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