sexta-feira, 26 de outubro de 2012

A Física Quântica e o Nobel

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 19/10/2012


Todos os anos, no começo do mês de outubro, cria-se no meio científico muita expectativa em relação ao anúncio dos ganhadores do prêmio Nobel. Esse prêmio é considerado uma das mais importantes honrarias para os cientistas – embora também seja concedido para as áreas de literatura e paz, que não estão associadas à investigação científica.
Com relação ao prêmio de física de 2012, até brinquei com os meus alunos que eu não tinha recebido nenhum telefonema da Academia Real Sueca de Ciências – instituição responsável pela escolha – e teria que esperar o próximo ano. Eu sei que é altamente improvável que eu receba esse telefonema, mas sem dúvida todo físico um dia sonhou em ganhar tal honraria.
O primeiro laureado com o prêmio Nobel de Física, em 1901, foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), pela descoberta dos raios X, uma radiação eletromagnética com comprimento de onda da ordem de um décimo de nanômetro (um nanômetro equivale a um bilionésimo de um metro) e que pode ser utilizada para o estudo das estruturas atômicas e a realização de imagens do interior do corpo humano – aplicação bem conhecida.
Neste ano, o prêmio foi dado ao pesquisador francês Serge Haroche e ao norte-americano David J. Wineland pela criação de “métodos experimentais que permitem medir e manipular sistemas quânticos individuais”. É mais um prêmio concedido ao desenvolvimento de um dos pilares da física: a física quântica.
Esse ramo da física começou a ser desenvolvido no início do século 20, quando novas descobertas começaram a mostrar que os conceitos da física clássica (a mecânica newtoniana, o eletromagnetismo e a termodinâmica) não conseguiam explicar alguns resultados experimentais observados.
Um exemplo foi a teoria proposta em 1899 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) para explicar o comportamento da radiação emitida por um corpo negro. Um corpo negro ideal é um corpo que absorve toda a radiação incidente sobre ele e, depois de aquecido, emite radiação com determinada característica. Se fossem utilizados o eletromagnetismo e a termodinâmica conhecidos na época para explicar esse comportamento, surgia uma discordância entre os conceitos teóricos e os resultados experimentais.
Planck então deduziu uma fórmula que descrevia os resultados experimentais. Para obtê-la, ele introduziu o conceito de que a energia em um corpo negro 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.
O físico propôs que a energia era resultado da multiplicação da frequência da radiação por uma determinada constante, que posteriormente foi batizada com seu nome (constante de Planck) e é igual a 6,62 x 10-34 J.s (onde J = joule, unidade de energia; s = segundo). Esse é considerado o marco do início da física quântica. Por essa descoberta e outras contribuições, Planck recebeu o Nobel de Física em 1918.


Novos conceitos

No século 20, ocorreram os principais desenvolvimentos no campo teórico da física quântica. A grande maioria dos prêmios Nobel de Física naquele século foi dada a avanços tanto na teoria como em experimentos e aplicações desse ramo da física.
Um dos conceitos introduzidos pela física quântica que tiveram impacto profundo na nossa compreensão da natureza foi o princípio da incerteza (ou princípio da indeterminação), proposto pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976) em 1927. Esse princípio introduziu a ideia de que é impossível conhecer com absoluta certeza simultaneamente a posição e a quantidade de movimento de uma partícula.
Esse princípio também limita nossa percepção em relação ao tempo e à energia de uma partícula. Essa limitação não é tecnológica, mas sim uma imposição da natureza e faz parte da essência do mundo em escala atômica.
Heisenberg não apenas desenvolveu esse princípio, mas também uma nova teoria para explicar o comportamento dos entes atômicos que ficou conhecida como mecânica quântica matricial. Nessa teoria, as propriedades das partículas são descritas por matrizes e podem ser calculadas pela realização de operações entre essas matrizes. Por essas contribuições, ele foi laureado com o Nobel de Física em 1932.
No ano seguinte, a Fundação Nobel concedeu o prêmio para o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) e o físico britânico Paul Dirac (1902-1984) por desenvolvimentos de novas versões da teoria quântica. Schrödinger formulou uma teoria ondulatória para explicar o comportamento dos entes quânticos e Dirac mostrou que tanto a teoria de Schödinger quanto a de Heisenberg eram equivalentes, ou seja, levavam aos mesmos resultados. Dirac também ampliou essas teorias, ao incorporar os conceitos da teoria da relatividade restrita de Einstein, e criou uma versão relativística da física quântica.

Física quântica aplicada

Descobridores de aplicações dos princípios da física quântica também receberam vários prêmios Nobel de Física. Um deles foi concedido em 1964 aos físicos russos Nicolay Basov (1922-2001) e Alexander Prokhorov (1916-2002), por seus trabalhos fundamentais que permitiram o desenvolvimento do laser (fonte de luz com comprimento de onda bem definido). As aplicações do laser são inúmeras, desde a utilização na leitura de CDs e DVDs até a realização de cirurgias e o tratamento de doenças.
No caso do prêmio Nobel de Física deste ano, os ganhadores, trabalhando de maneira independente, desenvolveram técnicas que permitiram isolar partículas e observar seu comportamento individual.
David J. Wineland desenvolveu uma armadilha para prender íons (átomos eletricamente carregados) em campos elétricos e conseguiu deixar essas partículas no seu nível mais baixo de energia, o que permitiu a observação de seus efeitos quânticos. Já o francês Serge Haroche aprisionou fótons dentro de uma pequena cavidade entre dois espelhos e conseguiu obter a reflexão de apenas um único fóton antes que ele fosse absorvido pelos próprios espelhos.
Ganhar o prêmio Nobel de Física é apenas para poucos pesquisadores e é um reconhecimento da importância da descoberta por eles realizada. Claro que muitas vezes se discute a relevância do feito e se o trabalho de outro pesquisador que também contribuiu para a descoberta foi desconsiderado. Mas o fato é que o cientista que ganha o prêmio Nobel deixa seu nome marcado na história.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos





segunda-feira, 1 de outubro de 2012

Ser ou não ser físico, eis a questão!

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 21/09/2012


Com o início do segundo semestre escolar, para muitos estudantes que estão concluindo o ensino médio ou para aqueles que estão fazendo cursinhos pré-vestibular, começa a angústia com a proximidade das provas dos vestibulares e do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), a porta de entrada para grande parte das universidades federais brasileiras.
Devido aos artigos que escrevo para esta coluna (creio eu), muitas pessoas me escrevem perguntando sobre física, mas também muitos estudantes me questionam sobre a carreira de físico, querendo saber em que e onde poderão trabalhar, quais as oportunidades de trabalho em empresas e qual universidade eles devem procurar para fazer esse curso.
Curiosamente, alguns estudantes estão procurando argumentos para convencer seus pais sobre essa escolha. Para muitas pessoas, trabalhar com física se limita a ser professor no ensino médio. Como a carreira de professor não é uma das mais bem remuneradas, é natural que os pais fiquem preocupados com a escolha dos filhos para exercer tal profissão.
A física é uma ciência fascinante. Com a proposta de tentar compreender o mundo ao nosso redor na sua forma mais íntima, a física se baseia em modelos e teorias fundamentais que explicam desde a estranha natureza dos entes subatômicos até a complexidade das galáxias e a expansão do universo, passando pela compreensão de fenômenos cotidianos, como o movimento dos objetos, o congelamento da água, o azul do céu, as cores do arco-íris e a brancura das nuvens.
Além disso, eletrônica, computação, telecomunicações, naves espaciais, entre outras tecnologias, somente foram possíveis a partir da compreensão que a física construiu sobre as propriedades da matéria e da energia.
Contudo, para muitos estudantes, talvez ela seja a disciplina de maior dificuldade nas provas dos vestibulares e do Enem. A física, pela sua forma particular de compreender a natureza e pela necessidade de utilizar a linguagem matemática – outra grande barreira para a maioria dos estudantes brasileiros –, talvez seja uma disciplina que assuste. Além disso, como em todas as disciplinas, há uma grande carência de bons professores de física no ensino médio, e também no superior.

Modelos de físicos

O físico mais famoso de todos os tempos é, sem dúvida, Albert Einstein (1879-1955). Com seu jeito meio desligado, cabelos espetados e roupas desalinhadas – Einstein tinha muitos paletós iguais para não perder tempo escolhendo-os –, acabou criando um estereótipo tipo ‘cientista maluco’. Mas suas contribuições para a física colocam-no, de fato, como um dos maiores de todos os tempos (se não for o maior).
Contudo, para muitos jovens estudantes, talvez surjam como exemplos de físicos os personagens Sheldon e Leonard, da série de televisão The Big-Bang Theory. Na série, vemos esses dois físicos – além de um astrofísico e um engenheiro – comportarem-se como ’nerds’. Embora a grande maioria dos físicos não seja ‘nerd’ como Sheldon e Leonard, é interessante discutirmos um pouco cada personagem para compreender melhor o trabalho dos físicos.
Sheldon é um físico teórico, ou seja, um físico que normalmente trabalha com teorias fundamentais, por meio da realização de cálculos matemáticos sofisticados e normalmente necessita usar grandes computadores. Algumas das teorias com que esses físicos trabalham ainda não foram verificadas experimentalmente. No seriado, algumas vezes, Sheldon se refere à teoria de supercordas, uma teoria que poderá unificar os dois pilares fundamentais da física, a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral.
A primeira descreve as estruturas menores da matéria a partir de três das quatro interações fundamentais: força nuclear forte, força nuclear fraca e a força eletromagnética. A segunda é a teoria fundamental da gravitação, que consegue descrever com grande precisão os movimentos dos planetas, estrelas, galáxias e a própria expansão do universo.
Essas teorias, porém, não podem ser aplicadas de maneira conjunta, pois levam a resultados contraditórios. Nesse aspecto, a teoria de supercordas propõe que os entes fundamentais da natureza sejam ‘cordas’ de energia vibrando com diferentes frequências em 11 dimensões. Alguns propõem que ela poderia ser uma alternativa às teorias atuais. Contudo, ela ainda não foi verificada experimentalmente.
Para verificar teorias e tentar descobrir novos fenômenos, entra em cena o físico experimental – no caso, Leonard, que utiliza lasers para estudar comportamentos fundamentais da matéria. 
Um físico experimental trabalha em laboratórios nos quais realiza experimentos para tentar compreender a natureza. Algumas vezes, necessita de enormes equipamentos, como as máquinas de luz síncrotron. Estas produzem raios X em alta intensidade para estudar a estrutura da matéria. Outro exemplo é o LHC, – o Grande Colisor de Hádrons –, que provoca a colisão de prótons com antiprótons para criar novas partículas elementares.
Entretanto, a maioria dos físicos experimentais trabalha em laboratórios menores, nas universidades ou em institutos de pesquisa, realizando experimentos cotidianamente, como é meu caso, que estudo magnetismo e materiais magnéticos.
Em meu laboratório, para compreender as propriedades magnéticas dos materiais, costumamos utilizar equipamentos muito sensíveis, capazes de detectar os campos magnéticos gerados por até algumas camadas de átomos – que podem ser 1 trilhão de vezes menor que o campo magnético da Terra. 
Realizamos também experimentos em temperatura próxima ao zero absoluto (-273 oC), passamos corrente elétrica, incidimos luz, entre outras coisas, tudo para descobrir como os materiais reagem e tentar compreender os mecanismos físicos que estão ocorrendo. 

Forte formação e grande satisfação

Tanto os físicos teóricos como os experimentais precisam ter uma forte formação em física e matemática. Embora os teóricos dominem os métodos de cálculo sofisticados, eles também têm que conhecer como funcionam os experimentos para compreender os resultados experimentais que podem validar ou não uma teoria por ele desenvolvida.
O físico experimental também tem que conhecer as teorias relacionadas aos problemas que estuda para poder planejar experimentos e obter os resultados esperados.
As áreas nas quais os físicos podem atuar são diversas. Temos físicos trabalhando em campos como materiais, biofísica, medicina, metrologia, agricultura, energia nuclear, mercado financeiro, indústrias, entre outros.
No entanto, ainda existem poucos físicos trabalhando em indústrias. Para aproximar mais esses dois atores, há 12 anos surgiu o primeiro curso de engenharia física no Brasil, na minha universidade, a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Várias turmas de engenheiros físicos já se formaram e a grande maioria conseguiu boas posições e trabalha em diversas empresas dos mais variados ramos.
Finalmente, outro campo de atuação importante do físico é o ensino de física, de fundamental importância para o Brasil. Existe um déficit imenso de professores dessa disciplina, da ordem de quase 100 mil professores. Esses profissionais são fundamentais para formar os estudantes do ensino médio com bom conhecimento em física, que, por sua vez, são essenciais a todas as profissões da área de exatas e tecnológicas.
Cabe mencionar que está tramitando no Congresso Nacional o projeto de lei que regulamenta a profissão de físico. O texto foi aprovado esta semana na Câmara dos Deputados e encaminhado ao Senado. Com a promulgação da lei, os físicos terão suas atividades mais valorizadas e bem definidas no mercado de trabalho.
Enfim, ser físico é uma escolha difícil e requer muita dedicação, não somente na formação, mas também no trabalho. Para ser um pesquisador, além do curso, é necessário fazer também um mestrado e um doutorado. O importante é escolhermos algo que nos dê satisfação e nos mantenha sempre progredindo.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos