sexta-feira, 25 de fevereiro de 2005

Outra revolução no espaço-tempo

Publicado no AOL-Educação em 22/02/2005


O ano de 1905 foi considerado pela maioria dos historiadores da Ciência como o “ano miraculoso de Einstein”. Como citei em colunas anteriores, os artigos que ele publicou naquele ano seriam mais do que suficiente para que Einstein fosse considerado um dos maiores físicos de todos os tempos. Entretanto, uma revolução maior ainda estava por vir. Einstein faria talvez o maior esforço intelectual realizado por apenas um homem ao ampliar os limites da Teoria da Relatividade Restrita.

A Teoria da Relatividade Geral (TRG), como ficou conhecida, ampliou os resultados da a teoria de 1905 que descrevia apenas as situações que ocorriam em referenciais inerciais para também referencias que sofrem aceleração. Como conseqüência, ele criou uma nova teoria para a Gravitação.

Einstein elaborou em 1911 o “Princípio da Equivalência” que foi o ponto de partida para a TRG. Esse princípio mostra que é impossível distinguirmos fisicamente a ação de uma força qualquer sobre um corpo da ação de um campo gravitacional. Por exemplo, todos já vimos imagem dos astronautas flutuando no espaço. A explicação comum é que os astronautas estão “sem gravidade”. Essa afirmação, para ser correta, depende do ponto de vista do observador. No interior da espaçonave a sensação é que lá não existe a gravidade. Entretanto, para quem está na superfície da Terra a impressão é que os astronautas estão caindo. A espaçonave nunca atinge o solo, pois na medida que ela cai, a superfície da Terra (que é curva) se afasta na mesma proporção. Deste ponto de vista o que se observa é que existe a gravidade atraindo os astronautas.

Da mesma maneira, se a espaçonave está viajando no espaço longe da influência gravitacional de qualquer objeto celeste, mas com uma aceleração igual a aceleração da gravidade terrestre (9,8 m/s2), os seus ocupantes terão a mesma sensação da existência de um campo gravitacional, como estivessem na superfície da Terra. Perceberão que ao subir em uma balança o seu peso será mesmo que foi medido em um balança na Terra. Novamente, será impossível distinguir a diferença entre as duas situações.

A principal conclusão dessas observações é que não há diferença entre os dois tipos de massa que existem. A massa que aparece na 2a. Lei de Newton (F=ma), a massa inercial, é idêntica a massa que aparece na fórmula da força gravitacional (massa gravitacional). Em princípio, essas duas massas não deveriam ser iguais, pois estão relacionadas com fenômenos físicos diferentes, a inércia e a força de atração gravitacional.

A partir dessa idéia Einstein ampliou os conceitos da Teoria da Relatividade Restrita e introduzindo conceitos inovadores na Física. Ele propôs que o campo gravitacional é criado a partir da “curvatura do espaço e do tempo” provocada pela presença da massa e da energia. A grande síntese dessas idéias ocorreu em 1916, quando ele publicou a sua versão definitiva da TRG.

Essa teoria explicou fenômenos que teoria da gravitação de Newton não conseguia explicar. O primeiro foi relativo ao movimento do planeta Mercúrio ao redor do Sol. Por séculos os astrônomos observaram que o periélio (o ponto da órbita do planeta que fica mais próximo do Sol) se deslocava com o passar do tempo. Acreditava-se que existia um planeta próximo de Mercúrio que provocaria esse efeito. Atualmente sabe-se que tal planeta não existe. Einstein conseguiu explicar o deslocamento do periélio de Mercúrio utilizando a TRG.

Outro efeito que Einstein previu foi o desvio que a luz deveria sofrer devido a gravidade. A própria teoria de Newton explicava esse efeito, mas o valor previsto era duas vezes maior do que o calculado pela TRG. Em 19 de maio de 1919, uma equipe de astrônomos ingleses fotografou, durante um eclipse total do Sol em Sobral, no Ceará, estrelas que apareciam próximas do Sol. Comparando a posição destas sem a influência gravitacional do Sol, verificou-se que a previsão de Einstein estava correta. A partir dessa descoberta Einstein se tornou mundialmente conhecido.

Atualmente os conceitos da TRG são empregados em algumas tecnologias como a do sistema de localização por GPS (Global Positioning System – Sistema de Posicionamento Global). Este sistema utiliza satélites com relógios atômicos que devem estar perfeitamente sincronizados. Como previsto pelo a TRG, o tempo também é influenciado pela ação da gravidade. Como os satélites se encontram em distâncias diferentes da Terra os efeitos da gravidade tornam-se relevantes e precisam ser considerados. Se não fossem não se conseguiria a precisão que esse sistema possui atualmente.

A TRG foi uma das maiores revoluções da Física. Ela e a Mecânica Quântica são os dois pilares fundamentais da Física atual. Entretanto essas duas teorias não podem ser aplicadas simultaneamente para descrever algumas situações físicas, como o interior de buracos negros e o instante inicial do universo (Big-Bang). Para isso os físicos ainda buscam uma nova teoria que possa explicar essas situações. Quando isso acontecer teremos novamente uma revolução, talvez não tão silenciosa, no espaço e no tempo.

quarta-feira, 9 de fevereiro de 2005

As águas do verão
publicado no AOL-Educação em 04/02/2005
http://educacao.aol.com.br/colunistas/adilson_oliveira/0017.adp

Um final de semana chuvoso, como geralmente acontece na época do verão, costuma deixar a maioria das pessoas desanimadas. Reclamamos de ter que ficar em casa, perder as oportunidades de lazer, de não poder curtir a piscina, a praia etc. Algumas pessoas, como eu, não vêem essa situação como sendo ruim, embora os meus filhos detestem esses finais de semanas perdidos. Pode-se aproveitar essas ocasiões para fazer muitas outras coisas, como aproveitar o barulho da chuva batendo no telhado para tirar uma soneca, ler um bom livro, assistir um filme interessante, ou escrever esse pequeno texto para alguns leitores curiosos.
O excesso de chuvas causa contratempos, como as enchentes e inundações, mas a ausência de chuvas é mais problemática. Quando acontecem longos períodos de estiagem pode ocorrer escassez de alimentos em algumas regiões. Uma outra conseqüência é a diminuição do nível das barragens das usinas hidroelétricas, como ocorreu em 2002, quando todos tivemos que racionar o consumo energia elétrica.
A energia produzida nas usinas hidroelétricas é feita a partir da transformação da energia potencial gravitacional da água acumulada em grandes represas – ou seja, da energia que todo corpo adquire ao ser elevado a uma determinada altura. Quando a água desce pela barragem ela movimenta as turbinas, transferindo para elas a energia de movimento (energia cinética) necessária para movimentar os geradores e produzir a energia elétrica.
Além do atendimento às necessidades que temos nos dias de hoje, a existência de chuvas foi fundamental para o surgimento da vida na Terra. Os oceanos e rios foram formados há bilhões de anos quando a temperatura do nosso planeta diminuiu e permitiu a condensação das moléculas de água. Somente após essa época é que sugiram as condições para o aparecimento da vida. Não conhecemos formas de vida complexas que possam existir sem a presença da água. Ao contrário, normalmente onde há água, existe vida.
A água em nosso planeta é uma substância encontrada em grande abundância. Três quartos da superfície da Terra são cobertos pela água. Todas as formas de vida, com raras exceções, necessitam da água em seus processos biológicos. A água funciona como um excelente solvente para a maioria das substâncias necessárias para a vida. Por exemplo, o cloreto de sódio (o sal de cozinha) quando colocado em contato com água se dissolve em íons de sódio e cloro, que são absorvidos e utilizados pelo nosso corpo em muitos processos necessários para a manutenção da vida.
Embora a água seja tão importante para os organismos vivos, a sua estrutura molecular é muito simples. Ela é composta por apenas dois átomos de hidrogênio e de um átomo de oxigênio, que representamos como H2O. A sua estrutura lembra um “V” aberto, com o átomo de oxigênio no seu vértice e os átomos de hidrogênio nas pontas. A ligação química que dá essa forma para a molécula de água é conhecida como “ponte de hidrogênio”, na qual os elétrons que circulam o núcleo dos átomos de hidrogênio são atraídos pelo átomo de oxigênio.
O hidrogênio e o oxigênio são átomos pequenos e isso torna a molécula de água muito leve. Se não fosse “a pontes de hidrogênio” a água, em temperatura ambiente, seria um gás e seria necessária uma temperatura muito baixa para que ela se solidificasse.
A estrutura da sua molécula permite também que, quando congelada, a água apresente um comportamento anômalo. Qualquer líquido ao congelar tem as suas moléculas aproximadas, e como conseqüência, o seu volume diminui e a sua densidade aumenta. Contudo, com a água acontece exatamente o oposto. Quando ela é resfriada a abaixo de 4 0C, a sua densidade diminuí, ao invés de aumentar. Por esse motivo é que o gelo flutua na água. Esse tipo de fenômeno, por exemplo, impede que um lago se congele completamente. Se o gelo fosse mais denso que a água, este se formaria primeiramente na superfície e afundaria, congelando completamente o lago, extinguindo todas as formas de vida que existam ali. Contudo, como o gelo é menos denso, ao se formar ele fica na superfície e funciona como isolante térmico (como os esquimós já descobriram há muito tempo) fazendo com que a água abaixo da camada de gelo fique a uma temperatura maior que o 00C. Essa característica é praticamente exclusiva da água.
Uma das justificativas para as recentes missões espaciais ao planeta Marte é a tentativa de detectar resquícios da presença de água naquele planeta, mesmo que esta tenha existido em um passado remoto. Dessa forma, um dos objetivos é encontrar indícios de vida em Marte. Atualmente não se observa água na forma líquida naquele planeta. Existem evidências que ela possa existir na forma de gelo nos pólos marcianos. Contudo, os resultados indicam que o gelo lá encontrado é gelo seco, ou seja, gás carbônico congelado. Além do planeta Marte, outro lugar que pode existir água é a lua chamada Europa, um dos satélites de Júpiter. Há indicações da presença de um oceano sob uma camada de gelo de quilômetros de espessura.A água é um dos bens mais preciosos em nosso planeta. Abençoadas sejam as chuvas de verão, pois mesmo estragando muitos finais de semana, elas garantem e transformam as nossas vidas.