domingo, 23 de fevereiro de 2014

O passado sempre presente

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On line
publicada em 21/02/2014

A maioria de nós gosta de registrar momentos especiais. Fotografamos e filmamos lugares, pessoas, eventos etc., com o objetivo de guardar não só lembranças do que nos aconteceu, mas também, de algum modo, de parte do que aconteceu. São registros de ocasiões alegres, engraçadas, de belos lugares, de monumentos históricos etc. Hoje, com os dispositivos móveis e o fácil acesso à internet, as pessoas podem compartilhar seus registros pessoais quase a todo instante.
Há alguns anos isso não era possível. Antes do surgimento das câmeras digitais, a fotografia era feita em equipamentos que requeriam filmes especiais, que eram revelados em laboratório e depois impressos em papel. Levava tempo, portanto, para termos o resultado dos registros.
O mesmo acontecia com as câmeras de filmagem. Para vermos o filme, as películas tinham que ser reveladas. Com o advento das fitas magnéticas (as famosas fitas VHS), o registro ficou mais fácil. Mas a quantidade de informações que podiam ser gravadas era muito limitada.
A fotografia registra um determinado instante, uma fração de segundo da realidade. Os objetos refletem (ou emitem) luz, que é captada pelos sensores eletrônicos da câmera, como CMOS e CCD. Esses sensores, feitos de materiais semicondutores, convertem a luz em padrões de cargas elétricas, que posteriormente são transformados em dados digitais. Percebemos, quando tiramos fotos com baixa resolução, que os arquivos gerados têm poucos megabytes. Já fotos com alta resolução podem ter tamanhos da ordem de dezenas de gigabytes.

A luz

Quando vemos com os nossos olhos ou captamos uma imagem, registramos a luz refletida (ou emitida, em alguns casos) pelo objeto que enxergamos ou registramos. Como a luz tem uma velocidade muito grande (300 mil km/s), o tempo que ela gasta para vir de um objeto que está, por exemplo, a 3 m de distância é de cerca de 0,00000001 segundo (10 nanossegundos) – um atraso absolutamente desprezível. Para o nosso cotidiano, é instantâneo.
Da mesma maneira, quando ouvimos ou gravamos um som, também há um lapso entre a sua emissão e a nossa detecção. Contudo, a velocidade do som (340 m/s) é muito menor que a da luz. A 3 m de distância, o som demora cerca de um milésimo de segundo para chegar aos nossos ouvidos. Por isso, é comum vermos um relâmpago e apenas alguns segundos depois ouvirmos o barulho do trovão.
Por outro lado, quando observamos a Lua, vemos como ela era um segundo antes aproximadamente, já que a distância Terra-Lua é de 380 mil km. Já a luz do Sol leva cerca de oito minutos para alcançar a Terra, ao passo que a das estrelas mais próximas do nosso planeta leva cerca de alguns anos para atingi-lo. A galáxia de Andrômeda, o objeto mais distante que observamos a olho nu, está a aproximadamente 2,5 milhões de anos-luz da Terra. A luz dessa galáxia que chega até nós partiu de lá muito antes do surgimento dos seres humanos na Terra, há 2,5 milhões de anos!

A galáxia de Andromeda que está a 2,5 milhões de anos-luz - O objeto mais distante que pode-se observar a olho nu

Com o auxílio de potentes telescópios, podemos observar galáxias e estrelas que estão a mais de 13 bilhões de anos-luz, as primeiras que se formaram logo após o evento chamado Big Bang, que deu origem ao universo. Estamos sempre percebendo o passado, vendo o que aconteceu, seja há alguns nanossegundos ou há milhões de anos. Dessa forma, o que de fato são o presente, o passado e o futuro?

O trem de Einstein

De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, a velocidade da luz é invariável, independente de quem a observa, e nada no universo pode viajar mais rápido que ela. Por exemplo, se, por algum motivo, o Sol desaparecesse, a órbita da Terra só seria perturbada oito minutos mais tarde, pois a força da gravidade, responsável pelo movimento dos planetas ao redor do Sol, também se propaga na velocidade da luz.
Outro resultado importante que decorre da teoria da relatividade é que eventos que, para alguns observadores, podem ser simultâneos, para outros não são. Isso ocorre porque, quando há dois observadores em movimento entre si e a velocidade da luz é a mesma para ambos, eles veem coisas diferentes. Exemplo famoso disso é o chamado ‘trem de Einstein’.
Einstein propôs o seguinte experimento mental: se dois indivíduos observam dado evento – um deles está dentro de um trem, exatamente no meio dele, e outro está fora do trem, no meio do trecho entre duas marcas no solo –, eles terão conclusões diferentes sobre o mesmo evento. Se o observador no solo disser que dois raios caíram simultaneamente, isso significa que dois relâmpagos o atingiram no mesmo instante. Por outro lado, o observador dentro do trem observará os raios caírem em momentos diferentes.
O experimento imaginário de Einstein para explicar o conceito de
simultaneidade na Teoria da Relatividade Restrita

A explicação disso é que, para o observador que está dentro do trem, ao mesmo tempo em que se desloca para a direita, indo ao encontro do relâmpago da parte da frente do trem, ele se afasta do relâmpago que vem da extremidade traseira do trem. Portanto, o último relâmpago deve percorrer uma distância maior que o primeiro para chegar até o observador. Como a velocidade da luz é constante, o relâmpago da frente o atinge antes do de trás. Naturalmente, para se observar esse efeito, o trem deveria viajar na velocidade da luz.
Outra consequência desse experimento imaginário é que, para o observador que está no solo, o intervalo de tempo transcorrido entre a queda dos dois raios é zero, já que para ele os dois acontecimentos são simultâneos.
O fato de a velocidade da luz ser o limite do universo faz com que a noção de simultaneidade seja sempre relativa a um observador. Embora não observemos esses fenômenos no nosso cotidiano, ele é mensurado em experimentos de laboratório, principalmente nos aceleradores de partículas, que funcionam por levar em conta esse efeito. De fato, a natureza nos coloca numa condição em que vivemos simultaneamente no passado, no presente e no futuro.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

domingo, 2 de fevereiro de 2014

O que esperar do futuro?

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 17/01/2014

Em janeiro é comum as pessoas planejarem o que pretendem fazer no ano que se inicia. Há sempre esperança de resolver alguns problemas e de buscar novos desafios. Os mais otimistas se propõem a fazer grandes mudanças; os pessimistas veem dificuldade em tudo. Há ainda os ‘realistas’, que, embora comedidos em suas propostas, estão seguros de que irão realizá-las.
Em uma escala maior, devido a eventos importantes que vão acontecer no Brasil em 2014, temos muitas expectativas – e fazemos muitas previsões – não só sobre a economia e a política, mas também sobre a Copa do Mundo de futebol, que ocorrerá nos meses de junho e julho.
O desempenho da economia é um tema marcante nos noticiários porque interfere diretamente na vida das pessoas. Os economistas, ao estudar a evolução de diferentes parâmetros que afetam a economia, como taxa de juros, índice de inflação e desemprego, atividade comercial e industrial, cotação do dólar etc., fazem projeções sobre as perspectivas futuras do desempenho econômico de uma empresa ou um país.
Muitos usam sofisticados modelos matemáticos para tentar prever o comportamento do mercado; outros apresentam suas perspectivas com base em análises mais conjunturais e de experiências passadas. Assim, enquanto alguns economistas veem um cenário de empecilhos para 2014, outros têm uma visão diferente, já que suas interpretações de dados e informações levam a outras conclusões.
Nas discussões sobre possíveis resultados das eleições de 2014, quando elegeremos o presidente da República, governadores, senadores, deputados federais e estaduais, de novo diversos cenários se esboçam, baseados na percepção do desempenho do governo em áreas importantes como saúde, educação e economia, para citar apenas as mais importantes.
Uma informação objetiva é obtida a partir de pesquisas de opinião, as quais, usando uma pequena amostra (da ordem de milhares de indivíduos) dos milhões que votam, preveem possíveis cenários de vitória ou derrota de candidatos. Mas, como enfatizam os institutos que realizam tais pesquisas, há sempre margens de erro, e às vezes as amostras utilizadas podem levar a resultados diferentes. Essas pesquisas são apenas um ‘retrato’ da situação no momento de sua realização. De fato, é a eleição mesma que determina os eleitos com precisão.
Diz o dito popular que o futebol é uma “caixinha de surpresas”. Às vezes o time que venceu todos os jogos perde a final de um campeonato por um pequeno vacilo. Isso é mais provável em torneios como a Copa do Mundo, na qual um time se sagra campeão em apenas sete jogos, diferentemente do Campeonato Brasileiro, por exemplo, em que cada time joga 38 partidas e o campeão é o que faz mais pontos. Nessa última modalidade, o campeão é o melhor time na média dos jogos e não apenas em uma decisão. Já em uma Copa do Mundo um descuido pode eliminar um time, como já aconteceu com o Brasil diversas vezes.
Sobre o vencedor da Copa deste ano, cada um tem sua opinião, baseada principalmente na paixão pelo futebol. A maioria dos brasileiros, escudados nessa paixão e nos resultados positivos obtidos pela seleção recentemente, acredita que seremos os vencedores. Mas só teremos certeza absoluta no final do torneio.

As ciências naturais

No caso das chamadas ciências ‘duras’, como a física, a química, a biologia, fazer previsões sobre cenários futuros de seu desenvolvimento é algo incerto. Às vezes acreditamos que alguns resultados, em dado momento surpreendentes, podem levar a novas tecnologias e a novos avanços, mas isso não acontece. Em outras situações, quando se imagina que não há nada de novo a descobrir, surgem resultados e ideias que revolucionam nossa visão da natureza.
Segundo o filósofo de ciência Thomas Kuhn (1922-1996), quando ocorre uma revolução científica, há uma “quebra de paradigma”, ou seja, o modelo (ou modelos) vigente é superado por novas descobertas ou contestado por novas interpretações, dando lugar a novo modelo. Isso não ocorre em uma data exata; é possível que se passem anos ou até séculos para que se tenha a percepção de que o modelo aceito está superado.
Na história da física houve muitas dessas revoluções, que modificaram de modo radical a maneira de se compreender a natureza. Dois exemplos importantes são a revolução copernicana e o surgimento da física moderna.
A revolução copernicana teve início em meados do século 16, quando o modelo geocêntrico, estabelecido há mais de um milênio, não se mostrava suficientemente preciso para descrever os movimentos dos planetas no céu. Esse modelo propunha que a Terra estava no centro do universo e que o Sol, a Lua e os planetas giravam em seu entorno. De fato, essa é a sensação que temos ao olhar para o céu. Parece que a Terra está parada e tudo se move ao seu redor.
Em 1543, o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) apresentou o resultado do trabalho de toda uma vida na compreensão do movimento planetário. Na sua obra De revolutionibus orbium coelestium (Das revoluções das esferas celestes), propôs o modelo heliocêntrico, no qual o Sol ocuparia o centro do sistema planetário e a Terra e os demais planetas descreveriam órbitas circulares ao seu redor. A Lua, que de fato orbita a Terra, era uma exceção.
Essa obra teve grande impacto, e as ideias de Copérnico levaram décadas para serem completamente aceitas. O italiano Galileu Galilei (1564-1642) foi um dos grandes defensores do modelo heliocêntrico e ajudou a prová-lo com suas observações astronômicas no início do século 17. Na mesma época o astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler (1571-1630), ao estudar os dados astronômicos do dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601), aperfeiçoou o modelo de Copérnico, mostrando, entre outros achados importantes, que as órbitas dos planetas ao redor do Sol eram elipses e não circunferências.
Cerca de 120 anos após a publicação das ideias de Copérnico, o físico e matemático inglês Isaac Newton (1643-1727) elaborou um modelo completo para descrever o movimento dos planetas, explicando os resultados anteriores e introduzindo a lei da gravitação universal na obra Philosophiae naturalis principia mathematica (Princípios matemáticos da filosofia natural).

A física moderna

As ideias de Newton e o desenvolvimento de outros ramos da física, como a termodinâmica e o eletromagnetismo, se transformaram até o final do século 19 em um modelo sólido para descrever a natureza. Essa certeza era tão grande que muitos acreditavam que a física tinha chegado ao seu fim. Em uma reunião da Sociedade Britânica para o Avanço da Ciência, na Inglaterra, em 1900, William Thomson (1824-1907), um dos mais importantes físicos do século 19, afirmou que não havia nada de novo a ser descoberto na física. “Agora, só resta realizar mais e mais medidas precisas para confirmar os resultados”, disse Thompson.
Nos anos seguintes, surgiram novos resultados e novas teorias, modificando radicalmente as bases da física. Foram desenvolvidas a teoria da relatividade, por Albert Einstein (1879-1955), e a mecânica quântica. A primeira revolucionou nossa forma de ver os conceitos de tempo e espaço e se apresentou como novo modelo para descrever a gravidade proposta por Newton. As ideias de Einstein influenciaram não só a física, mas muitos ramos da ciência e da filosofia. A partir da nova teoria foi possível entender o comportamento do universo em grande escala.
A mecânica quântica se apresentou como novo modelo para descrever as propriedades fundamentais da matéria, permitindo compreender a natureza dos átomos e suas interações. Os avanços então obtidos levaram ao desenvolvimento de novas tecnologias, em particular no campo da eletrônica, presente fortemente nos dias de hoje.
A física vive um tempo em que talvez esteja em curso uma importante revolução. Sabemos hoje que 96% do universo se constituem de matéria e energia escura, cuja origem exata não se conhece. A compreensão desse problema pode mudar nossa forma de entender o universo. Temos por ora a relatividade geral, que descreve a gravidade, e a mecânica quântica, que descreve as interações nucleares forte e fraca e o eletromagnetismo. Busca-se, por outro lado, uma teoria final, que unifique todas as forças da natureza. Mas esse ainda é um futuro difícil de prever.