física quântica. Por essa descoberta e outras contribuições, Planck recebeu o Nobel de Física em 1918.

Novos conceitos

No século 20, ocorreram os principais desenvolvimentos no campo teórico da física quântica. A grande maioria dos prêmios Nobel de Física naquele século foi dada a avanços tanto na teoria como em experimentos e aplicações desse ramo da física.

Um dos conceitos introduzidos pela física quântica que tiveram impacto profundo na nossa compreensão da natureza foi o princípio da incerteza (ou princípio da indeterminação), proposto pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976) em 1927. Esse princípio introduziu a ideia de que é impossível conhecer com absoluta certeza simultaneamente a posição e a quantidade de movimento de uma partícula.

Esse princípio também limita nossa percepção em relação ao tempo e à energia de uma partícula. Essa limitação não é tecnológica, mas sim uma imposição da natureza e faz parte da essência do mundo em escala atômica.

Heisenberg não apenas desenvolveu esse princípio, mas também uma nova teoria para explicar o comportamento dos entes atômicos que ficou conhecida como mecânica quântica matricial. Nessa teoria, as propriedades das partículas são descritas por matrizes e podem ser calculadas pela realização de operações entre essas matrizes. Por essas contribuições, ele foi laureado com o Nobel de Física em 1932.

No ano seguinte, a Fundação Nobel concedeu o prêmio para o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) e o físico britânico Paul Dirac (1902-1984) por desenvolvimentos de novas versões da teoria quântica. Schrödinger formulou uma teoria ondulatória para explicar o comportamento dos entes quânticos e Dirac mostrou que tanto a teoria de Schödinger quanto a de Heisenberg eram equivalentes, ou seja, levavam aos mesmos resultados. Dirac também ampliou essas teorias, ao incorporar os conceitos da teoria da relatividade restrita de Einstein, e criou uma versão relativística da física quântica.

Física quântica aplicada

Descobridores de aplicações dos princípios da física quântica também receberam vários prêmios Nobel de Física. Um deles foi concedido em 1964 aos físicos russos Nicolay Basov (1922-2001) e Alexander Prokhorov (1916-2002), por seus trabalhos fundamentais que permitiram o desenvolvimento do laser (fonte de luz com comprimento de onda bem definido). As aplicações do laser são inúmeras, desde a utilização na leitura de CDs e DVDs até a realização de cirurgias e o tratamento de doenças.

No caso do prêmio Nobel de Física deste ano, os ganhadores, trabalhando de maneira independente, desenvolveram técnicas que permitiram isolar partículas e observar seu comportamento individual.

David J. Wineland desenvolveu uma armadilha para prender íons (átomos eletricamente carregados) em campos elétricos e conseguiu deixar essas partículas no seu nível mais baixo de energia, o que permitiu a observação de seus efeitos quânticos. Já o francês Serge Haroche aprisionou fótons dentro de uma pequena cavidade entre dois espelhos e conseguiu obter a reflexão de apenas um único fóton antes que ele fosse absorvido pelos próprios espelhos.

Ganhar o prêmio Nobel de Física é apenas para poucos pesquisadores e é um reconhecimento da importância da descoberta por eles realizada. Claro que muitas vezes se discute a relevância do feito e se o trabalho de outro pesquisador que também contribuiu para a descoberta foi desconsiderado. Mas o fato é que o cientista que ganha o prêmio Nobel deixa seu nome marcado na história.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Ser ou não ser físico, eis a questão!

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 21/09/2012

Com o início do segundo semestre escolar, para muitos estudantes que estão concluindo o ensino médio ou para aqueles que estão fazendo cursinhos pré-vestibular, começa a angústia com a proximidade das provas dos vestibulares e do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), a porta de entrada para grande parte das universidades federais brasileiras.

Devido aos artigos que escrevo para esta coluna (creio eu), muitas pessoas me escrevem perguntando sobre física, mas também muitos estudantes me questionam sobre a carreira de físico, querendo saber em que e onde poderão trabalhar, quais as oportunidades de trabalho em empresas e qual universidade eles devem procurar para fazer esse curso.

Curiosamente, alguns estudantes estão procurando argumentos para convencer seus pais sobre essa escolha. Para muitas pessoas, trabalhar com física se limita a ser professor no ensino médio. Como a carreira de professor não é uma das mais bem remuneradas, é natural que os pais fiquem preocupados com a escolha dos filhos para exercer tal profissão.

A física é uma ciência fascinante. Com a proposta de tentar compreender o mundo ao nosso redor na sua forma mais íntima, a física se baseia em modelos e teorias fundamentais que explicam desde a estranha natureza dos entes subatômicos até a complexidade das galáxias e a expansão do universo, passando pela compreensão de fenômenos cotidianos, como o movimento dos objetos, o congelamento da água, o azul do céu, as cores do arco-íris e a brancura das nuvens.

Além disso, eletrônica, computação, telecomunicações, naves espaciais, entre outras tecnologias, somente foram possíveis a partir da compreensão que a física construiu sobre as propriedades da matéria e da energia.

Contudo, para muitos estudantes, talvez ela seja a disciplina de maior dificuldade nas provas dos vestibulares e do Enem. A física, pela sua forma particular de compreender a natureza e pela necessidade de utilizar a linguagem matemática – outra grande barreira para a maioria dos estudantes brasileiros –, talvez seja uma disciplina que assuste. Além disso, como em todas as disciplinas, há uma grande carência de bons professores de física no ensino médio, e também no superior.

Modelos de físicos

O físico mais famoso de todos os tempos é, sem dúvida, Albert Einstein (1879-1955). Com seu jeito meio desligado, cabelos espetados e roupas desalinhadas – Einstein tinha muitos paletós iguais para não perder tempo escolhendo-os –, acabou criando um estereótipo tipo ‘cientista maluco’. Mas suas contribuições para a física colocam-no, de fato, como um dos maiores de todos os tempos (se não for o maior).

Contudo, para muitos jovens estudantes, talvez surjam como exemplos de físicos os personagens Sheldon e Leonard, da série de televisão The Big-Bang Theory. Na série, vemos esses dois físicos – além de um astrofísico e um engenheiro – comportarem-se como ’nerds’. Embora a grande maioria dos físicos não seja ‘nerd’ como Sheldon e Leonard, é interessante discutirmos um pouco cada personagem para compreender melhor o trabalho dos físicos.

Sheldon é um físico teórico, ou seja, um físico que normalmente trabalha com teorias fundamentais, por meio da realização de cálculos matemáticos sofisticados e normalmente necessita usar grandes computadores. Algumas das teorias com que esses físicos trabalham ainda não foram verificadas experimentalmente. No seriado, algumas vezes, Sheldon se refere à teoria de supercordas, uma teoria que poderá unificar os dois pilares fundamentais da física, a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral.

A primeira descreve as estruturas menores da matéria a partir de três das quatro interações fundamentais: força nuclear forte, força nuclear fraca e a força eletromagnética. A segunda é a teoria fundamental da gravitação, que consegue descrever com grande precisão os movimentos dos planetas, estrelas, galáxias e a própria expansão do universo.

Essas teorias, porém, não podem ser aplicadas de maneira conjunta, pois levam a resultados contraditórios. Nesse aspecto, a teoria de supercordas propõe que os entes fundamentais da natureza sejam ‘cordas’ de energia vibrando com diferentes frequências em 11 dimensões. Alguns propõem que ela poderia ser uma alternativa às teorias atuais. Contudo, ela ainda não foi verificada experimentalmente.

Para verificar teorias e tentar descobrir novos fenômenos, entra em cena o físico experimental – no caso, Leonard, que utiliza lasers para estudar comportamentos fundamentais da matéria. 

Um físico experimental trabalha em laboratórios nos quais realiza experimentos para tentar compreender a natureza. Algumas vezes, necessita de enormes equipamentos, como as máquinas de luz síncrotron. Estas produzem raios X em alta intensidade para estudar a estrutura da matéria. Outro exemplo é o LHC, – o Grande Colisor de Hádrons –, que provoca a colisão de prótons com antiprótons para criar novas partículas elementares.

Entretanto, a maioria dos físicos experimentais trabalha em laboratórios menores, nas universidades ou em institutos de pesquisa, realizando experimentos cotidianamente, como é meu caso, que estudo magnetismo e materiais magnéticos.

Em meu laboratório, para compreender as propriedades magnéticas dos materiais, costumamos utilizar equipamentos muito sensíveis, capazes de detectar os campos magnéticos gerados por até algumas camadas de átomos – que podem ser 1 trilhão de vezes menor que o campo magnético da Terra. 

Realizamos também experimentos em temperatura próxima ao zero absoluto (-273 oC), passamos corrente elétrica, incidimos luz, entre outras coisas, tudo para descobrir como os materiais reagem e tentar compreender os mecanismos físicos que estão ocorrendo. 

Forte formação e grande satisfação

Tanto os físicos teóricos como os experimentais precisam ter uma forte formação em física e matemática. Embora os teóricos dominem os métodos de cálculo sofisticados, eles também têm que conhecer como funcionam os experimentos para compreender os resultados experimentais que podem validar ou não uma teoria por ele desenvolvida.

O físico experimental também tem que conhecer as teorias relacionadas aos problemas que estuda para poder planejar experimentos e obter os resultados esperados.

As áreas nas quais os físicos podem atuar são diversas. Temos físicos trabalhando em campos como materiais, biofísica, medicina, metrologia, agricultura, energia nuclear, mercado financeiro, indústrias, entre outros.

No entanto, ainda existem poucos físicos trabalhando em indústrias. Para aproximar mais esses dois atores, há 12 anos surgiu o primeiro curso de engenharia física no Brasil, na minha universidade, a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Várias turmas de engenheiros físicos já se formaram e a grande maioria conseguiu boas posições e trabalha em diversas empresas dos mais variados ramos.

Finalmente, outro campo de atuação importante do físico é o ensino de física, de fundamental importância para o Brasil. Existe um déficit imenso de professores dessa disciplina, da ordem de quase 100 mil professores. Esses profissionais são fundamentais para formar os estudantes do ensino médio com bom conhecimento em física, que, por sua vez, são essenciais a todas as profissões da área de exatas e tecnológicas.

Cabe mencionar que está tramitando no Congresso Nacional o projeto de lei que regulamenta a profissão de físico. O texto foi aprovado esta semana na Câmara dos Deputados e encaminhado ao Senado. Com a promulgação da lei, os físicos terão suas atividades mais valorizadas e bem definidas no mercado de trabalho.

Enfim, ser físico é uma escolha difícil e requer muita dedicação, não somente na formação, mas também no trabalho. Para ser um pesquisador, além do curso, é necessário fazer também um mestrado e um doutorado. O importante é escolhermos algo que nos dê satisfação e nos mantenha sempre progredindo.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos