O maravilhoso fenômeno da vida

Coluna ClickCiência
Publicado em 24 de junho de 2009

Nas manhãs de sábado, em meados da década de 70, quando ainda eu era um garoto, tinha o hábito de sentar na frente da televisão (que era preto e branco e com a imagem cheia de chuviscos) para assistir o meu programa favorito. Quando ouvia a frase: “O espaço... a fronteira final. Estas são as viagens da nave estelar Enterprise ...”, a minha imaginação viajava junto com o capitão Kirk e o senhor Spock, que navegavam pelas estrelas e descobriam novas civilizações no distante século XXIII. O programa era “Jornada nas Estrelas” (Star Trek), que recentemente ressuscitou com um novo filme, mas mantendo o espírito original

A série foi apresentada pela primeira vez na televisão americana em setembro de 1966, em plena época da corrida espacial entre os americanos e os soviéticos. Os roteiristas da série retratavam uma época 300 anos no futuro, onde a humanidade viajava facilmente pelas estrelas, entrando em contato com outras espécies e civilizações. Por enorme coincidência a grande maioria dos alienígenas encontrados pela tripulação da Enterprise tinha a forma e a aparência muito semelhante a dos seres humanos.

A formação dos tijolos básicos da vida
Refletindo um pouco sobre isso, no dias de hoje, me parece que tal semelhança seria uma extraordinária coincidência. Seria conveniente encontrarmos alienígenas muito parecidos com nós. No caso específico da série existiam dificuldades técnicas e financeiras para produzir seres diferentes de nós. Entretanto, do ponto de vista científico, talvez seja muito pouco provável que a vida evolua em outros planetas de maneira tão semelhante a nossa.

As formas de vida mais antigas apareceram por volta de 3,8 bilhões de anos, ou seja, aproximadamente 1 bilhão de anos após a formação da Terra. Devido a circunstâncias particulares da formação do nosso planeta e do sistema solar, como por exemplo, a emissão de radiação do Sol, a distância Terra-Sol, a gravidade terrestre, os elementos que compunham a atmosfera primitiva do nosso planeta etc, permitiram que a vida surgisse. O fato da atmosfera da Terra primitiva ser muito diferente da atual foi um fator importante para que hoje estejamos aqui.

Devido à baixa intensidade do campo gravitacional terrestre (quando comparado com os planetas gigantes dos sistema solar) os elementos leves como o hidrogênio e o hélio escaparam para o espaço, ao contrário do que ocorreu com Júpiter e Saturno que os mantêm até hoje. Dessa forma, a atmosfera primitiva da Terra foi formada por gases liberados do seu interior quente por meio de intensa atividade vulcânica que durou por cerca de 100 milhões de anos. Esse processo fez com que surgisse uma atmosfera rica em moléculas como H2O (água), CO2 (gás carbônico), H2S (gás sulfrídico), CH4 (metano) e NH3 (amônia). Nessa época não existia oxigênio molecular (O2). Caso existisse, ele impediria a formação de grandes moléculas orgânicas. Essas substâncias e a energia fornecida pelos raios ultravioletas do Sol (nessa época não havia a camada de ozônio para bloqueá-los) e as violentas descargas elétricas (relâmpagos) foram responsáveis pela formação das primeiras moléculas orgânicas complexas.

Em 1953, os cientistas americanos Stanley L. Miller (1930-2007) e Harold C. Urey (1893-1981) da Universidade de Chicago realizaram experimentos para simular as condições da atmosfera primitiva da Terra. Eles mostraram que é possível transformar 2% do carbono disponível nos elementos que existiam nela em aminoácidos, que são as bases das proteínas. Alguns anos depois, em 1961, Joan Oró (1923-2004), na Universidade de Houston no Texas, conseguiu produzir adenina, uma das quatro bases das moléculas de RNA (ácido ribóssico nucléico) e DNA (ácido desoxirribonucléico) a partir de HCN (cianeto de hidrogênio) e amônia em uma solução aquosa, elementos abundantes na Terra primitiva. Esses experimentos não garantem que aconteceu exatamente isso em nosso planeta há bilhões de anos, mas mostram que, em princípio, essas condições permitem a produção dos elementos básicos para a formação de moléculas complexas, necessárias para o surgimento da vida.

Dessa situação inicial até o surgimento de vida inteligente, como a nossa, foram necessários bilhões de anos de evolução. O passo fundamental para isso foi o aparecimento do DNA, pois esta molécula “sabe” fazer cópias de si mesma. Todas as formas de vida que existem hoje na Terra, desde a mais simples bactéria até os seres humanos, são baseadas na molécula de DNA. Cada espécie tem um código genético específico, mas todos os genes que os compõem são formados pelas mesmas bases químicas. Essa é uma evidência que toda a vida na Terra teve um ancestral comum, algo como uma bactéria primitiva que evoluiu de diferentes formas para encher o nosso mundo de vida.

A busca da nossa origem em outros mundos
A recente missão da sonda Cassini-Huygens até o planeta Saturno tem como um dos seus objetivos principais estudar a lua Titã, a única do sistema solar que apresenta uma densa atmosfera. Os cientistas esperam encontrar nela um ambiente semelhante ao da Terra primitiva, pois a sua atmosfera é rica em hidrocarbonetos e provavelmente lá existam descargas elétricas intensas. Será como olhar para o passado da Terra, mas congelado devido às baixas temperaturas existentes naquele satélite. Em janeiro de 2005, o explorador Huygens penetrou na atmosfera desse mundo gelado e pode enviar as primeiras imagens desse satélite. As informações que ela obteve dará trabalho por vários anos a muitos cientistas. Talvez elas nos revelem alguns dos segredos da origem da vida em nosso planeta.

Se algum dia encontrarmos outras formas de vida desenvolvidas fora do nosso planeta, por mais simples e primitiva que seja, poderemos ter uma nova perspectiva para compreender as nossas origens. Uma única bactéria alienígena poderá mudar o nosso paradigma a respeito da vida e muitos mistérios serão resolvidos, mas com certeza outros mais complicados aparecerão. Talvez seja difícil encontrarmos civilizações extraterrestres, como aquelas visitadas pelos tripulantes da Enterprise no século XXIII, dadas as incomensuráveis distâncias que estamos das estrelas. Contudo, como dizia o astrônomo e divulgador da Ciência, Carl Sagan (1934-1996) em seu livro “Contato”: “Não deveremos estar sós neste universo, senão seria um enorme desperdício de espaço”

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As escuras noites de inverno

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
19/06/2009

Na próxima segunda-feira, 22 de junho, no início da madrugada, começará o inverno para nós que vivemos no hemisfério Sul. Essa estação é lembrada pelos dias mais frios, principalmente para quem mora nas regiões Sul e Sudeste do Brasil. Nessa época, devido à posição da Terra em relação ao Sol e ao fato de o eixo de rotação do nosso planeta ser inclinado em aproximadamente 23 graus em relação a uma reta perpendicular ao plano de sua órbita, ocorre uma menor incidência de luz solar em comparação com as demais estações do ano. Por causa dessa mudança, os dias costumam ser mais frios e secos, as chuvas, escassas, e os períodos de iluminação, menores.

Em locais onde há pouca poluição atmosférica e luminosa, em uma noite sem Lua – como teremos neste ano na noite de início do inverno – podemos observar milhares de estrelas. Um fato que nos salta aos olhos é que entre as estrelas há escuridão, exceto em uma região esbranquiçada do céu – próximo à constelação de Sagitário –, onde há uma grande concentração de estrelas, que indica a direção do centro da nossa galáxia, a Via Láctea.

Ao olhar para o céu, desde o despertar da consciência humana, tentamos compreender não somente os pontos luminosos que brilham lá no alto, mas também a negritude da noite. As estrelas sempre inspiraram poetas e apaixonados a expressarem seus sentimentos. Já a escuridão da noite quase sempre inspira medo e solidão. Mas, na negritude do céu noturno, existem segredos que a maioria das pessoas sequer imagina.

O astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630) foi um dos primeiros a perceber que a escuridão do céu noturno poderia ser algo estranho. Por volta do ano de 1600, ele imaginava que o universo era infinito e preenchido por infinitas estrelas. Logo, todas essas infinitas estrelas deveriam transformar o céu noturno em algo muito brilhante.

No século 19 – mais precisamente em 1823 –, outro astrônomo alemão, Heinrich. W. M. Olbers (1758-1840), formalizou mais diretamente o problema da escuridão do céu noturno, que ficou conhecido como o “paradoxo de Olbers”. A resposta para essa questão, em um primeiro momento, parece óbvia. O céu noturno é escuro porque o Sol não o ilumina. Contudo, se for feita uma reflexão mais profunda, podemos chegar a outra perturbadora resposta.

Universo estático e infinito


Na época de Olbers, acreditava-se que o universo era estático e infinito. Se fosse assim, deveriam existir infinitas estrelas no firmamento. Para qualquer direção do céu que olhássemos deveríamos encontrar uma estrela – da mesma forma que, em uma floresta muito densa, encontraríamos uma árvore bloqueando nosso campo de visão em qualquer direção que olhássemos. Portanto, o céu noturno deveria ser completamente iluminado e muitas vezes mais brilhante do que o dia! Mas, ao contrário, não observamos isso. Qual seria a explicação?

Um argumento que poderia contestar esse fato seria o de que a luz das estrelas mais distantes ficaria mais tênue à medida que chegasse até nós. Essa foi a resposta que Olbers propôs para o paradoxo. A luz das estrelas é uma forma de radiação eletromagnética que perde intensidade proporcionalmente ao quadrado da distância do observador.

Entretanto, o volume do universo e, portanto, o número total de estrelas, aumenta de acordo com o cubo da distância (o volume da esfera depende do cubo do raio). Logo, embora as estrelas esmaecessem com o aumento da distância, esse efeito seria compensado pelo número crescente de estrelas.

Ainda seria possível argumentar que no universo, entre nós e as estrelas, existem nuvens de gás e poeira, conhecidas como nebulosas, que poderiam absorver a luz das estrelas. Contudo, com o passar do tempo, essas nuvens ficariam aquecidas e emitiriam luz, compensando esse efeito.

Universo em expansão
A solução atual para esse paradoxo é considerar que o nosso universo teve um início e não teve sempre a mesma forma. Os dados observacionais que possuímos atualmente indicam que o nosso universo foi criado há cerca de 14 bilhões de anos a partir de um evento que chamamos de “Big Bang”.

Essa hipótese começou a ser elaborada a partir das descobertas realizadas pelo astrônomo americano Edwin Hubble (1889-1953) na década de 1920. Hubble concluiu que as galáxias mais distantes estavam se afastando umas das outras a partir da constatação de que a luz emitida por essas galáxias tinha um deslocamento para o vermelho. Esse efeito, conhecido como Doppler, acontece tanto com as ondas eletromagnéticas como com as ondas sonoras. Quando ouvimos um carro com sirene se aproximar de nós em alta velocidade, por exemplo, ouvimos o som se tornar mais agudo; quando ele se afasta, o som fica mais grave. Da mesma maneira, quando um objeto viaja próximo à velocidade da luz, ao se afastar de nós há um deslocamento para o vermelho e, ao se aproximar, para o azul.


O afastamento das galáxias levou os cientistas a formularem a hipótese de que, em algum instante no passado, a matéria que hoje constitui as estrelas e galáxias estava muito concentrada e tinha densidade e temperatura infinitas. Então, nesse momento, houve o evento do Big Bang e o universo começou a se expandir.

Esse modelo atual baseia-se em um fenômeno chamado inflação cósmica, que propõe que o espaço expandiu-se exponencialmente no instante seguinte ao Big Bang. Isso resultaria em um universo perfeitamente uniforme, mas observações feitas por vários telescópios espaciais mostram que há grandes variações entre as diversas regiões do universo. Essa contradição, no entanto, ainda não é totalmente compreendida.

A luz e a escuridão
Como podemos então explicar a escuridão da noite? Primeiro, é preciso levar em conta que somente podemos observar estrelas – e outros objetos cósmicos – que se encontram no máximo à distância de 14 bilhões de anos-luz (um ano-luz equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros). Essa distância, embora muito grande, é finita.

O volume observável do universo contém uma ordem de 400 bilhões de galáxias, sendo que cada galáxia possui aproximadamente 100 bilhões de estrelas. Portanto, estima-se que há cerca de um sextilhão de estrelas (10 ²¹ estrelas – 10 seguidos de 21 zeros!). Embora esse número seja enorme, ele é finito. As galáxias, por sua vez, estão distribuídas, em grande escala, de modo uniforme no universo. Dessa forma, o universo existe há um tempo finito e tem finitas estrelas.

Outro fato que deve ser considerado para explicar a escuridão da noite é a expansão do universo. Nesse caso, as ondas eletromagnéticas têm seu comprimento de onda aumentado (ou as frequências diminuídas) à medida que o espaço entre as galáxias aumenta. Assim, as luzes estelares, vindas dos confins mais remotos do universo observável, são cada vez mais atenuadas e diminuem sua intensidade.
Portanto, quando olharmos para o céu e observarmos a escuridão entre as estrelas, podemos pensar que ela veio da luz. O Big Bang que deu início ao universo e à sua expansão faz com que as nossas noites sejam escuras. Podemos pensar nisso de uma maneira mais poética, recordando a letra da música de Lulu Santos e Nelson Motta: “Não haveria luz se não fosse a escuridão.”

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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

Nova edição da ClickCiência

Editorial

Teoria da evolução como ponto de partida

"Nós devemos, entretanto, reconhecer, ao que me parece, que todo homem, com suas nobres qualidades... ainda se mantém dentro dos seus limites corporais, a indelével marca de sua origem rasa." Charles Darwin

A edição deste mês da ClickCiência também embarcou na celebração dos 150 anos da publicação de "A origem das espécies", do naturalista inglês Charles Darwin. Durante pouco mais de um mês, trocamos ideias, lemos o que outras revistas publicaram, navegamos por sites interessantes na Internet, conversamos com pesquisadores do Brasil e do exterior. E nos empenhamos em produzir uma abordagem multidisciplinar da teoria da evolução.


Como resultado desse trabalho, primeiramente, destacamos que um olhar histórico nos ajuda a compreender a posição social de Darwin no complexo mundo do trabalho científico: ele desafiou o pensamento dominante à sua época, ao afirmar que todos os organismos vivos sobre a Terra estão relacionados entre si e que, em algum momento, tiveram um ancestral comum. Logo, humanos, tigres, gatos, borboletas e bactérias, de algum modo, já foram parentes. A consequência cultural mais imediata dessa ideia foi a eliminação da hierarquia entre as diversas formas de vida, colocando o ser humano firmemente posicionado no mundo natural.

Embora tenha estudado e publicado originalmente na área de Biologia, Darwin forneceu os fundamentos para que os cientistas que vieram depois pudessem desenvolver conhecimento nas áreas da Genética, Ecologia, Bioquímica, Estatística e até Filosofia. Ao considerar a influência do meio na modificação dos organismos, por exemplo, a teoria darwiniana passou a considerar um aspecto até então desprezado: a mutabilidade. Darwin encontrou evidências de que as espécies mudam com o passar do tempo, em função das pressões do ambiente e das modificações internas dos organismos, contrariando a crença dominante até então de que todos os seres vivos haviam sido criados do jeito que sempre permaneceriam. Em outro campo, aplicado metaforicamente à Filosofia, o raciocínio pode ser assim elaborado: as ideias científicas, tal qual as espécies, não deveriam ser interpretadas como fixas e eternas. Elas se manteriam até que a realidade trouxesse novos problemas e forçasse os cientistas a mudar as explicações.
Ao dissolver a imutabilidade das formas de vida, o pensamento de Darwin mostrou aos cientistas que não é errado mudar de ideia quando a conjuntura muda. Afinal, a Ciência, assim como a vida, é feita de movimento.

A movimentação ao redor dos conceitos fundamentais sobre a evolução das espécies você vai encontrar nas matérias desta edição: a história pessoal de Charles Darwin, sua formação e influências, a viagem a bordo do Beagle, a produção do livro famoso, a receptividade das ideias na sociedade da época, os desdobramentos da teoria da evolução na pesquisa contemporânea e o modo como o público entende essas pesquisas. Boa leitura!

Boa leitura

Um romance da natureza

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
15/05/2009

O português é uma das línguas mais belas e ricas que existem. Muitos escritores imortalizaram suas ideias e sentimentos em obras-primas da literatura mundial utilizando o nosso idioma. Do épico Os Lusíadas, de Luís de Camões (1524-1580), – que narra a jornada de Vasco da Gama às Índias –, passando pela exploração da alma humana feita por Machado de Assis (1839-1908) nos romances Dom Casmurro, Memórias Póstumas de Brás Cubas, entre outros, até a poesia e prosa de Fernando Pessoa (1888-1935) e os belos poemas de Carlos Drummond de Andrade (1902-1987) – apenas para citar alguns dos mais importantes escritores –, percebemos como palavras e versos organizados por mentes brilhantes nos levam a um novo mundo de conhecimento e a lugares nunca antes imaginados.

Para compreender e apreciar as obras literárias, não basta conhecer as palavras usadas para escrevê-las. É preciso ir além. Incorporar o espírito da narrativa e abrir a mente para viajar junto com o autor por caminhos que ainda não conhecemos. Da mesma forma, para conhecer e compreender o cosmos é necessário “ler” a natureza. Nesse sentido, muitos “romances” já foram escritos, com diferentes histórias e interpretações.

A física nos traz uma leitura do universo muito particular e, ao mesmo tempo, muito ampla. Trata-se de uma história que começou muito tempo atrás e já teve muitas reviravoltas. Diversos escritores escreveram seus capítulos, contando fatos antigos de novas maneiras. Outros iniciaram capítulos inéditos, que ainda não estão terminados e talvez nunca cheguem ao fim.

Capítulo inicial
Um dos capítulos mais antigos do romance da física trata do movimento. A trama começou há milhares de anos, quando os filósofos gregos refletiam sobre como ocorrem os movimentos. Um dos principais escritores desse capítulo foi Aristóteles (384 a.C-322 a.C). Ele defendia a ideia de que o movimento só poderia existir se houvesse uma força para mantê-lo. Para Aristóteles, os movimentos terrenos seriam diferentes dos celestes, pois os planetas e estrelas estariam em eterno movimento no céu.

Após quase dois mil anos, novos autores reescreveram essa história. O italiano Galileu Galilei (1564-1642) redigiu um dos trechos mais importantes desse capítulo, ao introduzir o conceito de inércia. Ele deduziu, a partir da observação de esferas rolando sobre planos inclinados, que todos os corpos tendem a manter seu estado de movimento, desde que não sofram ação de forças externas. Galileu ainda lançou uma nova forma de expressar essas ideias, ao fazer uma descrição matemática dos movimentos. Como ele mesmo afirmou: “O livro da natureza está escrito em caracteres matemáticos” (tradução livre).

Na mesma época de Galileu, o astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630), após examinar por anos as observações do astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601), mostrou que os caminhos celestes percorridos pelos planetas obedecem a órbitas elípticas e, dependendo da distância do planeta ao Sol, sua velocidade varia.

Além disso, Kepler escreveu um dos mais belos “versos” sobre o movimento planetário. Ele deduziu que a razão entre o cubo do raio da órbita executada pelo planeta e o quadrado do período de tempo gasto por ele para completar sua órbita é constante (R ³ /T ² = constante). Essa lei ficou conhecida como a lei harmônica do movimento planetário.

Um primeiro desfecho
Os versos de Kepler foram uma das fontes de inspiração para o cientista inglês Isaac Newton (1642-1727) fazer o primeiro grande desfecho desse capítulo. Usando também os conceitos defendidos por Galileu, Newton propôs as três leis do movimento, a lei da inércia, o princípio fundamental da mecânica (que relaciona a força com a aceleração), o princípio de ação e reação (que diz que, quando um corpo sofre a ação de uma força, ele reage com outra de mesma intensidade, mas em sentido contrário) e a lei da gravitação universal (inspirada principalmente na lei harmônica de Kepler).

Newton mostrou que é possível descrever de forma unificada tanto os movimentos terrestres como os celestes. Para escrever essa parte da história, ele teve que criar uma nova “gramática” e novas “palavras”. Foi necessário inventar uma nova matemática. Newton criou o cálculo integral e diferencial para calcular, por exemplo, o movimento da Lua ao redor da Terra e os movimentos dos objetos terrestres.

Nos séculos seguintes, novos “versos” foram feitos para descrever a poesia dos movimentos. O físico francês Jean D’Alembert (1717-1783), o matemático e astrônomo francês Pierre de Laplace (1749-1827) e o físico irlandês William Hamilton (1805-1865), entre outros "poetas", apresentaram de maneira elegante novas equações a partir de conceitos como a conservação da energia e da quantidade de movimento linear e angular.

Essa nova maneira de expressar o movimento permitiu a solução de problemas que pareciam insolúveis quando descritos pelas equações de Newton. A partir desses novos conceitos, foi possível calcular a posição de um planeta que ainda não tinha sido observado: Netuno. O astro foi descoberto em 1846 pelo astrônomo alemão Johann Galle (1812-1910), a partir de cálculos realizados de forma independente pelo astrônomo inglês John Adams (1819-1892) e pelo matemático francês Urbain Le Verrier (1811-1877), com base na perturbação que esse planeta causava na órbita de Urano.

No final do século 19, parecia que esse capítulo do romance da física estava encerrado. Não haveria nada de importante a ser acrescentado. Apenas modificações de algumas “palavras” ou a introdução de um novo “adjetivo” no texto final. Não haveria novas histórias a serem contadas sobre o movimento.

Mudança de rumo
Entretanto, outras “tramas” que ocorriam com outros “personagens” indicavam um novo desfecho para a história. Os fenômenos térmicos e eletromagnéticos não se adequavam à descrição newtoniana.

Os eventos térmicos são associados a sistemas com muitas partículas, o que tornava inviável escrever equações de movimento como faz o modelo newtoniano. Naquela época, esses fenômenos eram descritos pelas leis da termodinâmica, que têm como princípios fundamentais a conservação da energia e o aumento da entropia (grandeza que está associada ao grau de ordem apresentado por determinado sistema). Esses princípios são conhecidos como 1ª e 2ª leis da termodinâmica, respectivamente.

Os fenômenos eletromagnéticos têm natureza diferente, pois eram descritos por manifestações de campos elétricos e magnéticos. O físico britânico James C. Maxwell (1831-1879) unificou a descrição desses fenômenos a partir de quatro equações fundamentais que ficaram conhecidas como equações de Maxwell do eletromagnetismo.

No começo do século 20, alguns novos autores reescreveram de forma profunda o romance da física. O físico alemão Albert Einstein (1879-1955) foi talvez o autor mais radical dessa época. Ele modificou os conceitos de espaço e tempo, ao propor que estes não são absolutos, mas sim relativos ao observador.

Além disso, Einstein introduziu o conceito de que a velocidade da luz é invariante, ou seja, qualquer observador sempre vê a luz com velocidade constante, criando assim a teoria da relatividade restrita. Ao fazer isso, ele unificou o eletromagnetismo e a mecânica, ou seja, encontrou uma maneira única de contar a história de dois personagens que pareciam inconciliáveis. Posteriormente, o físico generalizou esse conceito e criou a teoria da relatividade geral, que se tornou uma nova teoria da gravitação, pois modificou radicalmente aquela proposta por Newton 220 anos antes.

O capítulo final?
a mesma época, novos acontecimentos levaram vários autores a inventar novas maneiras de narrar os eventos da natureza. O físico alemão Max Planck (1858-1947), o físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), o físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), além do próprio Einstein, entre muitos outros, criaram a física quântica, com um estilo absolutamente novo de expressar ideias e conceitos acerca do mundo físico. Essa época é conhecida como o início da física moderna, quando também surgiram os movimentos modernistas nas artes e na literatura.

Na física quântica, muitos dos conceitos físicos bem estabelecidos até aquela época tiveram que ser reformulados. Foram introduzidas ideias como a quantização da energia e da quantidade de movimento, a dualidade onda-partícula, entre outras. Esses conceitos abalaram de maneira profunda a trama que se desenvolvia há milhares de anos.

Esse novo personagem – a física quântica – tornou-se um dos principais protagonistas da narrativa, pois influencia profundamente a nossa forma de vida. A eletrônica, a energia nuclear, técnicas avançadas de diagnóstico como a ressonância magnética nuclear, entre outras descobertas, somente sugiram quando compreendemos melhor a “personalidade” desse personagem da trama da natureza.

Mas esse protagonista não consegue coexistir com o proposto por Einstein. A física quântica e a teoria da relatividade geral não podem ser utilizadas simultaneamente para descrever a natureza. A primeira descreve com sucesso o muito pequeno e a segunda, o universo em grande escala. Porém, são personagens muito distintos e, até o momento, incompatíveis.

O capítulo final do romance da física ainda está por ser escrito. Neste momento, milhares de autores se esforçam para tentar chegar a um desfecho. Novas teorias, como a das supercordas ou a da gravitação quântica, procuram conciliar os dois principais protagonistas da atual versão do romance da física. Talvez novos eventos levem os atuais escritores a imaginar um possível desenlace para essa história milenar. Talvez não seja possível encontrá-lo. Mas com certeza muitos capítulos ainda serão escritos.

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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

Por que tanto desinteresse?

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
17/04/2009

A física é uma das chamadas ciências duras – ou hard sciences, para usar o termo consagrado em inglês. Isso significa que essa ciência investiga a natureza por meio de teorias e experimentos que permitem a verificação dos seus princípios e teorias, em qualquer lugar e instante. A construção do conhecimento físico realizada ao longo de séculos estabeleceu modelos que conseguiram alterar a nossa forma de ver e compreender o mundo.

Desde a defesa fervorosa do modelo heliocêntrico (que colocou o Sol no centro do Sistema Solar) feita por Galileu (1564-1642) até as modernas teorias de unificação das interações fundamentais, a física vem obtendo grande sucesso na descrição do universo.

Essa galeria de êxitos inclui ainda a famosa história da queda da maçã e do movimento da Lua (que provavelmente é apenas uma lenda), que teria inspirado Isaac Newton (1643-1727) a construir os fundamentos da mecânica. Completam esse quadro outras teorias físicas como as leis da termodinâmica e mecânica estatística, a teoria eletromagnética de Maxwell, a teoria da relatividade ou a mecânica quântica, entre outras.

Contudo, para o público em geral a física é ao mesmo tempo misteriosa, pouco acessível e desinteressante. Basta perceber como muitos estudantes do ensino fundamental e médio não apreciam essa disciplina, que lhes inspira horror. Muitos têm dificuldade para aprendê-la e tentam fugir de carreiras que exigem seu conhecimento. Na maioria das vezes, “aprendem” física apenas porque seus conceitos são cobrados nos vestibulares.

Esse problema não ocorre apenas no Brasil, mas também em muitos outros países da Europa e também na América do Norte. Algumas vezes o pouco interesse pela física é atribuído à matemática utilizada para a sua descrição. Mas será mesmo esse o problema? Como algo tão importante para a civilização humana pode ser tão incompreensível para grande parte da população?

Física no cotidiano
Vivemos em um mundo no qual grande parte da tecnologia cotidiana é fruto direto ou indireto dos conhecimentos da física. Aparelhos de televisão, telefones celulares, iPods, computadores, internet e muitos outros só puderam ser desenvolvidos graças aos avanços da física na compreensão dos segredos da matéria. No entanto, parece que só uma pequena parte da população se interessa por conhecer essa disciplina.

Um dos maiores méritos da física talvez seja também seu maior obstáculo para cativar as pessoas: sua simplicidade para abordar de forma profunda problemas simples da natureza. Na grande maioria das vezes, é necessário exercer muita abstração para compreender os modelos físicos.

Esses modelos geralmente são formulados em um primeiro momento para descrever as situações mais simples. A partir desse avanço, os modelos vão ficando mais complicados, mas ao mesmo tempo limitados a determinadas situações. Um exemplo disso é a descrição do movimento dos corpos. Esse costuma ser o primeiro conceito de física apresentado nas séries finais do ensino fundamental e no início do ensino médio.

Ensina-se que a velocidade da queda dos corpos é independente de sua massa, ou seja, não importa se um corpo é mais pesado que o outro, pois a aceleração que a gravidade provoca sobre ambos é sempre a mesma.

No entanto, todos sabemos que, ao soltar uma pena e um martelo, certamente o segundo chegará primeiro ao chão, pois a resistência do ar influencia o movimento. Só verificaremos que ambos chegarão ao solo simultaneamente se o experimento for realizado na ausência do ar, como fez o astronauta americano David Randolph Scott na superfície lunar, como mostra o vídeo ao lado.

Embora a maioria dos professores de física se esforce para passar essa ideia, quase sempre o sucesso é limitado, pois a compreensão de uma lei simples como essa requer um exercício de abstração. A depender da altura, a descrição completa da queda de um objeto no ar se torna tão complexa que deixa de ser acessível para as pessoas em geral.

A importância da abstração
A abstração é um dos requisitos fundamentais para se entender a física. À medida que os conceitos vão ficando mais complexos, mais abstratos eles se podem se tornar. Os princípios em jogo na teoria da relatividade ou na mecânica quântica só podem ser observados no resultado de experimentos sofisticados, cuja interpretação requer conceitos aos quais não estamos acostumados.

Para que a influência da teoria da relatividade sobre algum objeto seja perceptível, é necessário que ele esteja viajando em uma velocidade próxima à da luz. Conceitos como dilatação do tempo e contração do espaço não aparecem no nosso dia-a-dia, pois as velocidades típicas com que nos deslocamos, mesmo em viagens aéreas, é cerca de 1 milhão de vezes menor do que a da luz (que é de aproximadamente 1,08 bilhões km/h).

Apesar disso, máquinas como o acelerador de partículas do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, em Campinas (SP), só funcionam porque a máquina foi projetada de acordo com essa teoria.

No caso da mecânica quântica, a física que estuda o mundo nanoscópico, em particular os átomos, os resultados previstos podem parecem muito mais estranhos. Conceitos como dualidade onda-partícula, quantização da energia, não localidade e outros tornam-na ainda mais misteriosa. No entanto, a tecnologia que envolve a eletrônica e energia nuclear são exemplos da sua aplicabilidade.

Além disso, como esses conceitos fogem muito da nossa realidade cotidiana, muitas vezes eles são utilizados para explicar fenômenos que não têm qualquer ligação com o escopo da física quântica. Como muitas dessas ideias podem parecer bizarras para algumas pessoas, inclusive cientistas e pesquisadores, os conceitos quânticos são usados às vezes de forma equivocada para explicar fenômenos ditos paranormais ou para justificar atitudes e procedimentos esotéricos baseados nos princípios da mecânica quântica, configurando o que chamamos de pseudociência.

Se a física ainda é distante da maioria das pessoas, parte da culpa vem dos próprios físicos, que muitas vezes não se preocupam em traduzir os conhecimentos de sua disciplina de uma maneira acessível para as pessoas não iniciadas. Infelizmente ainda carecemos de muitos professores de física no Brasil – algo em torno de 80 mil –, sendo que são formados apenas alguns poucos milhares por ano.

Entretanto, essa tendência tem mudado nas últimas décadas. Os cientistas, em particular os físicos, cada vez mais percebem que é de fundamental importância mostrar às pessoas que essa ciência tem uma extraordinária beleza e capacidade de ampliar os nossos horizontes, tornando-a atraente mesmo para aqueles que ainda não a conhecem.

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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

Uma controvérsia luminosa

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
20/03/2009

A compreensão que temos do mundo a nossa volta é predominantemente dominada pelo contato sensorial. Tudo o que percebemos por meio dos nossos sentidos influencia o nosso entendimento da realidade. Um simples passeio por um local agradável, como uma praia ensolarada ou um bosque iluminado, faz com que recebamos uma infinidade de sensações, que levam o nosso cérebro a fazer as mais diversas interpretações.

Para alguns, as experiências descritas acima podem estimular paz e tranquilidade. Para outros, podem trazer lembranças há muito tempo guardadas, como aquele passeio feito na infância, que, mesmo distante atualmente, se torna tão presente por alguns segundos.

Do ponto de vista filosófico, cada indivíduo tem a sua representação do mundo exterior. Dependendo do seu estado de espírito, uma pessoa pode encarar uma determinada situação com otimismo, enquanto outra pode ser mais pessimista. O que para alguns é problema pode ser solução para outros. A interpretação do mundo em que vivemos pode ser então uma experiência muito particular.

Dentre os cinco sentidos, o que mais nos inspira confiança é a visão. Quando vemos alguma coisa, conseguimos descrevê-la sob diversos aspectos, como forma, cor, tamanho, entre outros. Quem é privado da visão faz uso de outros sentidos e constrói outra interpretação do objeto.

Da mesma forma, determinados fenômenos naturais podem se apresentar de maneira diferente dependendo de como tentamos observá-los. A luz, tão presente em nossas vidas, é uma das manifestações da natureza que podem levar a distintas interpretações.

A luz e a visão
Os antigos filósofos gregos não consideravam luz e visão como coisas separadas. Eles acreditavam que, de dentro dos olhos, projetavam-se raios luminosos que tateavam os objetos e retornavam, trazendo consigo informações que, ao serem interpretadas pelo cérebro, acabavam gerando a sensação visual, de maneira similar ao tato.

É desse modo que, em suas histórias, o Super-homem consegue enxergar através dos objetos: ele projeta “raios” dos olhos para ver objetos ocultos por paredes. Contudo, sabemos que nem mesmo ele conseguiria fazer isso.

O que de fato acontece é que, para enxergarmos um objeto, ele deve estar iluminado. Enxergamos a luz refletida ou emitida pelos objetos. Apenas alguns animais e as câmeras com sensores especiais conseguem observar objetos na ausência de luz. Isso é possível porque eles captam outra faixa do espectro eletromagnético (o infravermelho), que todos os objetos emitem por estarem aquecidos.

A natureza da luz
No século 17, o físico inglês Isaac Newton (1642-1727) elaborou uma teoria para interpretar a luz. Para ele, a luz era composta por pequenas partículas. Com esse conceito, ele pôde explicar, por exemplo, por que a luz branca se divide em várias cores quando passa por um prisma ou quando é espalhada por gotículas de água em suspensão, formando o arco-íris no céu.

Aproximadamente na mesma época, o astrônomo holandês Christian Huygens (1629-1695) propôs que a luz era um fenômeno ondulatório, ou seja, a luz se comportaria como se fosse uma onda se propagando sobre a superfície de um lago. Esse tipo de interpretação para a luz permitiu explicar os fenômenos conhecidos como difração e interferência. Na difração, a luz, ao passar por uma fenda estreita ou contornar um objeto, espalha-se e produz faixas iluminadas e escuras. Já a interferência é a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto.

Um exemplo desses fenômenos acontece se incidirmos a luz de um laser pointer (muito usado para apontar) sobre um CD (não deixando que ela atinja os olhos, pois pode danificá-los). Nesse caso, a luz projetada apresentará um padrão de claros e escuros. Isso ocorre porque a luz se comporta como uma onda ao se refletir sobre a superfície do CD. Como o CD tem vários sulcos usados para a gravação, as ondas ora se somam, gerando faixas brilhantes (interferência construtiva), ora se anulam, formando faixas escuras (interferência destrutiva).

No final do século 19, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) mostrou que a luz era uma manifestação de campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço na forma de ondas, denominadas ondas eletromagnéticas.

Curiosamente, quando o físico alemão Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894) estudava a natureza das ondas eletromagnéticas previstas por Maxwell, deparou-se com outro fenômeno que, alguns anos depois, iria revolucionar novamente a compreensão da natureza da luz.

Tratava-se do efeito fotoelétrico, que aparece quando incidimos luz sobre a superfície de um metal. Hertz observou que uma corrente elétrica surgia somente quando o metal era iluminado com a luz em uma determinada frequência (cor). Se fosse utilizada outra cor, o fenômeno não ocorria, independentemente da intensidade de luz usada.

Em 1905, foi apresentada uma explicação revolucionária para esse intrigante fenômeno. A luz se comporta como pequenos corpúsculos de energia (posteriormente batizados de fótons), que, ao se chocarem com os elétrons do metal, arrancam-nos dos átomos, permitindo o surgimento da corrente elétrica. Essa explicação foi proposta pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) e lhe valeu o Prêmio Nobel de Física de 1921. A confirmação da teoria de Einstein foi feita pelo físico norte-americano Arthur Holly Compton (1892-1962) em 1911.

Mas, afinal de contas, qual é a verdadeira natureza da luz?

Dualidade essencial

Experimentos mais cuidadosos mostraram que a luz tem tanto o comportamento ondulatório como o corpuscular. Um único fóton pode apresentar esses dois comportamentos, dependendo da situação. Um fóton comporta-se como partícula quando está sendo emitido por um átomo ou quando é absorvido (ou detectado) pelos nossos olhos ou qualquer outro dispositivo. Por outro lado, comporta-se como uma onda quando está se propagando da fonte para o local onde será detectado.

Esse comportamento bizarro à primeira vista não é exclusividade da luz. Ele também é observado em outros objetos, como as partículas que compõem o átomo. Os modernos microscópios eletrônicos utilizam justamente os elétrons para “iluminar” objetos muito pequenos e permitir que sejam observados diretamente. Na escala atômica, tudo se comporta segundo essa dualidade.

A compreensão desse aspecto da natureza foi possível graças à física quântica, que introduziu novos conceitos para interpretarmos a realidade. Dependendo da maneira como observamos um objeto, verificamos determinada característica. De fato, a construção da realidade depende fundamentalmente do ponto de vista, principalmente quando estamos no mundo quântico.

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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

ACIEPE - Astronomia no Ensino Fundamental - Uma Abordagem multidisciplinar

No dia 21 de março, logo no çomeço do outono, demos inicio a ACIEPE - Astronomia no Ensino Fundamental - uma abordagem multidisciplinar. ACIEPE quer dizer "Atividade Curricular Integrada de Ensino Pesquisa e Extensão" que é oferecida como uma experiência na qual podemos integrar essas atividades na UFSCar. Em particular, propusemos uma sobre o Astronomia, pois além de ser o Ano Internacional da Astronomia, esse tema sempre chama atenção e é possível fazer uma abordagem interdisciplinar.
Objetivo principal é desenvolvermos uma metodologia para a divulgação científica. Para isso, estamos utilizando as ferramentas da WEB 2.0, como a construção de blogs, webquest, produções de vida entre outros. A atividade terminará no dia 04 de julho, quando o inverno já começou.
Mais informações podem ser obtidas no site do LAbI (www.labi.ufscar.br)

Há 228 anos era descoberto Urano

No dia 13 de março de 1781 o astronômo William Herschel descobriu o planeta Urano. Contudo, ele foi registrado anteriormente em diversas ocasiões, mas era confundido com uma estrela. Em 1690 John Flamstedd o catalogou como a 34 Tauri.

Quando Herschel observou Urano ele o catalogou como se fosse um cometa. Após a verificação que se tratava de fato de um novo planeta el o nomeou como Georgium Sidus (estrela de Jorge) em honra ao rei da Inglaterra Jorge III. No entanto, o nome não demorou para mudar para Grã-Bretanha. Finalmente, o astrônomo alemão Bode propôs o nome de Urano em honra ao deus grego, pai de Cronoscujo equivalente Romano era chamado de Saturno.

A importância dessa descoberta foi o fato de mostrar que existiam novos planetas no sistema solar, que posteriormente foram descobertos. Em particular, devido a irregularidades na órbita de Urano foi possível especular a existência de outro planeta, Netuno, descoberto em 1846.

Em 1977 foram descobertos os aneis de Urano. Até aquela época apenas eram conhecidos os aneis de Saturno. Hoje sabemos que Júpiter e Netuno também possuem aneis

Nos dias atuais novos planetas são descobertos ao redor de outros sistemas estelares. Planetas com tamanho similar a Urano já foram observados. Espera-se que o telescópio espacial Kepler, lançado no dia 06 de março passado, possa detectar planetas com o tamanho da Terra.

Um novo olho está no céu

Na última sexta-feira, 06 de março, foi lançado de Cabo Canaveral, Flórida, um novo observatório espacial projetado especialmente para detectar planetas terrestres em outros sistemas estelares. Ele foi batizado de Kepler, em homenagem ao astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630), que entre muitas contribuições deduziu as leis das órbitas dos planetas. Em particular, há 400 anos, ele publicou a obra que ficou conhecida como "Astronomia Nova", no qual ele apresentou as duas primeras leis do movimento planetário. A primeira afirma que as órbitas dos planetas ao redor do Sol é uma elipse, com o Sol ocupando um dos focos. A segunda lei descreve que o raio vetor que liga o planeta ao Sol descreve áreas iguais em tempos iguais.

A sonda deverá ao longo de 4 anos observar as 100.000 estrelas mais brilhantes do céu com o objetivo de detectar alguma ocultação periódica de uma estrela por um de seus planetas. Para isso a sonda Kepler terá uma órbita de perseguição à órbita solar, ou seja, ela seguirá a Terra ao redor do Sol, mas realizará movimento de maneira que não ocorra a ocultação, além de ficar distante das luzes terrestres. A sonda deverá obter uma imagem a cada 3 segundos. O objetivo é ter resolução suficiente para detectar planetas que tenham tamanho entre Marte e Júpiter.
A descoberta de planetas extra-solares com esse tamanho abre a grande perspectiva de encontrar alguns com condições semelhantes a da Terra, e por consequencia, poderem abrigar formas de vida semelhante a nossa. Contudo, a busca é semelhante a de encontrar uma agulha no palheiro, mas a sorte também faz parte das descobertas científicas.

Com certeza, há 400 anos, quando o genial Kepler tentava descobrir os segredos dos movimentos planetários, ele não imaginava que nas estrelas distantes existissem mundos semelhantes ao nosso, é mais do que isso, que obedecesse as mesma leis que ele estava descobrindo.

A energia em nossas vidas

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
20/02/2009

Existem certas palavras que empregamos cotidianamente e nem sempre sabemos qual é a sua origem ou o seu verdadeiro significado. Na época do carnaval, aparecem nas chamadas e reportagens veiculadas na televisão e no rádio frases como “a energia da escola de samba vai contagiar toda a avenida” ou “nessa festa não vai faltar energia para a galera”, entre outras. Chamo a atenção para a palavra “energia”. Nesse contexto, ela é utilizada como sinônimo de alegria, disposição, vigor, veemência ou vontade. Ter energia é participar com intensidade dessa festa popular.

O período do horário de verão – que se inicia em plena primavera – terminou no último dia 14 de fevereiro e teve como objetivo diminuir o consumo de energia, principalmente no horário de pico (das 18h às 20h). Durante o tempo em que vigora, esse tipo de medida normalmente gera uma economia equivalente ao desligamento de uma cidade de médio porte, embora pouco percebida no valor da nossa conta de energia elétrica, que é cobrada em kWh (quilowatt-hora).

Por outro lado, encontramos nas embalagens de alimentos o valor energético do produto em calorias ou joules. Muitos ficam preocupados com esses valores. Normalmente os alimentos mais energéticos costumam ser os mais desejados. Ninguém resiste a pudim que tem milhares de calorias. E se não gastamos toda a energia que ingerimos dos alimentos, ela fica armazenada geralmente na região do abdômen na forma de gordura.

Energia, em seu sentido estrito, é um termo muito comum ao nosso vocabulário e é empregado com muitos adjetivos: energia elétrica, energia nuclear, energia química, energia solar, entre outros. Mas talvez ele seja pouco compreendido pela maioria das pessoas. Afinal, sabemos realmente o que é energia?

Conceito científico central
O conceito de energia é um dos mais centrais das ciências naturais. Ele é empregado em praticamente todas as áreas, como a física, a química e a biologia. Em particular, os modelos e teorias da física são alicerçados nesse conceito. Contudo, o termo energia é relativamente recente no contexto em que ele é empregado nas teorias físicas, tendo aparecido apenas em meados do século 19.

O nosso universo é composto de dois elementos principais: matéria e energia. O primeiro é fácil de conceituar (pelo menos à primeira vista), pois a matéria é tangível e visível ao nosso olhar. Podemos tocá-la, senti-la e observá-la diretamente. Já a energia é algo abstrato, que somente percebemos quando está em um processo de transformação.

Ao utilizarmos um automóvel, por exemplo, a energia acumulada nas ligações químicas das moléculas que compõem o combustível é liberada devido a uma explosão que ocorre no interior do motor. Durante esse processo, parte dessa energia fará com que o automóvel se movimente, mas outra parte será transformada em calor e liberada para o meio ambiente.

A energia que absorvemos dos alimentos tem origem no Sol. Embora esteja a cerca de 150 milhões de quilômetros de distância, o astro-rei continua sendo a principal fonte energética de nosso planeta. Essa energia, que chega à Terra na forma de ondas eletromagnéticas, surge devido aos processos de fusão nuclear que ocorrem no interior do Sol.

Basicamente, o processo envolve quatro núcleos de átomos de hidrogênio que, após diversas reações de fusão nuclear, se transformam em um núcleo de hélio. Esse processo gera um saldo energético, que surge da transformação da matéria em energia, como postula a mais famosa equação da física, proposta por Albert Einstein (1879-1955): E=mc ² , na qual E é a energia, m a massa e c a velocidade da luz.

Ao chegar aqui na Terra, a luz do Sol é utilizada pelas plantas no processo de fotossíntese e armazenada nas ligações químicas das moléculas resultantes, que posteriormente iremos ingerir ao nos alimentarmos.

Energia em transformação
Nos exemplos citados acima, podemos perceber também uma das características mais importantes da energia: o fato de ela se conservar, ou seja, durante os processos, ela pode adquirir diversas formas, mas a sua quantidade total ainda permanece constante.

Infelizmente, outra característica da transformação da energia é que nem sempre ela se transforma em outro tipo de energia útil. É o que acontece com o calor gerado na combustão, que se dissipa no motor do carro, ou o produzido pelo nosso próprio organismo, que é simplesmente liberado para o meio externo. Essa energia com “baixa qualidade” aumenta outra grandeza física importante, que denominamos entropia (conceito já abordado em coluna anterior).

A energia, enquanto grandeza física, é mensurável. Contudo, não podemos medi-la de maneira absoluta, apenas relativa. Sempre estamos medindo a sua variação. O valor que recebemos na conta de energia elétrica, por exemplo, expressa a potência (em watts) gasta durante certo intervalo de tempo (hora). A potência é definida como a taxa de transformação da energia por unidade de tempo. Por sua vez, a unidade de energia definida como padrão é o joule. O termo calorias, muito comum para quantificar a energia de alimentos e para formular dietas, equivale a 4,184 joules.

Podemos compreender a energia como algo que pode modificar a matéria e transformá-la nas mais diversas formas. Essas transformações ocorrem devido à ação das interações fundamentais da natureza, como a força gravitacional (que nos mantém presos sobre a superfície da Terra e faz com que as galáxias se movam através do espaço), a força eletromagnética (responsável pelas interações entre os átomos e moléculas, bem como pela existência da luz), a força nuclear forte (que confere estabilidade ao núcleo atômico) e a força nuclear fraca (que controla processos de decaimento radioativo).

Todos os processos conhecidos são controlados por essas forças, que levam a energia neles armazenada a se transformar. No caso da fusão nuclear no interior do Sol, é a força nuclear forte que atua. Já o processo de fotossíntese é conduzido pela força eletromagnética.

Diante da variedade de formas que a energia pode assumir, podemos chegar a uma simples conclusão sobre sua definição. Embora esse termo que tanto utilizamos tenha diferentes significados, em sua essência ele indica sempre a mesma coisa: um processo de transformação.


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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