sexta-feira, 24 de abril de 2015

Uma força sempre presente

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 18/04/2015

Motivado pelos 100 anos da Teoria da Relatividade Geral, grande passo de Albert Einstein na compreensão da gravidade, Adilson de Oliveira aborda em sua coluna a evolução do conhecimento sobre essa força invisível que age sobre todos os corpos no universo.

Estava trabalhando em minha mesa escrevendo a coluna deste mês quando, por descuido, dei um esbarrão em uma xícara de café que estava sobre ela. O café imediatamente se espalhou e, como a mesa tinha uma leve inclinação, rapidamente o vi pingar no tapete. Ainda de maneira estabanada, novamente bati na xícara e ela caiu com força no chão, partindo-se em muitos pedaços. Em apenas alguns segundos, uma força invisível – com a minha ajuda, é claro – foi capaz de fazer uma pequena confusão.


Aprendemos desde cedo o nome dessa força, tão presente em nosso cotidiano: gravidade. Ela é capaz de atrair todas as coisas em direção ao chão, fazer com que a Lua gire em torno da Terra e o nosso planeta (e os demais do Sistema Solar) descreva uma trajetória ao redor do Sol. Da mesma forma, essa força faz com que o nosso Sistema Solar realize uma viagem ao redor da Via Láctea que chega a durar 250 milhões de anos. A nossa galáxia também se move no universo, dominada por essa interação tão presente entre nós.
Para entender essa ‘misteriosa atração’, foi necessário uma longa caminhada. Por suas características especiais, a gravidade fascina pensadores e cientistas desde a Grécia Antiga, com o conceito de lugar natural, passando pela Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton e pelo advento da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein, até as atuais propostas de gravidade quântica.
A primeira dessas características é o fato de que a gravidade atua sobre tudo que existe, o que lhe confere um caráter universal. Embora a primeira abordagem feita por Newton tenha proposto que a força gravitacional atuava apenas entre corpos com massa, observa-se em inúmeros experimentos que a gravidade também desvia a trajetória de um raio de luz, que não possui massa.
Esse conceito, o da gravidade universal, teve origem quando Newton associou a queda dos objetos ao movimento da Lua e dos planetas. Newton percebeu que a Lua estava sempre ‘caindo’ em direção à Terra, assim como quando soltamos um objeto. Ele associou o movimento da Lua ao fato de que, quando disparamos uma bala de canhão, ela faz uma trajetória parabólica sobre a superfície da Terra. Quanto mais potente for o canhão, maior distância a bala vai alcançar. Se considerarmos que a superfície da Terra é curva, à medida que a bala vai caindo, a própria superfície se afasta dela. Dessa forma, se a bala for lançada para muito longe, ela nunca atingirá a superfície, como mostra o próprio desenho feito por Newton (abaixo) no seu livro Principia.


Essa relação entre a queda dos objetos e o movimento dos corpos celestes foi uma extraordinária contribuição para a compreensão da natureza. Foi talvez a primeira vez que se atribuía a mesma causa para fenômenos terrestres e celestes. Contudo, a belíssima teoria de Newton não explicava o porquê de a gravidade atrair todos os corpos.

A contribuição de Einstein

Foram necessários 250 anos da proposta de Newton para que se desse mais um passo rumo à compreensão da gravidade, feito realizado por outro gigante da física: Albert Einstein.
Em 1905, Einstein tinha apresentado a Teoria da Relatividade Especial, em que reformulou os conceitos de espaço, tempo e relatividade dos movimentos. Nessa teoria, ele propôs que as leis da física seriam as mesmas para todos os observadores inerciais, ou seja, observadores que estão em repouso ou em movimento uniforme, sem aceleração. Além disso, ele postulou que a velocidade da luz no vácuo seria a mesma para todos os observadores. A consequência dessas ideias é que, quando estamos nos movimentando em velocidades próximas à da luz, o tempo passa mais devagar e as distâncias encolhem em relação a outros observadores que estiverem em repouso.
Contudo, esse resultado era limitado a observadores que não estivessem acelerados, e isso incomodava Einstein, pois, afinal, praticamente todos os movimentos que observamos são acelerados.
m 1907, Einstein deu um passo muito importante para ampliar esse conceito, ao propor o que ficou conhecido como princípio da equivalência, que, como o próprio nome indica, estabelece a equivalência física não somente dos observadores inerciais, mas de todos os observadores. Ele determinou essa equivalência ao perceber ser fisicamente impossível distinguir, do ponto de vista de um observador não inercial, se ele está em movimento acelerado ou sob a ação da força gravitacional.
Einstein exemplificou essa ideia mostrando que uma pessoa em queda livre, por exemplo, saltando do alto de um prédio, não sentiria o seu próprio peso. Da mesma maneira, os astronautas na Estação Espacial Internacional aparecem flutuando porque de fato a estação, da mesma forma que a Lua, está ‘caindo’ em nossa direção.
Esse princípio também mostra que qualquer movimento acelerado é indistinguível de um campo gravitacional. Se uma pessoa subir em uma balança dentro de uma nave espacial que está viajando no espaço, longe de qualquer ação da gravidade e com uma aceleração constante de 9,8 m/s2 (que é o valor da aceleração da gravidade na superfície da Terra), observará que terá o mesmo peso que teria se estivesse sobre a superfície do nosso planeta.

Nova teoria da gravitação

O princípio da equivalência aplicado aos conceitos estabelecidos na Teoria da Relatividade Especial levou Einstein a concluir que a massa de um corpo curva o espaço-tempo ao seu redor. Ele mostrou que a ação de um campo gravitacional surgia devido a essa curvatura no espaço-tempo, o que levou à formulação de uma nova teoria da gravitação, a Teoria da Relatividade Geral, apresentada por ele pela primeira vez em 1915, há 100 anos.
Uma das previsões dessa teoria foi que, se um raio de luz passar próximo a uma estrela, ou a qualquer outro objeto massivo, tem sua trajetória desviada de uma linha reta, pois o seu caminho no espaço será curvo.
Outro resultado importante que Einstein obteve foi que o tempo passaria mais devagar próximo a campos gravitacionais. De fato, esse efeito, embora mínimo para nós, é suficiente para afetar os relógios atômicos dos satélites do sistema GPS (Global Position System – sistema de posicionamento global), atrasando-os alguns nanossegundos para cada órbita que o satélite completa ao redor da Terra, mas o suficiente para provocar erros da ordem de alguns quilômetros nas posições dos objetos, se não fossem considerados os efeitos previstos pela teoria de Einstein.
A Teoria da Relatividade Geral foi testada em muitas ocasiões e seus resultados foram amplamente confirmados pelas experiências. Com ela, foi possível resolver questões que não eram explicadas pela teoria newtoniana, como o movimento do periélio (ponto da órbita de um planeta mais próximo do Sol) de Mercúrio, que muda de lugar com o passar do tempo.


Uma das grandes previsões da Teoria da Relatividade Geral foi a expansão do universo. Einstein havia obtido esse resultado, mas, como não havia evidências observacionais naquela época, ele acabou por introduzir na teoria uma constante adicional que ficou conhecida como ‘constante cosmológica’ e que agia como uma força repulsora, fazendo com que a estrutura do universo se mantivesse estática. Contudo, alguns anos depois, o astrônomo Edwin Hubble observou o afastamento das galáxias, demonstrando que o universo estava em expansão. Posteriormente, Einstein reconheceu que esse foi o maior erro da sua carreira.
Nos anos 1990, com a observação de galáxias distantes, verificou-se a partir das explosões de supernovas (estrelas que, no seu estágio final de evolução, emitem tanta luz que podem brilhar mais do que centenas de bilhões de estrelas) que essas galáxias estavam se afastando de uma forma acelerada, ou seja, que a expansão do universo acontecia como se uma força repulsora acelerasse o seu movimento. Talvez a proposta inicial de Einstein estivesse correta, mas ainda não se tem uma explicação definitiva para esse fato observacional.
Além disso, curiosamente quase 96% da massa total do universo são compostos pelas chamadas matéria e energia escuras, que não podem ser observadas diretamente, mas interagem gravitacionalmente com o movimento das galáxias. Há muitas hipóteses para explicá-las, mas ainda não existe nenhuma definitiva.
Há também a busca por uma teoria da gravidade quântica, que poderia unificar a descrição das interações fundamentais da natureza (eletromagnética, nuclear forte, nuclear fraca e gravidade) em uma única manifestação. Esse é um programa de pesquisa que dura mais de meio século, mas ainda não obteve sucesso, mesmo com as alternativas propostas por teorias de supercordas ou loops gravitacionais. Mas esse seria assunto para outra coluna.
Minha intenção aqui é mostrar que a gravidade, tão presente e tão atuante em nossas vidas e em todo o universo, é capaz de interferir tanto em pequenas quanto em grandes coisas, seja atraindo uma xícara para o chão, seja fazendo com que o universo se expanda. A ação da gravidade é universal e poder compreendê-la, pelo menos parcialmente, mostra a grande capacidade humana de entender a natureza.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

terça-feira, 21 de abril de 2015

Física e Contabilidade

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 20/03/2015

Na época em que muitos brasileiros têm que acertar suas contas com o ‘leão’, Adilson de Oliveira mostra, em sua coluna de março, que há várias semelhanças entre os conceitos físicos e contábeis, embora essas ciências descrevam fenômenos bastante distintos.

Todos os anos, entre os meses de março e abril, quase 20 milhões de brasileiros têm uma tarefa que para muitos não é agradável: fazer a declaração de imposto de renda para ajustar as contas com o famoso ‘leão’. Durante o ano, quem ganha mais de 1.700 reais por mês tem descontada certa porcentagem a título de imposto de renda que pode chegar a 27,5%. A legislação brasileira permite que sejam abatidas anualmente do imposto de renda algumas despesas na área de saúde, educação etc. Quando fazemos a declaração de ajustes, verificamos se temos mais imposto a pagar (principalmente se tivemos mais de uma fonte de renda) ou imposto a restituir (se o que pagamos foi maior do que devíamos).
Como a declaração de ajustes do imposto de renda pode ser complexa em alguns casos, é muito comum as pessoas recorrerem aos contadores para ajudar nessa tarefa. Eu que já fui técnico de contabilidade antes de ser físico e aprendi bastante sobre a dinâmica desse processo, hoje não tenho problemas em fazer a minha declaração.
Pensando exatamente nessa tarefa de fazer a declaração deste ano, comecei a perceber que os conceitos utilizados na contabilidade são, de certa forma, semelhantes aos da física.
A contabilidade é uma ciência social que estuda as variações quantitativas e qualitativas ocorridas no patrimônio (conjunto de bens, direitos e obrigações) das pessoas físicas e jurídicas (empresas). A física, por outro lado, estuda a natureza e os seus fenômenos de forma geral.
As variações de patrimônio de uma empresa, por exemplo, ocorrem devido a processos e interações que ela realiza com o seu meio externo. Compram-se ou vendem-se produtos e serviços, fazendo com que o patrimônio se modifique, tendo lucro ou prejuízo. Da mesma forma, os sistemas físicos interagem entre si trocando matéria ou energia de forma que, ao final do processo, ocorram modificações do seu estado, também podendo ter ganhos ou perdas.


Depreciação e entropia

As variações de patrimônio também podem se originar de depreciações e valorizações dos bens que as empresas possuem. Por exemplo, quando a empresa faz um investimento em um equipamento de grande porte, os contadores denominam isso de ‘ativo imobilizado’. Gastar dinheiro nessa aquisição não é uma despesa direta da empresa, mas sim um investimento, que é amortizado com o tempo, ou seja, o seu custo de aquisição é deduzido do lucro ao longo de vários anos, tipicamente 10% ao ano, dependendo do tipo de bem adquirido. Esse processo de depreciação é natural, pois quando compramos um carro novo, pagamos certa quantia e, depois de três ou quatro anos, o valor de revenda é normalmente a metade do valor inicial, ou seja, depreciou-se o valor inicial.
Qualquer sistema físico se modifica com o passar do tempo. Se ele não for isolado do resto do universo, há uma tendência de ele ficar cada vez mais desorganizado, ou seja, se depreciar. As interações com o meio externo feitas de forma espontânea aumentam a entropia do sistema, como prevê a Segunda Lei da Termodinâmica. Para se voltar para um estado mais organizado, é necessário realizar um trabalho (transferência de energia) para que o sistema volte à sua configuração inicial. Da mesma maneira, para valorizarmos um patrimônio que possuímos, é necessário fazer um investimento (transferir dinheiro) para que ele volte a ter o seu valor inicial.


A Segunda Lei da Termodinâmica nos mostra que é impossível realizar um processo de transferência de energia que tenha 100% de eficiência, pois sempre uma parte da energia é perdida para o meio externo, na forma de calor. Também quando fazemos um investimento, por exemplo, nem sempre recebemos todos os lucros que ele gera, pois existe a cobrança de impostos sobre os ganhos financeiros ou é cobrada alguma taxa pelo banco ou corretora que faz a administração dos recursos.

Ação, reação, débito e crédito

Talvez a semelhança mais interessante entre a física e a contabilidade seja a relação entre o princípio da ação e reação derivado da 3ª Lei de Newton e o método das partidas dobradas.
O método das partidas dobradas consiste em fazer os lançamentos dos eventos contábeis em contas (daí vem o nome contabilidade), debitando ou creditando os valores que representam os eventos. Todo lançamento contábil gera simultaneamente um crédito e um débito de igual valor em contas diferentes, de tal forma que a soma final dos lançamentos em débito deve ser igual à dos lançamentos em crédito, fazendo com que a diferença entre eles seja nula. Por exemplo, quando uma empresa compra um bem (como um automóvel), o lançamento contábil aparece como um débito na conta ‘veículos’ e um crédito na conta ‘caixa’. Embora essa nomenclatura possa parecer estranha, o fato de a conta ‘veículos’ ter um saldo devedor significa que ‘ela deve’ para alguém aquele valor. Da mesma forma, um crédito na conta ‘caixa’ significa que ela tem um ‘crédito com alguém’, nesse exemplo, com a conta ‘veículos’.
O paralelo entre essa operação contábil e o princípio da ação e reação é que, quando aplicamos uma força sobre qualquer objeto, esse reage com igual intensidade (igual valor), mas em sentido contrário, de tal forma que a soma total das forças no par ação-reação é nula. Assim como não existe um par ação-reação em um único corpo, pois é necessária a participação de pelo menos dois corpos para que o princípio seja válido, não há lançamento contábil único de débito e crédito na mesma conta decorrente de um único evento.
Na física, o princípio da ação e reação está baseado em um princípio ainda mais fundamental, que é a conservação do momento linear. O momento linear (ou quantidade de movimento) corresponde ao produto da massa de um corpo pela velocidade com que ele se desloca. Como a força pode ser expressa como a variação do momento linear com o tempo, quando aplicamos uma força em outro corpo, para que exista a conservação da quantidade de movimento, deve surgir outra força de igual intensidade, mas em sentido oposto.
As semelhanças que apresentei entre duas ciências que, a princípio, são tão distintas – já que descrevem fenômenos de classes totalmente diferentes – talvez apareçam justamente porque ambas procuram medir o seu universo de atuação. A contabilidade, por meio de suas diversas técnicas de análise, apura a evolução do patrimônio e como ele se comporta diante dos eventos que ocorrem nas interações que empresas e pessoas físicas realizam dentro da sociedade, seja produzindo, comprando ou vendendo bens e serviços. A física descreve a natureza a partir de leis que são verificadas experimentalmente por medidas de grandezas físicas como força, energia, campo, etc, mostrando assim a evolução dos sistemas e corpos em estudo.
De fato, tanto a contabilidade quanto a física são ciências criadas pelo homem como uma forma de tentar descrever o mundo ao seu redor. A compreensão da natureza por esses diferentes aspectos nos permite entender o nosso papel, seja na sociedade seja no próprio universo.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Aqueles que nos inspiram

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 20/02/2015

Em sua coluna de fevereiro, Adilson de Oliveira reverencia professores, museus de ciência e outras iniciativas de popularização científica e fala da importância do ensino e da divulgação da ciência para despertar em crianças e jovens o interesse em seguir a carreira de cientista.

o mês de fevereiro, além de normalmente ter carnaval, muitas pessoas retornam de suas férias, em particular os estudantes, tanto do ensino fundamental e médio quanto do superior. Inicia-se um novo ano escolar e volta a rotina de aulas, estudos e provas. Em seus diferentes níveis, os alunos têm simpatia por determinada disciplina ou determinado professor. O melhor é quando as duas coisas acontecem simultaneamente.
Costumamos lembrar de algum professor que gostávamos por causa da maneira como ele explicava os conteúdos e que nos estimulava a estudar mais. Outros, ao contrário, fizeram com que não gostássemos de determinada disciplina. Por um lado, esses mestres acabam se tornando inspiração para os alunos seguirem determinadas carreiras; por outro, podem afastá-los de determinados caminhos.
A maioria das pessoas que escolheram seguir a carreira científica teve alguém que fez despertar nelas a vontade de ser cientista. Provavelmente foi um momento mágico onde, por meio de um experimento ou de uma explicação, a curiosidade e o fascínio pela ciência bateram fundo na alma, fazendo surgir aquele famoso ‘brilho nos olhos’. Um mestre inspirador é sempre fundamental para podermos construir os nossos sonhos.
s professores de ciências são essenciais para inspirar jovens a seguir as carreiras científicas. Em meu caso particular, tive uma professora que fez toda a diferença, embora também tivesse outros que me falavam para não tentar ser físico, pois isso não me traria um bom futuro.

A importância do professor para despertar o interesse dos alunos pela Ciência

 Mas, além dos professores, existem outros atores e situações que podem estimular o desejo de ser cientista. Pode ser um livro, uma palestra de cientista, uma série de TV, uma visita a um museu ou centro de divulgação de ciências.
Os museus de ciência são muito importantes para despertar o interesse pela ciência. Ao visitar esses espaços, é possível entrar em contato com experimentos e demonstrações que podem não apenas nos deixar curiosos, mas também fascinados pela ciência. Experimentos simples ou complexos podem estimular a curiosidade, mas o mais importante é a pessoa que pode nos ajudar a entender o que acontece, seja ela o professor que acompanha os alunos ou o monitor que está mostrando a experiência.
Nesse momento, é de fundamental importância mostrar que, mais que uma simples curiosidade, ali está acontecendo um fenômeno físico, químico ou biológico que não somente podemos produzir, mas também entender como ele acontece. É importante desmistificar para compreender a natureza.
Mas apenas apresentar os fenômenos físicos, mesmo mostrando por que eles ocorrem, não é suficiente para despertar a curiosidade. De certa forma, admiramos e nos inspiramos naquilo que é belo e fascinante. Nesse aspecto, na minha opinião, existem duas ciências que, quando apresentadas de forma inspiradora, fascinam qualquer pessoa, tanto crianças quanto adultos:  astronomia e biologia.

A fascinante astronomia

Olhar para o céu e admirar a sua beleza está ao alcance de qualquer um de nós (desde que estejamos em um lugar de céu limpo e pouco iluminado). Um céu estrelado sempre foi inspirador não somente para os cientistas, mas também para os poetas e artistas. Com um pequeno telescópio, é possível ir além e ver coisas maravilhosas que estão fora do alcance do olho nu, como as crateras na Lua, as luas de Júpiter e os anéis de Saturno.
Com o advento da internet, tornou-se extremamente fácil conseguir imagens feitas pelos grandes telescópios de planetas, nebulosas, galáxias, quasares, entre outros. Com um clique, podemos encontrar milhares de belas imagens.
Uma imagem como a da galáxia de Andrômeda é bela e intrigante. Ela fica mais fascinante quando descobrimos que uma galáxia é composta por bilhões de estrelas unidas gravitacionalmente.
A galáxia de Andrômeda está a cerca de 2 milhões de anos-luz de distância de nós. Um ano-luz corresponde à distância que um raio de luz, que viaja a 1,08 bilhões de km/h, percorre ao longo de um ano e equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros. A luz que gerou a imagem nos mostra como era essa galáxia há 2 milhões de anos, época em que os seres humanos ainda não habitavam o nosso planeta. Perceber que olharmos para o céu é olhar para o passado é algo muito interessante.

Galáxia de Andrômeda - O objeto mais distante que se pode observar a olho nu
Olhar para o céu e perceber a imensidão do cosmos nos remete a questões muito fundamentais, como a origem de todo o universo, o seu destino e sua evolução. E o mais importante é saber que, mesmo habitando um pequeno planeta ao redor de uma estrela comum de uma dentre as bilhões de galáxias existentes, somos capazes de propor explicações para tudo isso.
Da mesma maneira, descobrir os mistérios da vida, como ela surgiu em nosso planeta, é fascinante. Entender como Charles Darwin ao longo da sua famosa viagem a bordo do Beagle percebeu que as espécies evoluíram é compreender uma das maiores descobertas da ciência em todos os tempos. Assim como acontece na astronomia, as imagens geradas por microscópios também são capazes de nos mostrar formas tão belas quanto galáxias e nebulosas e com uma complexidade muito maior. Como átomos e moléculas se combinam para formar estruturas tão complexas como nós, seres pensantes sobre a nossa própria origem e destino?

Minha inspiração

Quando eu era adolescente, nas manhãs de sábado e domingo, no começo dos anos 1980, encontrei o meu maior inspirador para ser cientista: Carl Sagan, apresentador da série Cosmos. A linguagem simples e acessível do programa e sua maneira então inédita de apresentar física, química, astronomia, biologia, história, entre outras disciplinas, fizeram com que eu me apaixonasse pela ciência e me levaram a procurar o caminho para ser cientista. Naquela época, também tive contato com exemplares da Ciência Hoje e outras revistas de divulgação científica, que foram fundamentais para que eu me interessasse pela carreira científica.

Carl Sagan (1934-1996)

Há cerca de um ano, foi lançado um remake da série original – Cosmos: uma jornada pelo espaço-tempo –, agora estrelado pelo astrofísico norte-americano Neil deGrasse Tyson, que tem a grande missão de não somente atualizar os conteúdos de 30 anos, mas também tentar ser relevante para uma nova geração que é totalmente conectada às informações a todo momento. O resultado, na minha opinião, foi muito bom, mas sou suspeito para falar.
Inspirar novas gerações a se interessar pela ciência é um enorme desafio. Não é uma missão apenas para os professores de ciências, que são os grandes batalhadores dessa empreitada, mas também para todos que fazem da ciência sua profissão e paixão. Embora não seja perfeita e não resolva todos os problemas que vivemos, a ciência é uma das maiores criações da humanidade, um patrimônio que pertence a todos e, por isso mesmo, deve ser acessível a todos. Um desafio que a Ciência Hoje vem enfrentando há várias décadas. E eu me orgulho de fazer parte dessa caminhada.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos