quinta-feira, 31 de dezembro de 2015

Em uma galáxia muito distante ....

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 22/12/2015




Para os fãs da ficção científica, um dos eventos mais esperados de 2015 era (finalmente!) a estreia de um novo capítulo da consagrada série Guerra nas Estrelas. Depois de dez anos de espera, chegou aos cinemas do mundo Star Wars – o despertar da força. Como físico apaixonado por astronomia e fã da saga, não podia deixar de escrever sobre ela.
A epopeia cinematográfica de Georges Lucas, que começou em 1977, atrai uma legião de admiradores desde então. No meu caso em particular, ainda era um garoto quando foi lançado o primeiro filme, a que assisti no cinema da pequena cidade onde nasci. Foi fascinante ver os efeitos especiais fantásticos e únicos para aquela época. Além disso, o filme trazia uma história que envolvia a disputa entre o bem e o mal, em batalhas espaciais nunca antes vistas no cinema. Ao mesmo tempo em que retratava tecnologias que permitiam viajar (e guerrear) entre as estrelas, o filme apresentava um lado místico, no qual uma força presente em todo universo podia ser controlada por algumas pessoas especiais, os cavaleiros Jedi. 


Após quase quarenta anos do início da saga Guerra nas Estrelas, novos filmes, séries animadas e outros produtos de ficção foram lançados, criando um universo ficcional muito interessante. Os mais aficionados sempre perguntam e imaginam se a ficção criada por George Lucas pode, de alguma forma, refletir uma realidade ainda desconhecida. Há vários aspectos que poderíamos discutir sobre isso, mas jamais poderíamos esgotá-los nesta coluna. Arrisco-me, então, a abordar alguns aspectos que estão mais próximos da nossa compreensão.

Além de Netuno

Quando o primeiro filme da série foi lançado, conhecíamos apenas os planetas do Sistema Solar. Hoje, sabemos que existem milhares de planetas fora dele, inclusive orbitando estrelas duplas. Como o planeta Tatooine, retratado nos filmes de Lucas, o planeta Kepler 16b, que está a 200 anos-luz da Terra (um ano-luz equivale à distância de aproximadamente 10 trilhões de quilômetros), também orbita duas estrelas. Mas, neste caso específico, há uma diferença crucial entre realidade e ficção: Kepler 16b é um gigante gasoso com massa semelhante a Saturno, bem diferente do desértico Tatooine. 
Embora a maioria dos planetas extrassolares descobertos até agora não sejam próprios para abrigar a vida como conhecemos, isso não significa que não existam outros semelhantes à Terra (isto é, com água no estado líquido e oxigênio em abundância), e sim que não estamos usando as técnicas mais apropriadas para encontrá-los. 
Até recentemente, as principais metodologias utilizadas para a busca de exoplanetas vinham sendo a observação do trânsito planetário (quando o planeta passa na frente da estrela, diminuindo o seu brilho) e a detecção de microlentes gravitacionais (quando o planeta e a estrela desviam a luz de outra estrela distante). Essas técnicas são mais apropriadas para encontrar planetas de massa elevada e muito próximos de suas estrelas – o que os tira das chamadas “zonas habitáveis”. Porém, com a nova geração de telescópios terrestres e espaciais que estão sendo construídos, é provável que, nas próximas décadas, tenhamos grandes avanços na busca de planetas extrassolares, e talvez até surjam evidências de vida fora da Terra.

Biodiversidade interestelar

Por falar em vida extraterrestre, outro fato muito interessante relatado nos filmes de Guerra nas Estrelas é a diversidade de espécies alienígenas. Além dos seres humanos, são retratados wookiees, como Chewbacca (companheiro de Han Solo), e formas bizarras como lesmas gigantes (Jabba), espécies com três olhos e vários braços, entre outras. Seriam possíveis em um mundo real?
Até hoje, conhecemos um único tipo de biologia, baseada em moléculas que combinam basicamente carbono, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio. Assim são formadas as espécies conhecidas em nosso planeta, e todas elas compartilham de uma grande semelhança genética devido aos processos de evolução que ocorreram ao longo de bilhões de anos. Segundo o princípio da seleção natural, de alguma maneira, as espécies se adaptaram às condições do ambiente, e as que melhor se adaptaram conseguiram passar para os seus descendentes as características que lhes deram vantagem.
Seguindo esse raciocínio, formas de vida tão bizarras e estranhas como as retratadas nos filmes necessitariam de condições muito especiais para surgir. Quando descobrirmos a primeira forma de vida fora da Terra – mesmo que seja aqui em nosso Sistema Solar, e ainda que seja apenas uma bactéria ou coisa parecida –, poderemos verificar se esse mecanismo da evolução é universal ou algo muito particular de nosso planeta.


Muita imaginação e nem tanta tecnologia

As tecnologias apresentadas na série, por sua vez, são, apesar de muito interessantes, impossíveis fisicamente, pelo menos em sua maioria. Por exemplo, os sabres de luz, usados pelos Jedi, são uma bela alegoria das espadas dos grandes cavaleiros medievais, mas não seria possível construí-los em um mundo real. Seria muito difícil aprisionar a luz como sugerem os filmes, e mais ainda dar a ela essa aparência “sólida” que permite a luta. De fato, dois raios de luz emitidos por fontes distintas simplesmente atravessam um ao outro – teste com um laser comum, desses usados em apresentações.
Tão impossível quanto duelar com sabres de luz é construir as espaçonaves que povoam a ficção. Nos filmes, elas facilmente viajam mais rápido que a luz, percorrendo em tempo recorde enormes distâncias interestelares. Infelizmente, como mostrou a teoria da relatividade de Albert Einstein, nada no universo conhecido pode viajar mais rápido que a luz: a energia necessária para mover uma espaçonave nessa velocidade seria, em parte, transformada em massa – de acordo com a famosa equação E=mc2 – e, quanto mais próxima a espaçonave estiver da velocidade da luz, maior será sua massa, de forma que necessitará de uma energia infinita para superar essa velocidade. 
Se viajar tão rápido é impossível, as espaçonaves de Guerra nas Estrelas teriam, então, que usar outros meios de vencer as enormes distâncias espaciais. Nos filmes, é mencionado que elas viajam pelo hiperespaço, o que, no enredo, significa viajar por uma dimensão paralela à nossa e que permitiria realizar viagens mais rápidas que a luz. Em outras séries de ficção, uma saída é o conceito de “dobra espacial” (warp drive), no qual, a partir de grandes quantidades de energia, poder-se-ia encurvar o espaço, diminuindo as distâncias estelares. No entanto, essa tecnologia requereria uma quantidade impensável de energia, equivalente à que o Sol produz durante toda a sua existência.
Agora, uma das tecnologias mais próximas da nossa realidade seriam os robôs, ou droides, que aparecem na saga. Figuras como o C3PO e R2D2 tornaram-se marcantes em todos filmes, principalmente por não serem simples máquinas, e sim personagens de fato, com personalidades particulares. Com os avanços atuais da inteligência artificial, talvez, em um futuro não muito distante, possamos ter máquinas com o senso de humor do R2D2 e tão ranzinzas como o C3PO. Quem sabe?
Enfim, mesmo sem muitos toques de realidade, a franquia Guerra nas Estrelas é uma das mais populares de todos os tempos. Não é à toa todo o sucesso, pois ela foi revolucionária em termos do próprio cinema, mas também por aumentar em nós a curiosidade sobre as estrelas e sobre o espaço. George Lucas estimulou nossa imaginação e aguçou nossa atenção para observar os céus. Com certeza muitas pessoas, e eu me incluo entre essas, tiveram inspiração desse e de outros filmes de ficção científica para escolherem a carreira de cientista, imaginando que, algum dia, pudessem transformar ficção em realidade. Esta, talvez, seja a verdadeira força: a vontade de compreender o desconhecido e ir além. Que ela esteja com vocês!

Adílson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

terça-feira, 1 de dezembro de 2015

Sinfonia para o universo

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicado em 20/11/2015

A música é uma das mais belas formas de expressar sentimentos e ideias. Há milhares de anos fazemos uso desse recurso, para pensar sobre nós mesmos e para compreender e descrever o mundo à nossa volta. Ao longo da história e em diversos lugares, a música eterniza parte do conhecimento e da cultura humana. Sinfonias de grandes compositores como Bach, Mozart e Beethoven transcenderam sua época. Além de belas, foram também revolucionárias: por exemplo, em sua Nona Sinfonia, composta em quatro movimentos, Beethoven inovou ao inserir não apenas instrumentos, mas também um coral para executar a peça musical. Como resultado, temos uma composição de enorme sucesso – a parte conhecida como “Ode à Alegria" é, até hoje, um dos trechos mais conhecidos da música ocidental.


Da mesma maneira, alguns cientistas também foram capazes, como grandes compositores, de expressarem suas ideias, não em partituras, mas por meio de postulados e equações matemáticas. Na física, um exemplo singular é a Teoria da Relatividade Geral (daqui por diante, TRG), de Albert Einstein. Uma sinfonia para o universo escrita praticamente por um único autor que, há exatos 100 anos, em novembro de 1915, fazia a primeira apresentação de sua grande obra. Como numa grande sinfonia, a TRG também apresentava movimentos que levaram anos para serem compostos e levariam outros tantos para serem compreendidos.
Os primeiros movimentos dessa sinfonia de Einstein foram escritos dez anos antes. Em 1905, o cientista publicou dois artigos que apresentavam o primeiro movimento da sua grande obra: a Teoria da Relatividade Restrita. 
No artigo inicial, encontramos dois ‘acordes’ que revolucionaram a ciência. O primeiro estendeu o princípio da relatividade, proposto por Galileu 300 anos antes, para toda a física, ou seja, postulou que “as leis físicas são as mesmas para todos observadores inerciais (que não sofrem aceleração)”. O segundo veio como um ‘verso’ surpreendente: “a velocidade da luz no vácuo é a mesma para todos os observadores inerciais”. Quando esses dois ‘acordes’ são tocados, a ‘música’ que surge nos leva a perceber que os conceitos de tempo e espaço deixam de ser absolutos para se tornarem relativos aos observadores inerciais. 
Fenômenos como a dilatação do tempo e a contração do espaço aparecem de uma forma que o senso comum não permite imaginar. Assim como a música gera em cada ouvinte uma emoção, Einstein mostrou que o tempo e o espaço também são particulares para cada observador.
Já no segundo artigo de 1905, o físico alemão escreveu mais um ‘acorde’ importante do primeiro movimento de sua grande sinfonia. Mostrou que, para continuar valendo dentro do contexto da relatividade, o conceito de conservação da energia deveria obedecer à equivalência entre massa energia – a famosa equação E=mc2, na qual m é a massa do corpo em repouso e c é a velocidade da luz. Assim, Einstein mostrou que massa e energia são equivalentes entre si.

Da inspiração à prática

Apesar de muito relevantes, os resultados publicados por Einstein em 1905 eram limitados apenas a movimentos uniformes, sem aceleração. Alguns anos depois, em 1907, o cientista teve uma inspiração que lhe permitiu prosseguir na construção de sua grande sinfonia. Ele intuiu que uma pessoa, ao saltar do alto de um prédio, por exemplo, não perceberia seu próprio peso, mas, por outro lado, um observador no solo a veria caindo sob a ação da gravidade. Da mesma forma, alguém viajando no espaço, longe da ação da gravidade de qualquer astro, mas com uma aceleração igual à aceleração da gravidade da Terra, sentiria como se tivesse na superfície da Terra. Essa percepção, que parece simples, teve uma profunda consequência: a igualdade (ou equivalência) entre massa gravitacional e massa inercial, que ficou conhecida como Princípio da Equivalência. 
Quando o físico britânico Isaac Newton fez sua grande obra da física, também comparável a uma grande sinfonia, propôs as leis da mecânica para explicar os movimentos e a lei da gravitação universal. Naquela época, ele havia percebido que a massa inercial, que aparece na famosa expressão entre força e aceleração (F=ma), era a mesma que aparecia na sua Lei da Gravitação Universal. No primeiro caso, a massa é como se algo que resiste à mudança no estado de movimento do corpo (massa inercial). No segundo, ela atua como uma ‘carga gravitacional’ (em analogia com a carga elétrica) da força de gravidade (massa gravitacional). Einstein conseguiu entender o porquê dessa equivalência.
Em novembro de 1915, o alemão concluiu sua grande obra. Ao combinar as ideias da Teoria da Relatividade Restrita com o Princípio da Equivalência e suas consequências, surgiu a Teoria da Relatividade Geral. De forma simplificada, a TRG postula que todas as leis físicas devem ser as mesmas em todos os referenciais (acelerados ou não), ampliando o princípio da relatividade; e que a gravidade é uma força devida à curvatura do espaço-tempo, causada pela presença de massa.

Essas ideias de grande alcance foram escritas em uma ‘partitura’ especial. Einstein descreveu a estrutura curva do espaço-tempo em sofisticadas equações matemáticas. Linguagem para especialistas, você diria. Mas, da mesma forma que, mesmo não sabendo ler uma partitura, podemos apreciar uma música, também podemos admirar a complexidade e a beleza da TRG de maneira simbólica – é uma analogia limitada, mas há de servir. Acompanhe.
Imaginemos que, ao esticarmos um tecido, coloquemos no seu centro uma bola de basquete. O tecido ao redor da bola ficará curvado. Quanto maior for a massa da bola, maior será a deformação causada no tecido. Se, em seguida, jogarmos uma bola de pingue-pongue sobre o tecido já curvado pela bola de basquete, o objeto menor causará uma pequena deformação e manterá seu movimento em linha reta até se aproximar da curvatura causada pela bola maior. Dependendo da sua velocidade, a bola de pingue-pongue começará a descrever uma trajetória ao redor da bola de basquete, semelhante à que a Terra e outros planetas fazem ao redor do Sol. Ficou mais fácil compreender?




A TRG é a grande sinfonia de Einstein e se tornou um dos pilares fundamentais da física. Além de descrever a gravidade e prever novos efeitos dessa força, como o desvio da trajetória da luz –comprovado pela primeira vez em 1919, durante a observação de um eclipse total do Sol em Sobral, no Ceará –, a Relatividade Geral permitiu descrever o comportamento do universo em larga escala, incluindo a própria expansão do universo, inicialmente ignorada por Einstein, que apenas mais tarde adicionou-a aos seus escritos. Alguns anos depois, o cientista admitiu ter sido este – não perceber a expansão do universo como resultado de sua própria teoria – o maior erro da sua carreira.



Para além da beleza, a TRG tem aplicações práticas muito úteis até hoje. O GPS que utilizamos, por exemplo, em nossos carros e telefones celulares, funciona com precisão porque os relógios atômicos do sistema são corrigidos pelas equações de Einstein. Note que, como espaço e tempo estão ligados, a curvatura do espaço afeta a passagem do tempo, ou seja, a gravidade modifica a passagem do tempo. Na Terra, a gravidade é suficiente para gerar atrasos na ordem de nano-segundos, que, se não fossem corrigidos, resultariam em erros de localização na ordem de quilômetros. 
Da mesma forma que a Nona Sinfonia de Beethoven, a Teoria da Relatividade Geral é, sem dúvida, uma maravilhosa sinfonia para o universo, com um alcance que transcende sua época. A TRG, junto com a Mecânica Quântica, tornou-se um dos pilares da física moderna.
Agora, temos espaço para mais uma grande sinfonia, ainda não escrita: um trabalho que una, ou modifique, essas duas grandes teorias físicas. Essa obra final, que se tenta escrever nos últimos 100 anos, ainda levará tempo para ser concluída e, talvez, nem seja possível de se conseguir. Mas a inspiração e a capacidade humanas sempre mostram que podemos ir além daquilo que somos capazes de imaginar.
Adílson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos



quinta-feira, 5 de novembro de 2015

Podemos entender o universo?

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 16/10/2015

A visão noturna do céu é um belo espetáculo. Observar a Lua, planetas e estrelas é uma atividade, embora cada vez mais difícil nas grandes cidades, sempre muito prazerosa. Desde o alvorecer da humanidade, nos esforçamos para compreender o significado daqueles milhares de pontos brilhantes no firmamento. Alguns se destacam por se moverem em relação aos outros: são conhecidos desde a Antiguidade os cinco planetas vistos a olho nu – Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno. No meio deles desfila a Lua, fazendo um intrincado balé regido pelos particulares movimentos planetários.
Milhares de estrelas, de diferentes tamanhos, cores e brilhos, fascinam a nossa imaginação não somente por causa da beleza, mas também pela persistência ao tempo, dando-nos a impressão de que são eternas e imutáveis. Ao longo dos séculos, procuramos encontrar conexões entre esses pontos brilhantes, imaginando ligações que simbolizavam muitas vezes os medos e crenças da alma humana. Figuras mitológicas, como deuses, heróis e seres fantásticos, foram projetadas no céu para representar esses sentimentos.

Via Láctea no céu do deserto de Atacama

Enfim, a astronomia talvez seja a mais idosa das ciências. Os povos antigos, ao observarem o céu, já percebiam que os movimentos cíclicos do Sol, da Lua, dos planetas e das estrelas poderiam ser utilizados para prever o início das estações do ano, as cheias dos rios e as melhores épocas para plantio e colheita. Observações mais precisas também permitiam prever a ocorrência de fenômenos astronômicos como os eclipses lunares e solares, mostrando que era possível conhecer a ocorrência de acontecimentos futuros a partir da observação dos movimentos dos corpos celestes. 
Dessa percepção nasceu a astrologia, pseudociência que persiste até hoje, presente em jornais, portais da internet e outros meios de comunicação que divulgam as suas crenças. A astrologia, diferentemente da astronomia, tenta correlacionar as posições dos astros com os comportamentos individuais – uma associação impossível, por mais que algumas pessoas queiram acreditar nela.
Ainda assim, vejo beleza nessas interpretações: elas demonstram a capacidade humana de nos propormos a compreender o universo, criando modelos e teorias a partir da observação dos atores celestes no grande teatro cósmico. Nessa performance, que dura mais de uma dezena de bilhões de anos, ocupamos um local privilegiado na plateia, de onde podemos observar diferentes instantes do tempo: a imensidão do cosmos nos permite ver, no tempo presente, o passado remoto.

Olhar para o passado

Observar o céu é viajar ao passado. As imensas distâncias que existem entre nosso planeta e as estrelas fazem com que a luz proveniente delas leve muito tempo para chegar até a Terra. No caso do Sol, estrela mais próxima de nós, a cerca de 150 milhões de quilômetros de distância, a luz leva pouco mais de oito minutos para chegar aqui. A próxima estrela mais perto de nós, Alfa Centauri –  a mais brilhante da grande constelação do Centauro, ao lado do Cruzeiro do Sul –, está a ‘apenas’ 40 trilhões de quilômetros, uma distância que a luz demora quatro anos para percorrer.
Diante das enormes distâncias interestelares, trocamos a nossa régua de medida. Em vez de contar quilômetros, expressamos as distâncias em anos-luz: um ano-luz equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros. Para se ter uma ideia, o objeto mais distante que conseguimos observar a olho nu, a galáxia de Andrômeda, está a dois milhões de anos-luz de nosso planeta. A luz que vemos hoje de Andrômeda, portanto, saiu de lá em uma época em que a humanidade ainda não caminhava sobre a Terra, há dois milhões de anos.

Galáxia de Andrômeda

Física universal

A partir das observações que realizamos com a ajuda de aparelhos e, principalmente, das teorias físicas, conseguimos descrever corpos celestes que nos fascinam há milênios. Com aplicações da física quântica e da teoria da Relatividade, podemos explicar que as estrelas são aglomerados de gases em altíssimas temperaturas, nos quais a matéria está tão aquecida que os elétrons que circulam os núcleos atômicos são arrancados, deixando-a totalmente ionizada, no chamado estado de plasma. 
Essas temperaturas inimagináveis decorrem das reações de fusão nuclear no interior das estrelas, onde normalmente quatro núcleos do átomo de hidrogênio (um próton, que tem carga elétrica positiva) se combinam para formar um núcleo do átomo de hélio. Durante esse processo, dois prótons se transformam em dois nêutrons (partículas do núcleo atômico sem carga elétrica) e duas partículas conhecidas como pósitrons (com massa igual ao dos elétrons, mas com carga positiva) emergem, fazendo com que a contabilidade energética e de cargas se conserve.
As grandes massas das estrelas travam um cabo-de-guerra estelar entre a gravidade (que tende a comprimir toda a matéria das estrelas) e a pressão devida às altas temperaturas, na ordem de milhões de graus em seu interior. No final, esgota-se o combustível nuclear, levando a estrela a dois destinos possíveis, a depender de sua massa inicial: transmutar-se em pequena anã-marrom, sem brilho, ou explodir espetacularmente, transformando-se em supernova e brilhando por alguns meses com a intensidade de centenas de bilhões de estrelas.
Podemos fazer toda essa descrição pois acreditamos, e verificamos, que as leis da física são as mesmas para todos os lugares do universo e em todos os instantes do tempo. Ao observar como os átomos de hidrogênio emitem luz ao serem aquecidos – aconteça isso em um laboratório terrestre ou "em uma galáxia muito, muito distante" –, obtemos as mesmas informações. O movimento dos planetas ao redor de estrelas distantes é descrito pela mesma teoria da gravitação que descreve os planetas do nosso sistema solar ou explica a queda de uma maçã.
O fato extraordinário de que as leis físicas são as mesmas em todos os lugares e em todos os tempos é um dos mais importantes fundamentos da nossa ciência. Se não fosse assim, o universo pareceria um caos, em vez de um cosmos harmônico com movimentos e fenômenos bem estabelecidos.
Mas, é claro, nosso conhecimento sobre universo ainda está longe de se esgotar. Moramos em um pálido ponto azul que orbita uma estrela média entre as centenas de bilhões que existem em nossa galáxia, que também é apenas uma entre as centenas de bilhões que conhecemos. Estamos muito longe de compreender tudo o que existe no universo, e conhecemos apenas uma pequena parte do todo. 
Na extraordinária epopeia humana em busca do conhecimento, percorremos apenas poucos metros de uma longa estrada. Talvez nunca chegaremos ao final, mas sabemos que, desde que demos os primeiros passos, procuramos encontrar o nosso caminho e destino. Não é ousadia tentar compreender o universo – é o desejo que nos faz realmente humanos.
Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos


quarta-feira, 23 de setembro de 2015

Reflexões sobre a luz

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 18/09/2015

Luz: uma onda eletromagnética que se propaga pelo espaço ou um feixe de partículas que interage conosco? O brilho de uma estrela que viaja durante milhares de anos para chegar até nós ou apenas um lampejo no céu? Uma sensação agradável sobre nossos corpos quando estamos com frio ou algo que pode incinerar uma floresta? Aquilo que dissipa as trevas e a escuridão para iluminar as nossas mentes e percebermos a verdadeira natureza do mundo à nossa volta?
Som: uma onda mecânica se propagando pelo ar? O estrondo de um trovão? O cantar de um pássaro? O choro de uma criança? O barulho da chuva batendo no telhado em uma noite fria? A música produzida pela mente do artista e executada em um piano com agradável harmonia?
A luz, fundamental para a vida, é investigada e utilizada por praticamente todos os ramos da ciência. Afinal, é pela luz que tomamos contato com o mundo ao nosso redor, e a interação da luz com a matéria e com os seres vivos provoca transformações profundas. Investigamos a luz que vem de galáxias distantes, a bilhões de anos-luz, como também usamos luzes especiais para investigar as estruturas menores de uma célula e os detalhes fundamentais de átomos e moléculas. 
O som, por sua vez, é fundamental para que possamos expressar os nossos sentimentos e ideias, e também pode ser usado para detectar terremotos ou produzir imagens do interior do corpo humano.
Embora nossos olhos possam perceber apenas uma pequena parte da essência da luz, conseguimos observar belezas espetaculares, como o mar, as montanhas e um pôr do sol. Nossos ouvidos apenas podem captar uma pequena parcela dos sons existentes, mas, mesmo assim, a música, em particular, pode inspirar profundas reflexões.
Qual é a verdadeira natureza da luz e do som? Por que esses dois entes permitem que nos comuniquemos e percebamos o mundo à nossa volta? Haveria outra maneira de percebemos as coisas?
Pausa para o deleite: a pianista Luciana Hamond interpreta “Luz”, de Edmundo Villani-Côrtes, no programa Rede Vida Musical exibido em 10 de maio de 2009.

A natureza da luz

Classificamos como luz visível uma pequena parte do chamado espectro eletromagnético, que corresponde às radiações com frequências entre 400 a 750 THz (um tera hertz equivale a 1012 hertz) ou comprimento de onda entre 700 a 400 nanômetros (um nanômetro equivale a um milionésimo do milímetro). Acima e abaixo desses comprimentos de onda, temos a parte do espectro que chamamos de infravermelho (que percebemos por meio do tato, por exemplo, na forma de calor) e o ultravioleta (que é nocivo à nossa pele, devido à sua alta energia).
A natureza da luz está associada à interação eletromagnética. No final do século 19, o físico escocês James Maxwell mostrou que os campos elétricos e magnéticos, tratados como entes distintos, eram, na verdade, manifestação de uma mesma interação, a eletromagnética. Essa conclusão leva a muitas questões interessantes. Vejamos. 
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Os campos elétricos são responsáveis por vários fenômenos que temos no nosso dia a dia, como as correntes que alimentam o funcionamento dos aparelhos elétricos. Os campos magnéticos, por sua vez, são produzidos por materiais chamados ferromagnéticos (como é o caso do ferro), mas podem também surgir a partir de correntes elétricas, como nas máquinas de ressonância magnética que geram altos campos magnéticos para realizar imagens dos nossos órgãos internos. E campos magnéticos que variam com o tempo também produzem correntes elétricas – é o caso dos geradores elétricos. 
Mas o grande resultado do trabalho de Maxwell foi mostrar que a própria luz é decorrente da combinação de campos elétricos e magnéticos que oscilam no espaço, propagando-se como uma onda eletromagnética. Essa noção revolucionou a física de sua época, pois, até então, acreditava-se que a luz se comportava como uma onda, ou seja, espalhava-se em objetos da mesma forma que uma onda sob a superfície de um lago se espalha sobre objetos na sua superfície.

Einstein e a luz

 
Já no início do século 20, a luz ganhou nova interpretação. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo que propunha descrever a luz como se fosse um pacote de pequenas partículas de energia, mais tarde denominadas fótons. O físico alemão mostrou que essa descrição permitia explicar o efeito fotoelétrico – fenômeno descoberto alguns anos antes, no qual, ao incidir luz sobre alguns materiais, surgia uma corrente elétrica.
Einstein mostrou que, se a luz fosse considerada um feixe de partículas, essas partículas seriam absorvidas pelos elétrons para ganhar energia e se movimentar. Sua explicação concordava com resultados experimentais, nos quais se observava que o fenômeno apenas acontecia para uma determinada faixa de frequência da luz – abaixo dela, não ocorria.
Maxwell já previa que a luz se propagaria com velocidades determinadas em cada meio. No caso do vácuo, seria de aproximadamente 300 mil km/s. No entanto, naquela época, acreditava-se que deveria existir um meio para que a luz se propagasse – o éter. Inúmeros experimentos tentaram medir a velocidade da luz em relação a esse suposto meio, sem sucesso. A solução veio também de Einstein: ainda em 1905, para conciliar Maxwell e as equações da mecânica newtoniana, ele propôs que a velocidade da luz no vácuo seria a mesma para todos os observadores. Esse foi um dos princípios fundamentais da teoria da relatividade, que revolucionou toda a física.
Hoje, sabemos que a luz pode se comportar tanto como onda quanto como partícula, a depender do fenômeno que estamos observando. Essa dualidade de comportamento é um dos pilares da física quântica, que nos mostra que não somente a luz, mas também prótons, elétrons e neutrons, entre outros, também apresentam comportamento ora como onda, ora como partícula – um conceito estranho aos olhares menos familiarizados com a física.
A natureza da luz é uma das questões complexas da ciência que temos a oportunidade de divulgar e popularizar em 2015, o Ano Internacional da Luz. Uma oportunidade iluminada!
(Parte deste texto foi lida na abertura da 67a. reunião anual da SBPC, que aconteceu em julho de 2015 em São Carlos, SP.)
Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

quinta-feira, 3 de setembro de 2015

A equação e a bomba atômica

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicado em 21/08/2015

Os dias 6 e 8 de agosto são datas que marcam dois dos piores eventos que aconteceram no século 20 e talvez em todos os tempos – um leitor mais antenado provavelmente já sabe do que estamos falando. Há exatos 70 anos, em 1945, a Segunda Guerra Mundial se encaminhava para o fim quando os norte-americanos detonaram sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki duas bombas atômicas.
Na verdade, a Alemanha nazista havia sido derrotada e o Japão também caminhava para perder a guerra que travava no Pacífico contra os Estados Unidos e seus aliados. Porém, como em todas as guerras, aos vencedores coube contar a história. O que se relata, pois, é que havia poucas chances de os japoneses se renderem e, para vencer a disputa, milhões de soldados americanos e japoneses morreriam. A bomba, diz-se, evitaria essa batalha sangrenta. Fato é que a ação custou a vida de centenas de milhares de pessoas, não somente no momento da destruição, como também ao longo dos anos, devido aos efeitos da radiação.


A humanidade, podemos dizer, guarda um trauma deste episódio. Mas a necessidade ou não de se construir armas atômicas sempre foi um tema muito polêmico. Talvez o leitor já tenha ouvido falar que Albert Einstein, um dos maiores cientistas de todos os tempos e com notada atuação pacifista, escreveu, em agosto de 1939, uma carta para o então presidente dos Estados Unidos, Franklin Roosevelt, sobre a possibilidade da construção de bombas atômicas. A ‘dica’ levou à criação do projeto Manhattan, no qual foram investidos 2 bilhões de dólares e o trabalho de centenas de pesquisadores e cientistas. Alguns anos depois, Einstein lamentou: “Cometi o maior erro da minha vida quando assinei a carta ao presidente Roosevelt recomendando que fossem construídas bombas atômicas”.

Energia e destruição

Até hoje algumas pessoas associam a criação da bomba atômica a Einstein, principalmente por causa da sua famosa equação E=mc2, que relaciona massa e energia. Essa equação mostra que uma pequena quantidade de matéria equivale a uma enorme quantidade de energia, uma vez que a constante que relaciona massa e energia é a velocidade da luz (300.000 km/s).
Ora, nas reações nucleares, ocorre a conversão de massa em energia. Um dos processos possíveis para isso é a fissão nuclear, na qual núcleos de átomos pesados como os de urânio ou plutônio, utilizados nas bombas detonadas sobre Hiroshima e Nagasaki, respectivamente, são ‘quebrados’ em elementos mais leves a partir do bombardeio de nêutrons (partículas presentes nos núcleos atômicos, mas sem carga elétrica). Os produtos finais, por exemplo, da fissão do urânio com um nêutron são os átomos de estrôncio e xenônio e mais dois nêutrons, que, por sua vez, participam de uma nova reação, levando ao surgimento de um processo em cadeia.
Nos reatores nucleares, o processo é similar. Porém, diferentemente do que ocorre nas bombas atômicas, nos reatores a reação é controlada, de forma que a energia seja liberada de maneira moderada. Na bomba, o objetivo é precisamente liberar toda a energia de uma vez.
As bombas atômicas utilizadas na Segunda Guerra Mundial logo se tornaram obsoletas, pois novos artefatos nucleares foram produzidos, como a bomba de fusão nuclear, equivalente a milhares de bombas atômicas. O processo que ocorre nessas armas nucleares é complexo, mas, de uma maneira simplificada, podemos dizer que, em vez de se quebrar um núcleo atômico, o que ocorre é a fusão de núcleos leves em núcleos mais pesados.
Esse processo é semelhante ao que acontece no interior das estrelas. Por exemplo, quatro núcleos de hidrogênio (compostos por apenas um próton cada) reagem entre si produzindo um núcleo de hélio, que tem dois prótons e dois nêutrons. No processo, ocorre a transformação de dois prótons em nêutrons a partir da emissão de uma partícula de carga positiva e com massa igual a do elétron, chamada pósitron.
Para que essas reações aconteçam são necessárias altíssimas temperaturas, como as que existem no interior das estrelas. Para detonar uma bomba de fusão nuclear, é preciso produzir essas temperaturas, a partir da detonação de um artefato de fissão nuclear. Resumindo: a bomba atômica se torna o ‘pavio’ da bomba de fusão nuclear.
Tanto nos processos de fissão quanto nos de fusão nuclear os produtos das reações têm uma massa menor que a inicial. A massa faltante se transforma em energia, como prediz a equação E=mc2 – note-se, porém que Einstein, ao deduzir esta equação, estudava a energia em um contexto diferente, que nada tinha a ver com armas de destruição em massa.


Alcance inesperado

Em 1905, Einstein publicou o seu célebre artigo “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento”, no qual apresentava uma proposta que tornava as equações do eletromagnetismo de James Clerck Maxwell compatíveis com a mecânica newtoniana. Para isso, Einstein mudou os conceitos de espaço e tempo, tornando-os relativos, e postulou que a velocidade da luz no vácuo é a mesma para qualquer referencial.
O famoso físico logo percebeu que, como a velocidade da luz é o limite do universo – pois as equações da relatividade mostravam que nessa velocidade os objetos colapsariam e o tempo pararia (veja a coluna “Sonhos de um jovem visionário”) –, para valer o conceito da conservação da energia, um corpo, ao se aproximar dessa velocidade, deveria ter a sua massa aumentada, ou seja, parte da energia se converteria em massa. Dessa hipótese surge a equação E=mc2, como ele apresenta no artigo “A inércia de um corpo depende do seu conteúdo energético?”, também publicado em 1905.
Hoje sabemos que a mais famosa equação da história da física pode nos ajudar a compreender coisas impressionantes, da detonação de armas nucleares aos processos estelares. No entanto, o próprio Einstein duvidava de todo o alcance de seu trabalho. Em carta ao seu amigo Conrad Habicht, chegou a escrever: ”O argumento é divertido e sedutor, mas, por tudo que conheço, o Senhor pode estar rindo de tudo isso e pregando uma peça em mim”.

Adilson de Oliveira

Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

sábado, 11 de julho de 2015

Luz, Ciência, Ação!

Coluna Física sem mistério
Ciência-Hoje on-line
publicada em 10/07/2015



O tema da 67a. Reunião Anual da SBPC é "LUZ, CIÊNCIA E  AÇÃO"
Muita gente nem imagina como é o trabalho de um cientista. Algumas pessoas imaginam que ele ocorre somente em laboratórios onde as pessoas estão vestidas com aventais brancos, mexendo com vidrarias ou olhando microscópios. Fica também a impressão de que os próprios cientistas são apenas pessoas esquisitas desligadas do mundo, obcecadas pelo seu trabalho, sem se preocupar com outras coisas.
Infelizmente, percebe-se muito pouco como a ciência está presente em nosso cotidiano. Quase tudo que temos em nossa volta, de uma certa forma, surgiu a partir das aplicações de descobertas científicas – porém, é quase certo que, na época em que foram realizadas, sequer se vislumbrava a possibilidade de transformação daquele conhecimento em inovação tecnológica.
Mas a ciência e a tecnologia sempre andaram, de alguma maneira, de mãos dadas. Uma depende da outra. As ciências básicas, como a física, a química e a biologia, investigam as propriedades fundamentais da matéria e dos seres vivos para tentar compreender como estes se comportam. A física, por exemplo, ao estudar as propriedades magnéticas, elétricas e térmicas de materiais, consegue compreender fenômenos fundamentais que posteriormente se transformam em inovações tecnológicas presentes no dia a dia. Lâmpadas de LED, computadores e outros dispositivos eletrônicos somente foram possíveis de serem desenvolvidos a partir da compreensão dos fenômenos quânticos da matéria.
É de fundamental importância que esses resultados, tanto científicos como tecnológicos, sejam divulgados para outros cientistas. Publicações acadêmicas, como artigos em revistas especializadas, como Nature Science, para citar as duas mais importantes do mundo, são um veículo para essa divulgação. Não podemos falar que houve uma descoberta científica se ela não for divulgada. Nas revistas acadêmicas, os artigos somente são publicados a partir de pareceres feitos por outros cientistas que contestam ou concordam com os resultados apresentados – uma maneira para que os resultados, a partir de uma análise crítica, possam ser validados posteriormente por outros cientistas.

Divulgação tête-à-tête

Outra forma de divulgar resultados é a apresentação em eventos científicos, que são importantes para se debater os achados. Reuniões científicas normalmente são feitas para uma determinada área do conhecimento, mas também existem reuniões mais amplas onde muitos temas são abordados e há uma troca de experiências interdisciplinar. Este ano, a partir do dia 12 de julho, começará na minha universidade, a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), a 67a. Reunião Anual da Sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência (SBPC), o maior evento científico da América Latina, que reunirá centenas de pesquisadores e milhares de estudantes para discutir os avanços da Ciência e Tecnologia em todas as áreas.
O tema escolhido é “Luz, Ciência e Ação” – uma decisão conjunta entre SBPC e UFSCar, que traz algumas características muito particulares. Primeiro, o ano de 2015 foi declarado pela Unesco como o Ano Internacional da Luz. A luz, fundamental para vida, é investigada e utilizada por praticamente todos os ramos da ciência. Afinal, é pela luz que tomamos contato com o mundo ao nosso redor e a interação da luz com a matéria e com os seres vivos provocam transformações profundas.  Investigamos a luz que vem de galáxias distantes a bilhões de anos-luz (uma ano-luz equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros), como também usamos a luz em diferentes comprimentos de onda para investigarmos as estruturas celulares e os detalhes fundamentais da estrutura da matéria, como os raios-X e raios-gama (que têm alta energia e pequenos comprimentos de onda).
“Ciência e Ação” remete ao fato de que, na cidade de São Carlos, a ciência entra muito em ação. A presença de duas universidades de alto nível (UFSCar e Universidade de São Paulo), duas unidades da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária e dois parques tecnológicos coloca São Carlos em destaque na ciência e tecnologia nacionais e internacionais. Até ganhamos o título de Capital da Tecnologia.
A Reunião Anual da SBPC apresenta-se também com o grande diferencial de ser uma reunião científica não voltada apenas para os pesquisadores. Ela também está aberta para o público em geral, permitindo que a sociedade possa tomar contato com os avanços da ciência e da tecnologia feitas em nosso país. A ciência, não somente no Brasil mas em todo mundo, acontece principalmente por meio do financiamento público e, portanto, é fundamental que a própria sociedade tenha contato com esses avanços.


Alguns eventos paralelos ocorrerão junto à Reunião Anual da  SBPC, como a SBPC Cultural, a SBPC Indígena, SBPC Inovação e SBPC Jovem – esta última é um dos eventos mais importantes da reunião, que tem uma programação voltada para os alunos do ensino fundamental e médio, com objetivo de incentivar a curiosidade sobre a ciência.
Nesta coluna, tomei a liberdade de falar mais de um evento científico do que sobre a física, que geralmente abordamos aqui. Como membro da Comissão Executiva Central e Coordenador da Executiva Local em São Carlos, considero que a 67a. Reunião Anual da SBPC na UFSCar será um grande diferencial para a nossa universidade e também uma oportunidade para muitos conhecerem um pouco da ciência feita em São Carlos e no Brasil. Sejam todos bem vindos!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

sexta-feira, 3 de julho de 2015

Novas luzes em nosso cotidiano


Em muitas cidades está cada vez mais comum em semáforos e na iluminação pública o uso de lâmpadas feitas a partir de um dispositivo eletrônico que desde a sua descoberta  foi revolucionário: LED (light emission diode - diodo emissor de luz).

Os LEDs são pequeninas lâmpadas que vemos em equipamentos eletrônicos, normalmente com as cores vermelho e verde e na maioria dos modernos semáforos. Esses dispositivos começaram a ser desenvolvidos em meados da década de 1960 e são baseados em materiais semicondutores, que quando submetidos a determinada voltagem, emitem luz por um processo conhecido por eletroluminescência.

Contudo, um LED de cor branca teria a grande vantagem de poder ser utilizado como lâmpada. Quando misturamos cores como vermelho, verde e azul podemos obter a cor branca. O desafio foi obter um LED que emitisse na cor azul. Além disso, um LED azul em dispositivo revestido pelo elemento fósforo, este permite decompor parte do azul em vermelho e verde, criando o branco a partir da sua mistura. Hoje encontramos facilmente lâmpadas LEDs de luz branca nas lojas. 

A vantagem de utilizar lâmpadas de LEDs é o seu baixo consumo. Uma lâmpada de LED de 4,5 W (Watts) equivale a uma lâmpada incandescente (lâmpada de filamento) de 60 W. Comparando com a lâmpadas fluorescente de 40 W o equivalente de LED seria de 18 W. Além disso, a durabilidade da lâmpada de LED pode atingir 50.000 horas de uso, enquanto que as outras duram 1000 horas (incandescentes) e 7.000 horas (fluorescentes).



A partir de  1o. de julho de 2015 está proibida a fabricação e importação de lâmpadas incandescentes de 60 W


Os físicos Isamu Akasaki, da Universidade de Meijo e de Nagoia (Japão), Hiroshi Amano, também da Universidade de Nagoia, e Shuji Nakamura, da Universidade da Califórnia (Estados Unidos).  em 1990 produziram um material conhecido como nitreto de gálio (GaN) que quando dopado com alumínio e índio, emite luz na faixa do azul. Por essa descoberta esses pesquisadores receberam o prêmio Nobel de Física do ano passado (2014). 

Ganhadores do prêmio Nobel de Física de 2014


Os materiais semicondutores que constituem os LEDs estão presentes em muitos outros dispositivos eletrônicos, como em telefones celulares, computadores, televisores entre outros.  Para compreender como esses materiais funcionam é necessário utilizar a Física Quântica, que é um dos pilares da nossa ciência moderna, que começou a ser desenvolvida no começo do século 20. Infelizmente, na formação de nossos estudantes do Ensino Médio e Fundamental essa parte fundamental e importante da Física mal é mencionada.

Dessa forma, algo simples como uma lâmpada de LED tem incorporado um conhecimento que levou quase 100 anos para ser desenvolvido e quase nem nos damos conta disso. Contudo, o importante é ficarmos atentos, pois temos muito mais Ciência presente na nossa vida do que possamos imaginar.


sexta-feira, 26 de junho de 2015

O Sol vai parar

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 19/06/2015

Todas as manhãs, quando acordamos para nossas atividades diárias, uma das primeiras atitudes é verificarmos como está o clima. Olhamos pela janela ou consultamos a previsão do tempo para saber se o dia estará nublado, chuvoso ou ensolarado – o resultado pode nos deixar mais dispostos ou desanimados enfrentar o que vem pela frente. Quem acorda cedo percebe que, a depender da época do ano e da região do Brasil onde vivemos, ao levantarmos da cama o dia pode já estar claro ou ainda escuro. Observadores mais atentos sabem também que, conforme os dias passam, o Sol nasce e se põe em lugares diferentes.



A explicação tem a ver com o fato de o eixo de rotação do planeta estar inclinado em cerca de 23,4 graus em relação a uma reta perpendicular ao plano orbital. Desta forma, os hemisférios são iluminados de maneira diferente, e as partes do globo que recebem mais e menos luz mudam ao longo da trajetória anual da Terra ao redor do Sol, provocando o fenômeno das estações do ano.
No verão do hemisfério sul, recebemos mais luz, os dias são mais longos e as noites, mais curtas. Nessa mesma época, o hemisfério norte está no inverno, recebe menos luz e tem noites mais longas. Curiosamente, na época do outono do hemisfério sul – primavera no hemisfério norte –, o Sol ilumina de maneira praticamente igual ambas as partes do globo. Por isso, no Brasil, no meio da primavera – normalmente em outubro –, instituímos o horário de verão, atrasando os relógios em uma hora. Assim, acordamos mais cedo, aproveitamos melhor a claridade do dia e, como consequência, economizamos energia.
A variabilidade da duração do dia no inverno ou no verão ocorre porque o Sol vai nascendo (ou se pondo) em diferentes lugares ao longo do ano. De fato, somente nos dias de início da primavera ou do outono o Sol nasce exatamente no Leste e se põe no Oeste. Após o outono no hemisfério Sul, por exemplo, o Sol vai nascendo e se pondo cada vez mais ao norte do ponto cardeal Leste, de forma a, no começo do inverno, atingir sua distância máxima em relação ao Leste – este ano, isso acontece no dia 21 de junho, que marca o início da nova estação. À data de início do inverno ou do verão damos o nome de solstício, uma palavra que significa “o Sol que não se mexe”. É o dia em que o Sol “para" o seu movimento e começa a voltar em direção ao Leste ou Oeste.
Fotos tiradas por Maria de Fátima Oliveira Saraiva entre 21 jun 2003 e 21 mar 2004, ao pôr-do-sol, mostrando que o Sol se põe em pontos diferentes do horizonte no decorrer do ano na cidade de Porto Alegre-RS. (http://astro.if.ufrgs.br/sol/sol.htm)
Esse movimento anual do Sol, claro, é apenas aparente, pois, como sabemos, é a Terra que gira ao redor da estrela, e não o contrário. Como todo movimento é relativo para quem observa, estando na Terra vemos não somente o Sol, mas também a Lua, os planetas e as estrelas realizando movimentos no céu. De fato, devido aos estranhos movimentos observados nos planetas, em particular Marte, foi possível determinar que de fato o Sol estava no centro do sistema planetário e não a Terra, como se acreditava até o século 16.
Por que nos enganamos durante tanto tempo? Ora, a grande dificuldade de aceitar os movimentos da Terra deve-se ao fato de que não sentimos isso acontecer de uma maneira direta. A velocidade de rotação da Terra é de aproximadamente 1675 km/h e a de translação, 109 mil km/h – extremamente altas, considerando que, em nosso cotidiano, nos deslocamos a velocidades na ordem de 100 km/h. Porém, é difícil sentir essa velocidade vertiginosa porque também estamos nos movendo junto com o planeta.
Uma imagem para ajudar a compreender: quando estamos dentro de um automóvel percorrendo uma estrada reta com velocidade constante, não percebemos que estamos em movimento se olharmos apenas para dentro do carro. Se olhamos para a estrada, o que vemos são os objetos se deslocando para trás. Parece estranho, mas, do nosso ponto de vista, estamos parados. O resto do mundo é que se move. Esse é o conceito de relatividade do movimento, percebido pelo físico e astrônomo italiano Galileu Galilei no começo do século 17.

O Sol se move?

Galileu, um dos grandes defensores do sistema heliocêntrico proposto pelo polonês Nicolau Copérnico em 1542, acreditava que o Sol ficava no centro do sistema solar. Para defender essa ideia e justificar por que não percebemos os movimentos da Terra, ele desenvolveu o conceito da inércia, segundo o qual, quando qualquer objeto não está sujeito a ação de forças, mantém seu estado de movimento. Embora tanto a rotação como a translação da Terra sejam movimentos acelerados, não sentimos diretamente essa aceleração devido às dimensões do nosso planeta e da nossa órbita ao redor do Sol.
É assim que fundamentamos nossa convicção de que a Terra se move, e não o Sol. Mas, como o movimento é relativo ao observador, quem está na Terra vê o Sol se mover, e não a Terra.
Tanto o Sol como a Terra têm um movimento em torno do chamado centro de massa do sistema solar, que leva em conta os efeitos gravitacionais dos planetas e outros corpos do sistema. Como a massa do Sol representa mais de 99% do total, essa posição fica muito próxima ao próprio centro do Sol, mas não é verdadeiramente fixa, pois se modifica em função dos movimentos de todos os corpos planetários e outros. Ainda assim, em termos práticos, o Sol não se movimenta em relação aos planetas.
Mas não é verdade que o Sol não se movimenta. Carregando consigo todo o sistema solar, nosso astro-rei faz uma viagem de aproximadamente 250 milhões de anos ao redor da Via-Láctea, a nossa galáxia. Ela também não está imóvel e se move junto com o grupo local de galáxias – é o processo de expansão do próprio universo.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

quinta-feira, 4 de junho de 2015

A linguagem da física

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 15/05/2015


Por sua estrutura lógica, a matemática permite a demonstração de conceitos e teorias da física de modo absolutamente preciso. (imagem: Freeimagem.com)



Uma das mais importantes características humanas é a capacidade de nos comunicarmos, pois, por meio desse processo, a inteligência se manifesta. Existem evidências de que outros animais se comunicam entre si, como baleias e golfinhos; mas, até onde sabemos, somos os únicos seres do universo que expressam pensamentos de forma complexa por meio de sons, gestos, pinturas, escrita etc.
Em particular, no que se refere à comunicação oral, estima-se a existência de cerca de 7 mil idiomas. O mais falado no mundo é o mandarim, com mais de 1 bilhão e 300 milhões de falantes. A língua portuguesa, falada por quase 230 milhões de pessoas, está entre a quinta e a sexta posição.
Em cada idioma já foram expressas belíssimas ideias que ficaram eternizadas em diferentes obras literárias. A bela peça Hamlet, escrita em inglês por William Shakespeare, a envolvente narração em espanhol de Dom Quixote de la Mancha, feita por Miguel de Cervantes, e os grandiosos poemas épicos, como Os Lusíadas, de Luís de Camões (em português), e Divina Comédia, de Dante Alighieri (em italiano), são apenas alguns exemplos de grandes produções do pensamento humano. Nessas obras, encontramos a maneira como esses autores veem o mundo por meio de suas narrativas.
Da mesma forma, a ciência tem seu próprio ‘idioma’ para descrever a natureza. Em especial, a física tem uma maneira particular de narrar os fenômenos naturais. Essas narrativas acabam se modificando ao longo do tempo, assim como as próprias línguas, tanto pela evolução do pensamento como pelas descobertas de novos fenômenos, que, para serem explicados, levam a grandes revoluções no modo de pensar.

O alfabeto dos físicos

Toda língua moderna tem o seu alfabeto e as suas regras gramaticais, que nos permitem expressar as nossas ideias. Na física, a matemática é uma das maneiras usadas para expressar seus conceitos e teorias. Devido à sua estrutura lógica, a matemática garante a demonstração de determinados conceitos de modo absolutamente preciso e é capaz de levar a formas de pensamento que a nossa linguagem humana cotidiana não consegue expressar.
As representações matemáticas das teorias físicas podem ser muito complexas. Por exemplo, a teoria da relatividade geral e a física quântica, os dois atuais pilares da física, que começaram a ser elaborados a partir do começo do século 20, levaram à utilização de representações matemáticas pouco usuais até para os próprios físicos da época.
A teoria da relatividade geral, como foi discutido na última coluna, é uma teoria para explicar a gravitação na qual se considera que essa interação fundamental ocorre devido à curvatura do espaço-tempo provocada pela presença de matéria e energia. Para elaborar essa ideia, há 100 anos, Albert Einstein teve que usar representações matemáticas de espaços quadrimensionais curvos (três dimensões espaciais e uma temporal) na forma de tensores, que são entidades matemáticas que descrevem de maneira generalizada grandezas escalares, vetoriais e matriciais.
A equação fundamental da teoria da relatividade geral é descrita pelo tensor de Einstein, que relaciona a curvatura do espaço-tempo com a distribuição de matéria e energia. A partir dessa equação, é possível descrever a interação gravitacional entre planetas, estrelas e galáxias, bem como até a expansão do universo.
A física quântica também utiliza descrições sofisticadas das propriedades fundamentais da natureza. Os chamados fenômenos quânticos acontecem na escala atômica. Para descrevê-los, a física quântica teve que introduzir novos conceitos no linguajar da física, como os de quantização da energia, dualidade onda-partícula, entre outros.
A quantização da energia foi introduzida pelo físico alemão Max Planck em 1900 para descrever um fenômeno conhecido como radiação do corpo negro. Todo corpo aquecido emite radiação, que, dependendo da temperatura, fica na faixa do espectro eletromagnético visível, como é o caso da cor avermelhada que vemos em um pedaço de carvão em brasa. Essa emissão de radiação foi descrita por Planck considerando que os processos de emissão e absorção somente aconteciam de forma discreta, em múltiplos inteiros do produto de uma constante fundamental (conhecida como constante de Planck) pela frequência da radiação. Posteriormente, o conceito de quantização da energia também foi aplicado para explicar os processos de emissão e absorção de energia em átomos e moléculas.
Albert Einstein, em 1905, introduziu o conceito de fóton – as partículas de luz – para descrever o efeito fotoelétrico, segundo o qual certo material emite elétrons, produzindo uma corrente elétrica, quando incidem sobre ele determinadas faixas de frequência de luz. Assim como previa a fórmula de Planck, Einstein acreditava que a energia da radiação eletromagnética era também absorvida ou emitida. Posteriormente, esse conceito de que a luz não era uma onda, mas sim uma partícula, também foi usado na descrição da matéria, levando à afirmação de que os elétrons podem ter comportamento ondulatório ou corpuscular.
A profundidade da física quântica na descrição da natureza pode ser observada a partir da chamada equação de Dirac, por meio da qual foi possível relacionar os fenômenos quânticos e os chamados relativísticos, que consideram não apenas as propriedades quânticas da matéria, mas também seus efeitos em velocidades próximas à da luz. É como se essa e outras equações praticamente resumissem muitos aspectos fundamentais da natureza em uma única frase.


A EQUAÇÃO DE DIRAC QUE UNE A MECÂNICA QUÂNTICA COM A RELATIVIDADE RESTRITA

Regras ‘gramaticais’ básicas
Mas a física não é apenas a descrição da natureza a partir de equações matemáticas. Seu roteiro para explicar o universo também depende de princípios fundamentais aplicados a diversas situações. As teorias físicas têm como pano de fundo os chamados princípios de conservação, que são associados à conservação da energia, da quantidade de movimento, do momento angular, da carga elétrica, entre outros. Por exemplo, verifica-se que, em qualquer processo, a energia total é conservada, ou seja, nunca é criada ou destruída, mas pode ser transformada. Com base nessa ideia, foi possível elaborar diferentes descrições dos fenômenos físicos.
O físico e astrônomo italiano Galileu Galilei, um dos fundadores da física e da astronomia modernas e também um dos grandes defensores do método científico, disse: “o livro da natureza está escrito em caracteres matemáticos… sem um conhecimento dos mesmos, os homens não poderão compreendê-lo” (tradução livre). A afirmação reflete bem a percepção de que, para podermos expressar certas ideias e conceitos, é necessário conhecer de maneira adequada o idioma no qual eles estão escritos.
Nesse caso, a física, por meio da matemática, consegue descrever o nosso universo de modo fundamental, mesmo não respondendo a todas as perguntas. Ainda serão escritos muitos ‘poemas’ e ‘narrativas‘ (teorias) na física, por meio do seu ‘idioma’ (matemática), e eles continuarão nos encantando, assim como as grandes produções literárias.
Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos