Os segredos que o frio esconde

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
16/05/2008

Durante esta época do ano, em maio e junho, quando já passamos do meio do outono e com o inverno se aproximando, algumas regiões do Brasil começam a apresentar com mais freqüência temperaturas mais baixas que as de outras épocas do ano, principalmente os estados do Sul e Sudeste. Essa mudança do tempo, devida à ocorrência das estações do ano, está associada ao movimento translação que a Terra realiza ao redor do Sol.

Como o eixo de rotação da Terra é inclinado cerca de 23 graus em relação a uma reta perpendicular ao plano da sua órbita, o hemisfério Sul nessa época do ano fica menos iluminado do que o Norte. Durante o inverno no Sul, há verão no Norte. Na cidade de São Paulo, podemos observar diferenças de temperatura de quase 25ºC entre o verão e inverno.

Em nosso planeta existem regiões que já apresentaram temperaturas muito baixas, quando comparadas com as que ocorrem no inverno brasileiro. A temperatura mais baixa já registrada (e confirmada) no planeta ocorreu na estação russa Vostok, na Antártica, em 1983, quando o termômetro acusou -89,2ºC.

Quando mencionamos uma determinada temperatura, é preciso especificar em qual escala ela está sendo medida. A escala Celsius, muito comum no Brasil e na Europa, não é utilizada universalmente. Nos Estados Unidos, a escala mais utilizada é a Fahrenheit. Na escala Celsius, a água no nível do mar se congela a zero grau e ferve a 100 graus. Na escala Fahrenheit, os pontos de congelamento e ebulição da água são de 32 e 212 graus, respectivamente.

Entretanto, existe uma escala de temperatura considerada absoluta, pois foi proposta a partir da constatação de que existe um limite mínimo para essa grandeza. A temperatura mínima equivale a zero kelvin, ou -273,15ºC. Além de não existir uma temperatura menor que zero kelvin, esta também nunca pode ser atingida. Existe uma limitação na natureza para que isso ocorra e ela está relacionada com as leis da termodinâmica, em particular com a segunda delas.

Calor e transferência de energia
A primeira lei da termodinâmica expressa a conservação da energia. Ela esclarece que podemos apenas transferir energia para um corpo a partir da realização de um trabalho ou por troca de calor. Vejamos um exemplo. Quando levantamos um copo de vidro a uma altura de um metro, estamos realizando um trabalho para que isso aconteça. A força da gravidade, que tende a atrair todos os corpos, é contrária a esse tipo de movimento e, por isso, quando levantamos o objeto, este acumula energia no campo gravitacional terrestre (chamada de energia potencial gravitacional).

Ao soltarmos o copo, ele entra em movimento em direção ao chão (por causa da gravidade que o atrai) e vai transformando a energia potencial gravitacional em energia cinética (energia de movimento). Ao bater no chão, o copo sofre uma parada brusca do movimento e a energia cinética se dissipa na forma de calor e som e, na grande maioria dos casos, quebrando as ligações das moléculas que o compõem, transformando-o em muitos cacos.

Por outro lado, quando utilizamos uma queima em uma máquina térmica qualquer, como um automóvel ou mesmo nosso próprio corpo, realizamos um processo de transformação da energia química presente nas ligações moleculares em calor. No caso dos automóveis, o combustível reage com o ar, liberando calor e expandindo os gases no interior dos cilindros do motor, proporcionando o movimento de eixos que fazem o carro andar.

No corpo humano, a “queima” acontece no interior das células. O motor celular principal é uma organela chamada mitocôndria, que extrai energia principalmente da glicose (contida nos alimentos que comemos), transformando-a em moléculas de ATP (adenosina trifosfato), que são utilizadas para liberar a energia química em todo o nosso organismo.

Entretanto, embora a energia sempre se conserve nos processos físicos, químicos e biológicos, há sempre uma fração perdida na forma de calor que não é aproveitada, ou seja, apenas uma parte dessa energia pode se transformar em trabalho útil. Nos automóveis, cerca de dois terços da energia liberada da queima de combustível é perdida na forma de calor. No caso do nosso corpo, que é muito mais eficiente, o rendimento é superior a 60%. Por esse motivo, o motor do automóvel funde se não for refrigerado adequadamente e o nosso organismo entra em colapso caso não consiga controlar sua temperatura.

Em busca da máquina ideal
A constatação de que é impossível obter um processo com 100% de eficiência (transformar toda a energia em trabalho útil) foi feita pela primeira vez pelo engenheiro francês Sadi Carnot (1796-1832), que procurava encontrar uma máquina térmica perfeita. Ele conseguiu mostrar que a máquina térmica mais eficiente possível seria aquela que funcionasse sem atrito e dependesse somente da diferença de temperatura entre dois reservatórios térmicos. Essa “máquina ideal”, que na prática só pode ser obtida de maneira aproximada, é chamada de máquina de Carnot.

Dessa forma, uma máquina térmica somente teria 100% de eficiência se a temperatura de um dos reservatórios térmicos fosse 0 kelvin. Como é impossível ter uma máquina com 100% de eficiência, conclui-se que é impossível chegar à temperatura de 0 kelvin!

Em 10 de julho de 1908, há cem anos, o físico holandês Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926) conseguiu pela primeira vez na história atingir a temperatura de 4 kelvin liqüefazendo o gás hélio em Leiden, na Holanda. A partir disso foi possível estudar o comportamento de materiais nessa temperatura tão baixa. Em 1911, Onnes e seus estudantes descobriram que, nessa temperatura, o metal mercúrio não apresentava qualquer resistência à passagem da corrente elétrica. Esse fenômeno posteriormente ficou conhecido como supercondutividade, e sua descoberta rendeu o Nobel de Física a Onnes em 1913.

Além de não oferecer resistência à passagem de corrente, um material supercondutor tem a propriedade de expulsar de seu interior qualquer campo magnético que lhe seja aplicado. Esse efeito foi descoberto em 1933 pelos alemães Walther Meissner (1882-1974) e Robert Ochsenfeld (1901-1993). Posteriormente, foram descobertos muitos outros materiais que exibem o fenômeno da supercondutividade em temperaturas mais altas. O recorde atual é um composto cerâmico consistindo dos elementos tálio, mercúrio, cobre, bário, cálcio e oxigênio que se mantém supercondutor até a temperatura de 138 kelvins, ou seja, -135ºC.

A supercondutividade é atualmente aplicada, por exemplo, nas máquinas de ressonância magnética, na forma de bobinas para gerar altos campos magnéticos que permitem obter imagens das estruturas de órgãos internos como o cérebro. O efeito descoberto por Meissner e Ochsenfeld permite também que ímãs levitem sobre um supercondutor, o que permitiu construir trens-bala que flutuam sobre trilhos e alcançam velocidades superiores a 400 km/h.

Temperaturas extremamente baixas criam condições para a ocorrência de muitos outros fenômenos. Eles não aparecem em temperaturas mais altas porque a agitação térmica é suficiente para impedir a sua manifestação. Descobri-los e aproveitá-los em benefício da humanidade talvez seja uma questão de tempo. Como vemos, o frio pode esconder muitos segredos que ainda não foram revelados.

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A coluna Física sem Mistério é publicada na terceira sexta-feira do mês pelo físico Adilson J. A. de Oliveira, professor da UFSCar

Os biocombustíveis e a fome no mundo

Nos últimos dias muitas notícias circularam em relação ao problema do aumento dos preços dos alimentos em todo mundo. Em particular, muitos organismos internacionais, como a própria ONU, está criticando os países, como o Brasil e os Estados Unidos, por utilizarem áreas agriculturáveis para produzir cana-de-açúcar (Brasil) e milho (EUA) para a produção de biocombustíveis.

Um dos problemas apontados é que o consumo de alimentos tem aumentado em uma proporção maior do que a capacidade de produção. Por exemplo, hoje foi veiculada a notícia que o consumo de arroz excede a atual produção, havendo o risco de mais de 1 bilhão de pessoas ficarem desnutridas.

Nesse sentido, alguns organismos internacionais estão indicando que deveria-se fazer uma moratória na produção biocombustíveis para aumentar a área plantada, principalmente de grãos. Contudo, no Brasil em particular, apenas 2 % da área agriculturável é utilizada na produção de cana-de-açúcar para álcool.

Será que o problema é realmente esse?

Nesse sentido, há um ano atrás lançamos uma edição da Revista de Divulgação Científica ClickCiência sobre os biocombustíveis. Em particular, vejam as reportagens feitas pela competente jornalista Samira Mafrinato que produziu várias edições da ClickCiência.

Matérias primas e subprodutos - sobre biodiesel
Bioinovação - sobre as possibilidades da soja e da cana-de-açúcar

É paradoxal a situação que esse começo de milênio que estamos vivendo. Depois de tantos avanços tecnológicos, podemos voltar a passar fome.

O que devemos ter em mente é que o grande problema é que o nosso padrão de consumo é insuportável para os atuais meios de produção, principalmente os que agridem o ambiente de forma muito nociva. Em entrevista exclusiva para a ClickCiência, o Professor José Goldemberg discute um pouco sobre o problemas de outras alternativas. Vale a pena conferir.

visitem a CLICKCIÊNCIA

O alcance da nossa visão

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
18/04/2008

O ser humano é uma criatura que aprende com a observação. Nossa percepção do mundo se estabelece por meio do contato sensorial. Utilizamos os cinco sentidos para construir uma interpretação da realidade do mundo. De todos eles, aquele em que mais confiamos é a visão. Quando podemos ver alguma coisa, conseguimos compreendê-la melhor; se pudermos apenas ouvir, cheirar, provar ou sentir com o tato, talvez tenhamos uma idéia errada do que se trata.

Aqueles que, por algum motivo, foram privados desse sentido, têm uma percepção diferente do mundo. Isso não quer dizer que ela seja errada – é apenas diferente. Para quem é deficiente visual desde o nascimento, é extremamente difícil imaginar o que seja, por exemplo, uma rosa vermelha. Ele pode sentir a fragrância da flor e até reconhecê-la pelo tato, mas a cor permanecerá um mistério. Ele poderá associar a cor a outras sensações, mas essa característica será apenas uma representação arbitrária para ele.

Da mesma forma, na ciência – e na física, em particular –, quando não conseguimos observar diretamente um objeto ou fenômeno, temos que criar uma representação para entendê-lo. De maneira similar ao cego, imaginamos algo que possa representar aquilo que não podemos observar diretamente. Para confirmar o que de fato estamos observando, precisamos utilizar algum aparelho que vá além da nossa capacidade sensorial.

Um dos equipamentos que podem ampliar o nosso limite de visão é o telescópio. Ao olharmos para o céu noturno, podemos observar milhares de estrelas. Para os nossos olhos, elas são apenas pontos brilhantes incrustados em um véu escuro. Não é à toa que alguns povos antigos acreditavam exatamente nisso.

Só começamos a ter uma idéia mais precisa da natureza desses astros quando, no início do século 17, Galileu Galilei (1564-1642) apontou para o céu uma pequena luneta construída por ele mesmo, com uma lente de apenas alguns centímetros de diâmetro, que lhe permitiu um aumento de 30 vezes. Pode parecer pouco, mas foi um grande passo para ampliar nossos horizontes. Ele descobriu, por exemplo, que Júpiter era rodeado por quatro pequenos pontos luminosos, que foram identificados como luas daquele planeta.

“Grande olho”
Os telescópios e lunetas conseguem ampliar a nossa visão do céu porque funcionam como se fossem um “grande olho”. A pupila do olho humano, quando adaptada ao escuro, se dilata e atinge aproximadamente 7 mm de diâmetro. Os maiores telescópios do mundo têm espelhos com 10 metros de diâmetro, como os que existem no Havaí e nas Ilhas Canárias, na Espanha.

Com uma conta simples, percebemos que esses telescópios têm uma área cerca de dois milhões de vezes maior que a nossa pupila e, portanto, conseguem captar dois milhões de vezes mais luz. Esses gigantescos olhos conseguem observar objetos muito distantes e pouco luminosos. Além disso, eles são capazes de captar a luz de um mesmo objeto ao longo muitas horas, diferentemente dos nossos olhos, que captam por apenas um instante.

Da mesma maneira que não conseguimos enxergar objetos como galáxias distantes sem o auxílio do telescópio, tampouco conseguimos enxergar as coisas muito pequenas. Pessoas com excelente visão conseguem observar objetos com apenas alguns décimos ou centésimos de milímetro. Entretanto, sabemos que existem coisas muito menores.

O microscópio ótico trouxe um grande avanço para o conhecimento de objetos que têm a dimensão de alguns mícrons (daí o nome do aparelho). O físico inglês Rober Hooke (1635-1702), por exemplo, batizou de células as pequenas estruturas que ele observou na cortiça por meio de um microscópio. Posteriormente, ao observar fragmentos de plantas, ele descobriu que as células possuíam núcleo. Os microscópios óticos atuais aumentam a imagem na ordem de mil vezes.

Um grande avanço ocorreu com a invenção do microscópio eletrônico no começo da década de 1930. Esse equipamento não utiliza a luz para gerar as imagens, mas sim elétrons que são emitidos por um filamento e espalhados pela superfície do material. Existem outros tipos de microscópios eletrônicos que utilizam, por exemplo, o chamado efeito túnel, no qual uma ponta com alguns mícrons de espessura passa sobre a superfície do material e, quando um elétron “salta” da superfície para a ponta, produz uma voltagem que permite a construção da imagem.

Escala atômica e subatômica
Os microscópios eletrônicos permitem observar objetos na escala atômica, pois têm uma resolução de ordem nanométrica. Porém, se quisermos observar a matéria em escala ainda menor, podemos recorrer a outras ferramentas, como os raios-X, em particular os que são produzidos em máquinas síncrotron.

Esses equipamentos fazem com que um feixe de elétrons viaje dentro de um grande anel com velocidades próximas à da luz. Quando os elétrons fazem uma curva, parte da sua energia é emitida na forma de radiação. Geralmente, essas máquinas são construídas para que a radiação seja emitida na faixa do raios-X, como é o caso da máquina brasileira que existe no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), localizado em Campinas (SP).

A máquina brasileira tem um anel com o diâmetro de aproximadamente 100 metros. Já o do equipamento usado na Instalação Européia de Radiação Síncrotron (ESRF, na sigla em inglês), em Grenoble, na França, é da ordem de 1 quilômetro. Em ambas as máquinas, é possível conhecer a estrutura dos átomos e moléculas, o que permite entender por que muitos materiais apresentam determinadas propriedades físicas e químicas.

O custo de construção e operação dessas máquinas gigantes é da ordem de milhões de dólares. Ainda assim, elas não permitem olhar na escala mais interna da matéria, ou seja, a das partículas elementares. Para tanto, é preciso utilizar outros tipos de equipamentos, como os aceleradores de partículas. Nessas máquinas, núcleos atômicos são atirados uns contra os outros com quantidades fantásticas de energia.

Esses experimentos já permitiram detectar a presença de mais de uma centena de partículas elementares que somente existem nessas condições extremas. Neste ano, espera-se que o LHC (Grande Colisor de Hádrons, na sigla em inglês) entre em funcionamento. Com essa máquina de 27 quilômetros de circunferência enterrada a mais de 100 metros da superfície, os cientistas esperam responder diversas questões ainda não esclarecidas pelos nossos meios atuais de observação.

Em particular, espera-se que ele lance alguma luz sobre a compreensão da existência da matéria que surgiu no evento do Big-Bang, há cerca de 14 bilhões de anos. De uma maneira que até parece paradoxal, para compreender os confins do universo, precisamos esmiuçar a matéria em sua escala mais ínfima.

Talvez essa busca nunca tenha fim. Cada vez que olhamos para as escalas maiores e menores, sempre descobrimos algo novo. Talvez o horizonte que alcançamos até agora seja muito estreito. Em todo caso, com certeza não é limitada nossa capacidade de procurar olhar para além dos nossos limites humanos.

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A coluna Física sem Mistério é publicada na terceira sexta-feira do mês pelo físico Adilson J. A. de Oliveira, professor da UFSCar

Quem é doutor?

Um artigo de Kenneth Maxwell publicado hoje (03/04) na Folha de S. Paulo me chamou a atenção. Ele conta que na Alemanha, quem não é cidadão alemão, não podia ser chamado de doutor até 2001, devido a uma lei da época do nazismo. Entretanto, a lei foi atualizada apenas para permitir que outros cidadãos da comunidade européia pudessem ter tratamento igual. Ao mesmo tempo, Maxwell informa que nos EUA estão começando a chamar mais as pessoas de doutor, em especial os que estão em cargos públicos, como por exemplo, Kissenger e Condollezza Rice (veja em particular a sua Biografia no site da Casa Branca). O problema são as pessoas que não pertencem a comunidade européia, como americanos, brasileiros, japoneses, pro exemplo, não podem receber esse tratamento, sendo considerado crime.

Comento esse fato aqui pois no Brasil, quem de fato tem o título de doutor dificilmente é chamado de doutor. Há um Decreto Imperial ( DIM ), de 1º de agosto de 1825, pelo Chefe de Governo Dom Pedro Primeiro, deu origem a Lei do Império de 11 de agosto de 1827, que criou os cursos de direito no Brasil e garante esse título ao advogados que exercem a profissão (no caso atual autorizados pela OAB). No caso dos médicos eu não sei a origem do suposto título.

De fato não é valorizado quem tem verdadeiramente o doutorado, ou seja, defendeu uma tese perante uma banca de especialistas e desenvolveu um trabalho de pesquisa inédito, avançando o conhecimento. Curiosamente, apenas três pessoas sempre me chamam de doutor. O meu sogro, que fala na sua humildade com respeito, embora jamais pedi isso para ele (a filha dele também é doutora e ele nunca a chamou assim), o gerente de banco (que ficou impressionado com a placa na porta da minha sala... Prof. Dr. Adilson J. A. de Oliveira) e o dono do posto de combustível (nesse caso particular ele sabe qual é a diferença). Não faço nenhuma questão de ser ou não tratado com o título que consegui com muito esforço, mas acredito que realmente que tem o título deveria ser mais valorizado. Aliás há uma comunidade no orkut somente discutindo isso (Doutor é quem tem doutorado) com mais de 80.000 membros.

O medo do fim do mundo

Hoje é primeiro de abril, o tradicional dia da mentira. Entretanto, algumas pessoas estão realmente com medo do fim do mundo, preocupados com alguns experimentos exóticos podem acarretar a destruição do nosso pequeno mundo azul. Quando estamos próximos dos limites que nem a ficção-científica imaginou, pode realmente aparecer esse tipo de dúvida.

Está noticiado na edição do dia 29 de março no New York Times que em ação judicial apresentada há cerca de 20 dias na vara de Honolulu, Hawai- EUA, Walter Wagner e Luis Sancho tentam impedir que ocorram os experimentos do Grande Colisor de Hádrons (LHC - Large Hadron Collider) que entrará em funcionamento no CERN (sigla em francês do Centro Europeu para Pesquisas Nucleares). Os autores da representação alegam que não foram verificadas as questões de segurança dos experimentos que lá serão realizados. Um dos grandes receios por eles apresentados é que esses experimentos possam produzir um mini-buraco negro e que esse se expanda e consuma o nosso planeta.

De fato, as densidades de energias que serão utilizadas nesse experimento poderão gerar um objeto como esse. Segundo a previsão teórica feita pelo físico inglês Stephen Hawking, em 1974, os mini-buracos negros, se existirem, serão extremamente instáveis e se "evaporariam" em microssegundos. Mas, se Hawking estiver errado? E se esses mini-buracos negros forem estáveis? Será que ele poderia crescer e consumir o nosso planeta? É bom lembrar que as energia envolvidas no LHC é muito menor que a dos raios cósmicos que atingem o nosso planeta o tempo todo, e até agora nenhum buraco negro caiu sobre as nossas cabeças.

Gostaria de colocar duas questões sobre essa situação. Será que a dúvida levantada por Walter Wagner e Luis Sancho é realmente pertinente e cabe uma ação na justiça, mesmo sendo no Hawaii que é bem distante do CERN na Suíça? Será que os cientistas do CERN estão sendo realmente éticos, passando todas as informações a respeito sobre esses experimentos?

Alguns anos atrás Walter Wagner entrou com processo similiar contra o Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, com o mesmo receio. Como se trata de experimentos que estão no limiar do conhecimento, dúvidas podem sempre surgir. Neste aspecto, acho que essa ação pode ser semelhante a que está ocorrendo no Brasil sobre as células tronco. Cabe a cada lado demonstrar os fundamentos de suas teses. No caso do CERN, especialistas mostram que não há perigo. Contudo, os seus pareceres são feitos com base nas teorias que os experimentos vão justamente testar a. Vale a pena lembrar que experimentos são feitos exatamente para isso.

Sobre a segunda questão, se de fato está existindo ética sobre esse assunto eu não consigo ter certeza absoluta. Sabemos que muitas vezes a ânsia por descobrir algos faz com que pulemos algumas etapas. No presente caso, me parece que não estão escondendo nenhuma informação relevante, principalmente por se tratar de um experimento que envolve milhares de pessoas de diferentes países. Seria muito difícil alguma informação ficar oculata por tanto tempo. Entretanto, para a opinião pública em geral pode ficar a sensação que há "algo de podre no mundo da fantasia dos cientistas". Por isso, considero de fundamental importância que os envolvidos no maior experimento científico da história, informem mais claramente o que de fato ocorrerá. Afinal de contas, não se pode ficar em um torre de marfim e esquecer que a brincadeira tão cara como essa está sendo bancada pelo dinheiro público.

Dessa forma, a ignorância tanto daqueles que querem impedir o experimento, como também daqueles que acham que não devem dar importâncias a esses medos, deve ser esclarecida.

A tradução da notícia do NY Times pode ser acessada por assinantes do UOL.

Um edifício milenar

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
21/03/2008

Uma das características que nos distingue da maior parte das demais espécies é, sem dúvida, a nossa capacidade de aprender. Desde a época das cavernas começamos a procurar padrões, ciclos e fenômenos que pudéssemos entender para melhorar nossas chances de sobrevier neste planeta. Um exemplo disso é a compreensão dos fenômenos do dia e da noite, da alternância das estações do ano, do movimento anual do céu etc. Isso permitiu que, por volta de 12 mil anos atrás, o homem deixasse de ser apenas um coletor da natureza para se tornar também um produtor do seu próprio alimento.

A agricultura, que começou nas regiões férteis banhadas por grandes rios como Tigres, Eufrates e Nilo, foi talvez uma das mais importantes invenções da humanidade. Essa técnica não só garantiu à espécie humana uma sobrevivência mais fácil, como também lhe concedeu mais tempo livre para pensar em outras coisas. Com essa disponibilidade, os humanos puderam se dedicar a novas interpretações da natureza. Dentre as várias formas de olhar mundo surgidas desde então, a física é um dos mais bem sucedidos empreendimentos.

A construção dessa edificação milenar começou com a preparação do terreno em uma época que os medos e mitos ainda dominavam a forma de pensar do homem. Os grandes filósofos da época helênica, como Tales de Mileto, Anaximandro, Heráclito e Aristóteles, entre outros, foram os primeiros a tentar aplainar o terreno, entre os séculos 4 e 6 a.C.

Esses pensadores introduziram conceitos que procuravam mostrar que o nosso mundo, e tudo o que existia nele, era feito por elementos fundamentais como terra, água, fogo e ar. O céu, que parecia para eles muito distante, era feito de um elemento especial, o éter. A partir da combinação desses elementos, era possível explicar muitas coisas. Esses esforços, mesmo deixando alguns buracos no terreno, permitiram vislumbrar que era possível realizar a grande obra que ainda estava por vir.

Os alicerces do Renascimento
Entretanto, o estabelecimento dessa construção de maneira mais sólida levaria ainda quase 2 mil anos. O belo edifício da física começou a ter seus alicerces construídos na época do Renascimento, quando a humanidade se libertava das amarras de pensamento impostas por dogmas e preceitos religiosos. O polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) corajosamente colocou os primeiros tijolos, ao estabelecer que a Terra não era o centro do universo, mas sim apenas um planeta como outro qualquer.

O italiano Galileu Galilei (1564-1642), como um hábil “construtor”, organizou conceitos e idéias, testando-as das mais diversas formas, de forma a permitir a compreensão dos movimentos dos corpos terrestres de uma maneira inédita. Ele mostrou que o movimento pode ser eterno, desde que não haja interferência.

Além disso, ele conseguiu olhar mais longe do que qualquer um jamais fizera: com a pequena luneta construída por ele, desvendou que o céu não era perfeito, mas povoado por mundos semelhantes ao nosso. Suas observações mostraram que havia montanhas na Lua e manchas no Sol, e que pequenos corpos (satélites) giravam ao redor de Júpiter. Galileu revelou ainda que havia muito mais estrelas do que os nossos olhos conseguiam enxergar.

Na mesma época de Galileu, um “arquiteto” obstinado por formas geométricas perfeitas, o alemão Johannes Kepler (1571-1630), decifrou os segredos da harmonia celeste. Pela primeira vez, alguém havia construído um modelo matemático para descrever os movimentos planetários, que ainda hoje é válido para qualquer lugar do universo. O que parecia divino podia ser compreendido pelo humano.

Conclusão do primeiro pavimento
Entretanto, o primeiro pavimento do edifício da física somente ficaria completo graças à habilidade do inglês Isaac Newton (1643-1727), que não só conseguiu completar o trabalho de seus antecessores, mas também desenvolveu as ferramentas necessárias para que muitas gerações posteriores continuassem lapidando esse conhecimento.

Com as leis da mecânica, a lei da gravitação universal, o cálculo diferencial e integral, seus estudos sobre óptica e outras contribuições, ele conseguiu, pela primeira vez na história da humanidade, uma construção teórica de alcance universal. Newton unificou a compreensão dos movimentos terrestres e celestiais. Tão sólido é esse conhecimento que, passados mais de 300 anos, ele continua indispensável a todos nós.

Uma vez consolidado, esse primeiro pavimento começou com o passar do tempo a ficar pequeno para abrigar a grande quantidade de novos fenômenos e conceitos que foram descobertos. No século 19, outros hábeis construtores começam a ampliar o edifício da física.

As primeiras reformas começaram com as descobertas da relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos feitas pelo francês André-Marie Ampère, pelo dinamarquês Hans Christian Oersted e pelo inglês Michael Faraday, entre outros. Coube ao escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) dar a pintura final a esse novo cômodo. Ele consolidou a eletricidade e o magnetismo como uma única força da natureza (força eletromagnética) e mostrou que a luz era uma manifestação desse fenômeno. A pintura por ele realizada deu novas cores à física.

Ainda no final do século 19 e no começo do século 20, outros fenômenos físicos precisavam ser abrigados no edifício. Em particular, aqueles que envolviam as propriedades térmicas dos sistemas, que não se enquadravam perfeitamente nas concepções newtonianas. Percebeu-se que era impossível descrever algo tão simples como o ar utilizando as equações de Newton, simplesmente porque essa mistura de gases (ou qualquer outra) possui em condições normais uma quantidade enorme de partículas (da ordem do número de Avogadro – 10²³, ou o número 10 seguido de 23 zeros).

Para tanto, foi preciso introduzir novos conceitos, como a conservação da energia e o aumento da entropia, bem como a mecânica estatística, que descreve essas situações utilizando métodos estatísticos. Nesse caso, os principais articuladores foram o norte-americano Josiah Gibbs (1839-1903) e o austríaco Boltzmann (1844-1906).

Um edifício pronto?
No começo do século 20 existia a impressão de que a física era um edifício pronto. Nas palavras de Lorde Kelvin: “Não há nada de novo a ser descoberto na física agora. Tudo que resta são medidas mais e mais precisas”. Entretanto, novos fatos que surgiram tornaram essencial a construção de novos pavimentos. A teoria da relatividade proposta pelo alemão Albert Einstein (1879-1955) não só expandiu o edifício da física, mas também motivou uma reforma em seus alicerces, em particular nos conceitos de espaço e tempo. Einstein mostrou que ambos são uma única entidade e que dependem particularmente de cada observador. O espaço-tempo é único para cada indivíduo.

Outro pavimento que foi necessário ser erguido é a mecânica quântica, uma obra mais complexa, feita em conjunto por vários construtores ao longo do século 20, dentre os quais o próprio Einstein, o dinamarquês Niels Bohr, o alemão Werner Heisenberg, o austríaco Erwin Schröndiger e o inglês Paul Dirac, entre outros. Esse pavimento também exigiu reformas nas bases de muitos conceitos físicos, como a dualidade partícula x onda, a quantização da energia e da quantidade de movimento e o fato de as leis da natureza serem probabilísticas, e não deterministas. A mecânica quântica teve um impacto tão grande que grande parte da nossa tecnologia atual depende exatamente dela.

O grande edifício da física ainda não está pronto, no entanto. A mecânica quântica e a teoria da relatividade geral são dois pavimentos apoiados em alicerces diferentes, ou seja, não compartilham das mesmas bases teóricas. Ambas incorporaram a mecânica newtoniana a sua forma, mas não são adequadas para descrever completamente a natureza. A primeira descreve o mundo do muito pequeno (em escala atômica), incorporando, em princípio, três das forças fundamentais da natureza – a eletromagnética, a nuclear forte (que mantém o núcleo atômico coeso) e a nuclear fraca (associada com os processos da radioatividade). A segunda é a teoria da gravitação, importante em grandes escalas.

No momento, novos arquitetos e construtores tentam fazer a ponte entre esses dois pavimentos, na esperança de completar a tarefa iniciada séculos atrás. Muitos esforços do ponto de vista teórico (via teoria de supercordas) e experimental (via os experimentos em grandes aceleradores de partículas e a investigação de fenômenos que aconteceram no início do universo) estão sendo feitos. A conclusão dessa obra ainda parece distante. Talvez ainda no século 21 possamos ver o edifício completo. Porém, como toda obra sempre precisará de reformas, manutenções e ampliações, quem sabe ela ainda incorpore outros prédios erguidos pelo próprio homem e, dessa forma, chegue mais perto da verdadeira compreensão da natureza.


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A coluna Física sem Mistério é publicada na terceira sexta-feira do mês pelo físico Adilson J. A. de Oliveira, professor da UFSCar

Algo não está cheirando bem no espaço sideral

Na vigésima edição do volume 420 da revista Nature, publicada hoje, relata a descoberta de metano (CH4) na atmosfera de um planeta extra-solar a 63 anos-luz da Terra. O planeta que leva o simpático nome de HD 189733b, tem aproximadamente a massa de Júpiter mas fica muito mais próximo da estrela. É a primeira vez que é feita essa decteção em um dos 270 planetas extra-solares já conhecidos. A descoberta foi feita por um grupo de astrônomos britânicos e americanos, utilizando o telescópio espacial Hubble.

Algumas formas de vida costumam produzir metano, principalmente nos seus processos de digestão. Infelizmente, não deve ser o caso dessa descoberta, pois neste não há condições para abrigar vida como a conhecemos, pois estima-se que a sua temperatura superficial seja na ordem de 1000 graus Celsius.


A existência de metano é bastante comum nos planetas do sistema solar, em particular nos grandes planetas, como Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Na lua Titã de Saturno, que é envolta por uma densa atmosfera, o metano é um dos seus principais componentes. Tanto que espera-se que lá existam oceanos de metano, devido a sua baixa tempertaura que lá prepondera.

Mas, sem dúvida, esse feito permite mostrar que é possível detectar moléculas orgânicas em planetas distantes. Em particular, espera-se a detecção de oxigênio molecular com um dos indícios para a existência de vida em outros planetas, pois esse é formado a partir dos resultados da fotossíntese das plantas. O oxigênio que respiramos é fruto das plantas direto das plantas.

Mais detalhes nesse endereço no site da Nature

PS. Alterei o texto acima, pois me lembraram que de fato o metano não possui cheiro. Agradeço muito a observação