segunda-feira, 24 de outubro de 2011

Quem está correto, Dr. Einstein?

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On line
publicada em 21 de outubro de 2011

Nas últimas semanas, duas notícias ganharam destaque nos meios de comunicação referentes a dois resultados que podem mexer com os alicerces da física. Uma foi a divulgação dos resultados de um experimento que envolveu o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (Cern), na Suíça, e o Laboratório Nacional de Gran Sasso, na Itália.

Segundo os autores do estudo, foram observados neutrinos (partículas sem carga elétrica e praticamente sem massa) que viajaram mais rápido do que a velocidade da luz.
A outra foi o anúncio dos laureados pelo Prêmio Nobel de Física de 2011 – Saul Perlmutter, Adam G. Riess e Brian P. Schmidt – por terem descoberto, de forma independente, em 1998, a aceleração da taxa de expansão do universo.

Essas duas notícias com certeza chamariam muito a atenção, se ainda estivesse vivo, de Albert Einstein (1879-1955), pois estão diretamente relacionadas às suas mais importantes descobertas.
No começo do século 20 – como talvez esteja acontecendo agora –, houve uma grande reviravolta na física. Novos resultados experimentais e teorias para explicá-los mudaram profundamente a forma que entendemos a natureza.

Foi nessa época que nasceu a física quântica (que explica o comportamento de átomos e moléculas) e a teoria da relatividade (que ajuda a compreender o universo em grande escala e em altas velocidades). Essas duas teorias são os dois principais pilares da física moderna. Einstein contribui de maneira decisiva para ambas.

Em 1905, Einstein resolveu o problema da incompatibilidade entre a mecânica (que descreve o movimento) e o eletromagnetismo (que descreve os efeitos dos campos elétricos e magnéticos), com a sua teoria da relatividade especial (TRE).
Com essa teoria, ele afirmou que as leis físicas deveriam ser a mesma em todos os referenciais inerciais (que não sofrem aceleração) e que a velocidade da luz no vácuo é a mesma em todos referencias inerciais.

Ainda segundo a TRE, a massa de uma partícula cresce junto com a sua velocidade. Se atingisse a velocidade da luz, sua massa seria infinita. A velocidade da luz seria, portanto, intransponível. No caso da própria luz, como ela não tem ‘massa de repouso’, ela sempre viaja a aproximadamente 300 mil km/s.

Alguns anos depois, em 1915, Einstein lançou a teoria da relatividade geral (TRG), na qual expandiu a anterior para referencias não-inerciais (ou acelerados), o que resultou no desenvolvimento de uma nova teoria para a gravitação.

Será possível?

Se estiver correta a observação de que os neutrinos produzidos no Cern teriam chegado ao laboratório de Gran Sasso, que fica a 730 km de distância do centro europeu, 60 nanossegundos (ou 60 bilionésimos de segundo) antes do que deveriam, isso significa que eles viajaram mais rápido que a velocidade da luz.

Contudo, quando anunciado, esse dado recebeu muitas críticas da comunidade científica, visto que, se confirmado, derruba o que foi postulado por nada mais nada menos que o principal físico do século 20.

O grande ceticismo em relação ao resultado desse experimento é que a TRE é uma das teorias físicas mais bem testadas. Os equipamentos usados na mecânica quântica – inclusive o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), o maior acelerador de partículas do mundo, localizado no Cern – são projetados com base nessa teoria. Se não fosse assim, os experimentos não funcionariam.

Outra questão que foi levantada é o fato de os neutrinos serem produzidos a alta energia nas supernovas, estrelas muito massivas que, no seu estágio final, realizam uma contração grande o suficiente para desencadear um processo de produção de energia tal que as faz brilhar mais do que uma galáxia inteira por um intervalo de tempo de alguns meses.
A maior parte da energia desse processo flui para fora da estrela na forma de neutrinos. Como eles interagem pouco com a matéria, escapam da supernova quase que imediatamente, enquanto os fótons, segundo as previsões teóricas, levariam cerca de três horas para deixá-las.
Em 1987, ocorreu a explosão de uma supernova (chamada Shelton ou SN1987A) na Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite a nossa que está a aproximadamente 168 mil anos-luz de nós.
Nesse evento, milhões de neutrinos chegaram à Terra três horas antes de a luz ser detectada, como era esperado. Se esses neutrinos viajassem mais rápido que a luz, como afirma esse recente experimento, eles teriam chegado cerca de cinco anos antes!

Reviravolta?

Curiosamente, a descoberta que valeu o Prêmio Nobel de Física deste ano também está associada à observação de supernovas – de um tipo particular conhecido como IA.
De forma independente, dois grupos – Perlmutter e Schmidt lideravam equipes de pesquisa concorrentes, com Riess pertencendo à segunda – encontraram cerca de 50 supernovas. Ao medir o seu brilho, os pesquisadores observaram que ele era menos intenso do que o esperado, o que os levou a concluir que a expansão do universo estava acelerando.

Einstein previu a expansão do universo ao aplicar a teoria da relatividade geral para explicar a estrutura do universo como um todo. Na época, como não havia qualquer evidência do universo em expansão, o físico adicionou um termo a suas equações que funcionava como uma força gravitacional repulsiva para contrabalancear a ação gravitacional (que é atrativa), gerando assim um universo estático.

Em 1929, quando o astrônomo estadunidense Edwin Hubble (1889-1953) observou pela primeira vez a expansão do universo, Einstein apontou a suposta força gravitacional repulsiva que havia criado como o maior erro da sua carreira.

A expansão acelerada do universo é atualmente atribuída à chamada ‘energia escura’, que seria responsável por mais de 70% do universo, mas da qual se sabe ainda muito pouco.
O efeito da energia escura só pode ser observado em galáxias mais antigas do que a nossa, com aproximadamente cinco bilhões de anos, onde a matéria já teria se dispersado o suficiente para que essa força começasse a suplantar a gravidade e acelerasse a expansão do universo.

Diferentemente do experimento realizado no Cern, a aceleração da expansão do universo foi comprovada por outras observações e por outros experimentos.

Por outro lado, se de fato os neutrinos viajam mais rápido do que a luz, os modelos usados atualmente para compreender as supernovas talvez tenham que ser modificados e pode ser que isso interfira na interpretação das observações que mostraram que a expansão do universo está acelerada.

Dessa forma, ainda teremos muitos debates e somente novos experimentos mostrarão se o Dr. Einstein estava correto.




quarta-feira, 5 de outubro de 2011

Saiu o Prêmio Nobel de Física de 2011

Ontem (04 de outubro) foram divulgados os ganhadores do  Nobel de Física de 2011. Os agraciados com o prêmio foram Saul Perlmutter, da Universidade da Califórnia em Berkeley, Brian Schmidt, da Universidade Nacional Australiana e Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins. O prêmio foi dado em função da descoberta, a partir da observação de um tipo especial de supernova em galáxias distantes, da aceleração da expansão do universo. Esses resultados foram obtidos na década de 90 do século passado e lançou uma dúvida crucial. Haveria uma nova força no universo que agiria contra a gravidade?

Ao observar as supernovas do tipo IA, que são estrelas que no seu estágio final de evolução são capazes de emitir energia equivalente a uma galáxia inteira, os pesquisadores descobriram que as distantes galáxias nas quais elas se encontravam estavam se afastando de nós em uma velocidade maior do que a esperada.

A expansão do universo foi descoberta em 1926 pelo astrônomo americando Edwin Hubble que ao observar o espectro de emissão das galáxias percebeu que estes estavam desviados para o vermelho. Esse efeito poderia ser explicado devido ao fato dessas galáxias estarem se afastando de nós em grandes velocidades, na ordem da velocidade da luz. Esse resultado foi posteriormente confirmado por inúmeras outras observações, indicando que o universo estava em expansão.

O resultado que valeu o prêmio Nobel foi devido a observação que o desvio para o vermelho para galáxias muito distantes indicam que elas estão aumentando a sua velocidade. Ou seja, parece que há uma força, ainda totalmente desconhecida, que acelera as galáxias distantes. A essa força foi dado o nome de "energia escura".

Atualmente sabe-se que praticamente 3/4 da massa do universo vem dessa energia escura. Contudo, ainda não existem evidências adicionais que corroborem essa descoberta, pois uma força fundamental que apenas atue em escala cosmológica é algo ainda sem precedentes na Física.