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O grande desfile cósmico

Ciência Hoje On-line
Coluna Física sem mistério
publicada em 24/02/2017

Em clima de carnaval, Adilson de Oliveira mostra em sua coluna as semelhanças entre fenômenos naturais que regem e dão forma ao universo e elementos típicos dessa grande festa da cultura brasileira.

Moro num país tropical, abençoado por Deus
E bonito por natureza (mas que beleza)
Em fevereiro (em fevereiro)
Tem carnaval (tem carnaval)

(País Tropical, Jorge Ben Jor)

Assim como acontece em desfiles de escolas de samba no carnaval, beleza e harmonia se unem na natureza para contar a história do universo. (foto: Jonas de Carvalho/ Flickr – CC BY-SA 2.0)

Estamos em fevereiro e novamente tem carnaval. A maior festa brasileira – e um dos maiores eventos do mundo – é sempre uma oportunidade para alegrar grande parte da nossa população, mesmo quando estamos passando por dificuldades, sejam políticas ou financeiras. Afinal, essa festa popular é uma marca registrada do Brasil e um momento ímpar para a cultura brasileira.

O carnaval é uma festa relacionada ao calendário cristão. Na Idade Média, a Igreja Católica incentivou a reunião de diversas comemorações pagãs em um período anterior ao início da Quaresma, quando cristãos passam por quarenta dias de jejum e privações em preparação para a Páscoa. Desde então, o carnaval é comemorado 47 dias antes da Páscoa.

Como a Páscoa é uma festividade com data móvel, determinada astronomicamente, o Carnaval também ocorre em datas diferentes todos os anos. O Primeiro Concílio de Niceia (em 325 d.C) estabeleceu que a data da Páscoa seria o primeiro domingo depois da primeira lua cheia após o início do equinócio da primavera no hemisfério Norte. Essa lua cheia é chamada lua cheia pascal. O início do equinócio da primavera varia entre os dias 20 e 21 de março. Do ponto de vista eclesiástico, essa data ficou fixada em 21 de março. Mas a lua cheia não ocorre necessariamente no mesmo dia todos os anos. Por isso, a data da Páscoa varia entre 22 de março e 25 de abril (inclusive). Neste ano, será em 16 de abril e o carnaval, consequentemente, em 28 de fevereiro.

Nos desfiles de escolas de samba no carnaval, há sempre um enredo que define a história que será contada em pouco mais de uma hora. As cores, a harmonia entre o ritmo da música e a letra do samba-enredo e a criatividade dos desfiles fazem desse um espetáculo deslumbrante.

Na natureza, beleza e harmonia também se unem para nos ajudar a contar uma história: a do universo. E o samba-enredo do nosso universo já é executado há bilhões de anos.

Abre-alas do universo

Os desfiles de escolas de samba sempre começam com um carro abre-alas e uma comissão de frente, que têm como objetivo introduzir o enredo que será contado.

No desfile cósmico, o carro abre-alas foi o evento denominado Big Bang, que ocorreu há aproximadamente 14 bilhões de anos. Tudo que conhecemos estava, de alguma forma, concentrado em algo que, em física, chamamos de singularidade. Nesse ponto, as nossas teorias físicas não conseguem descrever o que ocorria. Contudo, o conhecimento atual permite compreender como era o universo extremamente jovem, com apenas 10-43 (1 dividido por 10, seguido de 43 zeros!) segundo de existência.

Em uma escala de tempo tão pequena como essa, inicialmente houve a criação dos tijolos fundamentais da matéria e de sua contraparte, na forma de antimatéria, que é, nada mais, nada menos, que partículas com as mesmas características da matéria comum, mas com carga elétrica oposta. Por exemplo: a antipartícula do elétron (que tem carga negativa) é o pósitron (que tem carga positiva). Quando se encontram, partículas e antipartículas se aniquilam mutuamente, convertendo-se em energia.

Quando o universo tinha algo como 10-32 segundo de idade, houve um processo de rápida expansão (denominado inflação cósmica), que provocou o que se chama de ‘quebra de simetria’, ou seja, a matéria prevaleceu em relação à antimatéria, como observamos atualmente. Quando o universo atingiu 300 mil anos de idade, a radiação se separou da matéria e deixou sua marca na chamada radiação de fundo cósmico. As primeiras notas tocadas pelo Big Bang talvez somente possam ser ouvidas por meio da detecção das ondas gravitacionais geradas nos instantes iniciais do universo. As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo, como as ondulações provocadas na superfície de um pandeiro ao se tocar o instrumento.

O início do desfile cósmico que começou há 13,7 bilhões de anos (NASA/WMAP Science Team - http://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html (direct link))

Evoluções e eventos cósmicos

Depois da separação da matéria e da radiação, começaram a se formar as primeiras estrelas e galáxias. Conseguimos observar objetos na escala de 10 bilhões de anos-luz de distância, como quasares (objetos quase estelares) com um núcleo galáctico ativo de tamanho maior que o de uma estrela, porém menor do que o mínimo para ser considerado uma galáxia. Encontramos galáxias antigas na distância de 1 a 2 bilhões de anos-luz e até mais próximas de nós, como a galáxia de Andrômeda, que está a pouco mais de 2 milhões de anos-luz de distância.

As galáxias são compostas por centenas de bilhões de estrelas unidas gravitacionalmente que giram em torno do núcleo massivo das galáxias. A grande parte delas possui a região central muito densa, com gigantescos buracos negros, em que a densidade de matéria é tão alta que faz com que a gravidade seja tão intensa que nem a luz consegue escapar.

Nota 10 no quesito evolução: estrelas se movimentam ao longo de toda a galáxia. (foto: Chaval Brasil/ Flickr – CC BY-NC-ND 2.0)

As estrelas realizam movimentos ao longo de toda a galáxia, como se fosse a evolução de uma escola de samba. Em particular, o Sol, junto com todo o Sistema Solar, realiza uma volta em torno da nossa galáxia, a Via Láctea, a cada 250 milhões de anos. Embora pareça um movimento muito lento, ele ocorre em uma velocidade muito elevada, da ordem de 240 km/s (864 mil km/h).

Além de realizarem esse movimento de rotação em larga escala, as galáxias estão se afastando umas das outras. Quanto mais distante está uma galáxia, mais rapidamente ela se afasta. Essa descoberta, feita na década de 1920 pelo astrônomo norte-americano Edwin Hubble, foi a primeira evidência de que o universo estava em expansão e levou à elaboração da teoria do Big Bang.

No final da década de 1990, os astrônomos Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess, a partir da observação de supernovas em galáxias muito distantes, determinaram que a expansão do universo está acontecendo de forma acelerada, ou seja, como se houvesse uma ‘antigravidade’ acelerando essas galáxias distantes. Por essa descoberta, receberam o prêmio Nobel de Física em 2011.

Supernovas são estrelas muito massivas que, ao final do seu ciclo, sofrem um grande colapso gravitacional, que faz com que atinjam altíssimas temperaturas e liberem, por um curto período (algumas semanas), energia equivalente à de uma galáxia inteira. Por isso, elas tornam-se distinguíveis de outras estrelas das galáxias, em particular nessas galáxias distantes. São como os fogos de artifício que as escolas de samba soltam em seus desfiles para abrilhantar o espetáculo. Essas supernovas distantes lançaram um brilho especial na compreensão do desfile cósmico.

Além dos grandes desfiles de carnaval, existem os pequenos desfiles e blocos, que também animam essa festa. Da mesma forma, em nossa galáxia, há outros eventos que não têm escalas cosmológicas e galácticas, mas também são belos e interessantes.

A dança dos planetas ao redor das estrelas e a dos satélites ao redor dos planetas são animadas por um samba muito particular: o ‘samba da gravidade’, que pode ser ouvido de muito longe e permite que esses movimentos sejam rápidos ou lentos, dependendo das distâncias. Em nosso sistema solar, Mercúrio, que está perto do Sol, dá uma volta em torno desse astro em apenas 88 dias; já a Terra leva 1 ano e Netuno, 164 anos.

De fato, se pudéssemos ter um samba-enredo para reger todos esses movimentos astronômicos, ele seria, sem dúvida nenhuma, a gravidade, descrita originalmente por Isaac Newton há 300 anos e aprimorada por Albert Einstein há 100 anos. Como ainda existem mistérios na gravidade, principalmente para entendermos os instantes iniciais do universo e o interior de buracos negros, uma nova versão ainda será escrita, para termos finalmente encontrado a grande música cósmica.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O estranho mundo do Dr. Estranho

O estranho mundo do Dr. Estranho

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Mais uma vez volto a discutir  ciência dentro das histórias de ficção, como é o caso do novo  filme da Marvel - Doutor Estranho. Embora ele seja um mago, podemos ver um pouco de ciência, pois afinal como dizia o famoso escritor Arthur Clarke, "uma ciência e tecnologia muito avançada pode parecer magia para um povo primitivo"
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Coluna Física sem mistério

Ciência Hoje on-line

publicada em 20/12/2016

O filme Doutor Estranho, lançado este ano pela Marvel Studios, conta a história de um neurocirurgião famoso e arrogante que perde a capacidade de operar após um acidente e, em busca de sua cura, adquire poderes mágicos. (foto: divulgação The Walt Disney Company)

Nunca tivemos tantos filmes sobre super-heróis como nos últimos tempos. O cinema foi invadido por histórias de seres capazes de fazer proezas que desafiam o nosso imaginário e, em alguns casos, são bons momentos de diversão.

Desde o aparecimento do Super-homem no final dos anos 1930, surgiu uma legião de super-heróis com os mais diferentes ‘superpoderes’, ou habilidades especiais. Normalmente, esses poderes têm duas origens: ou os super-heróis nascem com super-habilidades, ou estas são fruto de alguma modificação genética ou foram desenvolvidas a partir de novas tecnologias.

O Super-homem, por exemplo, nasceu em outro planeta e, quando veio para a Terra, desenvolveu superpoderes por causa de sua genética. Thor, embora considerado um deus nórdico, é também um alienígena com habilidades especiais. Já o Homem-aranha conseguiu seus poderes após ser picado por uma aranha modificada geneticamente que alterou seu DNA e o Capitão América teve seu corpo mudado por um ‘supersoro’ especial. Super-heróis como o Homem de Ferro e Batman, por sua vez, usaram suas fortunas (e inteligência) para desenvolver tecnologias especiais que lhes permitem enfrentar as grandes ameaças que surgem – afinal, todo herói precisa de um vilão para enfrentar.

O mais recente sucesso de cinema trouxe um super-herói um pouco diferente dos outros. Um super-herói cujos poderes não estão nem na genética especial nem em recursos tecnológicos, mas sim nas chamadas ‘artes místicas’. O Doutor Estranho é ao mesmo tempo um personagem diferente e curioso. Sua origem vem de um médico famoso e arrogante que, ao se acidentar, perde a capacidade de operar, fato que o leva ao desespero, em busca de uma forma de recuperar suas habilidades como cirurgião. Em uma última tentativa, ele vai ao Nepal procurar uma cura para o seu problema a partir do uso da magia. Lá, conhece uma anciã, que, em vez de curá-lo, leva-o a descobrir a magia.

No filme, assim como em todos os de super-heróis, há cenas incríveis – hoje possíveis devido aos efeitos visuais –, que quase sempre desafiam as leis da física que conhecemos.

No caso do filme do Doutor Estranho, lançado este ano pela Marvel Studios, não é diferente. Embora se fale muito de magia, artes místicas, feitiços, entre outras coisas, no meu ponto de vista, há alguns conceitos científicos que merecem ser discutidos com um olhar diferente do que em geral aparece em filmes de ficção científica.

Mas, antes de qualquer coisa, gostaria de destacar que todo filme é uma obra de criação artística e não tem compromisso em garantir a veracidade do enredo, pois, afinal, é uma narrativa contada em uma linguagem particular, a linguagem cinematográfica.

Multiverso

Um dos pontos mais marcantes do filme do Doutor Estranho é a existência de universos paralelos à nossa realidade. Em cada um desses universos, as leis físicas são diferentes, assim como os conceitos de espaço e tempo. Em particular, no filme menciona-se a existência de uma ‘dimensão negra’, onde o tempo não passa e seria possível viver para sempre.

A ideia de universos paralelos ao nosso vem de algumas possibilidades de interpretação da teoria quântica e de possibilidades de explicação da cosmologia para a existência do nosso universo.

A física quântica começou a ser elaborada no início do século 20 e revolucionou a nossa forma de compreender a natureza. Em particular, a física quântica descreve o comportamento na escala atômica, em que alguns fenômenos parecem muito estranhos, quando comparados a nossa experiência cotidiana. Por exemplo: em inúmeras situações, observamos que a luz se comporta na forma de uma onda eletromagnética, como no fenômeno da difração, que ocorre quando uma onda atinge um sistema com duas fendas, que criam um padrão de interferência nas ondas (veja figura). Entretanto, também é possível observar que a luz se comporta como se fosse partículas de energia (fótons), como quando ela atinge um detector fotoelétrico, comum em portas automáticas.

Padrão de interferência que ocorre quando uma onda eletromagnética atinge um sistema com duas fendas. (imagem: Lookang many thanks to Fu-Kwun Hwang and author of Easy Java Simulation = Francisco Esquembre - Obra do próprio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17003343)

Mas, quando um único fóton atravessa um sistema de duas fendas, é impossível saber por qual das fendas ele passa. De fato, a impressão que se tem é que ele passa pelas duas fendas ao mesmo tempo. Do ponto de vista da física quântica, a luz (e outras entidades atômicas) se comporta como se fosse, ao mesmo tempo, onda e partícula, o que é conhecido como dualidade onda-partícula.

Contudo, existem outras propostas para explicar esse fenômeno. Uma delas, elaborada pelos físicos norte-americanos Hugh Everett III (1930-1982) e Bryce DeWitt (1923-2004), diz que, quando o fóton é emitido, ele estaria em todos os estados possíveis e, somente quando se faz a medição, é que se determina um desses estados. Ou seja, é como se ele existisse de muitas formas (muitos universos diferentes) e, quando interagimos com ele, determinamos seu estado.

Outra interpretação é que o nosso próprio universo seria apenas um entre infinitos universos que poderiam existir. O fato de o evento do Big Bang marcar o início do nosso universo não garante que não existam outros. É como se vivêssemos em uma ‘bolha’ e os outros universos estivessem em outras ‘bolhas’. Nesse caso, os muitos ‘universos’ eventualmente poderiam se unir, formando outros.

As situações descritas são apenas possibilidades teóricas da existência de mundos ou universos paralelos. De fato, ainda não foi possível encontrar qualquer evidência direta do multiverso.

Tempo reversível

Outro ponto marcante e interessante do filme é quando o Doutor Estranho utiliza o Olho de Agamotto, que, no cinema, é apresentado de maneira diferente daquela feita originalmente nos quadrinhos da Marvel Comics. No filme, o Olho de Agamotto é uma pedra especial que tem o poder de fazer o tempo voltar, ou seja, é capaz de fazer com que eventos sejam desfeitos e as coisas voltem a ser exatamente o que eram antes deles.

Fazer o tempo retroceder é uma das ações mais desejadas. Poder voltar no tempo, depois de saber que algo não deu certo, e corrigir o que foi feito de errado seria muito conveniente. Mas isso não acontece. O que observamos é que o tempo sempre caminha para frente.

A irreversibilidade do tempo está associada ao chamado princípio de aumento da entropia. De maneira simplista, podemos dizer que a entropia mede o grau de desordem de um sistema. Quanto menos organizado é esse sistema, maior a sua entropia. Em algumas situações, conseguimos diminuir a entropia, pois a situação é reversível, ou seja, conseguimos fazer as coisas voltarem ao que eram (quando organizamos a nossa casa que está toda bagunçada, por exemplo). Mas há situações em que isso é impossível, como fazer uma maçã voltar ao que era após ter sido mordida, como foi mostrado no filme.

Assim como em todas as histórias, a ficção pode ser mais interessante que a realidade. Explorar as diferentes possibilidades faz com que pensemos um pouco em situações que seriam impossíveis, mas, na tela do cinema, tudo se torna factível.

Da mesma forma, o conhecimento dos processos que envolvem os fenômenos físicos pode ser também fascinante, pois, afinal, o conhecimento é também uma narrativa que estamos construindo há milênios. Fenômenos considerados mágicos se tornaram compreensíveis a partir do momento em que tentamos entender mais profundamente a natureza. As estranhezas que a ficção cria talvez algum dia possam se transformar em realidade.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Transições superficiais

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O prêmio Nobel de Física desse ano foi atribuído a três pesquisadores que desenvolveram os fundamentos teóricos para explicar um tipo particular de transição de fase, as transições de fase topológicas. O assunto é bastante complexo, mas fiz um esforço para tentar traduzir um pouco dessa grande contribuição para o entendimento  mais fundamental da natureza.

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TRANSIÇÕES SUPERFICIAIS

Coluna Física sem mistério

Ciência Hoje On-line

publicada em 28/11/2016

Em outubro, são anunciados os ganhadores do prêmio Nobel. No campo da física, as três últimas premiações foram concedidas: por trabalhos que confirmaram a existência do bóson de Higgs, partícula prevista pelo chamado modelo padrão da física, que descreve as partículas e forças fundamentais (2013); pela invenção do LED de cor azul, que permitiu a construção das lâmpadas de LED usadas atualmente (2014); e por resultados que mostraram que os neutrinos, partículas sem carga elétrica, têm massa (2015).

Em 2016, criou-se uma expectativa em relação ao prêmio após o anúncio, no início do ano, de uma das mais importantes descobertas científicas dos últimos tempos: a observação direta, pela primeira vez, das ondas gravitacionais previstas pelo físico alemão Albert Einstein há 100 anos. Embora não houvesse dúvidas sobre o fenômeno observado, o grupo de pesquisadores que fez essa descoberta não ganhou o prêmio deste ano. Como se trata apenas da primeira observação, o comitê responsável pela escolha dos vencedores provavelmente deve esperar outras.

O prêmio de 2016 foi concedido a três pesquisadores: metade para David J. Thouless e a outra metade para J. Michel Kosterlitz e F. Duncan M. Haldane, pela “descoberta teórica de transições de fase topológicas e as fases topológicas da matéria”. Esse é um tema muito complexo em física, bastante distante do cotidiano das pessoas. Vou tentar explicar a importância dos trabalhos desses pesquisadores, pois já usei alguns de seus resultados em minhas pesquisas.

Estados da matéria

Na escola, costumamos aprender sobre os três estados da matéria – sólido, líquido e gasoso –, bem como suas transformações. Por exemplo: se retirarmos uma pedra de gelo do congelador (normalmente a -120C) e a deixarmos dentro de um copo em temperatura ambiente (250C), ela primeiro fica mais ‘branca’ e, depois, começa a derreter, transformando-se em água líquida. O embranquecimento deve-se à transformação do vapor d’água que está no ambiente em líquido e, depois, em sólido. É como se nevasse sobre a pedra de gelo.

Já o derretimento do gelo acontece devido ao seu contato com o ambiente, que está em uma temperatura mais alta. A pedra de gelo começa a se aquecer até a temperatura de 0oC, que é o ponto de congelamento da água ao nível do mar, e mantém essa temperatura até ser totalmente convertida em água líquida.

Por outro lado, se pegarmos água líquida e a aquecermos em uma panela, sua temperatura aumentará até 100oC (se estivermos no nível do mar), momento em que ela começará a evaporar e se transformar totalmente em vapor d’água.

Esses processos são chamados de transição de fase do estado sólido (gelo) para o líquido (água) e do líquido para o vapor. Nesses tipos de transições de fases, pelo menos uma propriedade do sistema muda de maneira importante. No caso das transições de fase da água, por exemplo, o que muda é sua densidade. Curiosamente, a densidade da água no estado sólido (gelo) é menor que a densidade no estado líquido (por isso, o gelo flutua na água), mas é maior que a densidade no estado de vapor. A densidade é considerada pelos físicos o ‘parâmetro de ordem do sistema’, que se modifica de maneira significativa na transição de fase de toda matéria.

Ao derreter, o gelo passa por um processo chamado de transição de fase do estado sólido para o líquido. (foto: Pixabay.com/ Domínio Público)

Mas existem ainda outros estados da matéria, como o plasma, que surge quando a matéria está em temperaturas muito altas, como a que existe nas estrelas, onde os elétrons são arrancados dos átomos, deixando-os altamente ionizados.

Em baixas temperaturas, por volta de -273oC (a menor temperatura possível), podemos observar novas fases da matéria, associadas a fenômenos quânticos. Na supercondutividade, por exemplo, alguns materiais apresentam uma fase em que sua resistência elétrica vai a zero, tornando possível a passagem de uma corrente elétrica sem que haja perda de energia. Outro exemplo ocorre com materiais como o ferro, que, em certa temperatura, podem deixar de ser magnéticos, caracterizando o que se chama de transição de fase magnética.

Dimensões reduzidas

Os ganhadores do prêmio Nobel deste ano desenvolveram um modelo matemático geral para descrever o comportamento de transições de fase que ocorrem em supercondutores ou sistemas magnéticos com dimensões reduzidas. Kosterlitz e Thouless estudaram a transições de fase de materiais bidimensionais, cuja altura é muito pequena comparada com a largura e o comprimento, de forma que podemos considerá-los apenas em duas dimensões. Haldane estudou a matéria que, por formar fios tão finos, pode ser considerada unidimensional.

Como já foi dito, nas transições de fase da água, existe um parâmetro de ordem (a densidade) que muda de uma fase para outra. No caso dos sistemas bidimensionais estudados por esses pesquisadores (como os materiais supercondutores), havia uma transição de fase sem a mudança do parâmetro de ordem. A transição de fase ocorria devido a uma mudança topológica, ou seja, uma mudança na forma como se dá o arranjo de determinadas estruturas características da matéria. Essa transição ficou conhecida como transição de Kosterliz-Thouless.

Uma mudança topológica, por exemplo, ocorre quando um objeto é esticado, torcido ou deformado, sem ser dilacerado, mas mantém certas propriedades intactas. Topologicamente, uma esfera e uma bacia pertencem à mesma categoria, porque uma massa esférica de argila, por exemplo, pode ser transformada em uma bacia. Uma rosca com um furo no meio e uma xícara de café com alça furada pertencem a outra categoria. Elas também podem ser remodeladas para formar outros objetos.

Os estudos de Kosterlitz, Thouless e Haldane ganharam maior relevância nos últimos anos, com a descoberta dos isolantes topológicos, materiais que apresentam as propriedades investigadas por eles. Os isolantes topológicos são condutores somente na sua superfície e podem permitir a existência de determinados estados quânticos da matéria apenas nessa camada superficial. Esses estados quânticos poderão ser usados para gerar os chamados ‘qbits’ (bits quânticos), que podem levar ao desenvolvimento dos computadores quânticos, máquinas extremamente poderosas que empregariam propriedades quânticas para o processamento de informações.

Entre os materiais que apresentam as propriedades estudadas pelos vencedores do Nobel estão os isolantes topológicos, que são condutores somente na sua superfície e podem ser usados no desenvolvimento de computadores quânticos. (foto: Penn State/ Flickr/ CC BY-NC-ND 2.0)

 Os segredos que começaram a ser desvendados pelos ganhadores do Nobel de Física deste ano ainda nos trarão muitos avanços. Agora as transições topológicas da matéria precisam ser mais investigadas, para nos levar a novos e fascinantes desdobramentos. Isso evidencia a importância da pesquisa básica para a ciência, mesmo que, em um primeiro momento, não haja perspectivas de aplicações práticas.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Do laboratório para você

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Embora a Física, como disciplina escolar, não é muito popular entre os estudantes, os avanços e conquistas que por ela realizada transforma as nossas vidas ao longos dos séculos. Em particular, no século 20, com o advento da Física Quântica foi possível construir e desenvolver muitos dos dispositivos que temos em nosso cotidiano. Na coluna publicada em 20 de setembro de 2016 discutimos um pouco disso.

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Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20 de setembro de 2016.

Do laboratório para você

As casas e as cidades em que vivemos hoje são muito diferentes daqueles de 100 ou 50 anos atrás. Nosso cotidiano está repleto de dispositivos e equipamentos que facilitam a vida: a revolução tecnológica que se iniciou no século 20 alterou de maneira profunda nossa forma de viver, começando pela hora de acordar. Alguém aí ainda usa um despertador à moda antiga, daqueles que soam tic-tac, tic-tac? Duvido.

Quase todo mundo opta pelos despertadores eletrônicos, em alguns casos, um rádio-relógio, e em muitos outros um smartphone programado para fazer um escândalo na hora marcada. Os telefones celulares atuais, aliás, já deixaram de ser telefones, no conceito original de seu inventor Graham Bell, há muito tempo. São, hoje, computadores com alta capacidade de processamento e armazenamento de dados, que permitem rodar inúmeros aplicativos e acessar a internet para gerenciamento de múltiplas tarefas, incluindo o armazenamento e troca de arquivos de textos, fotos, vídeos e áudio. Fazer ligações telefônicas está cada vez mais secundário – mas, para quem ainda o faz, a transmissão de voz é feita por meio de bandas digitais que operam na faixa de frequência das micro-ondas, similar à utilizada nos fornos que muitas pessoas têm na cozinha.

Ao sair de casa, seja com um automóvel ou utilizando o transporte público, também estamos em contato com diversos dispositivos eletrônicos: automóveis e demais veículos são máquinas com sofisticadas tecnologias. Os motores de a combustão, por exemplo, são máquinas térmicas que, a partir da explosão do combustível no interior da câmara dos pistões, convertem a energia térmica liberada pela queima do combustível em energia mecânica. Esse processo é atualmente controlado por microprocessadores semelhantes aos que temos nos computadores, o que torna o processo mais eficiente. Que o digam os automóveis flex, que podemos abastecer tanto com gasolina quanto com etanol. Um sensor detecta a mistura do combustível, ajustando o funcionamento do motor.

Mas a energia mecânica produzida pelo motor não é utilizada apenas para movimentar os veículos. Ela é, também, convertida em energia elétrica para abastecer a bateria, responsável por suprir de energia cerca de uma centena de dispositivos eletrônicos presentes nos carros atuais, incluindo principalmente os sensores que ajudam na condução do veículo. Controladores de velocidade, suspensão ativa, direção elétrica, limpadores de para-brisa, câmbio automático, rádio, vídeo, sensores de estacionamento e ultrapassagem, espelhos eletrocrômicos que controlam o reflexo da luz, entre outros, são cada vez mais comuns nesses meios de transporte.

(foto: Pixbay.com / Domínio Público)

No ambiente de trabalho, seja ele a linha de produção de uma fábrica, um escritório administrativo ou até mesmo o campo, temos contato com computadores, operando-os direta ou indiretamente. Escrevemos, desenhamos, calculamos e nos comunicamos por meio de computadores. Máquinas em linhas de montagem de automóveis, por exemplo, são sofisticados robôs que executam tarefas – de um aperto de parafuso até a pintura das peças de um carro – programadas previamente. Máquinas agrícolas que usam controladores eletrônicos, tanto para a colheita como para o plantio, são comuns na agricultura em larga escala.

E, mesmo ao voltar para casa após um dia cheio, a tecnologia não nos deixa sós. A televisão a que assistimos antes de dormir, um dos aparelhos mais presentes em todos os lares brasileiros, evoluiu muito desde sua invenção na década de 1920. Deixou de ser um grande tubo no qual eram produzidas imagens pouco definidas para se transformar nos modernos televisores com tela de LEDs (dispositivos emissores de luz) orgânicos que permitem imagens tridimensionais de altíssima definição e dispositivos especializados em gerar som de grande fidelidade. Quem não se deixa seduzir por imagens tão impressionantes? Sem falar que, hoje, boa parte das TVs já está conectada à internet, o que garante uma extraordinária variedade de conteúdo para ser acessado, inclusive com recursos interativos.

Das válvulas aos transístores

Os dispositivos eletrônicos começaram a ser construídos no início do século 20, com o desenvolvimento da válvula termiônica. Essa válvula, formada por um invólucro de vidro de alto vácuo e contendo vários elementos metálicos, tem como função controlar uma tensão através de um eletrodo, com ganho de amplificação, isto é, uma pequena tensão de entrada controla uma grande tensão de placa. Assim, como se fosse uma torneira, a válvula controla corrente e amplifica o sinal recebido.

Esse pequeno dispositivo fez uma grande diferença na tecnologia, pois permitiu o desenvolvimento do rádio, dos aparelhos de televisão e dos computadores. Foi utilizando as válvulas eletrônicas que se construiu, na década de 1940, o primeiro computador digital eletrônico, o ENIAC (de Electronic Numerical Integrator and Computer – computador integrador numérico eletrônico). Ele era utilizado para calcular trajetórias balísticas e representou um avanço enorme. Para se ter uma ideia, cálculos que demoravam 12 horas para serem feitos manualmente passaram a ser processados em apenas 30 segundos, com a ajuda de mais de 17 mil válvulas eletrônicas e a potência de 160 kW do ENIAC (equivalente a 40 chuveiros elétricos funcionando simultaneamente).

Mulheres operando o ENIAC, o primeiro computador digital eletrônico. (foto: Domínio Público)

Mas nossos computadores atuais não utilizam mais válvulas eletrônicas. Em dezembro de 1948, John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, pesquisadores do Bell Labs (Estados Unidos), descobriram o feito transistor, que permitiu o desenvolvimento desse componente que foi o substituto das válvulas eletrônicas. Por essa descoberta eles foram laureados com o prêmio Nobel de Física de 1956.

Diferentemente do que acontece nas válvulas eletrônicas, nos transístores o controle da tensão é feito por materiais semicondutores que têm propriedades quânticas e a grande vantagem de poderem ser feitos de maneira compacta. Em 1958, foi construído o primeiro circuito integrado, com um transistor, três resistores e um capacitor, formando um sistema que podia transformar uma corrente contínua em alternada. Esse avanço permitiu, na década de 1970, construir os primeiros microprocessadores, que são o coração de todos os computadores.

A compreensão das propriedades fundamentais da matéria a partir do conhecimento dos fenômenos físicos envolvidos na escala atômica está no domínio da física quântica, que começou a ser desenvolvida no começo do século 20. Essa área da ciência é a principal responsável pelo grande desenvolvimento da eletrônica. Na medida em que a pesquisa básica foi avançando na compreensão dos processos quânticos que ocorrem nos materiais, novos dispositivos puderam ser criados.

Um exemplo disso foi a descoberta da magnetorresistência gigante pelos físicos Albert Fert, francês, e Peter Grünberg, alemão, no final da década de 1980. Nesse efeito, camadas com a espessura de alguns nanômetros de materiais ferromagnéticos, separados por um material não-magnético, se acoplam de maneira que, ao se aplicar um campo magnético, a resistência elétrica do dispositivo se altera significativamente. Esse dispositivo é aplicado nas cabeças leitoras dos discos rígidos de computadores e em muitos outros equipamentos, como o dispositivo de controle de estabilidade de alguns automóveis. Pela descoberta desse efeito, Fert e Grünberg ganharam o prêmio Nobel de Física de 2007.

Estamos muito acostumados com a tecnologia ao nosso redor, mas muitas vezes esquecemos que computadores, televisores, smartphones e outros aparelhos eletrônicos somente foram possíveis de serem inventados graças aos conhecimentos de física básica desenvolvidos ao longo do último século. Novos dispositivos que estão sendo lançados neste momento já possuem novas tecnologias decorrentes de novas descobertas da pesquisa básica feita em laboratórios de universidades e centros de pesquisa. Vale lembrar, portanto, que nosso conforto do dia-a-dia advém da ciência básica e, por isso, ela deve ser incentivada em todos os níveis. O leitor pode ter certeza de que o novo ‘brinquedo’ que estaremos usando em alguns anos vai começar – ou já começou – na bancada de algum laboratório no qual os cientistas procuram entender os segredos da matéria.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Física para Poetas

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Escrever e falar sobre Física e a Ciência em geral é sempre um grande desafio. Estimular as pessoas a se interessarem por assuntos que algumas vezes são tão áridos exige muita dedicação e criatividade. Há tempos invisto nisso não somente através de texto de divulgação, mas também utilizando outras estratégias como videocasts podcasts, instalações interativas entre outras. Contudo, uma particularmente interessante é "Física para Poetas", que são palestras e mini-cursos sobre temas de Física. Na coluna publicada em 08 de agosto no Ciência Hoje on-line explicamos um pouco dessa nossa iniciativa, que não é original, mas tem um jeito especial de como apresentar a Ciência.
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Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 08 de agosto de 2016

FÍSICA PARA POETAS

Falar sobre física para as pessoas que não estão acostumadas com ela é uma das atividades acadêmicas que mais gosto de fazer. Sabe por quê? Quando digo a alguém que sou físico, muitas vezes recebo respostas do tipo “como você pode gostar de algo tão chato?”; “a física é muito complicada e somente pessoas muito inteligentes podem gostar disso!”; ou, ainda, “eu nunca consegui aprender nada de física… odeio a física!” Isso sempre me incomodou. Afinal de contas, a física, como outras ciências, é uma criação humana capaz de nos ajudar a compreender melhor o mundo ao nosso redor.

O ensino da física na educação básica sempre foi um grande desafio. Nos últimos anos, muitos esforços foram feitos por educadores e físicos com objetivo de ensiná-la desde das séries iniciais do ensino fundamental, no contexto do ensino de ciências. Porém, como disciplina regular, a física aparece no ensino médio, quando se torna “um terror” para muitos estudantes.

Existem muitas pesquisas na área de ensino de ciências que tentam identificar quais são as principais dificuldades do ensino de física e das ciências em geral. Em particular, a queixa que sempre se detecta nos estudantes é que eles não conseguem compreender a linguagem matemática na qual, muitas vezes, os conceitos físicos são expressados. Outra questão importante é que os problemas físicos sejam apresentados fora de uma contextualização do cotidiano das pessoas, o que dificulta o seu aprendizado. Por fim, existe uma enorme carência de professores formados em física para ministrar as aulas da disciplina.

As pessoas que vão para o ensino superior e que não são da área de ciências exatas praticamente nunca mais têm contato com a física, da mesma maneira que os estudantes de física, engenharia e química poucas vezes voltam a ter contato com a literatura, a história e a sociologia, entre outras disciplinas. É triste notar que a especialização na formação dos indivíduos muitas vezes os deixa distantes de partes importantes da nossa cultura – e não tenha dúvida de que as ciências físicas e as humanidades fazem parte dessa cultura de que estamos falando.

Mas vamos pensar em soluções. Acredito que as atividades de divulgação científica podem ajudar a reaproximar as pessoas de áreas de conhecimento que lhe parecem distantes. Tudo depende da linguagem na qual são apresentadas.

 

Esforço de aproximação

Há alguns anos, ofereço um curso chamado “Física para poetas”. A ideia não é original – ao contrário, é muito utilizada em diversos países e aqui mesmo no Brasil. Seu objetivo é apresentar a física sem o uso da linguagem matemática e tentar mostrá-la próximo ao cotidiano das pessoas, tentando destacar a beleza dessa ciência. Em muitas universidades nos Estados Unidos e na Europa, existem disciplinas para os estudantes da área de ciências humanas com essa abordagem, inclusive com essa denominação.

Nos meus cursos, procuro fazer também uma aproximação com elementos culturais como poesia, música e arte, entre outros. O desafio é sempre mostrar que a física pode ser fascinante.

Alguns dos temas que trabalho em “Física para poetas” são inspirados nos artigos publicados nesta coluna, pois o exercício mensal de escrever para Ciência Hoje traz ideias interessantes. Por exemplo, “A busca pela compreensão cósmica” é uma das aulas, em que apresento a evolução dos modelos que temos do universo. Começando pelas visões místicas e mitológicas e chegando até as modernas teorias cosmológicas, falo sobre a busca por responder questões sobre a origem do universo e, consequentemente, a nossa origem. Esse caminho é muito importante para compreendermos o nosso lugar no mundo e na história. Destaco, principalmente, que esse conhecimento foi construído por diversos atores e questões como a própria escuridão da noite trazem respostas surpreendentes (veja a coluna “As escuras noites de inverno”).

Um tema que foi um dos primeiros a serem abordados na busca de uma compreensão mais profunda natureza, ainda pelos filósofos antigos, é o movimento. Aproveitando essa motivação, discuto, em “O enigma do movimento” (veja a coluna homônima), os movimentos cotidianos e planetários, bem como os conceitos de inércia e a teoria da relatividade de Einstein, na qual a música “O xote da navegação”, de Chico Buarque e Dominguinhos, apresenta conceitos de movimento relativo e de observadores que vão ao encontro das ideias da relatividade. Provavelmente, esses geniais artistas sequer pensaram nisso na composição da música.      

Na aula “Memórias de um carbono” (veja a coluna com o mesmo nome), faço uma narrativa de um átomo de carbono contando a sua história, em primeira pessoa, desde o seu nascimento, em uma distante estrela que morreu há bilhões de anos, até o momento em que sai pelo nariz de uma pessoa respirando. Temas como astronomia, biologia, evolução e química surgem ao longo dessa aula, bem como as músicas de Gilberto Gil “Atimo de pó” e “Estrela", além da poesia de Álvares de Azevedo “Psicologia de um vencido”. Esse tema também gerou uma instalação interativa que construímos com o mesmo nome, na qual se dramatiza toda essa viagem, e que foi exibida em diferentes eventos.

O módulo interativo "Memórias de um carbono"
conta a história de um átomo, desde o seu nascimento
em uma estrela distante até o momento em que sai
pelo nariz de uma pessoa. (foto cedida pelo autor)

Já na aula “Admirável e fascinante pequeno mundo”, discuto a origem dos constituintes da matéria, desde as ideias gregas até as modernas concepções da física quântica sobre os átomos. Gilberto Gil foi uma grande inspiração para esse tema, por meio de seu álbum Quanta, cujas músicas servem de ponte para entender os complexos mecanismos que regem as interações fundamentais da matéria (veja a coluna “Admirável pequeno mundo”).

Em “O tempo em nossas vidas”, apresento esse fascinante conceito que, na verdade, vai muito além da física: está presente em áreas como a filosofia, a biologia e a psicologia. Algumas músicas de Chico Buarque e Caetano Veloso, poesias de Vinicius de Moraes e Carlos Drummond de Andrade ajudaram nessa abordagem. Não faltou também “Tempo Rei”, de Gil.

Enfim, ao compartilhar com vocês alguns exemplos de minhas aulas, espero mostrar que o desafio de fazer com que a física se torne interessante para as pessoas não é fácil, mas, ao mesmo tempo, é muito estimulante. Apresentar conceitos científicos relacionando-os com as artes é uma alternativa interessante, pois a arte é, também, uma forma importante do conhecimento humano. Se as músicas e poesias inspiram as mentes e os corações, podemos mostrar que a ciência, em particular a física, também é algo inspirador e belo, capaz de criar certa poesia e encantar não somente aos físicos, mas a todos os poetas da natureza.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Edição de Aniversário - 10 anos publicando na Ciência Hoje on-line

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Em junho de 2016 completei 10 anos publicando no site Ciência Hoje On-line. Durante esse tempo tive a oportunidade de escrever 120 artigos de divulgação científica e tenho muito a agradecer aos meus editores ao longo de todos esses anos. Bernardo Esteves, Carla de Almeida, Thaís Fernandes, Catarina Chagas e outros jornalistas que ajudaram-me a evoluir a minha forma de escrever.
Com um pouco de atraso, segue o texto publicado no dia 09 de junho de 2016. Nele faço um pequeno relato de uma experiência que muito marcou a minha carreira como professor e divulgador da ciência.
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Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicado em 09 de junho de 2016

EDIÇÃO DE ANIVERSÁRIO

Participar de eventos científicos é muito interessante para os cientistas – não somente pela oportunidade de apresentar as nossas pesquisas e aprender coisas novas, mas também pela chance de encontrar amigos e colegas de profissão. No hall do hotel, nos restaurantes ou mesmo naquele happy hour de final de dia, confraternizamos e trocamos ideias. Dessas conversas informais surgem muitos projetos de colaboração científica.

Trago um exemplo pessoal. Em maio de 2006, eu estava participando do Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada, a maior reunião de físicos do Brasil, na cidade de São Lourenço, em Minas Gerais. No café da manhã do hotel, sentei-me junto ao professor Alberto Passos Guimarães, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, que trabalha em temas muito próximos do meu interesse, que é o magnetismo. Além de conversarmos sobre resultados interessantes apresentados no evento, falamos também sobre divulgação científica.

Relatei a ele minha proveitosa experiência em escrever colunas sobre ciência, em particular sobre física. Infelizmente, a página onde eu publicava meus textos deixara de operar no Brasil. Guimarães, membro da diretoria do Instituto Ciência Hoje e atualmente o seu presidente, sugeriu que eu procurasse a Ciência Hoje, que, na época, implementava em seu portal um espaço para colunas. Fiquei feliz com a ideia e entrei em contato com o editor, na época o jornalista Bernardo Esteves. Em junho de 2006, há exatos dez anos, estreava a coluna ‘Física sem mistério’.

De lá para cá, foram 120 artigos publicados, com periodicidade mensal, sem interrupção. Para mim foi, e continua sendo, uma oportunidade extraordinária de aprendizado. Afinal, todo mês coloco para mim o desafio de abordar um novo tema sobre física, astronomia ou até as conexões existentes entre outras ciências e essas áreas.

Do futebol aos astros

O texto de estreia foi publicado na época da Copa do Mundo da Alemanha. Havia uma grande expectativa em relação à seleção brasileira, campeã mundial, e aproveitei o tema para discutir o lance genial da falta batida pelo craque Ronaldinho Gaúcho na Copa de 2002 – a brincadeira foi imaginar como Aristóteles, Galileu, Newton e Einstein, a partir das suas teorias, descreveriam o lance. O futebol voltaria à coluna também para falar sobre viagens no tempo, em texto motivado pelo filme Barbosa, de Ana Azevedo e Jorge Furtado, e sobre esquemas táticos e a dinâmica de um sistema interagente com muitas partículas, em “Imponderável Futebol Clube”.

Além da paixão nacional, outros temas corriqueiros serviram de pontapé inicial ou mesmo de metáfora para abordar questões científicas complexas. No texto “Um romance da natureza”, comparo a evolução da física a uma narrativa ainda não completada, enquanto em “Um edifício milenar” uso a construção de um prédio como metáfora de como novas descobertas servem de alicerce para novas teorias. A estratégia me permite abordar temas cabeludos como a teoria da relatividade e a física quântica, temas, respectivamente, da recente coluna “Sinfonia para o universo” e da mais antiga “Cânticos quânticos”, inspirada na música de Gilberto Gil “Quanta”.

Agora, cá entre nós, um dos temas mais caros à coluna é a astronomia. Inspiradora e atraente para o público, esta é uma área da qual poderíamos falar sem parar – na tentativa de escolher um único exemplo, destaco o texto “O essencial é invisível aos olhos”, baseado no livro O pequeno príncipe, de Saint-Exupéry, no qual discuto a paixão pela ciência, em particular pela astronomia. Outra coluna de grande repercussão foi “A verdadeira influência dos astros”, na qual faço uma crítica à astrologia e defendo que a verdadeira influência dos astros sobre nós é sua beleza, que nos inspira a estudá-los, conhecê-los e, como diz o poeta, ouvi-los.

Aprendizado e retornos

Poderia ficar aqui relembrando cada uma das 120 colunas publicadas, mas vamos adiante. Nesses dez anos, vi, na prática, que divulgar ciência não é tarefa simples. É preciso usar uma linguagem acessível para o público não acadêmico, mas também é igualmente importante manter o rigor científico: do contrário, pode-se apostar que chegarão as críticas pela falha em um desses dois aspectos.

Embora não seja uma atividade valorizada por todos – ainda há acadêmicos que pensam que ela simplesmente não dá retorno –, a divulgação científica me trouxe, na última década, muitas recompensas pelo esforço empreendido. Um aspecto gratificante do trabalho foi ver que dezenas de artigos publicados aqui foram solicitados para reprodução em livros didáticos de disciplinas como física, química, geografia, português e ciências, para apoiar aulas de Ensino Fundamental e Educação de Jovens e Adultos. Eles também já foram utilizados em concursos públicos e vestibulares.

Rotineiramente, recebo muitas mensagens e comentários sobre os textos publicados, na sua grande maioria elogiando as colunas, ou com dúvidas sobre os assuntos abordados. Tento responder quase todos, pois considero que, se alguém que leu o texto se motivou a escrever para mim, seja qual for o motivo, vale a pena dar uma resposta.

Mas, em termos de recompensa, guardo uma história especialmente memorável. Ao final de uma disciplina que lecionei na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), solicitei aos alunos uma avaliação das aulas. Um deles, além de fazê-lo, mencionou que me conhecia justamente pela ‘Física sem mistério’. Ainda estudante de Ensino Médio, ele havia entrado em contato comigo perguntando sobre o curso de física, e afirmou que meus textos o incentivaram a procurar a graduação na UFSCar. Já durante o curso, ele procurara minha disciplina porque queria ter aulas com aquele que foi um dos inspiradores de sua vocação científica.

Esse, sem dúvida, foi um dos melhores retornos que tive de todo o meu trabalho acadêmico ao longo de mais de 20 anos de carreira.

Neste texto, em clima de festa, compartilhei parte de minha história de divulgador – além da coluna, mantenho outras atividades de divulgação científica no Laboratório Aberto de Interatividade da UFSCar. Espero que outros colegas se interessem também por fazer com que a ciência chegue ao público em geral. Neste período de tantas turbulências políticas, é fundamental que as pessoas percebam o quanto a ciência é importante para o nosso país. Mas, para isso, precisamos mostrá-la de maneira simples, instigante e clara – uma grande missão que só se torna factível quando compartilhada.
 

Adlson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos