sábado, 29 de dezembro de 2007

O intrigante mundo dos "quanta"

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
21/12/2007

A evolução das idéias da física ao longo do tempo nos mostrou diferentes formas de se enxergar e interpretar a natureza. Quando os modelos de que dispomos não conseguem mais explicar os fatos observados ou novas descobertas são realizadas, assistimos à elaboração de novos paradigmas que modificam estruturalmente nossa forma de entender o mundo.

Uma famosa modificação de paradigma foi a transição do modelo geocêntrico, que durou mais de 2 mil anos, pelo modelo heliocêntrico, proposto pelo padre polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) em 1543. No primeiro, acreditava-se que a Terra estaria imóvel no centro do universo, com o Sol, os planetas e as estrelas girando em torno dela. No segundo, o Sol é que fica no centro do nosso sistema planetário.

Nossa experiência cotidiana nos passa a sensação de que o Sol, a Lua, os planetas e as estrelas se movem no céu como se a Terra estivesse parada em um ponto privilegiado. Não sentimos diretamente qualquer efeito que nos indique que ela se move; ao contrário, temos a sensação de estarmos solidamente imóveis. No entanto, graças a várias observações realizadas principalmente pelo dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601) e pelo italiano Galileu Galilei (1564-1642), aliadas a uma extraordinária persistência do alemão Johannes Kepler (1571-1630) e à grande visão do inglês Isaac Newton (1642-1727), foi possível consolidar a idéia de que é de fato a Terra que se move ao redor de si mesma e do Sol, e não o contrário.

De forma semelhante, no final do século 19 e no começo do século 20, novas descobertas começaram a abalar a visão dominante da chamada física clássica para explicar a natureza, provocando mudanças radicais não só em sua estrutura conceitual. A partir da compreensão dos novos fenômenos, houve a possibilidade de aplicá-los e muitas das facilidades tecnológicas que temos nos dias de hoje, como telefones celulares, computadores e muitos outros, são frutos dessa revolução na física. A mecânica quântica, que surgiu naquele momento, fez com que o mundo nunca mais fosse o mesmo.

O reino da física quântica é o mundo do átomo. Essa teoria explica como três das quatro forças fundamentais da natureza atuam sobre a matéria. A força eletromagnética se manifesta de diferentes formas – é ela que domina as interações entre átomos e moléculas. As forças nuclear forte e fraca atuam no interior do átomo é são responsáveis pela coesão do núcleo e pelo decaimento radioativo, respectivamente. A única força que a mecânica quântica ainda não descreve com a precisão necessária é a gravidade, responsável pela estrutura do universo em larga escala. Essa é descrita por outro importante pilar da física, a Teoria da Relatividade Geral.

Repensando a natureza
A física quântica desde seus primórdios teve um enorme impacto na forma de pensarmos a natureza. Em particular, conceitos como a quantização da energia, a dualidade onda-partícula e o princípio da indeterminação são alguns de seus aspectos mais fascinantes. Ao mesmo tempo, pode parecer em princípio que esses conceitos são esotéricos e até místicos, pois muitos deles vão de encontro à nossa visão de mundo.

A quantização da energia foi um dos primeiros conceitos a ser introduzido na física quântica. Ele nasceu para explicar a chamada radiação de corpo negro. Todo corpo, em uma determinada temperatura, emite radiação em uma faixa do espectro eletromagnético. No entanto, o comportamento previsto pela física clássica não era condizente com o observado pelos dados obtidos em experimentos com os chamados corpos negros, que absorvem toda a radiação eletromagnética que incide sobre eles.

O problema foi resolvido em 1900, quando o alemão Max Planck (1858-1947) conseguiu elaborar uma expressão que descrevia os resultados experimentais da época. Para isso, Planck introduziu o conceito segundo o qual a energia somente poderia ser absorvida na forma de valores discretos, em “pacotes” ou quanta, termo em latim que acabou batizando o ramo da física que nascia ali. Ele propôs que a energia era o produto da freqüência da radiação multiplicada por uma determinada constante, que posteriormente foi batizada com seu nome, que é igual a 6,62 x 10-34 J.s (J = joule – unidade de energia; s = segundo).

Nos anos 1990, o modelo de Planck pôde ser utilizado para descrever os dados observacionais obtidos pelo projeto Cobe (sigla em inglês para Explorador Cósmico de Fundo). Esse satélite mediu a distribuição espectral de radiação cósmica de fundo, que é uma das evidências da ocorrência do Big-Bang, e a medição era compatível com grande precisão com a equação formulada por Planck, mostrando que o próprio universo é um corpo negro.

A idéia da quantização da energia também foi utilizada por Albert Einstein (1879-1955) para descrever a interação da luz com a matéria, a partir do conceito de fóton, que seria um “quantum de luz”. Com esse conceito, Einstein propôs, em 1905, que a luz também poderia se comportar como partículas em vez de ondas. Alguns anos depois, o francês Louis de Broglie (1892-1987) propôs que as partículas atômicas, como os elétrons, também poderiam se comportar como ondas. Mais tarde, foi observado que elétrons também poderiam se comportar como ondas.

Em princípio, qualquer objeto, seja um átomo ou uma bola de tênis, tem um comprimento de onda associado. No caso de um objeto como uma bola de tênis que pese aproximadamente 100 gramas viajando com a velocidade de 100 km/h, seu comprimento de onda é extremamente pequeno, da ordem de 10-34 metros (1 dividido por 10 seguido por 34 zeros!), muito menos que o tamanho do núcleo atômico, que é da ordem de 10-15 metros. Por isso não observamos em nosso cotidiano bolas de tênis se espalhando pelo espaço como se fosse uma onda na superfície de um lago.

Princípio da indeterminação
Talvez um dos mais revolucionários conceitos da física quântica seja o chamado princípio da indeterminação, proposto pelo alemão Werner Heisenberg (1901-1976). Esse princípio diz que é impossível conhecer simultaneamente, com absoluta precisão, a quantidade de movimento e a posição de uma partícula (a imprecisão está associada com a constante de Planck). Como o valor dessa constante é muito pequeno, seus efeitos não são observados em nosso cotidiano, mas se tornam muito importantes na escala atômica.

Esses conceitos complexos da física quântica podem levar a diversas confusões quando tentamos correlacioná-los com fenômenos nos quais eles não se tornam relevantes, como vimos no exemplo da bola de tênis. Da mesma maneira, o princípio da indeterminação introduziu na física o conceito de que, ao medir determinadas grandezas não podemos saber com certeza absoluta seu valor, mas apenas uma probabilidade do mesmo. Esse aspecto contra-intuitivo da teoria contradiz a base da física clássica e, por isso, realmente abalou as estruturas do nosso conhecimento. O próprio Einstein jamais admitiu que a física quântica fosse completa por causa de interpretações como essa.

Nesse sentido, é sempre muito perigoso utilizarmos os estranhos conceitos da física quântica para tentar interpretar determinados fenômenos que para muitos parecem “inexplicáveis”. Faça uma busca na internet pelo termo “quântica” e você encontrará dezenas de sítios que fazem referência à “energia quântica”, a “terapias quânticas” etc. Da mesma maneira, o princípio da indeterminação é também utilizado como justificativa para os mais diversos argumentos, como a afirmativa segundo a qual não podemos ter certeza de mais nada. Infelizmente essa confusão leva a interpretações que não têm absolutamente nada a ver com os resultados precisos e importantes que a física quântica permite obter.

A mecânica quântica, como qualquer outro ramo do conhecimento, tem seu campo de atuação e é limitada para explicar uma determinada categoria de fenômenos. Embora seja muito charmosa, ela não pode ser utilizada como justificativa para práticas que algumas vezes são muito duvidosas. Seu verdadeiro mistério reside no fato de que a natureza pode ser realmente diferente do que percebemos com nossos sentidos, pois a forma de vermos o mundo é condicionada por nossa experiência humana.

Os rigorosos resultados obtidos pela física quântica nos permitiram vislumbrar mistérios e estranhos aspectos do natureza nunca antes imaginados e que agora conseguimos transformar em diversas tecnologias. Aí reside talvez a verdadeira magia que ela permite desvendar.

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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

quinta-feira, 6 de dezembro de 2007

AS SENSAÇÕES E AS INTERPRETAÇÕES HUMANAS

Coluna Por dentro da Ciência
Publicada no ClickCiência
05/12/2007

A mente humana é uma das mais fantásticas realizações da natureza. A organização biológica desenvolvida ao longo de milhões de anos permitiu o surgimento de uma espécie como a nossa. Talvez, a mais gritante diferença que há entre nós e todos os seres vivos, seja o fato de termos a consciência de existirmos; saber que somos alguma coisa e que aprendemos com as nossas experiências adquiridas através do contato com o mundo exterior ao nosso corpo.

Construímos a nossa percepção do mundo decorrente do contato sensorial. Tudo que percebemos por meio dos nossos sentidos ajuda a construir a nossa compreensão da realidade. Por exemplo, em uma caminhada entre árvores de um bosque em uma manhã ensolarada de primavera recebemos uma infinidade de informações. Ao enxergarmos a beleza do lugar, ouvir o canto dos pássaros, sentir cheiros, gostos e texturas diversos somos estimulados de diversas formas.

As sensações que recebemos são interpretadas pelo cérebro e criam diversas reações, como de paz e tranqüilidade, como na situação descrita acima, ou medo e apreensão se estamos em lugares sujos e escuros. Entretanto, cada indivíduo pode reagir aos mesmos estímulos de maneira completamente diferente. Os estímulos também podem nos remeter a memórias e pensamentos criando uma infinidade de reflexões. As informações podem ser as mesmas para vários indivíduos, mas a resposta é quase sempre única para cada um.

Os nossos sentidos funcionam em determinadas regiões do nosso corpo a partir de estímulos que recebemos do meio ambiente. Eles são baseados em “sensores” muito sofisticados que foram desenvolvidos ao longo de milhões do mundo. Cada um deles foi se transformando devido aos estímulos do meio ambiente, favorecendo as configurações mais adaptadas os desafios impostos pelo meio. Estamos hoje aqui graças ao sucesso do nosso projeto. Ele foi vencedor na concorrência imposta pela natureza.

Temos extrema confiança no que os nossos sentidos nos transmitem. Em particular, o sentido da visão é um dos quais mais confiamos. Quando vemos alguma coisa ficamos mais seguros sobre o que ela se refere. A visão funciona de uma maneira extremamente sofisticada. Os nossos olhos captam luz, que é uma emanação eletromagnética de uma pequena parte de um amplo espectro. Os nossos olhos captam radiações que tem o seu comprimento de onda entre 400 a 700 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Esses limites equivalem respectivamente a cor vermelha (700 nm) e violeta (400 nm), passando pelo amarelo, verde e azul. Entretanto, somos expostos a outras radiações, que vão desde ondas de rádio, que possuem comprimento de onda de dezenas de metros, até radiações de mais alta energia, ultravioleta e raios-x. Temos o conhecimento dessas outras radiações pelo uso de outros “olhos” desenvolvidos artificialmente. Por exemplo, uma forma de detectar raios-x bastante comum é a utilização de chapas fotográficas.

Os nossos olhos se ajustaram para captar essa faixa específica do espectro eletromagnético porque grande parte da luz do Sol que chega até nós está dentro dessa faixa de comprimento de onda. Se emissão de luz do Sol fosse predominantemente em outros comprimentos de ondas, a nossa visão do mundo poderia ser bem diferente.

Os nossos sensores visuais (olhos) utilizam o cristalino, que funciona como uma lente que fica dentro de nossos olhos. Ele está situado atrás da pupila, que é a porta de entrada e que admite e regula o fluxo de luz. Quando somos expostos a luzes muito intensas a nossa pupila se contrai. Quando estamos em um lugar escuro ela se dilata para coletar melhor a luz. É por esse motivo que quando entramos em uma sala escura leva alguns segundos para enxergarmos melhor. A luz concentrada pelo cristalino atinge a retina, que é composta de células nervosas que leva a imagem através do nervo óptico para que o cérebro as interprete. Em particular, como qualquer lente, o cristalino projeta a imagem invertida. O nosso cérebro “sabe” que é preciso levar isso em consideração e interpreta esses sinais de maneira a “inverter” a imagem. Por isso, embora seja o olho que capta a luz, quem enxerga e vê as imagens é o cérebro. É por esse motivo que quando sofremos algum abalo na nossa cabeça ou temos, por exemplo, uma crise de enxaqueca, as imagens que vemos aparecem distorcidas, embora os olhos as estejam captando perfeitamente. Nesse caso o problema não é no “sensor”, mas sim no “interpretador de dados.”

Entretanto, algumas imagens que os olhos captam podem ser interpretadas de maneira equivocada pelo nosso cérebro. Um exemplo disso é que observamos a Lua Cheia aparecendo no horizonte ao final da tarde. Costumamos enxergar uma enorme Lua, que à medida que vai subindo no céu, parece ficar menor. Entretanto, se fotografarmos a Lua no horizonte e no zênite (quando a Lua está exatamente sobre a nossa cabeça) com a mesma capacidade de amplificação verificaremos que a imagem terá o mesmo tamanho. Isso nos mostra que não é um problema físico da luz espalhando pela nossa atmosfera (como encontramos corriqueiramente como a explicação desse fenômeno), mas sim a forma que o nosso cérebro interpreta essa imagem. De fato, ainda não há uma explicação completa para esse fato. Mais detalhes sobre esse efeito pode ser visto em A Ilusão do tamanho da Lua no horizonte.

O nosso olhar para o mundo é influenciado pelas nossas experiências e a nossa experiência é afetada pelas sensações que os nossos sentidos captam. Esse retorno contínuo é de fundamental importância para o nosso desenvolvimento. Tanto os sensores (sentidos) como as sensações (interpretações) são responsáveis por isso. O resultado disso é sempre um individuo único com as suas visões particulares do mundo.

Adilson J. A. de Oliveira - professor associado I do Departamento de Física (DF) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), membro do Grupo de Supercondutividade e Magnetismo (GSM) do DF e do Núcleo de Excelência em Materiais Nanoestruturados Eletroquimicamente (Nanofael) e editor da revista digital Click Ciência.


quarta-feira, 5 de dezembro de 2007

Está no ar a 9a. Edição da ClickCiência

Estamos colocando no ar mais uma edição da ClickCiência.
Nesta Edição tratamos do tema Computação Ubíqua, que sem percebermos, está cada vez mais presente no nosso cotidiano.
Leiam o Editorial desse mês e visitem o site. Com certeza vão encontrar matérias interessantes.


Editorial

Publicado em: 05/12/2007

Bem-vindos a uma nova computação!


Redação Click Ciência

Os adolescentes de hoje podem não se lembrar, mas quem já passou dos quarenta não se esquece que há pouco tempo atrás, pensar em ter um computador pessoal era algo quase inviável. Hoje, além de termos fácil acesso, esses objetos estão cada vez menores, rápidos e com mais tecnologia embarcada. Para muitas pessoas, o dia-a-dia sem eles é como uma volta ao passado.

A nona edição da revista digital Click Ciência relata exatamente a evolução dessas tecnologias e o seu papel em nossas vidas. O que antes era apenas conhecida como computação, agora começa a ter sobrenomes, ubíqua, pervasiva, ciente de contexto, invisível. Nomes que simbolizam uma nova era da computação, aquela em que o homem interage com o computador quase sem preceber.

Na seção “Reportagens” abordamos de forma bem ampla esta nova computação. Abordamos o papel dela em nossas vidas, como ela irá facilitar o nosso dia-a-dia, como serão os computadores – qual será nova “cara” deles em um futuro muito próximo.

Também abordamos em “Reportagens” alguns dos serviços que estarão disponíveis dentro de alguns anos. O leitor também descobrirá que os computadores, para nos servir, terão que saber cada vez mais sobre nós, e poderão escolher se querem ou não que isso ocorra. A computação ubíqua traz consigo preocupações, como a invasão de privacidade. Por isso, junto desta nova computação, nascem novos sistemas de segurança.

Na seção “Entrevistas”, Cláudio Geyer, doutor em informática pela Universite de Grenoble I, nos esclarece a sua percepção desse pesquisador sobre a computação ubíqua. A tendência para a área e as tecnologias que são necessárias para o desenvolvimento da área também são abordadas na entrevista.

Dentro das questões que devem ser vistas com “cautela”, Márcia Tait, colunista desta revista, aborda qual o tipo de relação entre os usuários e a sociedade em geral com esses sistemas inteligentes. Para ela, a inserção de novas tecnologias no nosso meio deve ser cuidadosa. Para Márcia, há nelas um baixo grau de decisão e entendimento, por parte do usuário, que é inversamente proporcional ao grau de dependência e ignorância dos chamados “usurários”.

Antonio Loureiro, articulista desta edição, nos apresenta os antecessores da computação ubíqua. Ele relata quais as tecnologias que possibilitaram o surgimento da ubicomp (como também é conhecida a computação ubíqua) e como elas estão sendo utilizadas na área.

Em Resenhas, Raul Maciel, estudante do curso de Imagem e Som da UFSCar, faz um relato rememorando o filme Jornada nas Estrelas IV - a volta para casa (Leonard Nimoy, 1986) e suas curiosidades sobre a relação do homem com a tecnologia. Raul também nos lembra uma outra grande obra, 2001: Uma Odisséia no Espaço, de Stanley Kubrick. Esta obra clássica nos coloca a pensar no desenvolvimento da tecnologia em nossa civilização e da influência dela sobre as sociedades.

Em As máquinas pensam?, Silvio Renato Dahmen nos traz uma discussão filosófica sobre a inteligência artificial. "Como o próprio nome diz, “inteligência artificial” pressupõe a idéia que seja possível criar uma inteligência que não aquela “natural”, um atributo de seres vivos, mas sim artificialmente, ou seja, em máquinas."

Em As sensações e as interpretações, Adilson de Oliveira, colunista da Click Ciência e autor dos textos da coluna Por dentro da Ciência, escreve sobre a nossa sensação sobre o mundo e como ela é influenciada por nossas experiências. Adilson também relata a influência do nosso cérebro na interpretação de determinadas imagens.

Na coluna Caleidoscópio: Língua, GramáticaS & Ensino, de Roberto Baronas, escreve sobre o uso da expressão “minha pessoa”. Baronas relata as hipóteses para o seu uso. Na hipótese sociolingüística, segundo o autor, tem a ver com o fato de os falantes terem uma espécie de “consciência” lingüística do que está certo e do que está errado não só na fala do outro, mas principalmente na sua própria fala.

A revista Click Ciência buscou nesta edição abordar algumas das principais áreas que fazem parte do universo da computação ubíqua. Por isso, a edição não contempla todas as áreas. Esperamos que vocês se divirtam imaginando como as novas tecnologias poderão nos ajudar nas mais diversas tarefas. Boa leitura!