domingo, 28 de julho de 2013

As relatividades quânticas

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 19/07/2013

A física é uma ciência que provoca ao mesmo tempo curiosidade, respeito, fascínio, mas também temor e desconfiança. Afinal, ela foi a ciência que originou as maiores revoluções científicas e tecnológicas do século 20. Isso ocorreu devido ao desenvolvimento das duas grandes teorias que formam os seus pilares: a teoria da relatividade e a mecânica quântica.
A teoria da relatividade começou a ser desenvolvida pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) em 1905 na sua forma restrita, ou seja, em uma versão que se aplicava apenas a movimentos não acelerados. Essa teoria propôs mudanças radicais nos conceitos de espaço e tempo e postulou que a velocidade da luz no vácuo seria o limite para todas as velocidades.
Como consequência disso, Einstein também mostrou a medida da equivalência entre energia e massa, por meio da famosa equação E=mc2, segundo a qual uma pequena quantidade de massa pode se converter em uma enorme quantidade de energia. Esse processo ocorre, por exemplo, na fissão e fusão dos núcleos atômicos, que levam à geração da energia nuclear, usada na construção das poderosas armas nucleares, capazes de exterminar toda a vida do nosso planeta, entre outras aplicações.
Alguns anos depois, em 1915, Einstein generalizou a sua teoria para incluir os movimentos acelerados. Como consequência, ele desenvolveu uma nova teoria da gravitação. Na teoria da relatividade geral, a gravidade é expressa como uma ação da curvatura do espaço e do tempo devido à presença de massa. Einstein mostrou que a massa curva o espaço e o tempo e essa curvatura indica como a massa pode se mover.
A mecânica quântica trouxe profundas modificações na compreensão dos fenômenos atômicos. Essa teoria introduziu conceitos como a quantização da energia nos níveis eletrônicos, que significa que os elétrons podem ter apenas alguns valores discretos de energia, e o tunelamento quântico, segundo o qual elétrons podem superar barreiras de energia, mesmo sem ter energia suficiente para isso. Além disso, explicou por que a luz pode se comportar como uma onda eletromagnética em determinado experimento e, em outras situações, se apresentar como partículas de energia ou como emissão estimulada de luz (laser).
Talvez o conceito mais revolucionário que a mecânica quântica nos trouxe seja o princípio da incerteza, proposto pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), que mostrou ser impossível medir simultaneamente com absoluta precisão grandezas físicas como posição e momento linear (a massa do corpo multiplicada por sua velocidade) ou energia e tempo.
Mas essas duas teorias, fundamentais para a física atual, ainda não realizam uma descrição completa da natureza. Há ainda situações nas quais ambas falham, o que indica que ainda deverá existir uma teoria capaz de explicar a natureza como um todo.
A falha ocorre justamente em situações extremas, que envolvem pequenas dimensões (reino da mecânica quântica) e intensos campos gravitacionais (reino da teoria da relatividade geral). Situações como essas provavelmente ocorreram no evento que deu origem ao universo, o Big Bang, ou no interior de estrelas muito maciças que sofreram colapso final de sua vida, criando um buraco negro.

A física e o misticismo

Embora essas teorias tenham sido testadas em inúmeras situações e proporcionado tantos avanços e descobertas, elas despertam também algumas reações que poderiam ser classificadas como curiosas. Costumo receber e-mails de pessoas que acreditam ter descoberto que as ideias de Einstein estavam erradas e de outras que usam a mecânica quântica para explicar fenômenos paranormais ou descrever situações místicas ou mágicas.
Talvez as pessoas sejam levadas a ter uma compreensão equivocada dessas duas importantes teorias porque ambas modificaram muitos conceitos e suas propostas se mostram contraditórias ao senso comum.
Em relação aos conceitos quânticos, como eles podem soar às vezes fantasmagóricos ou mágicos, tornam-se a justificativa ‘científica’ para fenômenos estranhos ou geram explicações absurdas para as mais variadas situações. Esse é o caso do termo ‘cura quântica’, que aparece com muita frequência na internet e segundo o qual muitas doenças podem ser curadas e pessoas transformadas a partir do emprego de ‘conhecimentos quânticos’, tema que foi muito badalado no filme Quem somos nós (leia a coluna de abril de 2010).
Quanto à teoria da relatividade, como ela é praticamente obra de uma única pessoa, o que transformou seu criador, Einstein, no cientista mais popular do século 20 (e talvez de toda a história), isso pode estimular algumas pessoas a imaginar que, ao provarem que a relatividade está errada, estariam derrubando um mito.
De fato, essa possibilidade foi muito comentada em setembro de 2011, quando cientistas do experimento italiano Opera divulgaram um resultado que contradizia a teoria da relatividade de Einstein: neutrinos, partículas elementares sem carga elétrica e praticamente sem massa, teriam viajado mais rápido que a luz. Mas, meses depois, os cientistas descobriram que um cabo mal conectado interferiu nos resultados, que foram invalidados por novos experimentos. Einstein ainda estava correto (leia a coluna de outubro de 2011).
É interessante notar que normalmente as propostas apresentadas por ‘físicos amadores’ – que não é o caso dos que trabalhavam no experimento Opera – para derrubar as ideias de Einstein não consideram que a teoria funciona muito bem e sempre obteve sucesso no julgamento mais importante: o teste experimental.
É claro que a teoria da relatividade e a mecânica quântica ainda poderão ser superadas como teorias, se surgir uma que de fato possa uni-las, algo que muitos físicos buscam atualmente. O próprio Einstein gastou boa parte da sua vida científica nessa tarefa, mas não conseguiu.
Por outro lado, essas teorias ainda são muito sólidas e as suas previsões continuam funcionando. Sem contar que grande parte da nossa economia, que envolve alta tecnologia, usa com muito sucesso os seus resultados. Basta imaginar que toda a indústria eletrônica é fruto das aplicações da mecânica quântica e que os dispositivos eletrônicos, como computadores e lasers, são utilizados em quase tudo em nossas vidas. Além disso, o GPS (sigla em inglês para sistema de posicionamento global) somente funciona com precisão por causa da utilização da teoria da relatividade geral, que impede que os erros de localização do aparelho sejam superiores a 10 metros.
Portanto, essas teorias não apenas transformaram a nossa forma de ver o mundo, mas também ajudaram a gerar muito do progresso que temos atualmente.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

quinta-feira, 4 de julho de 2013

Novos problemas, novos materiais

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 28/06/2013

Há dezenas de milhares de anos a humanidade começou a transformar o mundo ao seu redor quando conseguiu usar a seu favor os materiais encontrados na natureza. Utilizavam-se pedaços de ossos, madeira e pedras lascadas para construir os primeiros instrumentos rudimentares. Nascia, assim, a tecnologia para ajudar a solucionar as dificuldades.
Com a descoberta de como produzir e controlar o fogo, foi possível utilizá-lo para cozinhar os alimentos e ter uma fonte de calor e luz nas noites frias e escuras. Alguns milênios depois, o fogo começou a ser usado para fundir metais e, há 5 mil anos, iniciou-se a Idade do Bronze, marcada pelo domínio da tecnologia para fazer essa liga metálica, formada por cobre e estanho. Posteriormente, o homem dominou a fusão do ferro, elemento muito abundante na crosta terrestre.
A utilização dos metais revolucionou a humanidade, pois permitiu desde a construção de arados metálicos, mais eficientes para preparar a terra para o plantio, até o desenvolvimento de armas mais fortes e letais, como espadas e lanças.
Alguns metais, devido ao seu brilho e pureza, se tornaram muito valiosos, como é o caso do ouro e da prata. Na Idade Média, os alquimistas tentavam transformar metais como o chumbo em ouro. Eles acreditavam que o chumbo (devido à sua cor cinza escura) era um metal ‘mais sujo’ e, se fosse ‘limpado’, poderia se transformar no valioso metal dourado.
Até hoje o ouro é muito valioso e se tornou um parâmetro importante da economia. Também é utilizado para aplicações mais especiais, como em circuitos eletrônicos e até coroas dentárias, dada a sua pouca reatividade química.
Os metais na natureza quase sempre são encontrados na forma de minérios, que precisam ser processados para se obter o material desejado. O alumínio, por exemplo, muito usado na fabricação de utensílios, peças mecânicas etc., é extraído da bauxita.

Das ligas metálicas aos polímeros sintéticos

A criação de novos materiais que possam atender as nossas necessidades, tanto do ponto de vista do desenvolvimento de novas tecnologias, como também para substituir outros na tentativa de baratear e melhorar as suas aplicações, é uma busca constante.
Durante muito tempo, os novos materiais que surgiram da combinação dos elementos encontrados na natureza quase sempre eram descobertos empiricamente, por exemplo, fundindo-se metais diferentes em várias proporções, para formar ligas mais leves, mais resistentes, mais maleáveis etc.
Com o aumento da compreensão das propriedades fundamentais da matéria, principalmente através da física e química, foi possível sintetizar novos materiais e encontrar novas propriedades.
A física, com o advento da mecânica quântica, levou a uma melhor compreensão das interações entre os átomos e, como consequência, ao entendimento de como surgem as propriedades elásticas, elétricas e magnéticas dos materiais. A química, por outro lado, ao criar modelos para entender as interações entre átomos e moléculas, ajuda a compreender como ocorrem as reações químicas que geram os materiais.
Entre os materiais mais utilizados no mundo estão os plásticos, devido à sua grande versatilidade. Eles são materiais orgânicos constituídos por grandes cadeias de polímeros – macromoléculas compostas por estruturas menores (monômeros). Por serem facilmente moldados, leves e resistentes, os plásticos são usados em muitos objetos ao nosso redor.
Um polímero que tem grande aplicação é o politetrafluoretileno, conhecido comercialmente como teflon e utilizado como revestimento antiaderente. O fato de ele praticamente não reagir com outras substâncias químicas faz com que tenha baixa toxicidade e possa ser usado também em próteses, por exemplo.

Polímeros Condutores

O avião invisível ao radar é recoberto com polímeros condutores que servem
como blindagem eletromagnética, dificultado a sua detecção por radares
Há uma categoria específica de plásticos denominada polímeros condutores, que apresentam as propriedades mecânicas desses materiais, mas, ao mesmo tempo, podem ter propriedades elétricas semelhantes às dos metais. Por isso, quando foram descobertos, foram chamados também de ‘metais sintéticos’.
Uma propriedade interessante é que, quando uma corrente elétrica flui em certos tipos de polímeros condutores, eles emitem luz. Esses materiais hoje estão presentes em vários equipamentos eletrônicos, como telas de celulares e alguns televisores de alta definição. Os aparelhos celulares atualmente são leves porque a parte eletrônica é ‘blindada’ por polímeros condutores, que fazem o papel anteriormente feito pelos pesados invólucros metálicos.

Propriedades revolucionárias

Dentre as propriedades de materiais construídos artificialmente, destacam-se as magnéticas. A principal aplicação dessas propriedades é a gravação magnética. Praticamente todas as informações que existem estão estocadas magneticamente nos milhões de computadores e nos grandes servidores de internet. Por exemplo, o dinheiro que temos em nossa conta corrente não existe fisicamente; ele é apenas uma informação armazenada em um computador de banco.
Para armazenar e processar informações, o computador utiliza o chamado padrão binário, expresso pelos números 0 e 1 (que representa um bit de informação). Qualquer arquivo gravado, seja ele um software, um vídeo, uma foto, uma música etc., é representado por uma combinação de milhões ou bilhões bits.
Disco rígido que utiliza o fenômeno da magnetorresistência gigante
para gravar informações

O magnetismo nos materiais se caracteriza por ser dipolar, ou seja, tem sempre dois polos magnéticos – norte e sul. Dessa maneira, a gravação magnética nos discos rígidos de computadores se dá por meio da magnetização de uma pequena região, da ordem de alguns nanômetros, orientando-a na ‘direção norte’ ou ‘direção sul’. A direção norte pode representar o número 1 e a direção sul pode representar o ‘0’.
Um dos grandes desafios tecnológicos do momento em relação aos materiais magnéticos é o desenvolvimento de compostos alternativos para a obtenção de ímãs de alta magnetização. Os ímãs feitos de ligas de terras-raras neódimo-ferro-boro ou samário-cobalto-boro, por exemplo, apresentam altos valores de magnetização e seu uso é fundamental em sensores ou dispositivos ativos, como chaves magnéticas e geradores elétricos.
Esse tipo de ímã também é fundamental para viabilizar o uso de carros elétricos. Além de superar o desafio de ter baterias com alta capacidade para armazenar eletricidade, esses carros dependerão de ímãs de alta magnetização para acionar seus inúmeros dispositivos.
Contudo, as maiores reservas desses metais raros estão na China e o preço deles vem aumentado nos últimos anos, o que dificulta o seu uso. Surge, então, o desafio de encontrar uma alternativa a esses materiais – que ainda não foi completamente desenvolvida.
Esses são apenas alguns exemplos dos diversos materiais que o homem criou ao longo de toda a sua história. Novas tecnologias sempre necessitam de novos materiais com novas propriedades e a capacidade de encontrar soluções para esses problemas é o que impulsiona o desenvolvimento científico e tecnológico. Certamente ainda inventaremos muitos novos materiais para aplicações que sequer sonhamos.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos