domingo, 27 de abril de 2014

Os temores do céu

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on line
publicada em 18 de abril de 2014

O desconhecido pode gerar medo e desconfiança. Quando não sabemos por que determinadas situações acontecem, nos sentimos inseguros e procuramos evitá-las. Fenômenos naturais como tempestades, erupções vulcânicas, terremotos etc., que estão fora de nosso controle, são exemplos de situações que assustam. Mesmo compreendendo suas causas, ficamos perplexos diante de seus efeitos.
Na Antiguidade, tentava-se prever situações perigosas a partir da ‘leitura’ de sinais que de algum modo indicassem a iminência de uma catástrofe. Como tais eventos só ocorreriam devido à reação de uma entidade divina para castigar os homens, imaginava-se que os sinais estariam escritos no céu.
Descobrir os segredos escondidos entre as estrelas, a Lua, o Sol e os planetas tornou-se então uma prática importante desde os primórdios da civilização. Dessa forma, nasceu a astrologia, que precedeu a astronomia.
Mas, diferentemente da astronomia, a astrologia é uma pseudociência. Suas práticas e resultados não podem ser comprovados pelo método científico nem seus resultados podem ser verificados com o rigor da experimentação, seja pela reprodutibilidade ou por testes estatísticos.
Quando observamos o céu a olho nu, vemos que as estrelas se mantêm fixas umas em relação às outras ao longo do tempo. Por isso cada povo, em diferentes épocas, visualizou seus deuses e mitos ‘desenhados’ entre as estrelas. O nome que se dá a esse agrupamento de estrelas é constelação. Os nomes daquelas que observamos hoje vêm da mitologia greco-romana, como a constelação de Órion (caçador implacável) ou do Centauro (um ser fantástico).
Mas as estrelas de uma constelação não apresentam qualquer ligação física entre si, pois estão a anos-luz de distância umas das outras. A estrela Alfa-Centauri é a mais brilhante da constelação do Centauro e está a 4,2 anos-luz de distância da Terra. Já Beta-Centauri está a 350 anos-luz de nós (um ano-luz, vale lembrar, equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros). Por mais belas que sejam, as constelações são apenas símbolos que os nossos olhos veem no céu.

Região do céu da constelação do Centauro

Os planetas são corpos que se movem na frente das constelações. Seus movimentos podem ser previstos e calculados com precisão, pois a força que controla esse movimento é a da gravidade.
Os planetas se movimentam perto de uma parte do céu que chamamos de eclíptica, que define o plano de órbita da Terra. Ao longo de um ano vemos que o Sol passa na frente de 13 constelações, mas para a astrologia existem apenas 12. Já os planetas, dependendo da distância que estão do Sol, podem levar meses ou até dezenas de anos para dar uma volta completa em torno dele. Mercúrio gasta cerca de 88 dias; já Netuno, o planeta mais distante do Sol, leva 164,80 anos.
Assim, na astrologia, a combinação da passagem de um planeta, do Sol e da Lua na frente de uma constelação pode representar desde um dia feliz para alguém até o prenúncio de uma catástrofe. Como enfatizado, as previsões astrológicas não resistem a testes estatísticos ou a qualquer outra verificação científica. A astrologia, sem base científica, não passa de uma crença.

Outros temores

Neste mês de abril, aconteceram dois eventos astronômicos importantes: a oposição de Marte e o eclipse total da Lua. O primeiro se deu no dia 8 de abril e o segundo, no dia 15. No caso da oposição de Marte, é quando ele está exatamente na posição oposta ao Sol, ou seja, quando o planeta está mais próximo da Terra.
A partir desse momento, Marte começa a descrever um movimento retrógrado, pois, como a Terra está mais perto do Sol, ela se move mais depressa ao seu redor; a partir desse ponto, vemos Marte voltar no céu. Já que tanto a órbita da Terra quanto a de Marte não são circunferências perfeitas, mas elipses (a de Marte é mais excêntrica que da Terra), essa distância não é a mesma em cada oposição. Mas, para os astrólogos, esse movimento retrógrado pode ter muitos significados, em geral ruins, como deixar as pessoas mais agressivas ou teimosas.
Mas qual a influência de Marte sobre nós? O que muda pelo fato de o planeta estar mais perto da Terra? Do ponto de vista estritamente físico, quando Marte e a Terra estão mais próximos, o único efeito é o aumento da atração gravitacional entre ambos. Mas esse efeito é muito pequeno. A diferença da força da gravidade quando Marte está mais próximo ou mais afastado da Terra (situações extremas) é da ordem de 28%.
A atração gravitacional que Marte exerce sobre a Terra (e vice-versa) é cerca de 10 mil vezes menor que a força gravitacional que a Lua exerce sobre a Terra (e vice-versa). Portanto, a variação do efeito gravitacional de Marte sobre a Terra é desprezível.

Luas de sangue

Quanto ao eclipse da Lua do último dia 15, foi muito divulgado pelos meios de comunicação que aquela seria a primeira de quatro ‘luas de sangue’ (as demais estão previstas para os dias 08/10/2014, 04/04/2015 e 28/09/2015). A expressão advém do fato de que, durante o eclipse lunar total, a Lua chega a ficar completamente vermelha.


Isso ocorre porque, durante o eclipse, a Lua entra no cone de sombra que a Terra projeta, e a única luz que a ilumina nessa situação, a única luz que chega à sua superfície, é aquela que atravessa a borda da atmosfera terrestre. Como muitas partículas estão suspensas na atmosfera da Terra, há um espalhamento da luz, destacando-se o vermelho. O mesmo fenômeno ocorre no pôr do sol, em que o vermelho predomina.
Pelo fato de os eclipses de abril se darem em datas próximas à páscoa e a festas do calendário judaico, algumas publicações os associaram a sinais de eventos catastróficos para a humanidade. Mas eventos astronômicos como esses são periódicos e já ocorreram inúmeras vezes (os últimos foram em 2003 e 2004).
Olhar para céu e admirar as estrelas, os planetas, a Lua e o Sol é uma das coisas mais belas que podemos fazer. E, quando compreendemos que, além da beleza, há toda uma mecânica que determina os movimentos, ficamos ainda mais maravilhados. Afinal, o céu é para nos encantar e não para nos meter medo.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

sexta-feira, 4 de abril de 2014

Um presente para Einstein

coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 28/03/2014


No último dia 14 de março, comemoramos o 135º aniversário de Albert Einstein (1879-1955), um dos maiores cientistas de todos os tempos. Eleito pela revista Times como o homem do século 20, suas contribuições para a ciência revolucionaram nossa visão sobre a natureza da luz, do tempo, do espaço, da gravidade, da matéria e da energia, entre outras contribuições fundamentais.

Albert Einstein (1879-1955)  - eleito o homem do século 20 pela revista Time

Falar sobre as teorias de Einstein pode até ser um assunto recorrente; diversas vezes as abordamos nesta coluna. Contudo, no dia 17 de março passado, talvez por um capricho do destino ou algo talvez pensado, Einstein ganhou um presente especial. Um grupo de pesquisadores do radiotelescópio BICEP2, situado no polo Sul, obteve pela primeira vez evidências de ondas gravitacionais produzidas pelo evento do Big Bang, que seria responsável pela criação do nosso universo. Essas ondas gravitacionais estariam associadas à rápida expansão do universo em seus instantes iniciais.
As ondas gravitacionais são ondulações no espaço e tempo previstas pela Teoria da Relatividade Geral (TRG). Nessa teoria, de 1915, Einstein propôs uma nova teoria da gravitação, de modo a generalizar a chamada Teoria da Relatividade Especial (TRE), proposta por ele mesmo em 1905.
A TRE baseia-se em dois princípios fundamentais: i) as leis físicas são as mesmas em todos os referenciais iniciais, isto é, referenciais que estão em repouso ou em movimento uniforme (sem aceleração) entre si; ii) a luz se propaga no espaço vazio com uma velocidade definida, que independe da condição de movimento do corpo emissor. Tais princípios levaram a mudanças radicais na forma de se entender a natureza do espaço e do tempo.
Na mecânica clássica, tanto o espaço como o tempo são absolutos, mas na TRE eles se tornaram relativos, uma vez que há uma velocidade absoluta e limite para todos os fenômenos. Na concepção aceita na época, o espaço e o tempo são como o palco de um espetáculo, que não se altera com a dinâmica da estória.
Para Einstein, eles se transformaram em protagonistas importantes, que se modificam de acordo com a situação. Dessa forma, tanto o tempo como o espaço são relativos ao observador. Quanto mais próximo da velocidade da luz ele se move, mais devagar o tempo passa, e o comprimento do objeto se comprime na direção do movimento (mais detalhes na coluna ‘Cada vez mais rápido, sem espaço e tempo’).

Aceleração e gravidade

Mas, como o próprio Einstein percebeu, essa teoria só poderia ser aplicada a referenciais inerciais e não a referenciais em movimento acelerado. Mas o que aceleração tem a ver com gravidade?
Quando viajamos de pé em um ônibus e este faz uma curva fechada para a direita, sentimos uma ‘força’ que nos impulsiona para a esquerda, a força centrífuga. Contudo, uma pessoa que estivesse na calçada descreveria a situação de modo diferente. Para ela, o ônibus mudou sua trajetória e você continuou a se movimentar em linha reta, como prevê a lei da inércia. Para esse observador, nenhuma força atua sobre você; apenas a ação da tendência de todos os corpos manterem seu estado de movimento. Quem está correto?
Segundo a TRG, ambas as descrições estão corretas (para mais detalhes, veja a coluna ‘O enigma do movimento’). De fato, para a pessoa que está no ônibus, qual é a natureza da força que age sobre ela? Uma força que atua diretamente na matéria, ou seja, como se fosse uma força gravitacional. A partir disso, Einstein começou a relacionar a origem da inércia com a própria natureza da gravidade.
Ao formular a TRG, Einstein propôs que o campo gravitacional é criado a partir da ‘curvatura do espaço e do tempo’ provocada pela presença da massa e da energia. Para compreender isso, imaginemos que o espaço fosse algo parecido com uma tolha esticada, apoiada pelas pontas. Se não há nada sobre a toalha, ela permanecerá esticada e plana.
Mas, se colocarmos um objeto sobre ela, como uma bola de boliche (que fará o papel de uma estrela), ela afundará e curvará a toalha. Agora, se lançarmos uma bola de gude com determinada velocidade e direção, ela descreverá sobre a toalha uma trajetória quase circular ao redor da depressão provocada pela bola de boliche, de modo similar ao que um planeta realiza ao redor de uma estrela. Após algum tempo, a bola de gude começa a perder velocidade, devido ao atrito com a toalha, e cairá na direção do centro. No caso dos planetas, como eles viajam no espaço vazio, não há atrito e, portanto, não perdem velocidade.
Contudo, a TRG prevê que os movimentos orbitais perdem energia por meio de ondas gravitacionais. Mas como a gravidade é a mais fraca das forças fundamentais (quando comparada com a força elétrica, é um fator 1040 vezes mais fraca), o efeito é imperceptível. Observou-se, no entanto, em duplas de pulsares (estrelas de nêutrons de massa elevada), um decaimento orbital que estaria associado a essa missão de ondas gravitacionais. Por essa descoberta, os americanos Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor, Jr. ganharam o Nobel de Física em 1993.

Representação das ondas gravitacionais quando dois corpos massivos, como um par de estrela de nêutrons,  se movimentam ao redor do centro de massa do sistema.

Universo inflacionário

A descoberta feita pelo grupo de pesquisadores do radiotelescópio BICEP2 vai além da observação dos efeitos das ondas gravitacionais. De fato eles observaram que a radiação de fundo cósmico, uma espécie de ‘cinzas’ do Big Bang (radiação remanescente quando o universo tinha por volta de 380 mil anos), demonstra que, após esse evento, o universo apresentou enorme expansão, como previsto pelo físico americano Allan Guth.
Representação da evolução do universo após o Big-Bang
O modelo conhecido como ‘universo inflacionário’, proposto por esse pesquisador, supõe que o universo teve uma expansão extraordinária em um intervalo de tempo de um trilionésimo de segundo. Nessa ínfima fração de tempo, ele cresceu do tamanho de uma partícula subatômica para o tamanho de algumas dezenas de centímetros.
Para detectar o fenômeno, observou-se que a radiação de fundo cósmico apresentava flutuações conforme os efeitos que se esperava que as ondas gravitacionais produzissem. De fato, essa radiação está presente em todos os lugares. Por exemplo, quando tentamos sintonizar um aparelho de televisão em um canal sem sinal, alguns chuviscos que aparecem na tela decorrem dessa radiação, cujo comprimento é da ordem de micro-ondas.
A inflação cósmica é uma peça importante para se entender por que o universo se estabeleceu da maneira que observamos. O resultado do experimento do BICEP2 necessita ser confirmado por outros experimentos, como os desenvolvidos pelo satélite Planck, especialmente lançado ao espaço para detectar essas flutuações esperadas na radiação de fundo cósmico. Os resultados atuais são promissores, mas, como toda descoberta científica importante, requerem confirmação.

Mapa da distribuição da radiação de fundo cósmico no universo

A importância da descoberta recém-apresentada é que, além de se ter conseguido detectar pela primeira vez a inflação cósmica, tem-se também a mais forte evidência de que o Big Bang, evento contestado por outras teorias, teria de fato acontecido. A ocorrência da inflação cósmica, um evento em escala muito pequena, que está no reino da física quântica, mostra que há interações quânticas na força gravitacional.
Se Einstein estivesse vivo, acho que ele daria um leve sorriso, sabendo que mais uma vez sua maior criação, a Teoria da Relatividade Geral, continua sendo um sólido pilar da física atual e ajuda a entender uma das maiores perguntas da humanidade: afinal, como foi que tudo começou?

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos