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