sexta-feira, 31 de dezembro de 2010

Um Bom Ano Novo

Daqui a pouco, pelo menos no meu fuso horário, a Terra estará marcando mais uma volta ao redor do Sol. A maioria das civilizações utilizavam a periodiciade dos movimentos celestes para marcar a passagem do tempo, pois no céu é residiria o divino. Marcamos horas, dias, anos e séculos olhando para o Sol, planetas e estrelas como se fossem engrenagens de um grande relógio, sintonizado pelo Relojoerio Cósmico.

O final do ano, época na qual em todos os lugares se faz um pausa para se começar de novo. Temos a sensação da hora de fechar o "balanço" do que fizemos nos últimos doze meses. O  poeta Carlos Drumond de Andrade, em seu poema "Cortar o tempo", captou esse sentimento de uma maneira peculiar.

Cortar o Tempo - Carlos Drummond de Andrade


"Quem teve a ideia de cortar o tempo em fatias,
a que se deu o nome de ano,
foi um indivíduo genial.
Industrializou-se a esperança,
fazendo-a funcionar no limite da exaustão.
Doze meses dão para qualquer ser humano se cansar
e entregar os pontos.
Aí entra o milagre da renovação
e tudo começa outra vez, com outro número
e outra vontade de acreditar
que daqui para diante, 
vai ser diferente"

Um Feliz Ano Novo para todos os frequentadores do "Por Dentro da Ciência"!!
Espero que 2011 seja melhor do que foi 2010!!!


quarta-feira, 29 de dezembro de 2010

6 anos do "Por Dentro da Ciência

O "Por Dentro da Ciência" completou nesse mês 6 anos. O primeiro post foi em 21 de dezembro de 2004. Não imaginava o alcance que um blog poderia ter naquela época,  vejo que é um meio  importante para  colocar em prática uma das minhas paixões - a divulgação científica.
Por meio do blog pude conhecer muitas pessoas interessantes e o diálogo com os leitores sempre foi muito bom. A grande maioria dos comentários s foram positivos e as críticas sempre foram construtivas.
Agradeço a todos os frequentadores.
Um feliz ano novo e espero que o "Por Dentro da Ciência" continue sendo uma ferramenta para a dissiminação da ciência.

domingo, 19 de dezembro de 2010

A mensagem na garrafa

Coluna Física Sem Mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 17/12/2010

Muitas estórias já foram relatadas acerca de mensagens laadas ao mar dentro de garrafas. Algumas são apenas ficção, mas outras são verdadeiras. 

Há vários relatos sobre garrafas contendo mensagens sendo encontradas em outros continentes, após realizarem viagens de milhares de quilômetros e depois de vários anos. Isso é possível porque, ao laar a garrafa ao mar, dependendo das correntes marítimas, elas podem fazer viagens inusitadas. 

Esse tema é tão interessante que uma das mais famosas músicas do grupo inglês The Police chama-se "Message in a Bottle" (em português, mensagem em uma garrafa). A letra da música fala de um náufrago perdido em uma ilha que envia, dentro de uma garrafa, um "S.O.S" ao mundo com a esperaa de ser resgatado.

Na verdade, diversas "mensagens em garrafas" já foram enviadas para lugares muito distantes. Algumas talvez sequer tenham sido feitas para serem lidas, mas outras foram certamente elaboradas com esse propósito, na esperaa de que sinalizassem a presença humana. Estou me referindo às mensagens enviadas para as estrelas.

Desde o advento das transmissões de rádio e televisão, que começaram nas primeiras décadas do século passado, o nosso planeta está enviando para o espaço informações na forma de ondas eletromagnéticas. 

Dando sinal de vid


Os sinais de rádio e televisão são ondas eletromagnéticas, ou seja, modulações de campos elétricos e magnéticos. Como quaisquer ondas eletromagnéticas, não necessitam de um meio físico para se propagar, ou seja, podem viajar pelo espaço sideral.

As ondas eletromagnéticas foram previstas em 1865 pelo físico escocês James C. Maxwell (1831-1879), que as deduziu a partir da solução de um conjunto de equações que relacionam os campos elétricos e magnéticos, conhecidas como equações de Maxwell.

Naquela época, os fenômenos elétricos e magnéticos eram compreendidos como duas manifestações distintas de forças da natureza. Maxwell conseguiu fazer uma unificação na descrição desse fenômeno e mostrou, também, que a luz era uma onda eletromagnética. (Leia coluna publicada sobre o tema).

Alguns anos depois, em 1888, o físico alemão Heinrich R. Hertz (1857-1894) detectou as ondas previstas por Maxwell e verificou que elas se propagavam na velocidade da luz, além de apresentar as mesmas propriedades físicas, como refração, reflexão e polarização.

Os sinais de rádio começaram a ser transmitidos de maneira mais ampla no começo do século passado, com as estações de rádio, e os sinais de televisão, na década de 1950. 

Como essas ondas viajam na velocidade da luz, elas já alcaaram distâncias da ordem de uns 50 a 60 anos-luz (um ano-luz equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros) e poderiam ser detectadas com tecnologia semelhante a que dispomos atualmente nos chamados radiotelescópios. 
Esses equipamentos constituem-se de antenas usadas para captar emissões na faixa das ondas de rádio oriundas de objetos celestes. 

Tem gente aí?

 

O radiotelescópio de Arecibo, localizado em Porto Rico, nos Estados Unidos, é um dos principais equipamentos utilizados nessa busca. Com 305 metros de diâmetro, é o maior radiotelescópio fixo do mundo. 

Até hoje, no entanto, não há qualquer evidência de que os sinais detectados foram produzidos por uma forma de vida inteligente. Como em nossa galáxia existem centenas de bilhões de estrelas, é difícil rastrear todas à procura desse tipo de sinal.

Além disso, as estrelas estão tão distantes de nós que os sinais eletromagnéticos, mesmo transmitidos à velocidade da luz, levam milhares de anos para viajar por toda a galáxia, como é o caso dos sinais produzidos aqui na Terra que já viajaram algumas dezenas de anos-luz pelo espaço.
Outra maneira de enviar mensagens para o espaço, muito mais complicada, mas que se assemelha ao arremesso de garrafas ao oceano, é a utilização de sondas espaciais. 

As mensagens mais famosas são as que estão gravadas em dois discos de cobre revestidos de ouro. Um foi enviado com a espaçonave Voyager 2, laada pela Nasa em 20 de agosto de 1977, e o outro, dentro da Voyager 1, laada pela agência espacial norte-americana em cinco de setembro do mesmo ano, ambas com a missão de obter imagens dos planetas Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. 

Os discos contêm 15 imagens – dentre as quais o Cristo Redentor –, 35 sons da natureza – vento, pássaros, água etc. – e saudações em 55 línguas, inclusive em português, além de trechos de músicas étnicas, obras de Beethoven e Mozart, entre outras, além de uma indicação da localização da Terra no Sistema Solar – terceiro planeta a partir do Sol.

Passados 33 anos de seu laamento, ambas as espaçonaves continuam enviando sinais para Terra. No dia 13 de dezembro, a Nasa divulgou que a Voyager 1, em junho de 2010, alcançou a zona de heliopausa, considerada a fronteira mais externa do Sistema Solar. A espaçonave foi o primeiro artefato construído pelo homem a chegar a essa região espacial.

Trata-se de uma região localizada ao redor do Sistema Solar, na qual o vento solar, constituído por partículas de alta energia – como os prótons e elétrons – emitidas pelo Sol, não consegue mais se propagar devido ao vento interestelar, originado em estrelas ativas da galáxia

As viagens das espaçonaves Voyager 1 e 2 continuarão até elas colidirem com algum objeto do meio interestelar. Se elas seguirem suas trajetórias, levarão milhares de anos para passarem próximas a estrelas vizinhas ao nosso Sistema Solar.

Infelizmente, daqui a cerca de 15 anos, as baterias nucleares das sondas irão se esgotar. Assim, não terão mais como transmitir os seus sinais e continuarão uma solitária viagem pelo espaço.

Talvez, em um futuro distante, alguma civilização encontre as nossas "mensagens em garrafas" e seja capaz de entendê-las. Mas a possibilidade de vida inteligente talvez seja muito pequena. Talvez o surgimento da própria vida seja apenas um evento isolado, que aconteceu em nosso planeta e não se repetiu no universo, já que são necessárias condições muito especiais para que ela apareça

O astrônomo americano Carl Sagan (1934-1996), idealizador dos discos colocados nas Voyager 1 e 2, afirmou em seu livro Contato: “Não devemos estar sós nesse universo, senão seria um enorme desperdício de espaço”. Se formos tão otimistas como Sagan, quem sabe a nossa "garrafa" estelar não cumpra a sua missão? 

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

sábado, 20 de novembro de 2010

O spin que move o mundo

Coluna Física sem Miatério
Ciência Hoje on-line
publicada em 19 de novembro de 2010

O advento da física quântica no início do século passado foi, sem dúvida, uma das maiores revoluções científicas de todos os tempos. O novo olhar que ela trouxe em relação ao mundo que nos cerca não influenciou apenas a física, mas também muitas outras áreas do conhecimento, como a química, a biologia, além da filosofia e até as artes.

Para isso foi necessária uma mudança de paradigma que nos levou a situações que podem parecer absurdas e antagônicas se vistas do ponto de vista que estamos habituados a usar – a visão da física clássica, regida pelas leis da mecânica newtoniana, da termodinâmica e do eletromagnetismo, que eram os pilares dessa disciplina até o final do século 19.

Na descrição microscópica proposta pela física quântica, alguns conceitos do nosso cotidiano devem ser mudados, como o de causa e efeito, partículas e ondas, tempo e energia.

Além disso, no estranho mundo quântico existem algumas entidades que não têm análogo com o mundo macroscópico e que, por isso, são de difícil compreensão, embora muitas delas estejam mais presentes no nosso cotidiano do que somos capazes de imaginar. Entre elas, talvez uma das mais fascinantes seja o spin, presente na aplicação de muitos fenômenos cotidianos.

Sistema planetário

Quando falamos em átomos, a maioria das pessoas pensa em um sistema planetário em miniatura, na qual o núcleo atômico positivo (constituído por nêutrons e prótons) faria o papel do Sol, e os elétrons seriam os planetas, com órbitas bem definidas. Esse movimento geraria o que chamamos de momento angular, que está associado à velocidade de rotação (velocidade angular) e com a massa do corpo.

Continuando com essa analogia, poderíamos imaginar que os elétrons, como os planetas, teriam um movimento ao redor de um eixo de rotação. Como os elétrons têm carga elétrica, esses movimentos gerariam uma corrente e esta criaria um campo magnético, transformando assim os átomos em minúsculos ímãs.

Contudo, essa analogia tem suas limitações, como todas as outras. As observações experimentais nos mostraram que elétrons e quaisquer outras partículas quânticas têm uma característica dual, ou seja, apresentam simultaneamente comportamento ondulatório ou corpuscular, dependendo do tipo de observação que se faça.

Os elétrons que compõem uma corrente elétrica transportada por um fio se comportam como se fossem pequenas esferas se movimentando entre os átomos.

Já os mesmos elétrons emitidos pela ponta de um microscópio eletrônico se comportam com se fossem ondas espalhando e refletindo sobre uma superfície.

Da mesma maneira, comparar a propriedade do spin a um ‘giro’ do elétron ao redor de si mesmo significaria cometer uma grande imprecisão.

A descoberta do spin

Um capítulo importante para a descoberta dessa propriedade dos elétrons foi um experimento realizado em 1921 pelos físicos alemães Otto Stern (1888-1969) e Walther Gerlach (1889-1979).

Nesse experimento, eles fizeram com que um feixe de átomos de prata eletricamente neutros, produzidos a partir da evaporação em um forno, passasse por um campo magnético não uniforme. O campo magnético desviava os átomos de prata, como se estes fossem pequenos ímãs, e eles atingiam uma placa fotodectetora.

Os resultados obtidos foram totalmente inesperados e surpreendentes. O esperado era que os ’polos magnéticos’ desses átomos apontassem para qualquer direção, mas eles apontavam apenas para duas direções no espaço. Esse estranho resultado foi associado à propriedade que denominamos de spin.

O spin é uma propriedade que não se compara com nada que existe em nossa volta. Ele está associado com a maneira como os elétrons ocupam os níveis de energia no átomo. Um elétron pode ter o spinup” (para cima) ou “down” (para baixo).

Essa nomenclatura é apenas para diferenciar duas situações, pois não existe “para cima” e “para baixo” nos átomos. O spin é uma característica intrínseca das partículas elementares.

Mas por que a propriedade do spin é tão importante, a ponto de escrevermos uma coluna tentando explicá-lo? Por que isso interessaria a alguém?

Propriedades magnéticas

O spin, no caso dos elétrons, quando combinado com o momento angular que essas partículas possuem ao redor do átomo, é responsável pelas propriedades magnéticas da matéria. A interação entre o spin e o momento angular é que faz com que surja o magnetismo da matéria.

Materiais magnéticos têm uma infinidade de aplicações – dos ímãs de geladeira para fixarmos os recados que não queremos esquecer aos ímãs utilizados em motores elétricos, passando pelos materiais utilizados para a gravação magnética de informação nos discos rígidos dos computadores.

A maior parte das informações existentes atualmente está gravada magneticamente em discos rígidos nos computadores espalhados por todo mundo. A gravação de cada informação é feita por meio da aplicação de campos magnéticos sobre o material magnético do o sistema de gravação.

As informações são gravadas na forma de um código binário, como uma sequência de “0” e “1”. Pode-se representar, por exemplo, o “0” como o polo norte de um pequeno ímã apontando para cima e o “1” com o polo norte apontando para baixo.

Processamento de informação

O spin dos elétrons também pode ser utilizado para uma nova aplicação que no momento está em desenvolvimento, para não somente armazenar informações, mas também processá-las.

Os computadores atuais processam informações utilizando circuitos eletrônicos baseados no controle do fluxo de corrente elétrica através dos seus componentes. O processador de um computador realiza centenas de milhões de operações por segundo por meio do controle do fluxo de corrente elétrica através dos milhões de componentes em seu interior.

Contudo, há um novo modelo que poderá substituir essa forma de processar informações. Ela se chama spintrônica – a eletrônica de spins, que tem como objetivo controlar o fluxo de corrente em um dispositivo não somente pela carga dos elétrons, mas também pelo o spin.
A carga elétrica do elétron é afetada pela ação de campos elétricos, mas o spin é afetado por campos magnéticos. Essa nova proposta poderá produzir dispositivos mais rápidos e que dissipem menos energia.

Além disso, a utilização do spin no processamento de informações permitirá o desenvolvimento de novos algoritmos de computação, que poderão utilizar as propriedades quânticas do spin. Esse novo ramo de conhecimento chama-se de computação quântica.

A descoberta de uma propriedade inusitada como o spin levou a uma melhor compreensão dos fenômenos magnéticos e estes permitiram o desenvolvimento de novas formas de processar e armazenar informações.

Talvez em um futuro próximo possamos utilizar essa propriedade de forma que sequer somos capazes de imaginar, pois com certeza ainda não esgotamos todas as possibilidades que a física quântica nos apresenta.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

domingo, 17 de outubro de 2010

As pesquisas eleitorais e os modelos cientificos

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 15/10/2010

Os resultados das pesquisas de intenção de voto estão entre os assuntos mais comentados nesse período eleitoral. Praticamente toda semana e, ultimamente, quase todos os dias, surge uma nova pesquisa sobre a preferência da população em relação aos candidatos à presidência da República e ao governo dos estados que terão segundo turno.

Os resultados dessas pesquisas não somente influenciam diretamente a forma como os candidatos conduzem as campanhas, mas também acabam influenciando o próprio eleitorado.

Houve grande frustração pelo fato de nenhum dos institutos de pesquisa de opinião ter conseguido prever com certeza o segundo turno para as eleições presidenciais. O resultado das urnas surpreendeu a muitos, pois houve uma brusca mudança entre a vontade do eleitorado retratada nas sondagens e a realidade apresentada pelas urnas.

Os resultados dessas pesquisas sempre são divulgados ao lado da sua margem de erro, ou seja, o grau de precisão do resultado. No caso das pesquisas para presidente, a margem de erro costumava ser de dois pontos percentuais, para mais ou para menos, criando expectativas, como a situação de "empate técnico" entre dois candidatos.

É comum que a maioria das pessoas se pergunte: como pode ser possível fazer previsões como estas entrevistando apenas 2 ou 3 mil pessoas, em um universo de mais de 120 milhões de eleitores? É possível prever o futuro – no caso, quem será o próximo presidente? Essas previsões são científicas?
As pesquisas de opinião são baseadas em métodos estatísticos que levam em conta a distribuição da população brasileira por idade, sexo, nível de escolaridade, renda mensal e região do país em que vive. Contudo, cada instituto adota metodologias diferentes e, por isso, surgem resultados diferentes, mesmo para pesquisas realizadas na mesma época.

Modelos da natureza

A ciência costuma trabalhar com previsões feitas por meio de modelos desenvolvidos e testados a partir da observação da natureza. As leis da mecânica estabelecidas no século 17 por Isaac Newton (1642-1727), por exemplo, permitem prever o movimento de queda de um corpo ou quais são as órbitas dos planetas ao redor do Sol.

Seu poder de previsão é tão grande que foi possível descobrir, a partir de irregularidades na órbita de planeta Urano, a existência no Sistema Solar de um planeta que ainda não havia sido observado. Cálculos feitos de forma independente pelo matemático Urbain Leverrier (1811-1877), na França, e pelo astrônomo John Couch Adams (1819-1892), na Inglaterra, previram a localização do planeta desconhecido.

Ele foi observado em 23 de setembro de 1846 pelo astrônomo alemão Johann Gottfried Galle (1812-1910) e pelo dinamarquês Heinrich Louis d'Arrest (1822-1875) e posteriormente batizado de Netuno. Sua descoberta representou a maior glória do modelo newtoniano, pois pela primeira vez foi possível prever a posição de um planeta a partir de cálculos matemáticos.
Curiosamente, muitos dos planetas descobertos em outros sistemas estelares (que já são 500 na data da publicação dessa coluna) utilizam cálculos semelhantes.

Todo modelo tem o seu limite de validade, ou seja, situações nas quais ele não consegue descrever com precisão os fenômenos observados.

As leis da mecânica newtoniana não conseguem descrever a luz e os fenômenos eletromagnéticos, a estrutura atômica da matéria ou eventos que ocorrem com velocidades próximas à da luz ou na presença de campos gravitacionais intensos. Nesse caso, outras teorias e modelos são necessários para explicar esses fenômenos naturais.

Equações de Maxwell e mecânica quântica

A maioria dos fenômenos eletromagnéticos são descritos pelas equações de Maxwell, que foram organizadas em 1865 pelo físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879). Antes dele, diversos pesquisadores tinham estudado fenômenos associados a campos elétricos e magnéticos, como o caso de Ampère, Oersted, Faraday e outros, mas coube a Maxwell propor um modelo unificado para explicar essas interações.

As equações de Maxwell descrevem como os campos elétricos e magnéticos interagem entre si e também mostram que a luz é um fenômeno eletromagnético e se propaga na forma de uma onda. Essa descrição, contudo, não funciona para explicar os fenômenos na escala atômica. Nesse caso, um novo modelo teve que ser desenvolvido.

A mecânica quântica é um modelo físico que começou a ser desenvolvido no começo do século 20. Aos poucos, os físicos descobriam novos fenômenos que os modelos da época – a mecânica newtoniana e o eletromagnetismo de Maxwell – não conseguiam explicar de maneira satisfatória.
Um exemplo disso foi a descoberta de que a luz pode, em algumas situações, não se comportar como uma onda eletromagnética, como previsto pelas equações de Maxwell, mas sim como pacotes de energia proporcionais à frequência da radiação incidente. Posteriormente, esses pacotes de energia foram chamados de fótons. Essa proposta foi feita por Albert Einstein (1879-1955) em 1905 e é considerada um dos marcos desse novo modelo.

A mecânica quântica não foi apenas um novo modelo para descrever os fenômenos na escala atômica, mas também revolucionou a forma de entendermos a natureza. Entre as inúmeras mudanças que ela introduziu, talvez a mais impactante tenha sido a descoberta de que, quando medimos com absoluta precisão a posição de uma partícula, o seu momento (que é o produto da sua massa por sua velocidade) não pode ser conhecido com precisão.

Essa limitação não é técnica, no sentido de uma limitação dos equipamentos que fazem a medição, mas sim uma imposição da natureza. Esse é o princípio da indeterminação, proposto em 1927 pelo alemão Werner Heisenberg (1901-1976).

Dessa forma, mesmo os modelos e as teorias desenvolvidos pela física e pela ciência de forma geral estão em transformação constante: quando se descobre uma nova situação, o modelo deve ser aprimorado para descrever melhor o fenômeno observado.

No caso de modelos estatísticos que descrevem as opiniões das pessoas, que estão a todo momento sendo influenciadas por muitas variáveis, principalmente a propaganda eleitoral, é sempre difícil conseguir uma precisão absoluta que se refletiria em pesquisas de opinião sem erros.
De fato, o resultado absoluto só é obtido quando se faz a pesquisa levando em conta todas as opiniões, ou seja, a eleição computando cada voto dado. Nesse caso, porém, já não há a necessidade de qualquer modelo ou previsão!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

quinta-feira, 30 de setembro de 2010

Um novo planeta descoberto, talvez alguma esperança de encontrarmos vida fora da Terra

Ao sair de casa, pego o meu celular e vejo que há uma mensagem. Tenho um aplicativo que informa quando é descoberto um novo exoplaneta (algo bem de "nerd", mas é muito interessnate). A informação é sobre a descoberta de dois planetas extrasolares, sendo que um deles está na chamada zono habitável.

Os dois planetas foram descobertas entorno da estrela Gliese 581, que está a cerca de 20 anos-luz da Terra. Um deles tem 7,85 vezes a massa da Terra (Gl 581 f) e o outro 3,47 (Gl 581 g), sendo que o último completa uma translação ao redor da estrela em aproximadamente 36 dias e meio e o outro em 433 dias. Ao redor dessa estrela, que tem apenas cerca de 30% da massa do Sol, já foram identicados outros 4 planetas.  Devido a massa estimada ele deve ser rochoso e ter a gravidade semelhante a terrestre, e por isso, teria chances de manter uma atmosfera semelhante a nossa.

Contudo, ele tem sempre uma de suas faces voltadas para a estrela, o que torna apenas um lado iluminado e o outro em escuridão perpétua. Isso pode limitar a possibilidade de vida no planeta, uma vez que existiria apenas uma região habitável, que seria na parte intermediária entre a luz e a escuridão.

O interessante é que o planeta (Gl 581 g)   está no que se chama de "zona habitável" desse sistema estelar, como o Gl 581c, descoberto alguns anos atrás. Essa é a região na qual o planeta não está tão próximo da estrela, a ponto de ser muito quente e impedir a exitência dos elementos essenciais a vida com a conhecemos, e nem tão distante, a ponto de apresentar temperaturas muito baixas. Mas, ainda estamos muito distantes para detectar qualquer forma de vida, seja ela primitiva ou inteligente.

Olhando aqui da Terra, a estrela Gliese 581 é apenas uma pequena anã vermelha, que talvez tenha na sua volta algo que nos mostre que não estamos sozinhos nesse universo. Somente o tempo dirá.

Imagem de Gliese 581 - Fonte ESO

segunda-feira, 20 de setembro de 2010

O mundo é feito de átomos

Coluna Física sem Mistério
Publicada no Ciência Hoje-On line
17/09/2010


Se, em algum cataclisma, todo o conhecimento científico for destruído e só uma frase puder ser passada para a próxima geração, qual seria a afirmação que conteria maior quantidade de informação na menor quantidade de palavras? Eu acredito que seria a hipótese atômica de que todas as coisas são feitas de átomos..."

Richard Feynman (1918-1988)
em The Feynman Lectures on Physics


Neste mês estamos no final do inverno (que para algumas regiões do Brasil foi muito quente) e no começo da primavera. Em alguns lugares, como no campus da universidade em que trabalho (Universidade Federal de São Carlos – UFSCar) muitos ipês começam a florir. São amarelos e brancos e fazem contraste com muitas outras árvores que estão sem folhas, devido à seca que dura muito tempo.
Sem dúvida é um belo espetáculo. Se pararmos para pensar, poderemos lembrar de outras belas visões que encontramos em nosso mundo, como as Cataratas do Iguaçu, a praia de Copacabana, o pantanal mato-grossense, Fernando de Noronha, apenas para citar alguns lugares no Brasil.
Ao observar o céu, com auxílio de telescópios, podemos ter acesso a visões de objetos espetaculares, como Saturno e seus anéis, belas nebulosas, como a de Órion, e galáxias maravilhosas, como a de Andrômeda.
Como podemos encontrar tanta beleza no universo? Como é possível haver toda essa diversidade? Talvez a resposta mais simples a essa questão seja que todas essas coisas são simplesmente feitas de átomos.
A ideia de que as coisas são feitas de alguns elementos fundamentais vem desde a Grécia antiga. Filósofos como Anaximandro, que viveu no século 6 a.C., imaginavam que tudo era composto por uma substância primordial denominada Apeiron, que seria uma ‘massa geradora’ dos seres, contendo em si todos os elementos.  Outros, como Anaxímenes (588-524 a.C.), acreditavam que o ar era a substância primordial.

Mas, por volta do século 4 a.C., surgiu o conceito de átomo. Demócrito (460-370 a.C.), discípulo Leucipo (século 5 a.C), propunha que tudo o que existe (inclusive a própria alma que animaria os seres vivos) seria constituído por um turbilhão de infinitos átomos de diversos formatos movendo-se ao acaso e se chocando.
A partir desses choques e movimentos ao longo do tempo, esses átomos se uniriam por suas características, formando as diversas substâncias que encontramos na natureza.

 

Da antiguidade à era moderna

A palavra átomo em grego quer dizer ‘não divisível’ (a = não; tomo = parte). Embora o conceito fosse interessante, ele foi superado por outras ideias na antiguidade, como o princípio segundo o qual tudo é composto a partir de cinco elementos fundamentais: terra, água, ar e fogo para os objetos terrestres, e o éter para os objetos celestes.
Um dos grandes problemas para o conceito do átomo era que estes deveriam se mover no vazio, algo que era de difícil concepção para muitos filósofos – entre eles Aristóteles, que construiu a sua visão de universo baseado nos cinco elementos e não no conceito de átomo.

No começo do século 19, em 1803, o químico inglês John Dalton (1766-1844) resgatou a ideia do átomo como uma pequena esfera, com massa definida e propriedades características de cada elemento químico. Dessa maneira, ele poderia explicar as reações químicas pelo arranjo de átomos, que seriam, para ele, as menores partículas indivisíveis que constituem a matéria.
No final do século 19, o modelo do átomo foi novamente modificado. Em 1897, J. J. Thompson descobriu o elétron, uma minúscula partícula de carga elétrica negativa. Thompson então imaginou que o átomo seria composto por um ‘caroço duro’ positivo e que os elétrons estariam incrustados nesse ‘caroço’ e poderiam ser arrancados quando se aplicasse, por exemplo, um potencial elétrico sobre o átomo.
Alguns anos depois, Ernest Rutherford realizava experimentos de colisões de partículas alfa (núcleos de átomos de hélio) em uma fina folha de ouro quando percebeu que algumas partículas atravessavam com facilidade, enquanto outras eram ricocheteadas, como se colidissem com algo mais denso. Dessa forma, ele descobriu que o átomo parecia ter praticamente toda a sua massa concentrada em uma pequena região, enquanto os elétrons estariam muito afastados desse núcleo.
Atualmente sabemos que o núcleo do átomo é cerca de 100 mil vezes menor que a região na qual ficam os elétrons. O tamanho típico de um átomo é na ordem de 0.1 nanômetro (um nanômetro é um milionésimo de um milímetro).

 

O que faz cada átomo

O núcleo é composto por prótons, que têm aproximadamente mil vezes a massa do elétron, mas com carga positiva; e por nêutrons, que têm massa similar à do próton, mas sem carga elétrica. É a partir da interação eletromagnética que os elétrons interagem com os prótons no núcleo atômico, e pela interação nuclear forte entre os prótons e nêutrons que se mantém o núcleo coeso.
Existem 92 tipos de átomo naturais. O menor deles é o hidrogênio, que contém apenas um próton no seu núcleo, e o maior é o urânio, que tem 92 prótons e 146 nêutrons. Já foram produzidos cerca de 26 átomos artificiais, mas eles não são estáveis e rapidamente se desintegram em outros menores.


O que diferencia um átomo do outro é essencialmente o número de prótons que cada um contém. Por exemplo: o gás oxigênio que respiramos do ar é uma molécula composta por dois átomos de oxigênio (que contém oito prótons e oito nêutrons).
Já o carbono, que está presente em inúmeras substâncias, em particular nos seres vivos, formando diversas moléculas orgânicas, tem seis prótons e seis nêutrons.
O carbono se apresenta também como a grafite utilizada no lápis para escrever e os famosos diamantes que tanto nos fascinam. A grafite é negra e mole, e o diamante é duro e reflete a luz de uma maneira maravilhosa (daí vem a sua beleza). A diferença entre a grafite e o diamante é apenas a disposição dos átomos de carbono nas suas estruturas.
O mesmo elemento químico, quando arranjado de diferentes formas, produz diferentes propriedades físicas. Esse fenômeno é conhecido como alotropia. O carbono apresenta outras estruturas, como a das bucky balls, nas quais 60 átomos de carbono ficam dispostos como se formassem uma bola de futebol.
Nesta configuração, os átomos de carbono podem apresentar propriedades magnéticas e supercondutoras, além de suportar grandes tensões (os supercondutores são materiais que em baixas temperaturas conduzem corrente elétrica sem perda de energia. As bobinas das máquinas de ressonância magnética são feitas com esses materiais).

 

Tecnologia em escala atômica

Atualmente, com o avanço científico e tecnológico, sabemos não apenas que a matéria é feitas de átomos, mas também podemos manipular a matéria em escala atômica e produzir novas coisas.
A chamada nanotecnologia, que é a tecnologia na escala do nanômetro, vem permitindo o desenvolvimento de novos materiais que são aplicados nos mais diversos ramos. Alguns exemplos são a produção de computadores mais rápidos e baratos, ou a criação de remédios que curam inúmeras doenças.

Em um futuro próximo, será possível produzir máquinas feitas de apenas alguns átomos. Esses nanodispositivos poderão ser inseridos no organismo, por exemplo, para atacar vírus ou bactérias no nível molecular ou na regeneração de células danificadas.
Os átomos de carbono também estão presentes nos ipês amarelos e brancos que floriam nesta semana na UFSCar. São idênticos aos dos diamantes mais caros ou aqueles que estão nos detritos que formam os anéis de Saturno. Os de oxigênio estão também nessas árvores, nos cristais de gelos que formam algumas nuvens, na água que cai nas Cataratas do Iguaçu e em muitas das belas nebulosas que observamos no céu.
Saber que as coisas são feitas de átomos talvez tenha sido uma das mais importantes descobertas da humanidade. Quando vemos que a natureza pode combiná-los de forma a produzir belos espetáculos, percebemos mais ainda como esse conhecimento é valioso.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

domingo, 29 de agosto de 2010

O fim do Hélio

 No dia 24 de agosto foi publicado no jornal "O Globo" uma matéria que inicialmente foi veiculada no jornal "The Independent" sobre o fim do hélio (a matéria pode ser lida no Jornal da Ciência). Isso está ocorrendo devido ao fato que os Estados Unidos, donos da maior reserva desse elemento, resolveram há alguns anos privatiza-la e por isso o preço do hélio ficou muito baixo, não estimulando a sua reciclagem.

Eu sou um usuário de hélio líquido há muito tempo.  Ele é o principal insumo da minha pesquisa. Como estudo as propriedades magnéticas de materiais desde temperaturas muito baixas e com altos campos magnéticos, o hélio é de fundamental importância. 

O hélio é encontrado no subsolo, em especial e jázidas de petróleo. Ele ficou preso na Terra durante o seu período de formação, pois como ele é um gás nobre ele não se liga com nenhum outro átomo. Todo hélio existente ou foi formado no início do universo, durante o evento do Big-Bang ou  no interior das estrelas pelo processo de fusão nuclear.

O hélio é o único elemento que não fica sólido em pressão atmosférica. Nos primórdios da aviação ele era usado para os grandes dirigíveis e o encontramos nos balões que as crianças tanto gostam. Mas  a sua maior aplicação atualmente é como líquido criogênico. O hélio fica líquido na temperatura de 4,2 K  (aproximadamente 270 graus Celsius negativos). Dessa maneira, ele é largamente utilizado para resfriar materiais para que se possa observar o aparecimento de propriedades magnéticas ou supercondutoras. Uma das mais importantes aplicações práticas é que em baixas temperaturas grande parte dos materiais se transforma em supercondutores.

Os supercondutores tem a propriedade especial de transportar corrente elétrica sem que ocorra a disspação de energia, bem como expulsar  campos magnéticos de seu interior. Essas duas propriedades leva a aplicações interessantes. A primeira permite construir bobinas para gerar altos campos magnéticos, uma vez que como não há dissipação de energia, é possível aplicar altas correntes  em uma bobina supercondutora e em seguida remover a fonte, pois a corrente permanecerá indefinidamente fluindo. Além disso, pode-se projetar bobinas para atingirem altos campos magnéticos, centenas de milhares de vezes mais intensos do que o campo magnético da Terra.

As bobinas supercondutoras são utilizadas nas máquinas de tomografia por ressonância magnética nuclear, aplicadas na geração de imagens do interior do corpo. No caso da minha pesquisa, além de utilizar o hélio para resfriar os materiais e submetê-los à altos campos magnéticos, os sensores utilizados para detectar o magnetismo dos materiais utiliza um efeito supercondutor, chamado de efeito Josephson. O dispositivo chama-se SQUID (Superconductor Quantum Interferance Device - dispositivo supercondutor de interferência quântica).

No Brasil o custo do hélio é muito alto. Se paga tipicamente 15 doláres por litro. Por esse motivo aqui há a cultura de se reciclar o hélio. A saída será o desenvolvimento de novos mataterias e tecnologias que não necessitem hélio. Existem materiais supercondutores em temperaturas mais altas que a do hélio liquido, mas não suportam altas correntes, não sendo viáveis para a construção de bobinas para altos campos magnéticos.

domingo, 22 de agosto de 2010

Um céu agitado

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 20/08/2010

As noites de inverno costumam ser as mais interessantes para se observar o céu. Devido ao tempo seco e com poucas nuvens, em lugares afastados dos grandes centros urbanos é possível observar detalhes interessantes que normalmente passam despercebidos devido à poluição atmosférica e luminosa.
É possível contemplar, além da Lua e dos cinco planetas visíveis (Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno), fenômenos astronômicos que ocorrem com alguma frequência e são previsíveis, dada a sua regularidade.
Neste mês de agosto de 2010, dois tipos de fenômenos astronômicos chamaram a atenção, inclusive da mídia. Um deles foi a conjunção da Lua com Mercúrio, Vênus, Marte e Saturno, que pôde ser melhor vista nos dias 13 e 14. A conjunção é um alinhamento de planetas que ocorre com certa periodicidade devido ao fato de os períodos de translação ao redor do Sol serem fixos.
O outro evento interessante foram as chuvas de meteoros de Delta Aquaridius, no dia 10 de agosto, e das Perseidas, que tiveram sua atividade máxima no dia 12. Esses nomes vêm das constelações de Aquarius e de Perseus, que ocupam a região do céu da qual parecem sair os meteoros observados durante esses fenômenos.
A chuva de meteoros mais intensa foi a das Perseidas. Pouco desse fenômeno pôde ser visto nas regiões Sul e Sudeste do Brasil, mas ele foi mais intenso nas regiões Norte e Nordeste e nos países do hemisfério Norte.

Planetas em conjunção

As conjunções planetárias são conhecidas desde a Antiguidade. A partir da disposição dos planetas no céu e da sua posição em relação aos outros planetas, os astrônomos gregos conseguiram estimar as distâncias planetárias.

Hiparco e Aristarco, entre outros, conseguiram dimensionar o tamanho do nosso Sistema Solar a partir dessas observações relacionando a distância dos planetas com a distância da Terra ao Sol. Esta última foi estimada a partir de um eclipse lunar e com o raio da Terra que havia sido estimado por Erastóstenes, que viveu no Egito entre 276 e 194 a.C.
Atualmente a observação dessas disposições planetárias não tem grande importância, uma vez que já são bem conhecidas. A previsão das suas ocorrências, no entanto, é de fundamental importância para o planejamento das viagens espaciais, principalmente aos planetas gigantes do Sistema Solar, como Júpiter, Saturno, Urano e Netuno.
Para muitas pessoas, porém, a disposição dos planetas em relação a uma determinada constelação ou a outro astro pode inspirar muitos temores ou dar certezas de sucesso.
A astrologia, pseudociência que tenta relacionar a disposição dos astros no céu com os destinos das pessoas nas Terra – e que já tive a oportunidade de contestar em uma coluna anterior –, utiliza muito em suas previsões essas configurações planetárias.

Em particular, a presença de vários planetas na mesma constelação no céu leva a diferentes interpretações astrológicas. Recentemente, por exemplo, a presença de Vênus, Marte, Saturno e da Lua na constelação de Virgem e de Mercúrio na constelação de Leão foi vista pelos astrólogos como um evento rico em significados.
Mas, do ponto de vista estritamente científico, a disposição dos planetas no céu não influencia em nada vida das pessoas. Primeiramente, a posição dos planetas é relativa ao seu movimento. Eles podem parecer próximos no céu, mas espacialmente não estão. Além disso, as constelações também são apenas configurações de estrelas vistas da Terra, não havendo nenhum vínculo físico entre elas.

Chuvas de meteoros

Os meteoros, por sua vez, são objetos cuja extensão pode variar de alguns centímetros até quilômetros. Ao entrar na atmosfera, esses objetos sofrem grande atrito e, como consequência, atingem altíssimas temperaturas – por isso eles aparecem como pontos luminosos correndo no céu. Uma chuva de meteoros é um evento em que um grupo de meteoros é observado irradiando de um único ponto no céu, chamado de radiante.
Os meteoros avistados nessas chuvas são geralmente detritos resultantes da passagem de um cometa. Toda vez que um cometa se aproxima do Sol, parte do seu material é vaporizado, criando a sua cauda que deixa pedaços espalhados ao longo da sua órbita. Quando a Terra cruza a órbita do cometa, vários pedaços entram na atmosfera formando a chuva de meteoros.
A chuva das Perseidas tem origem no cometa Swift-Tuttle, que completa uma órbita ao redor do Sol a cada 131 anos. Esse é o maior objeto com passagem periódica pela Terra. Sua parte sólida, com cerca de 27 km de extensão, é maior que o cometa Halley, famoso por suas passagens muito luminosas.
Embora a Terra cruze a órbita desse cometa todos os anos (por isso ocorre a chuva de meteoros Perseidas), a probabilidade de uma colisão conosco é muito pequena. Estimativas para os próximos milhares de anos indicam que somente em 15 de setembro de 4.479 há uma probabilidade de colisão da ordem de uma em um milhão, ou seja, muito remota.

Previsões astronômicas e astrológicas

As previsões astronômicas dos movimentos dos astros atingem um grau de precisão muito alto e podem ser verificadas a partir de observações do céu com instrumentos especializados. As previsões astrológicas, por outro lado, não são validadas por não serem verificadas nem por métodos estatísticos.

Parte do sucesso nas previsões astronômicas decorre devido ao fato de a interação responsável pelo movimento planetário ser de natureza gravitacional. Com os atuais computadores, é possível realizar cálculos orbitais muito precisos.
Já na astrologia, como não se identifica a interação responsável pelos alegados efeitos dos astros na vida das pessoas, não se consegue identificar as eventuais causas das influências. Os movimentos dos objetos celestes podem até ser complicados, mas não são incompreensíveis. As previsões astrológicas são apenas atos de fé.

 

quarta-feira, 11 de agosto de 2010

Um céu muito especial nessa semana

No próximos dias haverá um espetacular conjunção no céu, com os planetas Mercúrio, Vênus, Marte e Saturno, juntamente com a Lua Crescente, logo após o pôr do Sol. Gustavo Rojas, dá dicas de como fotagrafar o esse céu espetacular que acontecerá na quinta, sexta-feira.
Aproveitem a dica.


sexta-feira, 23 de julho de 2010

A resenha do "A Busca pela compreensão cósmica" no Ciência Hoje on-line

Saiu mais uma resenha do meu livro "A busca pela compreensão cósmica" Quem quiser dar uma olhada

Para ler e entender estrelas

Crônicas sobre física e astronomia permitem ao leitor saber mais sobre as perguntas que a ciência já respondeu. Elas estão no livro ‘A busca pela compreensão cósmica’, de nosso colunista, o físico Adilson de Oliveira.http://cienciahoje.uol.com.br/resenhas/para-ler-e-entender-estrelas

quarta-feira, 21 de julho de 2010

sábado, 17 de julho de 2010

A descoberta que mudou a humanidade

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 16 de julho de 2010

Há centenas de milhares de anos, nas noites frias de inverno, a escuridão era um grande inimigo. Sem a lua cheia, a negritude da noite, além de assustadora, era perigosa. Havia muitos predadores com sentidos aguçados, e que poderiam atacar facilmente enquanto dormíamos. O frio intenso era outro inimigo. Não eram fáceis os primeiros passos da humanidade, dados por antepassados muito diferentes de nós.


Até que, um dia, talvez ao observar uma árvore atingida por um raio, os hominídeos primitivos descobriram algo que modificaria complemente o rumo da nossa evolução: o fogo. Ao dominar essa entidade, foi possível se aquecer, proteger-se dos predadores e ainda cozinhar os alimentos. Como nenhuma outra criatura do nosso planeta, conseguimos usar a nosso favor um fenômeno natural para ajudar a vencer as dificuldades diárias.
Com o fogo, a noite já não era mais tão perigosa, e diminuía a necessidade de se esconder ou lutar. Acredita-se que a descoberta de seu uso tenha agido diretamente sobre a nossa forma de pensar, pois permitiu mais tempo para pensarmos. O filme A guerra do fogo (1981), do diretor francês Jean-Jacques Annaud, retrata em forma de ficção como o fogo influenciou a forma de viver dos primeiros hominídeos.

Assista aqui ao trailer do filme ‘A guerra do fogo’, de 1981




A importância da utilização do fogo como instrumento de transformação da nossa sociedade se acelerou com o progresso da cultura humana. Além de fornecer conforto térmico e melhorar a preparação de alimentos, ele desde cedo foi usado em rituais dos mais diferentes povos, na fabricação de armas (até os dias atuais), na produção de novos materiais (ajudando a fundir metais, por exemplo) e como fonte de calor para máquinas térmicas. Entretanto, o que é o fogo?
O fogo surge do processo de rápida oxidação de um material combustível, liberando luz, calor e os produtos da reação, como dióxido de carbono e água. Dessa forma, o fogo é um mistura de gases em altas temperaturas e por isso emite luz na faixa do infravermelho e visível.
Para certas faixas de temperatura, os gases ficam totalmente ionizados. Isso ocorre porque os elétrons são arrancados dos átomos que os compõem, levando-os ao estado de plasma. O plasma (que nada tem haver com o material contido no sangue) pode ser observado, por exemplo, em lâmpadas fluorescentes, em que o gás fica ionizado devido à descarga elétrica.

Revolução Industrial

Um grande salto no desenvolvimento tecnológico ocorreu justamente quando se desenvolveu a máquina a vapor, dando início à Revolução Industrial, no final do século 18. Nesse caso, o principal combustível era o carvão e, a partir da sua queima, produzindo fogo, foi possível transformar a energia liberada em outra, com capacidade de realizar trabalho – ou seja, impulsionar máquinas e equipamentos a fazerem tarefas que antes dependiam da força bruta humana.

Nas primeiras máquinas térmicas, o fogo era utilizado para aquecer a água até a temperatura em que ela se transforma em vapor. A partir disso, com o acúmulo de vapor, a pressão aumentava, fazendo com que ele empurrasse um pistão que colocava uma roda, por exemplo, em movimento.
Essas primeira máquinas foram usadas para extrair a água das minas de carvão, mas logo foram aplicadas nas indústrias e no desenvolvimento dos trens. Em poucas décadas, essas máquinas transformaram o mundo.
Desde aquele tempo existia a preocupação em desenvolver tecnologias mais eficientes para o aproveitamento da energia, ou seja, construção de máquinas com maior rendimento – que produzam mais consumindo menos. De fato, já no século 19 se fazia uma pergunta cuja resposta até hoje não é fácil: é possível construir uma máquina com 100% de eficiência? Seria possível conseguir isso?
A resposta a essa questão não foi simples e mostrou que não se tratava apenas de uma limitação tecnológica, mas sim uma limitação da natureza. Esses estudos levaram ao desenvolvimento de um novo ramo da física conhecido como termodinâmica.

Em busca da máquina perfeita

A termodinâmica estuda o comportamento de sistemas com muitas partículas (como, por exemplo, um gás), levando em conta os efeitos de trocas térmicas. Dois de seus princípios fundamentais, conhecidos como a 1ª e a 2ª leis da termodinâmica, foram elaborados a partir de tentativas de desenvolver a máquina perfeita.
A 1ª lei da termodinâmica é, basicamente, a conhecida a lei da conservação da energia. Ou seja, independentemente de qual for o processo físico que esteja ocorrendo, a energia nunca é criada ou destruída, mas simplesmente transformada em outra forma de energia.


Era dessa maneira que a energia liberada pela queima do carvão nas antigas máquinas era transformada em energia de movimento, por exemplo.
Nas usinas nucleares, em vez de utilizar o fogo para aquecer a água, a energia contida no núcleo atômico é liberada para aquecer e transformar a água em vapor, que, em altíssima pressão, movimenta as turbinas.
Entretanto, nem toda a energia gerada, seja qual for o processo, poderá ser sempre útil para nós. É um fato observado que, em todo processo no qual ocorre uma transformação de energia, parte dela se transforma numa energia que não pode ser aproveitada, e é perdida para o ambiente na forma de calor.
Todos nós já observamos que qualquer máquina, seja a movida a vapor, eletricidade, gasolina etc., sempre fica aquecida. Esse aquecimento surge justamente da perda de energia em forma de calor, que ocorre quando realizamos qualquer processo de transformação de energia.

Limites para a eficiência

Foi o engenheiro e matemático francês Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) que, ao estudar o desenvolvimento de máquinas térmicas, chegou à conclusão de que seria impossível construir uma máquina térmica com 100% de eficiência, levando ao 2º princípio da termodinâmica (ou 2ª lei).
A 1ª lei estabelece que a energia não pode ser criada nem destruída, referindo-se à quantidade de energia. A 2ª lei qualifica isso, acrescentando que a forma que a energia assume nas diversas transformações acaba se ’deteriorando’ em formas menos úteis de energia.
Ela se refere, portanto, à ’qualidade’ da energia, levando em consideração também a energia que se torna mais difusa e acaba se degenerando em dissipação. A partir da 2ª lei é que chegamos ao conceito de entropia (veja a coluna "O caos e a ordem"), que está associada a uma medida de desordem de um sistema.

O domínio do fogo pelos primeiros hominídeos foi de fundamental importância para a sobrevivência da nossa espécie. Em milhares de anos utilizando o fogo, o homem conseguiu produzir diversos materiais (metálicos, cerâmicos) que impulsionaram o desenvolvimento civilizatório.
Com o advento da máquina a vapor, usando o fogo como fonte de energia, ocorreu o grande processo de industrialização que nos levou ao atual estágio tecnológico.
Ao compreender como ocorrem os processos de transformação de energia, a termodinâmica se estabeleceu com um dos mais importantes ramos do conhecimento da física, que se aplica desde as máquinas a vapor até as modernas usinas nucleares. Sem dúvida, o fogo acendeu a curiosidade humana e foi uma das molas propulsoras do nosso progresso.

quarta-feira, 7 de julho de 2010

O desenvolvimento da nova Instalação do LAbI - [Eco] Sistema

O Laboratório Aberto de Interatividade - LAbI - UFSCar em parceria com o Sesc -São Carlos está construindo uma nova instalação interativa - [Eco]Sistema, abordando a temática da Biodiversidade. A instalação  será desenvolvida a partir de oficinas colaborativas. Visitem o site do projeto [Eco]Sistema.