Por Dentro da Ciência

Dia da Física - 19/05

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 19 May 2013 14:37:00 +0000

Em 2005 foi declarado pela UNESCO como Ano Internacional da Física, em homenagem aos 100 anos das publicações dos artigos revolucionários de Albert Einstein. Em 1905 Einstein publicou o artigo que explicou o efeito fotoelétrico e introduz o conceito do fóton (o quantum de luz), explicou a origem do movimento Browniano (movimento de partículas em suspensão em um líquido), reforçando a hipótese da existência dos átomos, que naquele momento não estava bem estabelecida ainda. Contudo, os mais famosos foram os artigos que ele apresentou a Teoria da Relatividade Restrita e a equivalência entre massa e energia, a famosa equação E=mc²

No dia 19 de maio de 2005 a Sociedade Brasileira de Física declarou o dia 19 de maio como o dia da Física, devido ao fato de 19/05 lembrar o ano de 1905.

Parabéns para todos nós físicos !!!!

Mais do que fórmulas matemáticas

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Fri, 26 Apr 2013 20:40:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 19/04/2013

A física é um conjunto de conhecimentos que possibilita compreendermos a natureza de uma maneira muito profunda. As teorias e os modelos desenvolvidos ao longo de séculos construíram uma estrutura que permite entender o universo em larga escala – explicando os movimentos de planetas, estrelas e galáxias –, bem como descrever a interação das partículas elementares para a formação de átomos e moléculas.

Essa ousadia de tentar explicar tudo, é claro, tem um preço. A física consegue resolver de maneira exata um certo número de problemas. Outros são solucionados apenas de maneira aproximada. Por exemplo, para calcularmos os efeitos gravitacionais entre dois corpos, como a Terra e a Lua, encontramos uma equação geral que descreve o movimento. Entretanto, se considerarmos a ação de um terceiro corpo, como o Sol, a solução não é mais analítica, ou seja, não dispomos mais de uma equação geral. Nesse caso, é necessário fazer uma solução numérica, ou seja, resolver a equação de forma aproximada. Quanto mais aproximações numéricas são feitas, mais preciso é o resultado obtido. Aqui, a limitação é apenas a capacidade computacional de resolver o problema.

A descrição matemática que a física usa leva, muitas vezes, as pessoas a confundi-la com a própria matemática. Como professor, já ouvi diversas vezes de alunos iniciantes que a física era um monte de fórmulas matemáticas. Isso decorre do fato de, infelizmente, a física ser apresentada dessa maneira para os alunos do ensino fundamental e médio, como uma contínua aplicação de fórmulas matemáticas e, na maioria das vezes, sem a contextualização necessária.

Quando lemos um livro ou um texto qualquer, não basta apenas conhecermos o significado de cada palavra isolada. É a partir do conjunto que elas formam frases e expressam ideias. Com um conjunto de ideias é que construímos um certo entendimento de um determinado assunto. Por exemplo, em um poema, cada verso e a ordem em que surgem são importantes para expressar a ideia do poeta. Além disso, cada leitor pode fazer uma interpretação diferente, construindo assim uma nova forma de entendimento, que pode mudar a cada leitura.

Da mesma maneira, a abordagem de um problema físico não é apenas a aplicação de uma determinada equação. Para descrever os fenômenos da natureza, os físicos quase sempre começam pelo problema mais simples, atacando-o da forma mais ampla possível, para só depois resolver os problemas mais complicados de uma forma mais particular.

Sobre molas e pêndulos

Um dos problemas prediletos dos físicos chama-se ‘oscilador harmônico’. Exemplos de osciladores harmônicos simples é o movimento periódico de um objeto preso a uma mola ou um pêndulo. Nesses casos, temos um objeto que se aproxima e se afasta periodicamente da posição de equilíbrio na qual a mola não se encontra nem comprimida nem esticada ou, no caso de um pêndulo, quando a massa não está nem na posição mais alta nem na mais baixa, conforme mostra a figura.

A equação que descreve esse movimento, baseada nas leis de Newton, é facilmente resolvida e explica com grande precisão esse movimento, calculando-se, por exemplo, a frequência da oscilação do corpo.

Para um sistema massa mola, essa frequência depende da razão entre a constante de mola – que por sua vez depende do tipo de material de que ela é feita – e do valor da massa do corpo. Para o pêndulo, se ele oscilar com pequenas amplitudes, essa frequência depende do comprimento do pêndulo e da aceleração da gravidade.

Por que esse problema, de uma massa pendurada em uma mola ou um pêndulo oscilando, pode ter alguma importância fundamental na física?

É que esse tipo de situação – oscilação periódica – se apresenta em muitas situações físicas. Por exemplo, em alguns circuitos eletrônicos, os movimentos das correntes elétricas se comportam como se fossem osciladores. Os aparelhos de rádio e televisão convencionais captam os sinais emitidos por estações por meio de antenas. Para sintonizarmos em uma estação específica, ajustamos o equipamento de forma que os seus circuitos internos criem oscilações na mesma frequência que a estão recebendo, para amplificar o sinal recebido. Por isso as emissoras de rádio sempre divulgam a frequência na qual elas estão transmitindo. Ou seja, se uma estação de rádio transmite em 100 MHz (cem milhões de Hertz), para captar o sinal é necessário que o aparelho de rádio esteja ajustado na mesma frequência.

Oscilação quântica

Outro problema interessante de se descrever como se fosse um oscilador harmônico é a interação entre átomos ligados entre si formando uma estrutura sólida. Embora as ligações químicas entre átomos ocorram em função da interação da força eletromagnética, em uma primeira aproximação, para poder compreender esse fenômeno, podemos imaginar que os átomos estão ligados entre si por pequenas molas, que fazem com que eles oscilem em torno de uma posição de equilíbrio.

Como se trata da interação entre átomos, a descrição desse fenômeno precisa lançar mão da física quântica. Ao se resolver o problema do ‘oscilador harmônico quântico’, é possível descrever em quais frequências os átomos oscilam e calcular com que energia isso ocorre. O resultado obtido mostra que os átomos nessa situação somente assumem alguns valores de energia proporcionais a constante de Planck, que é a constante fundamental da física quântica. Como consequência, é possível descrever como se comporta a capacidade térmica dos materiais em função da temperatura, que é de fundamental importância para aplicações tecnológicas.

Esse método que a física utiliza, associado a uma descrição matemática precisa, permite que possamos descrever o enredo no qual se desenvolvem os fenômenos físicos. Infelizmente, fenômenos complexos, como a própria vida e o pensamento estão fora do alcance da abordagem da física. Talvez um dia, com o avanço das teorias e dos métodos nessa área, possamos também desvendar esses mistérios e compreender o universo como um todo.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O maravilhoso fenômeno da vida

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 17 Mar 2013 01:19:00 +0000

Coluna Física sem mistério

Ciência Hoje on line

Publicada em 15 de março de 2013

Um dos fenômenos mais maravilhosos que existem é a vida. Qualquer um já se emocionou ao ver o nascimento de uma criança ou de um animal. Nascem pequenos e frágeis, totalmente dependentes, mas depois crescem e se tornam aptos a se reproduzir e dar continuidade à espécie.

Mas como surgiu a vida em nosso planeta? Como essa vida poderá ser preservada, se ao longo do tempo observamos o desaparecimento de inúmeras espécies? Essas são questões extremamente complexas e que não têm respostas definitivas. Também não tenho a pretensão de apresentar qualquer resposta, mas podemos refletir um pouco sobre como a matéria conseguiu se organizar e como a natureza pôde produzir seres tão complexos como nós, que são capazes de pensar sobre isso.

Sabemos que somos feitos de átomos e estes têm uma estrutura nuclear composta por prótons (partículas com carga elétrica positiva) e nêutrons (sem carga elétrica). Ao redor do núcleo estão os elétrons (com carga elétrica negativa), que permitem que os átomos se combinem formando moléculas. Essas combinações geram estruturas que podem ser simples, com apenas dois átomos, como o gás hidrogênio (H₂), ou complexas, com vários átomos, como a molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico), responsável pelo código genético.

Os átomos são forjados no interior das estrelas, por meio do processo de fusão nuclear de átomos de hidrogênio e hélio que elas têm em seu interior. Quando as estrelas atingem determinados estados de evolução, esses átomos são arremessados para o espaço para formar novas estrelas e, em alguns casos, planetas ao seu redor. Em condições muito particulares, esse processo permite o surgimento da vida, como aconteceu na Terra.

Por meio da combinação de átomos, desenvolvemos materiais que não existem na natureza e construimos equipamentos extermamente complexos. Mas nenhum deles, até hoje, conseguiu alcançar o grau de sofisticação das formas de vida que conhecemos.

A quantidade de informações existentes no código genético das espécies mais primitivas é muito superior à de qualquer dispositivo que possamos imaginar. Os diversos equipamentos desenvolvidos são fruto da inteligência humana. Os seres vivos, segundo as evidências científicas que temos, são resultado de inúmeras experiências feitas pela própria natureza ao longo de bilhões de anos.

Energia vital

Para que se consiga organizar algo, necessita-se de energia. Não se produz um equipamento ou estrutura mais complexa sem gasto energético. Em nosso cotidiano, percebemos facilmente que colocar ordem nas coisas é mais trabalhoso do que bagunçá-las.

Para que uma estrutura se organize, não basta qualquer tipo de energia. É necessário que ela tenha certa qualidade ou capacidade para realizar um trabalho útil. Quando ocorre um processo químico ou físico, parte dessa qualidade ou capacidade de realizar trabalho sempre é perdida. Por isso, quanto maior for a complexidade do processo, mais energia ele demanda e mais qualidade ela deve ter. Em toda transformação de energia há um preço a pagar. Invariavelmente parte da energia é transformada em energia com baixa qualidade, como o calor, por exemplo.

Os seres vivos são sistemas termodinâmicos abertos, ou seja, recebem energia do meio externo. Um organismo permanece vivo no seu estado altamente organizado ao importar energia de alta qualidade de fora de si mesmo.

As plantas conseguem se desenvolver a partir da energia captada da luz solar e usada no processo de fotossíntese, que transforma gás carbônico em carboidratos (e utiliza outros elementos também). Um dos subprodutos desse processo é o oxigênio. Os animais, por sua vez, usam as plantas e outros animais como fonte de energia, que é extraída das ligações químicas desses seres durante o processo de digestão. Logo, percebemos que a principal fonte de energia em nosso planeta é o Sol.

Quando privamos um organismo das suas fontes de energia, ele morre e toda a sua estrutura se degrada rapidamente. Isso acontece porque na natureza há uma tendência de todos os sistemas, com o passar do tempo, se desorganizarem.

A ordem e a desordem estão associadas a uma característica fundamental da natureza chamada entropia. A entropia está relacionada à quantidade de informação necessária para caracterizar um sistema. Quanto maior a entropia, mais informações são necessárias para descrevermos o sistema (veja a coluna 'O caos e a ordem').

A manutenção da vida é um embate constante contra a entropia. Desde a concepção, o nosso organismo se desenvolve e fica mais complexo. Partimos de uma única célula e chegamos à fase adulta com trilhões delas, especializadas para determinadas funções. Para alcançar esse estágio, temos que consumir muita energia, pois, quanto mais desordem há no processo, mais informação necessitamos para organizá-lo.

Por exemplo, quando temos um baralho organizado na sequência das cartas e naipes, sabemos que a carta 4 de paus está depois da 3 de paus e antes da 5 de paus. Se as cartas estiverem embaralhadas, pode ser necessário verificar todas as cartas para encontrar a 4 de paus, ou seja, será preciso saber a ordem de muitas cartas antes de encontrar a desejada.

Organização genética

Para que a vida surja, é preciso certo grau de ordem. Não basta simplesmente misturarmos os elementos básicos (proteínas, aminoácidos etc.) e esperarmos que apareça uma forma de vida. São necessárias informações para que cada parte se ordene de maneira adequada. Quem cumpre essa tarefa é a molécula de DNA, que garante também a continuação da vida, ao fazer com que cada nova geração receba as informações do código genético de seus antecessores.

Os DNAs de todas as formas de vida do nosso planeta são formados a partir das mesmas bases nucleicas, embora com graus de sofisticação diferentes. Essa é uma das evidências importantes da evolução. Todos os seres vivos, de alguma maneira, são aparentados, pois compartilham a mesma química fundamental.

A estrutura do DNA começou a ser compreendida em 1953, quando o biólogo britânico Francis Crik (1916-2004) e o biólogo norte-americano James Watson (1928-) mostraram que a molécula de DNA tem a forma de uma dupla hélice, como se fosse uma escada retorcida, em que os ‘corrimãos’ são formados por fosfato e açúcar e os degraus por uma sequência de pares de bases nitrogenadas: a adenina (A), a citosina (C), a timina (T) ou a guanina (G). Além disso, eles descobriram que a adenina só pode se ligar com a timina e que a citosina só pode se ligar com a guanina.

Essa estrutura peculiar permite que a molécula de DNA quebre a ligação entre as bases, se desenrole e faça cópias de si mesma. Como as ligações entre as bases são únicas, novas bases se ligam a cada uma das hélices, permitindo que a molécula de DNA se duplique. Dessa forma, a vida consegue se perpetuar.

Embora seja possível encontrar em nuvens estelares os elementos e alguns tijolos fundamentais da vida, como o carbono, o nitrogênio, o oxigênio e cadeias de aminoácidos, a organização desses elementos que culminou com o surgimento dos seres vivos é, até onde sabemos, um evento isolado. A vida é algo singular e, até o momento, sabemos que ela ocorreu apenas em um único lugar do universo: o nosso planeta. Para ter a completa compreensão desse incrível fenômeno, ainda será preciso superar muitos desafios. Esse é o mistério da vida!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Tempo rei

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Tue, 19 Feb 2013 14:14:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 15/02/2013

Tempo Rei!

Oh Tempo Rei!

Transformai

As velhas formas do viver

Ensinai-me

Oh Pai!

O que eu, ainda não sei

Mãe Senhora do Perpétuo

Socorrei!...

(Gilberto Gil)

Os leitores que acompanham os textos desta coluna já devem ter percebido que o tempo é um dos meus assuntos favoritos. Esse é um tema que me fascina há muito tempo (sem falso trocadilho), pois suscita reflexões tanto do ponto de vista da física quanto da filosofia, psicologia, arte, literatura, música e outras tantas disciplinas.

O tempo, apesar de ter uma medição bem definida, não é de fácil definição nem de universal percepção. Podemos ficar envolvidos com certas atividades nas quais não percebemos o tempo passar. É o que acontece, por exemplo, quando fazemos algo que nos agrada, como uma leitura cativante ou estar na companhia de uma pessoa interessante.

Da mesma maneira, em outras situações, alguns poucos minutos podem nos causar a sensação de que horas se passaram. É o caso de quando fazemos algo maçante ou vivemos um problema angustiante, como ficar preso no elevador.

Como já abordei em outra oportunidade (veja a coluna ‘A invenção do tempo’), marcar o tempo sempre foi uma necessidade humana, pois a nossa vida é determinada por ciclos e a repetição destes foi fundamental para o desenvolvimento da humanidade, em particular da agricultura, nos primórdios da civilização

os dias atuais, controlar o tempo é mais vital (veja a coluna ‘A luta cotidiana contra o tempo’). Praticamente todos nós temos agendas que marcam os nossos compromissos. Os mais conectados, como eu, têm a agenda no telefone celular, para lembrar o início de cada compromisso, seja na hora em que ele vai começar, ou dias antes, como é o caso do aviso para me lembrar que está chegando o dia de enviar uma nova coluna para a Ciência Hoje On-line.

O tempo pode nos parecer abstrato, sem realidade física, apenas uma sucessão de eventos que marcam a sua passagem, como a rotação e translação da Terra e o movimento dos ponteiros dos relógios. Mas o tempo tem uma conexão profunda com aspectos fundamentais da natureza e, ao mesmo tempo, não pode existir sozinho.

A construção de um conceito

A busca pelo entendimento sobre o que seria o tempo vem de épocas antigas. Existe a famosa reflexão feita por Santo Agostinho (354-430) sobre a natureza dessa dimensão: “O que é, por conseguinte, o tempo? Se ninguém me perguntar, eu sei; se o quiser explicar a quem me fizer a pergunta, já não sei. Porém, atrevo-me a declarar, sem receio de contestação, que se nada sobreviesse, não haveria tempo futuro, e se agora nada houvesse, não existiria o tempo presente.”

Essa afirmação mostra a dificuldade em se definir o tempo. Para Santo Agostinho, sua existência está ligada de alguma forma à existência do mundo que nos cerca, de forma que ele não estaria desconectado do próprio universo.

Um dos mais influentes filósofos de todos os tempos, o francês René Descartes (1596-1650), em seus diversos escritos, refletiu acerca do tempo, considerando-o a maneira de conhecer a duração de alguma coisa e, dessa forma, ele estaria apenas em nosso pensamento.

O conceito clássico de tempo como algo de fundamental importância para descrever os fenômenos naturais tem uma das suas primeiras definições na grandiosa obra de Isaac Newton (1642-1727) Principia, que o apresenta como “o tempo absoluto, verdadeiro e matemático, de si próprio, e de sua própria natureza flui igualmente sem consideração por nada externo, e por um outro nome é chamado de duração...”

Newton afirma que o tempo é algo independente, que passa sem sofrer qualquer ação, seja ela humana ou natural. Para ele, o tempo é decorrência de uma sucessão de eventos, como a maioria de nós o percebe. Para medir o tempo, segundo Newton, é necessário medir o movimento, seja a oscilação de um pêndulo ou os movimentos celestes (como a rotação e translação da Terra). Em suas próprias palavras, “todos os movimentos podem ser acelerados ou retardados, mas o progresso verdadeiro ou reproduzível do tempo absoluto não é suscetível a nenhuma mudança”.

ssa forma de compreender o tempo permaneceu inalterada até o começo do século 20. Nessa época estavam consolidados dois pilares importantes da física: a mecânica clássica e o eletromagnetismo. O primeiro, que se baseia principalmente nas ideias de Newton, permite a descrição de inúmeros fenômenos, como o movimento dos planetas. O segundo se sustenta principalmente na teoria eletromagnética desenvolvida por James C. Maxwell (1831-1879), que mostrava por meio de quatro equações fundamentais, entre diversos resultados, que a luz era uma onda eletromagnética.

A relatividade do tempo

Essas teorias apresentavam, porém, certas incompatibilidades, em particular no que tange à descrição de observadores em movimento, ou seja, diferentes observadores perceberiam os fenômenos eletromagnéticos de maneira diferente. Isso significava que ou as equações de Maxwell estavam erradas ou os princípios da mecânica clássica estavam incorretos.

Para resolver esse problema, Albert Einstein (1876-1955), em 1905, publicou um artigo revolucionário, denominado ‘Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento’, no qual apresenta os princípios da teoria da relatividade restrita. Essa teoria tem dois princípios fundamentais. De uma maneira simplificada, eles afirmam que as leis físicas são as mesmas para todos os observadores inerciais (em repouso ou em movimento uniforme) e que a velocidade da luz é invariante para qualquer observador.

Com base nesses princípios, Einstein mostrou que, ao contrário do que Newton defendia, a passagem do tempo depende do movimento. Quanto mais rápido se move, mas lento o tempo passa. Por mais incrível que isso possa parecer, tal resultado foi observado em diversos experimentos científicos e máquinas como os aceleradores de partículas somente funcionam de maneira adequada por serem projetadas em função das previsões da teoria de Einstein.

Posteriormente, em 1915, Einstein estendeu a sua teoria para explicar os fenômenos em referenciais acelerados, o que levou à elaboração da teoria da relatividade geral, que se tornou uma nova teoria para a força da gravidade. Um dos seus resultados relevantes é que a gravidade também afeta a passagem de tempo, de forma que quanto mais perto estamos do centro da Terra, mais devagar ela ocorre.

Algumas das teorias mais modernas elaboradas para descrever a gravidade em nível quântico, como a dos loops gravitacionais, predizem a possibilidade de tanto o espaço quanto o tempo serem discretos. Dessa forma, nenhum instante de tempo poderia ser menor do que uma quantidade na ordem de 10^-34 s (1 dividido por 10 seguido de 33 zeros!). O tempo deixaria de ser algo contínuo para se transformar em algo discreto. Contudo, isso ainda é apenas teoria e não há evidências experimentais para confirmá-la.

O tempo, tão presente nas nossas vidas, é muito enigmático. Sua verdadeira natureza ainda é debatida por filósofos e investigada pelos cientistas. Uma resposta definitiva ainda não foi alcançada. Somente o tempo nos ensinará o seu real significado.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O impacto do meteoro na Rússia

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 17 Feb 2013 16:00:00 +0000

Nessa semana houve muita agitação devido a passagem do asteroide 2012 DA14, que passou próximo da Terra, apenas 22 mil quilômetros. Apenas a título de comparação a distância Terra-Lua é na ordem de 380 mil quilômetros e o diâmetro da Terra é 12,5 mil quilômetros, ou seja ele passou apenas duas vezes o diâmetro do nosso planeta. Para se ter uma noção de como ele passou perto, basta lembrar que a órbita que ficam os satélites de comunicação, que permitem as transmissões telefônicas, dados e televisão, fica na ordem de 36 mil quilômetros. Essa foi a primeira vez que um asteroide passou tão perto da Terra desde se começou monitorar esses objetos. O vídeo abaixo mostra bem como aconteceu a passagem.

Mas, sem dúvida, o mais espetacular acontecimento que houve foi a entrada na atmosfera de um meteoro , que, segundo estimativas da Academia Russa de Ciências, tinha cerca de 10 toneladas e 15m de comprimento e entrou na atmosfera terrestre a uma velocidade de 54 mil km/h e deve ter se fragmentado ao uma altura de 50 a 30 km da superfície. Esse evento não teve nada haver com a passagem do asteroide 2012 DA14 e nem com a renuncia do papa Bento XVI (como alguns místicos podem imaginar).

A energia liberada no processo de fragmentação do meteoro foi enorme. Estima-se que foi cerca de 10 vezes a bomba de Hiroshima.

O vídeo abaixo é um dos muitos que foram feitos com o impacto do meteoro.

De fato, esse meteoro foi uma dos muitos que adentram a nossa atmosfera todos os dias. Devido o seu tamanho houve essa grande liberação de energia, o que provocou os estragos e os feridos na Rússia.

As leis humanas e as da física

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Mon, 21 Jan 2013 22:56:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 18/01/2013

A vida em sociedade leva-nos a obedecer regras de convivência. Em qualquer lugar, temos que seguir padrões determinados por critérios morais e de costume ou, em sociedades democráticas, pelos poderes constituídos por seus próprios cidadãos.

Chamamos as regras estabelecidas pelo governo ou por tribunais de ‘leis’, que têm por objetivo controlar e alterar nosso comportamento. Transgredir uma lei leva (quase) sempre a uma consequência, seja ela na forma de uma ação educativa, advertência, multa ou até prisão.

As leis humanas são, assim, definidas por meio de acordos que a própria sociedade estabelece. Dessa forma, algo que é proibido por lei em determinado país, pode não ser em outro.

Quando nos referimos a leis, é comum se mencionar as chamadas ‘leis da física’ ou ‘leis da natureza’. Mas existem, de fato, essas leis? Serão sempre válidas em todos os lugares e em todos os tempos?

Existem muitas leis e muitos princípios que foram elaborados no âmbito da física nas mais diferentes épocas. São famosas as três leis do movimento de Newton; as leis da termodinâmica; os princípios da conservação da energia, momento linear e angular, da relatividade, da invariância da velocidade da luz, entre tantos outros.

Como são muitos, vamos discutir apenas alguns destes para podermos entender melhor o que são essas leis e esses princípios e quais as semelhanças e diferenças entre eles e as leis do ponto de vista jurídico.

Princípios fundamentais

Um dos princípios mais importantes das nossas leis é que todos os cidadãos são iguais perante elas, independentemente de sexo, raça ou religião. Esse princípio é colocado como basilar na nossa Constituição e não pode ser alterado por nenhuma lei que venha a ser proposta.

No caso da física, um dos princípios mais fundamentais de todas as suas teorias é o princípio da conservação da energia. Em todos os processos físicos, químicos e biológicos, observamos que existe uma quantidade que se mantém constante perante todas as transformações, a qual definimos como energia.

Com base nesse princípio, podemos descrever diversos fenômenos físicos. Por exemplo, quando levantamos um objeto de 1 kg do chão a uma altura de 1 metro, o nosso corpo gasta energia (a qual obtemos dos alimentos) para realizar esse deslocamento. A maior parte dessa energia é transferida para o campo gravitacional da Terra, pois quando afastamos um objeto da superfície da Terra temos que vencer a força da gravidade que sempre o atrai. O resto é dissipado na forma de calor e consumido nos próprios processos de transformações que o nosso corpo realiza.

Nesse exemplo, a energia transferida para o campo gravitacional da Terra é da ordem de 10 joules. Joule é a unidade de medida de energia nomeada em homenagem ao físico britânico James Prescott Joule (1818-1889). Se soltarmos o objeto, ele começa a entrar em movimento e a energia que ficou armazenada no campo gravitacional se transforma em energia cinética (energia de movimento). Ele atingirá o solo a uma velocidade de aproximadamente 4,5 m/s ou 16 km/h. Como podemos ter certeza desses resultados?

O que torna válido qualquer princípio físico é a experiência. Em todos os experimentos realizados até hoje, a energia sempre se conserva. Ela se transforma de diferentes maneiras, mas seu valor total nunca se altera.

Da mesma forma que o princípio da igualdade contido na Constituição brasileira levou à formulação de diversas leis para garantir os direitos das pessoas, o princípio da conservação da energia permitiu que se fossem desenvolvidas inúmeras leis da física.

Uma delas é a primeira lei da termodinâmica, a qual afirma que a variação da energia em um corpo é igual a quantidade de calor que cede (ou recebe) mais (ou menos) o trabalho sobre ele (ou por ele realizado). A partir dessa lei, podemos explicar inúmeros fenômenos físicos e também desenvolver diversas tecnologias. Entre elas está a ideia de máquinas térmicas, sejam elas movidas por energia de origem química, elétrica ou nuclear.

A primeira lei da termodinâmica foi elaborada pelo físico e matemático alemão Rudolf Clausius (1822-1888) e por William Thomson (1824-1907), também conhecido como Lorde Kelvin. Sua formulação decorre dos experimentos e interpretações realizados não apenas por esses pesquisadores, mas por muitos outros.

Regulamentar x descrever

Na física, uma lei está necessariamente relacionada à forma que descrevemos determinado fenômeno. Por exemplo, a segunda lei de Newton, que relaciona a variação da quantidade de movimento de um corpo com a força resultante a ele aplicada, tem um certo limite de validade. Embora essa lei seja válida para encontrar a equação de movimento de corpos que vão desde um grão de areia a automóveis, aviões e até naves espaciais, quando ela é aplicada na escala atômica, os resultados previstos não são corretos, divergindo fortemente dos experimentos. Nessa escala muito pequena, as leis que descrevem os fenômenos são as leis da mecânica quântica.

Na mecânica quântica há uma grande mudança de paradigma, no qual não faz mais sentido descrever um evento físico em termos de uma equação de movimento. Os objetos na escala atômica – como elétrons, prótons e nêutrons – têm simultaneamente comportamento de partícula e de onda (veja a coluna 'Uma estranha forma de ver o mundo').

As leis da física não podem ser revogadas, como acontecem nas leis jurídicas. Podemos encontrar situações na qual elas não são mais válidas, o que leva a proposição de novas leis. Essa nova lei deve descrever novos fenômenos e, em alguns casos, até prever outros que ainda não foram observados. Contudo, ela também deve descrever com mais precisão os fenômenos que eram anteriormente descritos pela teoria anterior.

É como o caso citado da mecânica quântica em relação às leis de Newton. Descrever o movimento de um automóvel pelas leis da mecânica quântica é possível, mas exige um grau de complexidade tão grande que não vale a pena, pois a teoria newtoniana obtém resultados muito bons.

Enquanto as leis jurídicas são criadas pelo homem para regulamentar o nosso comportamento em sociedade, as leis da física não regulam os fenômenos, apenas os descrevem. Quando surgem novas situações, se for vontade da sociedade, podemos modificar as leis. No caso do surgimento de novos fenômenos físicos, temos que criar novas leis para descrevê-los, mas essa nova lei deve dar conta também dos fenômenos descritos pela teoria anterior. E assim vamos tentando compreender a natureza.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

E o mundo não se acabou!

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Fri, 28 Dec 2012 01:36:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on line
Publicada em 21/12/2012

Há três anos, em novembro de 2009, escrevi uma coluna sobre as possibilidades do fim do mundo – ‘Quando será o fim do mundo?’. A motivação era o lançamento do filme2012, que descreve o fim do mundo acarretado por fenômenos ocorridos no Sol. No enredo do filme, um aumento na produção de neutrinos elevou a temperatura do núcleo da Terra, provocando enormes terremotos, maremotos e movimento dos continentes, que, por sua vez, levaram à destruição de grandes cidades, inclusive o Rio de Janeiro – em uma cena forte, o Cristo Redentor é completamente destruído.

Uma das grandes motivações do filme foi a descoberta de um calendário maia que indica o fim de um ciclo de 5.125 anos e a suposta possibilidade de o término desse ciclo estar associado a uma destruição catastrófica do nosso planeta, que iniciaria uma nova era. O dia exato do fim desse ciclo seria o dia 21 de dezembro de 2012 (a data exata em que esta coluna está sendo publicada!).

Contudo, se você está lendo este texto, é porque o mundo de fato não acabou. O Sol continua brilhando da mesma maneira que os últimos bilhões de anos e deve continuar assim pelo menos pelos próximos 5 bilhões.

O evento astronômico importante que está ocorrendo nesta data é o início do solstício de verão, que se inicia às 8 horas e 12 minutos (no horário de Brasília). A palavra solstício significa ‘sol parado’ e foi escolhida porque, nesse dia, o astro-rei nasce na posição mais ao sul. Depois, a cada dia, sua nascente começa a se deslocar até que, em 20 de março, chega exatamente no leste, dando início ao outono.

Durante o verão no hemisfério sul, essa parte do globo fica mais iluminada pelo Sol e por isso, nessa estação, temos os dias mais longos, as noites mais curtas e períodos mais quentes. O verão e as demais estações do ano ocorrem em função de o eixo de rotação da Terra estar inclinado em cerca de 23 graus em relação a uma reta perpendicular ao plano de órbita do nosso planeta, e não por ele se aproximar do Sol, como o senso comum alguma vezes supõe.

Vilões na ficção, inofensivos na realidade

O grande vilão do filme 2012, que provoca o fim do nosso mundo, são os neutrinos. Nesse momento, mais de 100 bilhões de neutrinos estão atravessando o seu corpo. Mas não se preocupe. Os neutrinos são partículas subatômicas inofensivas. Existem três tipos deles: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau.

O neutrino do elétron foi proposto teoricamente pelo físico alemão Wolfgang Pauli (1900-1958) em 1930, para poder explicar um fenômeno conhecido como decaimento beta, no qual um nêutron se transforma em um elétron (que tem carga elétrica negativa), um pósitron (partícula com mesma massa do elétron, mas com carga elétrica positiva) e um antineutrino do elétron (antipartícula do neutrino). Ele foi efetivamente observado em 1956. Os neutrinos dos múon e tau estão associados a essas partículas subatômicas e foram descobertos em experimentos realizados em grandes aceleradores de partículas.

O neutrino não possui carga elétrica e não se tem certeza do valor exato de sua massa, mas medidas indiretas sugerem que esta seja centenas de vezes menor que a massa do elétron. Ele interage com outras partículas somente por meio da força gravitacional e da nuclear fraca (duas das quatro interações fundamentais da natureza, ao lado da eletromagnética e da nuclear forte). É a segunda partícula mais abundante do universo, sendo a primeira o fóton, partícula da radiação eletromagnética, em particular a luz visível.

Os neutrinos podem ser produzidos em reatores nucleares, pelo processo de fissão nuclear, e no interior das estrelas, por processos de fusão nuclear – como acontece com o Sol. Há produção de grandes quantidades de neutrinos quando ocorre um evento astronômico chamado supernova.

Uma supernova é quando uma estrela com dezenas de vezes a massa do Sol chega ao seu ciclo final de vida e ‘explode’. Durante esse evento, uma estrela pode brilhar por meses mais do que uma galáxia inteira, ou seja, mais do que centenas de bilhões de estrelas juntas.

Se ocorresse a explosão de uma supernova nas vizinhanças do sistema solar, com certeza o nosso planeta correria riscos, pois, além dos inofensivos neutrinos, que não causariam nenhum mal a nós, grande parte da radiação produzida nesse fenômeno estaria na faixa dos raios gama, estes com energia muito alta, capaz de causar a destruição de todas as formas de vida na Terra. Contudo, nenhuma estrela vizinha a nós, na escala de centenas de anos-luz, corre o risco de se transformar em supernova nos próximos milhões de anos.

Curiosamente, os neutrinos estiveram em cena no ano de 2011, quando um grupo de cientistas do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), na Suíça, e do Laboratório Nacional de Gran Sasso, na Itália, anunciaram que tinham medido neutrinos que viajaram mais rápido do que a luz.

Esse resultado, se fosse correto, teria abalado um dos pilares da física, a teoria da relatividade de Einstein, e muito do que sabemos deveria ser revisto. Contudo, meses depois foi verificado que havia um mau contato em um dos sistemas de detecção, o que gerou um erro na medida do tempo de voo dos neutrinos, induzindo a um resultado errôneo. (veja a coluna ‘Quem está correto, Dr. Einstein?’).

Ameaças remotas x preocupações reais

No Cern, temos o LHC (sigla, em inglês, de Grande Colisor de Hádrons), que também causou comoção quando foi inaugurado, pois algumas pessoas imaginaram que ele poderia produzir um buraco negro e engolir toda a Terra.

Os buracos negros são um dos estágios finais de vida de grandes estrelas e podem surgir como o resto de uma supernova. Nesse caso, a densidade de matéria é tão grande e a força gravitacional fica tão intensa que nem a luz é capaz de escapar dela (daí o nome de buraco negro).

Existem previsões teóricas de que poderiam surgir buracos negros microscópicos em condições de altas energias, mas eles evaporariam em questão de nanossegundos. Além disso, embora o LHC tenha atingido níveis de energia nunca antes observados, estes são muito pequenos quando comparados aos raios cósmicos que atingem continuamente a nossa atmosfera. Ou seja, se fosse possível surgir esses miniburacos negros, com certeza eles não durariam o suficiente para crescer e engolir o nosso planeta.

Os receios e temores com relação ao fim do mundo sempre existiram na cultura e nas religiões de diversos povos em todas as épocas da história. Como habitantes de um imenso universo, de fato estamos sujeitos a cataclismos que podem destruir a vida na Terra (como já houve em um passado distante). Contudo, na época em que vivemos, é mais fácil o homem danificar o meio ambiente de uma forma irreversível ou entrar em uma louca guerra nuclear que torne o nosso planeta inabitável do que um evento astronômico destruir o nosso planeta. Este, sim, deve ser o nosso maior temor.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Ficção e realidade no espaço

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 18 Nov 2012 19:55:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 16/11/2012

Quando eu ainda era um garoto, na década de 1970, um dos programas de televisão de que eu mais gostava era uma série sobre ficção científica e viagens espaciais chamadaPerdidos no espaço. Ela foi produzida em meados dos anos 1960, mas, naquela época, era novidade aqui no Brasil.

Perdidos no espaço tratava das aventuras de uma família norte-americana – a família Robinson –, um robô (que se tornou um dos personagens mais queridos da série) e o piloto de uma espaçonave (Júpiter 2), que os conduzia pelo espaço em busca de novos planetas. Era necessário encontrar novos mundos que pudéssemos habitar, por causa da superpopulação da Terra no final do século 20.

Devido à sabotagem de um espião (Dr. Smith) que invadiu a nave em seu lançamento – e ficou preso nela –, Júpiter 2 nunca chegou ao seu destino, mas acabou encontrando outros mundos. O garoto Will Robinson, Dr. Smith e o robô foram os melhores personagens da série, que teve três temporadas.

No programa, o lançamento fictício da espaçonave que ficaria ‘perdida no espaço’ ocorreu no dia 16 de outubro de 1997, com destino ao sistema estelar Alfa Centauri, o mais próximo da Terra, a pouco mais de 4 anos-luz de distância (um ano-luz representa a distância que a luz percorre em um ano e equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros).

O sistema Alfa Centauri possui três estrelas. Alfa Centauri A é cerca de 23% maior que o Sol e semelhante a ele. Alfa Centauri B é uma estrela com raio 14% menor que o da primeira e tem cor alaranjada. Finalmente, Alfa Centauri C, também conhecida como Proxima Centauri, é uma estrela tipo anã-vermelha, muito pouco brilhante e com diâmetro de apenas 1,5 vezes o de Júpiter.

Alfa Centauri C está a 4,2 anos-luz da Terra, enquanto Alfa Centauri A e B estão a 4,4 anos-luz. As três estrelas orbitam em torno de uma posição que chamamos de ‘centro de massa’ do sistema. As duas estrelas maiores completam uma translação ao redor desse ponto a cada 80 anos e estão distantes entre si aproximadamente 1,67 bilhões de quilômetros, o que equivale à distância entre o Sol e Saturno. Alfa Centauri C gasta mais de um milhão de anos para completar a sua órbita e está a 2,2 trilhões de quilômetros (0,24 ano-luz) da dupla principal.

Olhando da Terra, Alfa Centauri é a estrela mais brilhante da constelação do Centauro. Para encontrá-la, basta procurar bem próximo da constelação do Cruzeiro do Sul. Alfa Centauri é a terceira estrela mais brilhante do nosso céu. É possível observar a dupla Alfa Centauri A e B com um pequeno telescópio. Sem dúvida é um belo espetáculo para os amantes da astronomia. Já Alfa Centauri C só pode ser vista por meio de instrumentos mais sofisticados.

Nosso vizinho mais próximo

No último dia 16 de outubro, 15 anos depois do ficcional lançamento de Júpiter 2, foi anunciada a descoberta de um planeta com tamanho semelhante ao da Terra e apenas 13% mais massa que esta orbitando Alfa Centauri B. Contudo, esse planeta está muito próximo da estrela, a apenas 6 milhões de quilômetros dela, e gasta somente 3,2 dias para completar sua órbita. Dessa forma, ele não se encontra na chamada ‘região habitável’, onde há chance de existir água no estado líquido e temperaturas amenas que possam suportar a vida.

Embora o sistema Alfa Centauri seja nosso vizinho próximo – localizado praticamente no mesmo quarteirão –, enviar uma sonda espacial ou chegar pessoalmente até lá está muito além das nossas possibilidades tecnológicas. Na série Perdidos no espaço, a família Robinson levaria cinco anos para realizar a viagem, se deslocando a uma velocidade próxima à da luz. Durante esse período, eles estariam em um estado de hibernação.

Talvez a hibernação seja a maneira de conseguirmos, em um futuro próximo, realizar essas viagens interestelares. Mas, com a tecnologia atual, levaria dezenas de milhares de anos para percorrermos a distância que nos separa de Alfa Centauri.

Se viajássemos com velocidade próxima à da luz, como faria a nave Júpiter 2, a viagem não levaria de fato cinco anos para os tripulantes da nave. Nesse caso, poderíamos ter efeitos bem interessantes.

Espaço e tempo relativos

Albert Einstein (1879-1955), ao desenvolver a teoria da relatividade, mostrou que a velocidade da luz é a velocidade limite do universo e que o espaço e o tempo são relativos ao nosso movimento. Ao viajarmos com velocidade próxima à da luz, o tempo passa de uma forma mais lenta. Esse é o fenômeno da dilatação temporal.

Embora ainda não tenhamos construído espaçonaves que viajem nessa velocidade, esse efeito é observado em experimentos realizados em aceleradores de partículas, nos quais prótons e elétrons, por exemplo, são acelerados a essa incrível velocidade.

Algumas partículas elementares têm um tempo de vida muito curto antes de se desintegrarem em outras. Quando estão viajando em velocidades próximas à da luz, elas ‘vivem mais’. Por exemplo: quando uma partícula elementar chamada muon (que tem cerca de 200 vezes a massa do elétron) está em repouso em relação a um observador, ela tem um tempo de vida de 2,2 milionésimos de segundo. Quando está viajando a 99,94% da velocidade da luz em relação a esse mesmo observador, ela permanece estável por 64 milionésimos de segundo. Contudo, para a partícula, passaram-se os mesmos 2,2 milionésimos de segundo.

Se enviássemos uma espaçonave para Alfa Centauri a uma velocidade de 99,9% da velocidade da luz, para quem fica na Terra a viagem demorará um pouco mais de quatro anos, afinal, a estrela está a 4 anos-luz de distância. Mas, para quem está na espaçonave, a viagem demoraria pouco mais de dois meses. Como isso é possível?

Associado ao efeito de dilatação temporal, existe o efeito de contração do espaço. Quem está na espaçonave, viajando em velocidade constante, tem a sensação de que está em repouso e todo o resto está se movendo em sua direção. Temos percepção semelhante quando viajamos por uma estrada reta com o automóvel mantendo sempre a mesma velocidade. Parece que são as árvores, os postes etc. que se movem e nós estamos parados.

De acordo com a teoria da relatividade, se nos movêssemos em velocidades próximas à da luz, teríamos a sensação de estar em repouso e de que todo o universo está se aproximando de nós. E, de fato, o espaço percorrido seria mais curto. Isso acontece porque o espaço e o tempo estão interligados, formando um contínuo ‘espaço-tempo’. Portanto, uma dilatação do tempo corresponde a uma contração do espaço na direção em que estamos nos movendo.

No caso da viagem para Alfa Centauri que imaginamos acima, teríamos percorrido apenas a distância de pouco mais de 2 meses-luz, ou aproximadamente 1,7 trilhões de quilômetros, e não os mais de 40 trilhões de quilômetros que separa Alfa Centauri da Terra.

Mas ainda demorará muito para conseguirmos fazer nossa primeira visita ao planeta recém-descoberto em Alfa Centauri. Por enquanto, resta-nos apenas espiar de longe e usar a imaginação.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

A Física Quântica e o Nobel

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Fri, 26 Oct 2012 19:58:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 19/10/2012

Todos os anos, no começo do mês de outubro, cria-se no meio científico muita expectativa em relação ao anúncio dos ganhadores do prêmio Nobel. Esse prêmio é considerado uma das mais importantes honrarias para os cientistas – embora também seja concedido para as áreas de literatura e paz, que não estão associadas à investigação científica.

Com relação ao prêmio de física de 2012, até brinquei com os meus alunos que eu não tinha recebido nenhum telefonema da Academia Real Sueca de Ciências – instituição responsável pela escolha – e teria que esperar o próximo ano. Eu sei que é altamente improvável que eu receba esse telefonema, mas sem dúvida todo físico um dia sonhou em ganhar tal honraria.

O primeiro laureado com o prêmio Nobel de Física, em 1901, foi o físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), pela descoberta dos raios X, uma radiação eletromagnética com comprimento de onda da ordem de um décimo de nanômetro (um nanômetro equivale a um bilionésimo de um metro) e que pode ser utilizada para o estudo das estruturas atômicas e a realização de imagens do interior do corpo humano – aplicação bem conhecida.

Neste ano, o prêmio foi dado ao pesquisador francês Serge Haroche e ao norte-americano David J. Wineland pela criação de “métodos experimentais que permitem medir e manipular sistemas quânticos individuais”. É mais um prêmio concedido ao desenvolvimento de um dos pilares da física: a física quântica.

Esse ramo da física começou a ser desenvolvido no início do século 20, quando novas descobertas começaram a mostrar que os conceitos da física clássica (a mecânica newtoniana, o eletromagnetismo e a termodinâmica) não conseguiam explicar alguns resultados experimentais observados.

Um exemplo foi a teoria proposta em 1899 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) para explicar o comportamento da radiação emitida por um corpo negro. Um corpo negro ideal é um corpo que absorve toda a radiação incidente sobre ele e, depois de aquecido, emite radiação com determinada característica. Se fossem utilizados o eletromagnetismo e a termodinâmica conhecidos na época para explicar esse comportamento, surgia uma discordância entre os conceitos teóricos e os resultados experimentais.

Planck então deduziu uma fórmula que descrevia os resultados experimentais. Para obtê-la, ele introduziu o conceito de que a energia em um corpo negro somente poderia ser absorvida na forma de valores discretos, em ‘pacotes’ – ou quanta, termo em latim que acabou batizando o ramo da física que nascia ali.

O físico propôs que a energia era resultado da multiplicação da frequência da radiação por uma determinada constante, que posteriormente foi batizada com seu nome (constante de Planck) e é igual a 6,62 x 10^-34 J.s (onde J = joule, unidade de energia; s = segundo). Esse é considerado o marco do início da física quântica. Por essa descoberta e outras contribuições, Planck recebeu o Nobel de Física em 1918.

Novos conceitos

No século 20, ocorreram os principais desenvolvimentos no campo teórico da física quântica. A grande maioria dos prêmios Nobel de Física naquele século foi dada a avanços tanto na teoria como em experimentos e aplicações desse ramo da física.

Um dos conceitos introduzidos pela física quântica que tiveram impacto profundo na nossa compreensão da natureza foi o princípio da incerteza (ou princípio da indeterminação), proposto pelo físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976) em 1927. Esse princípio introduziu a ideia de que é impossível conhecer com absoluta certeza simultaneamente a posição e a quantidade de movimento de uma partícula.

Esse princípio também limita nossa percepção em relação ao tempo e à energia de uma partícula. Essa limitação não é tecnológica, mas sim uma imposição da natureza e faz parte da essência do mundo em escala atômica.

Heisenberg não apenas desenvolveu esse princípio, mas também uma nova teoria para explicar o comportamento dos entes atômicos que ficou conhecida como mecânica quântica matricial. Nessa teoria, as propriedades das partículas são descritas por matrizes e podem ser calculadas pela realização de operações entre essas matrizes. Por essas contribuições, ele foi laureado com o Nobel de Física em 1932.

No ano seguinte, a Fundação Nobel concedeu o prêmio para o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) e o físico britânico Paul Dirac (1902-1984) por desenvolvimentos de novas versões da teoria quântica. Schrödinger formulou uma teoria ondulatória para explicar o comportamento dos entes quânticos e Dirac mostrou que tanto a teoria de Schödinger quanto a de Heisenberg eram equivalentes, ou seja, levavam aos mesmos resultados. Dirac também ampliou essas teorias, ao incorporar os conceitos da teoria da relatividade restrita de Einstein, e criou uma versão relativística da física quântica.

Física quântica aplicada

Descobridores de aplicações dos princípios da física quântica também receberam vários prêmios Nobel de Física. Um deles foi concedido em 1964 aos físicos russos Nicolay Basov (1922-2001) e Alexander Prokhorov (1916-2002), por seus trabalhos fundamentais que permitiram o desenvolvimento do laser (fonte de luz com comprimento de onda bem definido). As aplicações do laser são inúmeras, desde a utilização na leitura de CDs e DVDs até a realização de cirurgias e o tratamento de doenças.

No caso do prêmio Nobel de Física deste ano, os ganhadores, trabalhando de maneira independente, desenvolveram técnicas que permitiram isolar partículas e observar seu comportamento individual.

David J. Wineland desenvolveu uma armadilha para prender íons (átomos eletricamente carregados) em campos elétricos e conseguiu deixar essas partículas no seu nível mais baixo de energia, o que permitiu a observação de seus efeitos quânticos. Já o francês Serge Haroche aprisionou fótons dentro de uma pequena cavidade entre dois espelhos e conseguiu obter a reflexão de apenas um único fóton antes que ele fosse absorvido pelos próprios espelhos.

Ganhar o prêmio Nobel de Física é apenas para poucos pesquisadores e é um reconhecimento da importância da descoberta por eles realizada. Claro que muitas vezes se discute a relevância do feito e se o trabalho de outro pesquisador que também contribuiu para a descoberta foi desconsiderado. Mas o fato é que o cientista que ganha o prêmio Nobel deixa seu nome marcado na história.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Ser ou não ser físico, eis a questão!

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Mon, 01 Oct 2012 14:33:00 +0000

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 21/09/2012

Com o início do segundo semestre escolar, para muitos estudantes que estão concluindo o ensino médio ou para aqueles que estão fazendo cursinhos pré-vestibular, começa a angústia com a proximidade das provas dos vestibulares e do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), a porta de entrada para grande parte das universidades federais brasileiras.

Devido aos artigos que escrevo para esta coluna (creio eu), muitas pessoas me escrevem perguntando sobre física, mas também muitos estudantes me questionam sobre a carreira de físico, querendo saber em que e onde poderão trabalhar, quais as oportunidades de trabalho em empresas e qual universidade eles devem procurar para fazer esse curso.

Curiosamente, alguns estudantes estão procurando argumentos para convencer seus pais sobre essa escolha. Para muitas pessoas, trabalhar com física se limita a ser professor no ensino médio. Como a carreira de professor não é uma das mais bem remuneradas, é natural que os pais fiquem preocupados com a escolha dos filhos para exercer tal profissão.

A física é uma ciência fascinante. Com a proposta de tentar compreender o mundo ao nosso redor na sua forma mais íntima, a física se baseia em modelos e teorias fundamentais que explicam desde a estranha natureza dos entes subatômicos até a complexidade das galáxias e a expansão do universo, passando pela compreensão de fenômenos cotidianos, como o movimento dos objetos, o congelamento da água, o azul do céu, as cores do arco-íris e a brancura das nuvens.

Além disso, eletrônica, computação, telecomunicações, naves espaciais, entre outras tecnologias, somente foram possíveis a partir da compreensão que a física construiu sobre as propriedades da matéria e da energia.

Contudo, para muitos estudantes, talvez ela seja a disciplina de maior dificuldade nas provas dos vestibulares e do Enem. A física, pela sua forma particular de compreender a natureza e pela necessidade de utilizar a linguagem matemática – outra grande barreira para a maioria dos estudantes brasileiros –, talvez seja uma disciplina que assuste. Além disso, como em todas as disciplinas, há uma grande carência de bons professores de física no ensino médio, e também no superior.

Modelos de físicos

O físico mais famoso de todos os tempos é, sem dúvida, Albert Einstein (1879-1955). Com seu jeito meio desligado, cabelos espetados e roupas desalinhadas – Einstein tinha muitos paletós iguais para não perder tempo escolhendo-os –, acabou criando um estereótipo tipo ‘cientista maluco’. Mas suas contribuições para a física colocam-no, de fato, como um dos maiores de todos os tempos (se não for o maior).

Contudo, para muitos jovens estudantes, talvez surjam como exemplos de físicos os personagens Sheldon e Leonard, da série de televisão The Big-Bang Theory. Na série, vemos esses dois físicos – além de um astrofísico e um engenheiro – comportarem-se como ’nerds’. Embora a grande maioria dos físicos não seja ‘nerd’ como Sheldon e Leonard, é interessante discutirmos um pouco cada personagem para compreender melhor o trabalho dos físicos.

Sheldon é um físico teórico, ou seja, um físico que normalmente trabalha com teorias fundamentais, por meio da realização de cálculos matemáticos sofisticados e normalmente necessita usar grandes computadores. Algumas das teorias com que esses físicos trabalham ainda não foram verificadas experimentalmente. No seriado, algumas vezes, Sheldon se refere à teoria de supercordas, uma teoria que poderá unificar os dois pilares fundamentais da física, a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral.

A primeira descreve as estruturas menores da matéria a partir de três das quatro interações fundamentais: força nuclear forte, força nuclear fraca e a força eletromagnética. A segunda é a teoria fundamental da gravitação, que consegue descrever com grande precisão os movimentos dos planetas, estrelas, galáxias e a própria expansão do universo.

Essas teorias, porém, não podem ser aplicadas de maneira conjunta, pois levam a resultados contraditórios. Nesse aspecto, a teoria de supercordas propõe que os entes fundamentais da natureza sejam ‘cordas’ de energia vibrando com diferentes frequências em 11 dimensões. Alguns propõem que ela poderia ser uma alternativa às teorias atuais. Contudo, ela ainda não foi verificada experimentalmente.

Para verificar teorias e tentar descobrir novos fenômenos, entra em cena o físico experimental – no caso, Leonard, que utiliza lasers para estudar comportamentos fundamentais da matéria.

Um físico experimental trabalha em laboratórios nos quais realiza experimentos para tentar compreender a natureza. Algumas vezes, necessita de enormes equipamentos, como as máquinas de luz síncrotron. Estas produzem raios X em alta intensidade para estudar a estrutura da matéria. Outro exemplo é o LHC, – o Grande Colisor de Hádrons –, que provoca a colisão de prótons com antiprótons para criar novas partículas elementares.

Entretanto, a maioria dos físicos experimentais trabalha em laboratórios menores, nas universidades ou em institutos de pesquisa, realizando experimentos cotidianamente, como é meu caso, que estudo magnetismo e materiais magnéticos.

Em meu laboratório, para compreender as propriedades magnéticas dos materiais, costumamos utilizar equipamentos muito sensíveis, capazes de detectar os campos magnéticos gerados por até algumas camadas de átomos – que podem ser 1 trilhão de vezes menor que o campo magnético da Terra.

Realizamos também experimentos em temperatura próxima ao zero absoluto (-273 oC), passamos corrente elétrica, incidimos luz, entre outras coisas, tudo para descobrir como os materiais reagem e tentar compreender os mecanismos físicos que estão ocorrendo.

Forte formação e grande satisfação

Tanto os físicos teóricos como os experimentais precisam ter uma forte formação em física e matemática. Embora os teóricos dominem os métodos de cálculo sofisticados, eles também têm que conhecer como funcionam os experimentos para compreender os resultados experimentais que podem validar ou não uma teoria por ele desenvolvida.

O físico experimental também tem que conhecer as teorias relacionadas aos problemas que estuda para poder planejar experimentos e obter os resultados esperados.

As áreas nas quais os físicos podem atuar são diversas. Temos físicos trabalhando em campos como materiais, biofísica, medicina, metrologia, agricultura, energia nuclear, mercado financeiro, indústrias, entre outros.

No entanto, ainda existem poucos físicos trabalhando em indústrias. Para aproximar mais esses dois atores, há 12 anos surgiu o primeiro curso de engenharia física no Brasil, na minha universidade, a Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Várias turmas de engenheiros físicos já se formaram e a grande maioria conseguiu boas posições e trabalha em diversas empresas dos mais variados ramos.

Finalmente, outro campo de atuação importante do físico é o ensino de física, de fundamental importância para o Brasil. Existe um déficit imenso de professores dessa disciplina, da ordem de quase 100 mil professores. Esses profissionais são fundamentais para formar os estudantes do ensino médio com bom conhecimento em física, que, por sua vez, são essenciais a todas as profissões da área de exatas e tecnológicas.

Cabe mencionar que está tramitando no Congresso Nacional o projeto de lei que regulamenta a profissão de físico. O texto foi aprovado esta semana na Câmara dos Deputados e encaminhado ao Senado. Com a promulgação da lei, os físicos terão suas atividades mais valorizadas e bem definidas no mercado de trabalho.

Enfim, ser físico é uma escolha difícil e requer muita dedicação, não somente na formação, mas também no trabalho. Para ser um pesquisador, além do curso, é necessário fazer também um mestrado e um doutorado. O importante é escolhermos algo que nos dê satisfação e nos mantenha sempre progredindo.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Quem é doutor? - 2

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Wed, 12 Sep 2012 09:59:00 +0000

No site da Revista Época dessa semana foi publicado um interessante texto da Jornalista Eliane Brum, sobre a questão do uso do título de doutor por médicos e advogados. Neste texto a jornalista faz uma interessante análise sobre essa questão mostrando que o uso desse título que está fortemente arreigado na cultura brasileira tem haver como uma questão de submissão social.
Para ver a matéria completa, vejam nesse link.

Há 4 anos escrevi um texto sobre esse tema também aqui mesmo no blog. É um dos posts mais visitados com mais de 4000 visualizações e mais de 30 comentários. Muitos comentários são dos advogados e médicos se defendendo que eles devem ser chamados de doutores e outros defendo de quem é doutor apenas quem fez doutorado. Vale a pena conferir, principalmente os comentários nesse link.

Normalmente quem é doutor quase nunca faz questão de ser chamado como tal. Apenas como exemplo, nessa semana estou em um congresso na Itália, com mais de 1000 físicos, praticamente todos doutores (exceção aos estudantes que ainda estão fazendo doutorado) e não vi (normalmente nunca acontece) alguém ser chamado de Doutor. Apenas usa-se em algumas situações o título de Professor (em inglês Professor é diferente de teacher, que é usado para os professores de universidade e teacher para professores em geral).

Poderes à Prova

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 19 Aug 2012 16:09:00 +0000

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 17/08/2012

Entre maio e agosto, muitos filmes são lançados nos cinemas norte-americanos, e consequentemente, no Brasil. Em 2012 não tem sido diferente. E tal como nos últimos anos, entre os principais sucessos estão os filmes de super-heróis. Vingadores, Homem de Ferro, Homem-Aranha, Batman, Superman, Capitão América e outros ganham destaque nas telas de cinema, talvez pelo apelo que esses personagens têm em diversas faixas etárias. Muitos, como eu, os conhecem desde a infância. Outros podem estar em seu primeiro contato.

A grande maioria desses personagens foi originalmente criada em um tipo particular de literatura: as histórias em quadrinhos. Nas tiras de jornais ou em revistas exclusivas surgiram heróis e vilões com poderes sobre-humanos, como capacidades de voar, levantar objetos pesando muitas toneladas, vencer grandes distâncias rapidamente, entre outros.

Os criadores dos super-heróis explicam a origem dos superpoderes de diversas formas. Alguns decorrem da ação de radiações ou drogas que provocam alterações no organismo. Em outras situações, os poderes surgem de uma ‘herança genética’ ou processo evolutivo diferenciados, como a de um ser nascido em outro planeta. Eles podem ser ainda ‘fabricados’ com a ajuda de tecnologias avançadas.

O mais famoso dos super-heróis é o Superman, que surgiu em 1938, em uma história em quadrinhos. Por ter nascido em um planeta diferente (Kripton), com uma gravidade muito maior do que a da Terra e na órbita de uma estrela gigante vermelha, ao ser enviado ao nosso planeta, com ação da gravidade menor e na órbita de uma estrela amarela (o Sol), apresenta características especiais.

Os superpoderes do Superman são realmente fantásticos. Ele pode voar em altíssimas velocidades (algumas vezes até mais rápido do que a luz) e tem superforça, supervisão, superaudição, visão de calor e de raios X. Será que tais poderes seriam possíveis na vida real?

Infelizmente, do ponto de vista da física, as habilidades do Superman são impossíveis. Por exemplo, seu voo acontece sem que nada o impulsione. Todos os movimentos decorrem da ação de uma única força. Para um avião a jato voar, por exemplo, ele usa turbinas que sugam o ar e, em seguida, o expele com grande força, para que ocorra uma reação, igual e contrária – como prediz a terceira Lei de Newton (conhecida também como princípio da ação-reação) – que o impulsiona para frente.

Da mesma forma, quando caminhamos, a força de atrito que existe entre os nossos pés e o chão reage à força que aplicamos nesse último e nos faz andar. No caso do Superman, não observamos nada parecido. Ele simplesmente voa.

Entre os outros poderes, a visão de raios X talvez seja o mais difícil de justificar. Quando observamos qualquer objeto, só o vemos porque ele está refletindo ou emitindo luz. Mesmo que os olhos do Superman emitissem raios X, estes não refletiriam na matéria da mesma maneira que a luz visível.

Ao incidir raios X sobre um objeto, como quando fazemos uma radiografia ou tomografia do nosso corpo, o processo é diferente. Uma parte da radiação atravessa o corpo e a outra é absorvida. Dependendo da forma que essa radiação é absorvida pelos diferentes tecidos, ocorrem os contrastes que sensibilizam o filme fotográfico (ou detector) colocado atrás do corpo, criando a imagem.

Superpoderes tecnológicos

Um dos meus super-heróis favoritos é o Homem de Ferro. Embora o personagem Tony Stark não seja um primor de bom caráter, a armadura que lhe dá superpoderes – que não é de ferro, e sim de metal – é realmente impressionante. Com ela, ele pode realizar façanhas incríveis, como voar a partir de propulsores nos pés e nas mãos, bem como emitir raios de alta energia capazes de destruir praticamente qualquer coisa.

Quando o personagem foi criado, na década de 1960, a mais avançada tecnologia da época eram os transistores. Transistores são dispositivos feitos de materiais semicondutores que podem ter a sua resistência elétrica ajustada para se comportar de diversas formas, de metais a isolantes. Essa propriedade permitiu a descoberta do efeito transistor, que faz com que esse dispositivo possa controlar o fluxo e amplificação da corrente elétrica em um circuito eletrônico.

A armadura do Homem de Ferro levava transistores especiais que transformavam a carga elétrica das baterias nas incríveis capacidades de voar, disparar raios, entre outras. Para essas proezas, não consigo imaginar o tamanho que deveria ter a bateria a ser carregada.

Por outro lado, nas recentes aparições do Homem de Ferro no cinema, as tecnologias usadas são mais compatíveis com os seus poderes. Na atual versão, a fonte de energia é um 'reator ark' – estampado em seu peito –, que parece funcionar com fusão nuclear a frio, pois, para realizar todos os seus feitos, necessitaria de uma enorme quantidade de energia, como as produzidas no processo de fusão. Mas a fusão nuclear ocorre no interior das estrelas ou nas armas nucleares.

A fusão nuclear a frio foi noticiada em 1989 pelos pesquisadores Martin Fleischmann e Stanley Pons, na Universidade de Utah, nos Estados Unidos. Ao estudar a implantação do deutério (isótopo de hidrogênio que possui um próton e um nêutron no núcleo atômico) em paládio, por meio uma reação eletroquímica utilizando 'água pesada' – na qual o deutério substitui o hidrogênio –, eles observaram um aumento na temperatura da solução e detectaram uma emissão anormal de nêutrons (que ocorre em processos de fusão nuclear).

Contudo, os resultados não foram reproduzidos e se concluiu na época que houve um erro de medida na emissão de nêutrons observada durante a reação. Curiosamente, o reator ark do Homem de Ferro utiliza o mesmo elemento.

Outros superpoderes

O Homem-Aranha é outro super-herói que acho muito interessante. Os seus poderes surgiram a partir da picada de uma aranha geneticamente modificada. O veneno da aranha alterou o seu código genético e lhe conferiu poderes especiais, como a capacidade de escalar paredes, força proporcional a uma aranha de tamanho humano e uma capacidade de pressentir quando está em perigo. Será que algo normalmente fatal poderia transformar dessa forma o corpo de uma pessoa?

Qualquer substância que ingerimos, seja por via oral ou intravenosa, pode afetar a bioquímica do corpo, ou seja, modificar os processos de funcionamento do organismo. Nenhuma substância conhecida poderia, em dose e escala de tempo tão pequenas, alterar a estrutura do código genético de todas as células do corpo e nos transformar em outra espécie, que é o caso do Homem-Aranha.

A ação de uma substância estranha normalmente prejudica o organismo. Reorganizar toda a estrutura molecular do DNA, que contém todas as informações genéticas de um indivíduo, de forma a criar uma espécie aprimorada, é muito difícil de acontecer. Seria também pouco provável uma habilidade de percepção extrassensorial seletiva, como é o caso do ‘sentido de aranha’ que lhe permite perceber perigos iminentes.

Embora os poderes dos super-heróis estejam fora de nossa realidade, suas aventuras, vitórias e derrotas são ótimas formas de diversão e podem nos levar, como todo tipo de conhecimento, a uma reflexão profunda. Talvez esse seja o verdadeiro superpoder desses super-heróis: a capacidade de estimular a nossa imaginação.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O Higgs, a massa e a ciência que prossegue

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sat, 28 Jul 2012 13:39:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20/07/2012

No dia 4 de julho de 2012, foi divulgado pelo Cern, o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares, a existência de uma partícula que pode ser o famoso bóson de Higgs, aquela que seria responsável pela massa de todas as partículas elementares. A existência de tal bóson foi prevista pelo físico britânico Peter Ware Higgs (1929-) em 1964.

Como manda a boa prática científica, não foi dito que a partícula descoberta é o bóson de Higgs, mas sim que existe uma grande probabilidade que seja. Os resultados obtidos têm uma precisão de 99,9%, ou seja, muito provavelmente a nova partícula detectada é o bóson de Higgs. Na verdade, não se detecta uma partícula nos enormes equipamentos do LHC (sigla para Grande Colisor de Hádrons), mas os ‘traços’ que elas deixam após trilhões de colisões.

A divulgação desse experimento foi extraordinária. Praticamente todos os veículos de comunicação apresentaram essa notícia, pois além de ser uma das descobertas científicas mais importante dos últimos anos, o apelido dado ao bóson de Higgs é, por si, só chamativo: “partícula de Deus”. Trata-se de uma alusão à onipresença divina; assim como Deus, essa partícula estaria presente em toda parte.

O apelido também está associado ao livro do físico Leon Lederman (1922-), ganhador do prêmio Nobel de Física em 1988 pelo seu trabalho com neutrinos (partículas que praticamente não têm massa). Lederman queria que seu livro se chamasse ‘A partícula maldita’ (The goddamn particle, no original), pela frustração diante da dificuldade de encontrá-la. Mas o editor trocou o título para A partícula de Deus, pois achou que o nome original poderia soar ofensivo.

A descoberta de uma partícula fundamental com essa alcunha pode sugerir a muitas pessoas associações com a divindade, levando-as a imaginar que finalmente a ciência pode ter descoberto (ou refutado) a existência de Deus. Do meu ponto de vista, não cabe à ciência discutir aspectos religiosos, como também não cabe à religião discutir aspectos relacionados ao campo da ciência. São duas formas diferentes de compreender o mundo e o ser humano.

Se por um lado o bóson de Higgs não pode explicar a existência ou não de Deus, por outro, pode explicar a existência da massa. Mas o que é a massa? Por que os cientistas divulgam que essa partícula tem a massa de 125 (ou 126) GeV? Energia é uma unidade de massa?

Entendendo a massa

Em nosso cotidiano, a ideia de massa está normalmente associada à de peso. Nunca perguntamos para uma pessoa qual é a sua massa, mas, sim, o seu peso (que para muitos é uma pergunta indiscreta). Quando subimos em uma balança, ela nos informa que a nossa massa é “x” quilos (para alguns, como eu, muitos quilos!).

Peso é a força que a gravidade da Terra faz sobre os corpos próximos da superfície, sendo proporcional à aceleração da gravidade (g = 9,8 m/s2), que é o valor do campo gravitacional na superfície da Terra. Por isso, quem tem 100 kg de massa pesa 980 newtons (unidade correta para a força peso).

Por outro lado, todos já tivemos a experiência de empurrar um grande objeto ou sabemos o quanto é difícil frear um caminhão ou ônibus com várias toneladas. Quanto maior for a massa de um corpo, mais difícil será alterar o seu estado de movimento, ou seja, maior deverá ser a força aplicada.

Foi o físico inglês Isaac Newton (1642-1727) que propôs tanto as leis do movimento quanto a lei da gravidade, que explica a atração entre os corpos com massa. A primeira lei de Newton está associada à inércia do corpo, ou seja, à capacidade destes manterem o seu estado de movimento quando não há aplicação de nenhuma força.

A segunda lei de Newton mostra que a força exercida sobre um corpo é o produto entre massa e aceleração. Existe ainda a terceira lei de Newton, que diz que todo corpo que sofre a ação de uma força reage, mas em sentido contrário, com igual intensidade.

Podemos observar que tanto na gravidade quanto na dinâmica dos movimentos a massa é o fator determinante. Contudo, ela tem um papel diferente em cada situação. Na gravidade, a massa desempenha o papel de uma ‘carga gravitacional’, regulando a intensidade de uma força fundamental da natureza. No movimento, ela está relacionada com uma ‘resistência’ a se modificar o estado de movimento do corpo. Dessa forma, em princípio, existiriam dois tipos de massa: a massa gravitacional e a massa inercial, ambas com o mesmo valor. O próprio Newton percebeu esse fato, mas não conseguiu explicar o porquê disso.

Foi o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) que respondeu essa questão, por volta do ano de 1907. Nessa época, ele trabalhava num escritório de patentes, em Berna, Suíça, e teve o insight que uma pessoa em queda livre não perceberia o seu próprio peso. A partir disso, ele propôs o ‘princípio da equivalência’, segundo o qual é impossível distinguir se um corpo está sob a ação de um campo gravitacional ou em movimento acelerado.

Com essa ideia, Einstein desenvolveu a teoria da relatividade geral em 1915, que explica os efeitos da gravidade e dos movimentos acelerados dos corpos. Einstein mostrou que a massa, ora se manifesta como ‘inércia’, ora como ‘gravidade’ (esse tema foi abordado anteriormente na coluna “o enigma do movimento”).

A relação entre massa e energia

Alguns anos antes, em 1905, Einstein propôs também a teoria da relatividade restrita, que, entre os diversos resultados, talvez um dos mais importantes foi mostrar a equivalência entre massa e energia, por meio da famosa equação E=mc2 (na qual m é a massa e c, a velocidade da luz). Esse resultado vem do fato de a velocidade da luz ser a velocidade limite do universo.

Quando tentamos transferir energia para um corpo se movendo com velocidade próxima à da luz, essa energia não se converte completamente em energia de movimento, mas aumenta a massa inercial do corpo, aumentando a dificuldade de se alterar o seu movimento, ou seja, de tirá-lo do estado de inércia. Por esse motivo, quando se fala na massa de uma partícula fundamental, como a do próton, se refere a sua massa de repouso. Para o próton, esse valor é 1,67x10-27 kg.

Sempre inacabada

A importância da descoberta experimental do bóson de Higgs é a validação do chamado Modelo Padrão, que previu a existência de dezenas de partículas fundamentais, como os quarks, que são as partículas que constituem os chamados hádrons (como os prótons e nêutrons).

Se os resultados do Cern forem validados, se confirmará a teoria que prevê os valores de massa das partículas elementares, como a do próton. Segundo o Modelo Padrão, proposto inicialmente pelo físico estadunidense Steven Weinberg (1933-), quando o universo se resfriou após o Big Bang, o campo de Higgs formou-se junto a partículas associadas, os bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.

Mas mesmo que a existência do bóson de Higgs seja confirmada, a física ainda não estará acabada. Existem muitas perguntas ainda a serem respondidas e novos desafios hão de surgir. Essa é a magia da ciência!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

A matéria em diferentes escalas

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sat, 28 Jul 2012 13:23:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 22/06/2012

Em diversas oportunidades nesta coluna, falamos sobre planetas, estrelas e galáxias. Em outros momentos, também abordamos temas como átomos e moléculas, que, ao interagirem, dão forma a tudo que percebemos ao nosso redor. Também discutimos como o homem pode manipular tais estruturas fundamentais e produzir novos materiais que modificaram (e modificam) as nossas vidas.

Em um primeiro momento, podemos pensar que a vastidão do cosmos e complexidade dos átomos não estão conectadas. Afinal, as galáxias localizam-se a milhões ou até bilhões de anos-luz de distância (um ano-luz representa a distância que um raio de luz percorre durante um ano e equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros) e são necessários gigantescos telescópios para detectar a fraca luz que nos chega a partir desses objetos.

Por outro lado, as estruturas fundamentais da matéria são tão pequenas, da ordem de décimos de nanômetro (um nanômetro é um bilionésimo do metro), que somente são acessíveis com poderosos microscópios eletrônicos, que, mesmo assim, nos mostram apenas uma pequena parte de toda a sua complexidade.

Tanto as estrelas das galáxias quanto uma folha de árvore são feitas de átomos. Os átomos são basicamente constituídos de prótons (partículas com carga elétrica positiva) e de nêutrons (sem carga elétrica) – que formam o núcleo atômico – e de elétrons (partículas com carga elétrica negativa). Estes se mantêm presos ao núcleo atômico devido à atração elétrica entre suas cargas e as dos prótons (também chamada de atração coulombiana).

Simplicidade estelar

Os átomos que compõem as estrelas das galáxias, em sua maior parte, são os mais simples da natureza: o hidrogênio e o hélio. O hidrogênio tem apenas um próton em seu núcleo e o hélio, dois prótons e dois nêutrons. Devido às altas temperaturas em que eles se encontram no interior das estrelas, esses átomos estão completamente ionizados, ou seja, seus elétrons não estão mais ligados ao núcleo atômico e a matéria permanece em um estado particular que chamamos de plasma.

No núcleo de uma estrela, a temperatura atinge dezenas de milhões de graus Celsius. Nessa condição extrema, os núcleos de hidrogênio se movem com tanta velocidade – com altíssimas energias – que conseguem vencer a repulsão elétrica que existe quando duas cargas com o mesmo sinal se aproximam.

Quando eles se aproximam a uma distância da ordem de 10-15 metros, outra força fundamental da natureza entra em ação: a força nuclear forte. Essa força é a mais intensa que existe no universo (cerca de 100 vezes mais intensa que a força elétrica), porém o seu alcance é muito limitado (10-15 m).

Quando quatro átomos de hidrogênio colidem, ocorre a formação de um núcleo do átomo de hélio.

Nesse processo, dois prótons (que são núcleos dos átomos de hidrogênio) se transformam em dois nêutrons e são emitidas duas partículas com a mesma massa do elétron, mas com carga elétrica positiva, às quais se denomina pósitron.

O núcleo do átomo de hélio e as partículas produzidas nesse processo têm massa menor do que a dos quatro prótons de hidrogênio iniciais. A diferença de massa é convertida em energia, como previsto pela equação de Einstein E=mc², na qual m é a diferença de massa e c a velocidade da luz. Como c tem um valor muito grande, uma pequena quantidade de massa equivale a uma enorme quantidade de energia.

Uma estrela como o Sol transforma, a cada minuto, algo em torno de 36 bilhões de toneladas de hidrogênio em hélio, liberando uma energia equivalente à queima de 8×1020 (oito seguido por 20 zeros) litros de gasolina por minuto, ou mais de 10 milhões de vezes a energia derivada da produção anual de petróleo da Terra.

Esse processo continua ocorrendo em uma estrela durante bilhões de anos. O Sol, por exemplo, existe há mais de 5 bilhões de anos e continuará brilhando ainda por outros 5 bilhões. A transformação de núcleos atômicos também acontece em estrelas com mais massa que o Sol e forma átomos mais complexos, como o carbono, o oxigênio, entre outros.

Complexidade ao nosso redor

As condições em que vivemos no nosso planeta permitem que os átomos que estão ao nosso redor se combinem e formem estruturas mais complexas e estáveis, que chamamos de moléculas. Nesse caso, quem domina é a força de interação entre os elétrons, que possibilita a combinação de diferentes tipos de átomos.

Por exemplo: a molécula da água, que é composta por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H₂O), tem uma estrutura molecular muito simples que lembra um ‘V’ aberto, com o átomo de oxigênio no seu vértice e os átomos de hidrogênio nas pontas. Essa estrutura ocorre devido à repulsão elétrica (chamada de repulsão coulombiana) existente entre esses átomos, que estão unidos por uma ligação química denominada covalente.

Tanto o hidrogênio como o oxigênio são átomos pequenos, que tornam a molécula da água leve. As moléculas de água se ligam entre si por meio de uma ligação química conhecida como ponte de hidrogênio. Se não fosse esse tipo de ligação, a água seria um gás em temperatura ambiente e ficaria líquida apenas em baixas temperaturas.

Combinações não tão simples entre átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio etc. permitem formar moléculas tão complexas como as de DNA (ácido desoxirribonucleico), que são a base da vida. Em certas condições, essas moléculas são capazes de se copiar e, assim, permitir o surgimento de estruturas ‘vivas’ tão complexas como nós.

Seja nas estrelas – tanto as próximas quanto as das distantes galáxias –, seja na Terra, as leis que regem a ‘química nuclear’ são as mesmas. A matéria, em suas diferentes formas, é constituída do mesmo modo em todos os lugares do universo. Apenas as transformações e combinações dos átomos são diferentes. E são as condições locais que permitem o surgimento dessa grande variedade de estruturas, desde microscópicas formas de vida até gigantescas estrelas.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

O Jornal Nacional reforça mais uma vez um concepção errada sobre estações do ano

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Thu, 21 Jun 2012 11:34:00 +0000

Nessa semana no dia 20 de junho começou o inverno. Como em outras oportunidades explicamos aqui no blog o porque das estações do ano. Vejam esse que já fizemos aqui no blog (Os segredos que o frio esconde). Vejam também esse post (O Sol não nasce no Leste), referente a uma pequena pesquisa que fiz no blog no ano passado, exatamente sobre as estações do ano.

Mas a notícia vinculada no Jornal Nacional da Rede Globo faz um enorme desserviço para a educação brasileira. O mito de que começa o inverno quando a Terra está mais afastada do Sol é o erro mais nefasto que pode se ter para explicar algo tão simples e comum.
Deveria ter uma retratação, pois como todo emissora de TV aberta utiliza um espaço público tem que ter um compromisso com a seriedade dos conhecimentos.
Infelizmente, veja o video abaixo.

Por favor divulguem para que espantemos essa ignorância!

Pouco divulgada, muito aplicada

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 20 May 2012 23:17:00 +0000

Coluna Física de mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada 18/05/2012

Todos os anos, na segunda semana de maio, mais de mil físicos brasileiros se deslocam para o interior de São Paulo ou, algumas vezes, para o interior de Minas Gerais. Em cidades como Águas de Lindoia, Caxambu ou São Lourenço, esses pesquisadores, há décadas, se reúnem na mais antiga e tradicional reunião promovida pela Sociedade Brasileira de Física: o Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada. Como eu sou um desses físicos que migraram este ano para Águas de Lindoia, vou contar para vocês um pouco sobre esse fascinante ramo da física.

Física da matéria condensada é a área da física que tem mais linhas de pesquisa e que envolve mais físicos. Apesar disso, costumamos receber mais notícias sobre a física de partículas, principalmente sobre as produzidas no LHC (o Grande Colisor de Hádrons), ou das espetaculares imagens feitas pelo telescópio espacial Hubble. Entretanto, é a da matéria condensada que proporciona os mais importantes desenvolvimentos tecnológicos. Talvez a divulgação mais escassa dessa área se deva ao longo processo que em geral transcorre entre uma descoberta e sua aplicação.

Os pesquisadores que trabalham nesse campo investigam as propriedades físicas da matéria, a partir das interações entre átomos e moléculas. Utilizando as leis da mecânica quântica, do eletromagnetismo e da mecânica estatística, constroem modelos que permitem compreender os fenômenos físicos fundamentais e como estes podem se transformar em aplicações tecnológicas.

Até o começo do século 20, a compreensão das propriedades da matéria era limitada a uma descrição baseada na chamada física clássica, que tem como alicerces a mecânica newtoniana, a termodinâmica e o eletromagnetismo.

A primeira, proposta inicialmente por Isaac Newton, descreve os movimentos das partículas a partir dos efeitos das forças que atuam sobre elas. A termodinâmica, por sua vez, é um conjunto de leis que surgiram para explicar os fenômenos térmicos. Já o eletromagnetismo, consolidado por James C. Maxwell por volta de 1865, nos trouxe uma compreensão profunda dos campos elétricos e magnéticos, bem como da natureza da luz.

Com essas teorias, os físicos do século 19 acreditavam que tinham conseguido explicar toda a natureza. Entretanto, grandes revoluções científicas se seguiram e transformaram não somente a compreensão do mundo, mas também modificaram as nossas vidas.

Os primeiros passos

O ponto central para entender as propriedades fundamentais da matéria passa pela ideia do átomo. Até o final do século 19 e começo do século 20, ainda não estava bem estabelecida a existência dos átomos. Havia dúvidas entre físicos e químicos sobre se essa entidade, que ninguém conseguia ver, era o constituinte fundamental da matéria ou se era apenas um modelo para a descrição dos fenômenos físicos.

Em 1897, o físico inglês J. J. Thomson (1856-1940) observou em um tubo de raios catódicos (semelhantes aos antigos tubos de televisão) que, sob a ação de campos elétricos e magnéticos, esses ‘raios’ sofriam deflexão. Ele compreendeu que esses ‘raios’ deveriam ser um feixe de partículas carregadas eletricamente – já que estas sofrem a ação dos campos elétricos e magnéticos. Essa nova partícula fundamental foi batizada de elétron.

O elétron é uma partícula muito leve, com massa cerca de mil vezes menor do que os prótons e nêutrons – as outras partículas que constituem os átomos – e tem carga elétrica negativa – os prótons têm carga positiva e os nêutrons não têm carga. Além disso, os elétrons possuem uma outra propriedade fundamental chamada spin, que é o seu momento magnético intrínseco (Leia a coluna O spin que move o mundo).

A descoberta do elétron motivou o desenvolvimento do primeiro modelo da física da matéria condensada. O físico alemão Paul Drude (1863-1906) propôs em 1900 um modelo para explicar a condutividade elétrica dos metais, a partir dos movimentos dos elétrons. Ele imaginou que os elétrons se comportavam como se fossem partículas de um gás no interior do metal. Esse modelo, ainda baseado em conceitos da física clássica, conseguiu explicar com razoável precisão os valores medidos por essa grandeza física naquela época.

Alguns anos depois, o físico alemão Max von Laue (1879-1960) descobriu que os raios X, observados em 1895 por Wilhelm Röntgen (1845-1923), difratavam em cristais, da mesma forma que a luz difrata ao passar por um conjunto de fendas. Esse resultado indicou que os átomos deveriam estar organizados na matéria com estruturas bem definidas e periódicas, como se fossem, por exemplo, pequenos cubos interligados.

Paralelamente a essas descobertas, emergiu a mecânica quântica, uma nova física que foi logo aplicada para entender as propriedades dos materiais. Com o avanço tanto da teoria quanto dos experimentos e um imenso universo de perspectivas de aplicações, fez surgir a nossa atual sociedade tecnológica.

Aplicações por todos os lados
Ao longo do século 20, a física da matéria condensada gerou resultados impressionantes, que levaram a importantes aplicações tecnológicas. Praticamente todas as tecnologias avançadas que surgiram decorrem dessa compreensão mais profunda da matéria. Para exemplificar, vou destacar apenas algumas das descobertas mais relevantes.

Em 1911, Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) descobriu o fenômeno da supercondutividade em metais em temperaturas muito baixas, na ordem de -270 ºC. Quando os materiais se transformam em supercondutores, eles têm a capacidade de conduzir a corrente elétrica sem perda de energia e de expelir campos magnéticos no seu interior. A descoberta desses materiais permitiu a construção de bobinas supercondutoras que geram altos campos magnéticos. Esses campos são utilizados, por exemplo, nas máquinas de ressonância magnética e nos grandes magnetos do LHC.

Contudo, a supercondutividade somente foi compreendida no final da década de 1950, com a teoria proposta pelos físicos John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (1930-) e Robert Schrieffer (1931-). Utilizando os modelos da física da matéria condensada, esses pesquisadores explicaram o intrigante fenômeno. Mais detalhes podem ser conferidos na coluna de Carlos Alberto dos Santos ‘A centenária e misteriosa supercondutividade’. Por essa descoberta, esses físicos ganharam o premio Nobel de Física em 1972.

Curiosamente, anos antes, em 1948, John Bardeen, Walter Houser Brattain (1902-1987) e William Schockley (1910-1989) descobriram o chamado efeito transistor. Esse efeito, que ocorre devido à natureza quântica dos elétrons, permitiu a construção de transistores que vieram substituir as válvulas termoiônicas utilizadas nos equipamentos eletrônicos.

Esse dispositivo, que permite controlar o fluxo de corrente elétrica em um circuito, levou a uma revolução na eletrônica, pois ele é fundamental na construção dos computadores, telefones celulares, tablets entre outros equipamentos modernos. Esses pesquisadores, juntamente com William Bradford Shockley (1910-1989), receberam o prêmio Nobel de Física em 1956. John Bardeen, até hoje, foi o único cientista que ganhou dois prêmios Nobel de Física.

Esses foram apenas alguns exemplos das importantes descobertas feitas por pesquisadores que trabalham na área de física da matéria condensada. No evento que ocorreu este ano, muitos resultados apresentados talvez nunca se transformem em aplicações tecnológicas e apenas representem pequenos avanços na grande imensidão do conhecimento.

Contudo, alguns talvez possam, em pouco tempo, se transformar em aplicações importantes, como os relacionados ao confinamento de elétrons em grafeno – átomos de carbono dispostos em duas dimensões –, que podem levar a uma nova revolução nos dispositivos eletrônicos.

O encontro de físicos em eventos como este sem dúvida permite o avanço das ideias; novas colaborações surgem, ampliando ainda mais a fronteira do conhecimento.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Física no cotidiano

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Fri, 27 Apr 2012 14:20:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicado em 20/04/2012

O nascer do Sol é um dos mais belos espetáculos da natureza. Nas grandes cidades, infelizmente, ele passa despercebido, não somente devido à correria do dia a dia, mas também devido ao fato de que os altos prédios e a poluição acabam ocultando-o.

Quem sai cedo de casa eventualmente tem a chance de ver esse fenômeno. Talvez muitos de nós já tenhamos observado a rápida transição que ocorre no amanhecer. Parece que, em um instante, tudo está escuro e, minutos depois, o Sol domina o ambiente.

A grande influência do Sol sobre nós fez com que ele fosse considerado uma divindade em muitas culturas. A sua luz e o seu calor são essenciais para a manutenção da vida na Terra.

Praticamente todas as formas de energia usadas na nossa sociedade são oriundas do Sol. Por exemplo, a energia que extraímos dos alimentos foi quimicamente acumulada durante o processo de fotossíntese, por meio do qual as plantas usam a energia da luz solar para converter gás carbônico, água e minerais em compostos orgânicos e oxigênio gasoso.

Ao ingerir um alimento, nosso organismo quebra as ligações químicas dessas moléculas e obtém energia, que é armazenada em outras moléculas, como a adenosina trifosfato (ATP).

Quando nos dirigimos para o trabalho, seja por meio de automóveis, ônibus ou metrô, também utilizamos, de certa forma, a energia do Sol. Os biocombustíveis, gerados principalmente a partir da cana–de-açúcar (caso do etanol) e de óleos vegetais (caso do biodiesel), são exemplos disso.

Na produção de combustíveis fósseis, derivados do petróleo, também ocorre uma transformação da energia solar. Admite-se que a origem do petróleo esteja relacionada à decomposição dos seres que formam o plâncton e de outras matérias orgânicas – restos de vegetais, algas e animais marinhos –, em um processo que demora centenas de milhões de anos. Quando queimamos esses combustíveis, liberamos a energia química que foi acumulada na matéria orgânica durante esse tempo.

A energia hidrelétrica, que representa grande parte da matriz energética do Brasil, também depende da energia solar. No momento em que a água desce pela represa da usina hidrelétrica, fazendo com que as turbinas girem e produzam eletricidade, há o processo de transformação da energia de movimento (energia cinética) da água em energia elétrica. Para que a represa continue a ter água, é necessário que haja chuvas e estas só acontecem por causa da evaporação da água provocada pelo Sol.

Portanto, uma manhã ensolarada não é apenas prenúncio de um dia bonito. Ela deve servir também para nos lembrar da importância do Sol em nossas vidas.

O dia começa

Durante o dia, em nossos empregos ou em nossas casas, realizamos diversas atividades que dependem de certos dispositivos ou fenômenos e normalmente não temos noção de como eles funcionam ou ocorrem. Utilizamos, por exemplo, a radiação eletromagnética para controlar à distância televisores, aparelhos de DVD, videocassetes, videogames, computadores etc.

Geralmente esses equipamentos utilizam controles remotos que emitem radiação na faixa do infravermelho, com comprimento de onda entre 1 milímetro e 1 micrômetro (milionésima parte do metro). Esses comprimentos de onda são invisíveis aos nossos olhos, pois são muito longos (enxergamos comprimentos de onda entre 630 e 390 nanômetros).

Ao acionarmos os botões do controle remoto, ele emite pulsos longos e curtos que representam um código binário, que é convertido pelo aparelho receptor. Cada botão do controle remoto corresponde a determinado código, representado por frequências específicas que são enviadas para o equipamento controlado. Ao receber esses sinais, o aparelho os decodifica e realiza as operações solicitadas (trocar de canal, aumentar/diminuir o volume etc.).

Em nossas casas, também são comuns os fornos que utilizam radiações na faixa das micro-ondas (com comprimentos de onda entre 1 metro e 1 milímetro). Os fornos de micro-ondas comerciais operam com radiação de comprimento de onda de aproximadamente 12,2 cm.

Nesses aparelhos, o cozimento dos alimentos ocorre pela absorção da energia das micro-ondas pelo corpo. Como as micro-ondas são uma radiação eletromagnética, elas fazem com que as moléculas que apresentam dipolo elétrico (sistema com duas cargas elétricas opostas – positiva e negativa – e de mesmo valor), como as de água, oscilem e, como consequência, dissipem a energia absorvida.

Os aparelhos celulares, tão comuns atualmente, também operam na faixa das micro-ondas, mas com potência muito menor, da ordem de 3 watts. Nos fornos de micro-ondas, a potência é de aproximadamente 1.100 watts.

Já os computadores, smartphones e tabletsutilizam processadores que chegam a conter mais de um trilhão de componentes. Esses componentes são responsáveis pelo processamento das informações e conseguem transformar as centenas de gigabytes que estão armazenadas nos discos rígidos em imagens, sons, cálculos, textos etc.

Processos descritos pela chamada física quântica (que estuda os sistemas em escala atômica) ocorrem no interior desses dispositivos e os levam a executar operações lógicas que resultam em todas as maravilhas que os computadores realizam (saiba mais na coluna ‘Pequenos habitantes de um mundo próximo’).

A noite chega

Quando o dia termina, começam a surgir alguns pontos brilhantes no céu, que, em uma noite sem luar, longe das luzes da cidade, podem ser vistos aos milhares. Esses pontos, as estrelas, sempre nos maravilharam. Embora essa visão de céu noturno seja rara nos dias de hoje, ela é, sem dúvida, tão bela quanto o amanhecer.

Se olharmos com cuidado, perceberemos que as estrelas têm diversos tamanhos e cores e que estão dispostas de maneira a formar certos padrões, nos quais visualizamos algumas figuras. Chamamos esses agrupamentos de estrelas de constelações. Em certas regiões do céu, é possível perceber aglomerados com muitas estrelas e nuvens opacas (nebulosas). É o caso da constelação de Órion, uma das mais visíveis no céu, principalmente entre o início de dezembro e o final de maio ou começo de junho.

As estrelas podem ter diâmetros que variam de centenas de milhares de quilômetros (nosso Sol, por exemplo, tem 1,4 milhão de quilômetros) até mais de um bilhão de quilômetros, como é o caso de Betelgeuse, a estrela vermelha da constelação de Órion. Elas são formadas principalmente por hidrogênio e hélio em altíssimas temperaturas.

A quantidade de massa e a temperatura da estrela determinam seu tamanho e sua cor. E quanto maior a massa da estrela, mais quente ela tende a ser. A temperatura na superfície de estrelas com massa igual à do Sol é da ordem de 6.000 ºC, mas, em seu interior, esse valor atinge dezenas de milhões de graus Celsius.

Diante dos tamanhos desses distantes sóis, cuja luz viaja milhares de anos até chegar aos nossos olhos, nos lembramos do quanto somos pequenos comparados à imensidão do cosmos.

Mas nos congestionamentos de trânsito e nas filas de supermercados e bancos, pouco tempo nos sobra para refletirmos sobre esse complexo mundo que está a nossa volta. Precisamos incorporar um pouco mais a ciência ao nosso cotidiano, afinal, ela pode ser tão bela e fascinante quanto todos os fenômenos que explica.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Viagens da Laura - Finalista no concurso internacional de Blogs da Deutsche Welle

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Thu, 12 Apr 2012 12:17:00 +0000

Reproduzo abaixo a notícia vinculada na Agência FAPESP sobre o nosso Blog "Viagens da Laura", que faz parte da Radionovela "Verdades Inventadas". Ele concorre como melhor blog da língua portuguesa!

Agência FAPESP

O blog de divulgação científica Viagens da Laura, produzido pelo Laboratório Aberto de Interatividade (LAbI) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), está entre os finalistas do The BOBs, concurso internacional de blogs da emissora alemã Deutsche Welle.

O blog relata as aventuras de Laura, adolescente que é a protagonista da radionovela Verdades Inventadas, veiculada pelo LAbI em 2011. Na primeira fase do The BOBs, o blog foi selecionado para figurar entre os 11 finalistas na categoria “Melhor Blog em Português” por um júri internacional.

Na etapa atual, quem escolherá o vencedor é o público, que pode votar uma vez por dia no site do The BOBs, até o dia 2 de maio (no endereço http://thebobs.com/portugues/category/2012/best–blog–portuguese–2012). Para votar, é necessário estar conectado ao Facebook, Twitter ou a outras redes sociais.

Nos 37 episódios de Verdades Inventadas, que estão disponíveis no blog, Laura faz viagens imaginárias a partir de incentivos de seu novo professor de literatura. Nessas viagens, a protagonista encontra diversos personagens da ciência e das artes, como Einstein, Newton, Darwin, Mendel, Oswaldo Cruz, César Lattes, Clarice Lispector e Júlio Verne, com os quais passa por aventuras e descobertas.

O blog complementa as aventuras retratadas nos episódios da radionovela, com mais informações sobre os assuntos abordados e links para outros conteúdos relacionados.

Verdades Inventadas ganhou o prêmio Roquette Pinto e contou com o apoio da Rádio UFSCar e da Fundação de Apoio Institucional ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico da UFSCar.

“Estar entre os finalistas do The BOBs já é um reconhecimento importante do esforço que temos empreendido para disseminar o conhecimento científico e tecnológico utilizando ferramentas diversas, pautadas na interatividade”, disse Adilson Oliveira, professor do Departamento de Física da UFSCar e coordenador do LAbI.

Viagens da Laura: http://viagensdalaura.wordpress.com

A construção do conhecimento físico

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 18 Mar 2012 03:12:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 16/03/2012

A ciência é uma maneira de entender o mundo a nossa volta. Contudo, não é a única. As religiões, as artes, a filosofia, entre outras, são alternativas que também constroem uma visão específica sobre a natureza e de como o ser humano está inserido nela. Mas elas são muito diferentes da ciência.

A característica principal do pensamento científico é que as suas afirmativas, proposições e teorias não são absolutas, mas sempre relativas. Os modelos científicos devem sempre ser confirmados, seja por experimentos ou observações que deem sustentação aos postulados e às ideias dos cientistas.

Dentre os diversos ramos da ciência, a física, com a sua visão peculiar, é a que entende os fenômenos físicos na sua forma mais fundamental. As suas teorias são capazes de explicar situações que vão da escala atômica até o universo como um todo.

Além disso, as teorias físicas são válidas também ao longo do tempo. Ao observar as galáxias que estão muito distantes, há milhões de anos-luz (um ano-luz corresponde à distância que um raio de luz percorre durante um ano e equivale aproximadamente a 10 trilhões de quilômetros), não as vemos como elas estão nesse exato momento, mas sim como eram quando a luz partiu delas e viajou por milhões de anos, até chegar a nós.

Quando observamos o céu, estamos olhando para o passado. Ao analisar o espectro eletromagnético das estrelas de uma galáxia, identificamos os elementos químicos da mesma maneira que o fazemos aqui na Terra. Os resultados mostram que as leis físicas funcionam da mesma forma aqui e lá. De fato, os modelos físicos, até agora, funcionam da mesma maneira em qualquer lugar no espaço e no tempo.

Grandes rupturas

Os avanços das ideias ocorrem continuamente na física. A cada semana, milhares de artigos são publicados nas revistas científicas, apresentando novos resultados experimentais e modelos teóricos para explicar fenômenos físicos ou ainda propondo novos que não foram descobertos ou observados. Cabe aos físicos, muitas vezes, imaginar uma forma de comprovar ou refutar as teorias propostas.

Entretanto, em determinados momentos, surgem descobertas ou aparecem novas ideias que podem revolucionar a física. Segundo o filósofo da ciência estadunidense Thomas Kuhn (1922-1996), uma revolução científica acontece quando existe uma mudança de paradigma, ou seja, um determinado modelo ou conjunto de teorias se mostra esgotado para explicar novos resultados.

Uma dessas revoluções aconteceu no começo do século passado, quando o físico Albert Einstein (1879-1955) apresentou a sua teoria da relatividade. Essa teoria, já discutida em outras ocasiões nesta coluna, apresentou uma maneira diferente de entender os fenômenos físicos.

Na época, Einstein estava preocupado com a incompatibilidade que existia entre a chamada mecânica clássica, que foi desenvolvida primeiramente por Isaac Newton (1642-1727), e a teoria eletromagnética, consolidada pelo físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879).

A primeira descreve os movimentos dos corpos. A segunda explica o comportamento dos campos elétricos e magnéticos, mostrando que a luz é uma manifestação desses campos. Contudo, a abordagem das duas teorias simultaneamente se mostrava incompatível, embora os resultados experimentais da época confirmavam as previsões de ambas.

Einstein propôs, então, uma mudança de modelo, ou seja, introduziu novas ideias que permitiram remover as incompatibilidades existentes entre as duas teorias. Ele propôs que as leis físicas são válidas para todos os referenciais inerciais (referenciais que estão em repouso ou se movimentando com velocidade constante) e que a velocidade da luz é constante, independente do referencial do observador.

Em consequência desses dois postulados, os conceitos de espaço e tempo tiveram que ser alterados e estabeleceu-se uma velocidade limite para o universo: a velocidade da luz.

A teoria da relatividade foi tão bem-sucedida que milhares de experimentos verificaram as suas previsões. Mesmo os resultados recentes do experimento Opera (comentando em outra coluna), que supostamente detectaram neutrinos viajando mais rápido que a luz, foram contestados devido a possíveis falhas nos equipamentos.

No entanto, mesmo se os resultados forem de fato confirmados, os postulados de Einstein não serão completamente descartados, mas deverão, sim, ser modificados, da mesma forma que o físico modificou os postulados da mecânica clássica.

Entre validações e refutações

Atualmente, muitos estudos estão sendo realizados para testar os limites das teorias correntes. Entre eles destacam-se os experimentos que vêm ocorrendo no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), construído com o objetivo de encontrar partículas fundamentais da matéria que somente podem ser observadas em condições muito extremas – de altas densidades de energia.

O grande objetivo do LHC é encontrar o famoso bóson de Higgs. Essa partícula, prevista teoricamente na década de 1960 pelo físico britânico Peter Higgs, ainda não tem confirmação experimental. A sua descoberta validaria por completo o chamado Modelo Padrão, que explica o comportamento das partículas subatômicas.

A detecção do bóson de Higgs comprovaria a existência de um campo invisível que, de acordo com o Modelo Padrão, estaria presente em todo o espaço. O campo de Higgs explicaria a forma como a matéria obteve massa após o Big Bang. Explicando de onde vem a massa de todas as partículas, poderemos finalmente compreender o porquê da existência das estruturas do nosso universo, das estrelas, dos planetas e dos seres vivos.

Mais recentemente, cientistas do FermiLab, o laboratório de física de altas energias mais importante dos Estados Unidos, relataram a observação de resultados que seriam indicação da presença da misteriosa partícula, mas eles ainda não são definitivos e necessitam de confirmação.

Por mais atraente e charmosa que essa ideia possa ser, se os experimentos mostrarem que tal partícula não existe, o Modelo Padrão deverá ser reformulado. Uma nova teoria terá que surgir. E essa nova teoria deverá abranger todos os resultados que o atual Modelo Padrão explica, como as interações fundamentais entre as partículas elementares.

Esse processo de validação e refutação de teorias é que garante que a física, e a ciência em geral, avance. Diferentemente de outras formas de conhecimento, como a religião, em ciência, nenhuma verdade é absoluta ou definitiva; todas são relativas e podem sempre ser revistas.

Einstein, que é o aniversariante da semana, ficaria certamente feliz com os resultados que ainda confirmam e validam suas ideias. Mas também, muito provavelmente, ficaria excitado com um novo desafio a enfrentar.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Einstein ainda está correto! Os neutrinos não viajaram mais rápido do que a luz

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Thu, 23 Feb 2012 14:19:00 +0000

Dr. Einstein ainda está correto!

No final de setembro de 2011 os cientistas que trabalham no experimento Opera divulgaram que tinham observado neutrinos que viajavam com velocidade superior a da luz. Foi observado que os neutrinos produzidos no CERN e detectados em Gran Sasso na Itália (que estão separados pela distância de 730 km) chegaram 60 nanossegundos antes do esperado. O resultado, desde que foi divulgado, gerou muita polêmica pois era muito estranho tal fenômeno não ter sido observado anteriormente, por exemplo, nas explosões de supernovas, onde eles são produzidos em grande quantidade e alta energia. Sobre isso discuti na minha coluna na Ciência Hoje on line (Quem está correto, Dr. Einstein?).

Contudo, a revista Science, noticiou hoje (23 de fevereiro de 2012) que um problema de conexão entre um GPS e um computador foi a origem do erro na medida do tempo de viagem que os neutrinos realizaram em setembro. A revista cita fontes ligadas ao experimento teriam descoberto o erro.
E curioso notar, que os GPS para funcionarem com absoluta precisão, levam em conta os resultados da Teoria da Relatividade Geral (TRG) de Einstein para corrigir as variações do fluxo do tempo devido aos efeitos do campo gravitacional da Terra (são correções na ordem de nanossegundos, mas fundamentais para que o sistema funcione). E um dos postulados fundamentais dessa teoria é que a velocidade da luz no vácuo é o limite para todas as velocidades.

De fato, os limites do conhecimento científico se expandem a partir de descobertas extraordinárias. Infelizmente nem sempre elas acontecem da maneira que desejamos. Erros em experimentos são sempre comuns e fazem parte do aprendizado científico. Contudo, o maior erro talvez foi fazer a divulgação de um dado sem ter a devida verificação e principalmente a reprodução independente dos resultados obtidos e principalmente utilizando a imprensa. Todos os resultados divulgados dessa maneira, nos últimos anos, sempre se mostraram falaciosos, como foi o caso da Fusão a Frio, a clonagem de seres humanos entre outros.

A ciência deve ser construída com base de fatos e teorias que podem sempre ser verificadas por outros cientistas. A pressa, principalmente nesse caso, é inimiga da perfeição.

Para ler a notícia original, no site da Science, acessem esse link

As certezas de Sherlock Holmes

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sat, 18 Feb 2012 22:20:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 17/02/2012

Filmes de ação e mistério são atualmente um dos mais importantes filões do cinema de grande público, o chamado blockbuster. Entre os muitos que estrearam no final do ano passado e no começo de 2012, um me chamou a atenção: Sherlock Holmes: O Jogo de Sombras, no qual o famoso personagem criado pelo escritor inglês Arthur Conan Doyle (1859-1930) volta às telas em uma história que mistura suspense, mistério e ação.

Como esta coluna não é de crítica de cinema (pois não tenho qualquer competência para tal), não vou expressar a minha opinião sobre o filme, mas apenas discutir um ponto que foi muito explorado, inclusive no primeiro filme da série, lançado em 2009. Trata-se da capacidade de Sherlock Holmes de prever e antecipar as ações de seus agressores (que ao longo do filme são muitos). A partir das evidências, ele reconstitui os passos dos criminosos, inclusive os do professor Moriarty, o grande adversário do herói.

Com uma visão analítica e um incrível pensamento dedutivo, Sherlock Holmes é capaz de antecipar os movimentos de seus adversários nas lutas travadas e imaginar como anulá-los. Ao investigar os vestígios e pistas, ele também consegue adivinhar o que aconteceu e, assim, resolver os mistérios e crimes. Esse aspecto das habilidades de Sherlock Holmes já foi inclusive discutido em coluna anterior.

O procedimento utilizado por Sherlock Holmes para antever as ações dos seus oponentes é similar ao que os grandes jogadores de xadrez usam em suas partidas. Eles preveem os desdobramentos de cada jogada, muitos lances para frente, e com isso tentam superar o adversário.

Jogadores experientes podem perceber uma derrota ou uma vitória até dezena de lances antes do fim da partida. O detalhe importante do jogo de xadrez é que cada peça tem um movimento preestabelecido e o tabuleiro é limitado a 64 casas. Mesmo assim, para cada movimento existem até milhares de respostas possíveis.

Mas será que realmente é possível prever as situações de modo similar ao que Sherlock Holmes faz, uma vez que as reações humanas são bem mais complexas do que as regras de uma partida de xadrez?

O determinismo científico

A mecânica clássica, incialmente proposta pelo físico inglês Isaac Newton (1642-1727), apresentou, pela primeira vez, um modelo científico que poderia determinar, com grande precisão, movimentos de objetos comuns e até de planetas.

Essa teoria é baseada em leis simples, como o princípio da inércia (no qual um corpo permanece em repouso ou em movimento uniforme, se não houver ação de forças), o princípio fundamental da mecânica (segundo o qual há uma relação entre força e quantidade de movimento), o princípio da ação e reação (a toda ação existe uma reação igual e contrária de mesma intensidade) e a lei da gravitação universal (a atração entre os corpos é proporcional ao produto da massa e ao inverso do quadrado da distância que os separa).

Assim, a mecânica clássica permitia, pela primeira vez, uma descrição quase completa da natureza. Conhecendo a velocidade e a posição inicial de uma partícula, seria possível, em princípio, conhecer os seus movimentos passados, presentes e futuros.

Tamanho é o poder de predição dessa teoria que, em 1846, a partir de cálculos elaborados independentemente, Urbain Le Verrier (1811-1877) e John Couch Adams (1819-1892) puderam explicar o estranho movimento que o planeta Urano parecia fazer ao redor do Sol.

Não se tratava de um erro na física newtoniana, mas sim um novo planeta, que estava mais afastado. Esses astrônomos conseguiram prever a posição do planeta, que foi descoberto pelo astrônomo alemão Johann Gottfried Galle (1812-1910) e posteriormente batizado de Netuno. Esse foi um dos maiores resultados obtidos pela mecânica clássica.

ontudo, descrever o movimento de planetas é muito mais simples do que tentar prever as ações e os movimentos humanos. Já no século 19 imaginava-se que as leis de Newton talvez não pudessem descrever fenômenos mais complexos, por exemplo, o comportamento de muitos átomos ou moléculas interagindo mutuamente, como os que encontramos em um gás.

Embora, em um primeiro momento, possa se descrever o comportamento de uma única partícula utilizando os princípios newtonianos, quando temos situações mais complicadas essa descrição falha.

Os sistemas complexos

Um exemplo desse tipo de situação ocorre nos chamados sistemas complexos, que são sistemas cujas propriedades decorrem da reação não linear entre as partes, ou seja, a resposta que o sistema apresenta não é proporcional apenas às interações individuais das partículas que o compõem, mas também ao conjunto como um todo. Um sistema complexo é muito mais do que a soma das partes individuais.

Existem muitos sistemas complexos na natureza. O nosso próprio cérebro é um deles. Não podemos analisar isoladamente apenas um neurônio e suas ligações com seus primeiros vizinhos e depois somar tudo isso para entender o funcionamento do cérebro. Temos que levar em conta a ação conjunta de bilhões dessas células interconectadas com os vários órgãos do nosso corpo. Ou seja, somente quando consideramos o indivíduo como um todo é que podemos começar a compreendê-lo.

Nesse sentido, as ações e decisões que tomamos a partir das informações e experiências que acumulamos ao longo da nossa vida surgem de um processo sinergético muito complexo, que não pode ser encarado apenas como efeito de ação e reação. Em um exemplo do filme Sherlock Holmes, o detetive imagina, em uma fração de segundo, que receberá um soco e deverá desviar a cabeça e reagir com outro golpe e que o adversário reagirá de outra forma, e assim por diante, até que ele consegue derrubá-lo usando as sequências de defesa e ataque únicas e corretas.

De fato, do ponto de vista da física de sistemas complexos, tal previsão seria extremamente complicada, diferentemente do que ocorre em uma partida de xadrez, onde é possível prever os lances porque o sistema é muito mais simples. Se o adversário não fizer a melhor sequência de lances, provavelmente ele perderá a partida antes do esperado.

Mas mesmo sendo o xadrez um sistema mais simples, prever seus lances sem contar com a inteligência do jogador requer um algoritmo computacional muito sofisticado e computadores com grande capacidade de processamento. Os grandes mestres só conseguem derrotar computadores poderosos porque as soluções encontradas são baseadas em formas diferentes de pensar, e não em uma visão determinista dos movimentos.

Com base no que relata esse último filme, Sherlock Holmes de fato tem algum poder especial para conseguir vencer os seus adversários, até o seu maior inimigo, o professor Moriarty, que tem as mesmas habilidades do herói, mas as usa em benefício próprio. Apesar da aparente facilidade com que o detetive faz suas previsões, as atitudes e decisões do ser humano não podem ser vistas apenas como resultado de ações isoladas, mas como a resposta de uma complexa interação entre as partes.

A invenção do tempo

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sat, 21 Jan 2012 18:14:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20 de janeiro de 2012

Quem teve a ideia de cortar o tempo em fatias,

a que se deu o nome de ano, foi um indivíduo genial,

Industrializou a esperança, fazendo-a funcionar no limite da exaustão
Doze meses dão para qualquer ser humano se cansar e entregar os pontos
Aí entra o milagre da renovação e tudo começa outra vez,
com outro número e outra vontade de acreditar
que daqui para diante vai ser diferente

(Atribuído à Carlos Drummond de Andrade)

Novamente estamos começando um ano novo. O final e o início do ano são sempre comemorados com muitas festividades. Temos a sensação de que um tempo terminou e outro vai começar. Como é verão no Brasil, nessa época muitas pessoas saem de férias, viajam para outros lugares e buscam descansar para novamente começar um novo ciclo.

Como uma simples mudança na ‘folhinha’ pode influenciar tanto as nossas vidas? A utilização de calendários para marcar o tempo em dias, semanas, meses e anos foi, sem dúvida, uma invenção sensacional. Como diz o poeta Drummond, quando se inicia um novo ano, sempre esperamos um novo começo, com esperanças renovadas para as nossas vidas.

A necessidade da utilização de calendários começou na época em que a humanidade iniciou o desenvolvimento da agricultura. Como a maioria das culturas agrícolas segue os ciclos das estações do ano, saber quando dar início ao plantio e à colheita é de fundamental importância.

Para marcar a passagem do tempo, foram escolhidos como referência os movimentos das estrelas e planetas no céu. A periodicidade de eventos astronômicos era ideal para isso. Por exemplo, os sacerdotes egípcios sabiam que haveria uma cheia no rio Nilo, que ajudaria na irrigação das suas margens, quando a estrela Seped – conhecida hoje como Sírio, a mais brilhante do céu – surgia pouco antes do amanhecer ao leste.

Lunares e solares

O desenvolvimento dos calendários ocorreu, principalmente, a partir da observação dos movimentos da Lua e do Sol. Os calendários lunares são baseados nas fases da Lua, que tem um ciclo de aproximadamente 29,5 dias, ou seja, o tempo necessário para que uma das quatro fases se repita.

O calendário islâmico funciona dessa maneira até os dias de hoje. Ele tem 12 meses que alternam 29 e 30 dias, totalizando um ano de 354 dias. Nesse calendário, as estações do ano vão se alterando durante os meses, pois existe uma defasagem de 11 dias em relação ao período de translação da Terra.

Os calendários solares são mais ajustados para marcar as datas das estações do ano. O período de um ano solar é definido pelo tempo necessário para que o Sol retorne para a mesma posição no céu em relação às constelações, o que equivale a 365 dias, 5 horas, 48 minutos e 47 segundos (365,2422 dias). Como esse tempo não é um múltiplo inteiro de dias, é necessário, a cada quatro anos, acrescentar um dia ao calendário. Esse ano com um dia a mais chamamos de bissexto, como é o caso de 2012.

O primeiro calendário solar amplamente aplicado foi o calendário juliano, implantado pelo imperador Júlio César em 46 a.C. Nesse calendário, foram introduzidos 12 meses que alterariam entre 30 e 31 dias, com exceção de fevereiro, que teria 29. Nessa proposta, a cada três anos deveria se introduzir um dia a mais no mês de fevereiro.

Ajustes (e vaidades)

No ano 8 d.C., o imperador Augustus promoveu uma correção na qual o dia extra deveria ser introduzido a cada quatro anos e tirou um dos dias de fevereiro, transferindo-o para o mês de agosto – batizado em sua homenagem pelos senadores romanos –, pois julho – uma homenagem a Júlio César – tinha também 31 dias. Esse calendário funcionou muito bem, pois aproximava-se do período do ano solar, mas não com absoluta precisão. Nele, cada ano tem em média 365,25 dias, levando a uma pequena diferença de 0,008 dias por ano.

Contudo, com o passar dos séculos, essa diferença começou a ficar significativa. No ano de 1582, a diferença chegava a aproximadamente 10 dias. Em 24 de fevereiro daquele ano, o papa Gregório XIII promulgou um novo calendário, que fez algumas correções importantes no calendário juliano. Entre elas, a supressão de 10 dias entre os dias 5 e 14 de outubro daquele ano e a indicação para que o início do ano ocorresse no dia 1º de janeiro – antes disso, o ano começava em março.

Mas a mudança mais importante foi que, a partir de então, os anos seculares que não fossem múltiplos inteiros de 400 não deveriam ser bissextos. Assim, o ano 2000 foi bissexto, mas 1900, não e nem 2100 será. Essa correção permite que não ocorra a defasagem que apresentava o calendário juliano.

O calendário gregoriano, como ficou conhecido, somente precisará realizar uma correção a cada 3.300 anos, ou seja, retirar um dia. Atualmente, esse calendário é utilizado em praticamente todo o mundo, mas demorou para ser aplicado na época, principalmente nos países protestantes e anglicanos, que não reconheciam a autoridade papal.

Os calendários nos permitem marcar as datas dos acontecimentos importantes, não apenas os eventos históricos, mas também os particulares. Cada um de nós tem pelo menos uma data especial para comemorar a cada ano.

Calendário cósmico

Assim como os calendários humanos, construídos com base em elementos culturais, seria possível imaginarmos um calendário que marcasse todos os eventos importantes do universo?

O astrônomo estadunidense Carl Sagan (1934-1996) apresentou no seu livro Dragões do Éden, um ‘calendário cósmico’ no qual o universo teria iniciado com o Big Bang no primeiro segundo do dia 1º de janeiro e os dias atuais representariam o último segundo do dia 31 de dezembro.

Nesse calendário, 24 dias representariam um bilhão de anos e um segundo, 500 anos. Neste link pode-se observar algumas datas significativas do calendário cósmico.

De fato, ainda não se sabe ao certo se o tempo começou com o Big Bang. E se o universo que conhecemos hoje fizer parte de um multiverso maior, no qual o nosso é apenas uma ‘bolinha’? Assim, haveria um tempo antes do Big Bang. Contudo, ainda não temos uma resposta definitiva.

A marcação dos eventos nos ajuda a contar as nossas histórias. Dessa maneira, os calendários, sejam quais forem, continuarão a ser fundamentais para fatiarmos o tempo e nos encontrarmos em cada pedaço dele.

Adilson de Oliveira

Departamento de Física

Universidade Federal de São Carlos

Crônicas Marcianas

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Tue, 20 Dec 2011 19:28:00 +0000

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
Publicada em 16 de dezembro de 2011

Na década de 1950, o escritor estadunidense Ray BradBury (1920-) publicou várias histórias de ficção científica reunidas no livro Crônicas marcianas, no qual apresentava diversas histórias sobre a colonização de Marte e como os seres humanos enfrentariam esse desafio, inclusive contra os próprios marcianos que supostamente habitariam o planeta.

Na publicação original, as histórias passam na virada do século 20 para o 21, quando as primeiras expedições tripuladas da Terra teriam chegado ao planeta. Hoje, no início da segunda década do século 21 estamos distantes de visitar pessoalmente Marte. No momento, apenas emissários robóticos visitam o planeta e nos mandam notícias de lá.

Antigas histórias

Os planetas (exceto Urano e Netuno) são conhecidos desde Antiguidade. A palavra planeta tem origem grega e significa ‘corpo errante’, pois os planetas se movem em relação às estrelas do céu. A eles os povos antigos associavam características divinas, pois seriam ‘seres especiais’ que caminhavam entre as estrelas (Leia mais sobre o tema na coluna ‘Novos deuses do firmamento’).

Marte brilha com uma cor avermelhada lembrando sangue e guerra. Por isso recebeu o nome do deus da guerra na mitologia greco-romana.

Os movimentos de Marte no céu eram um grande desafio para os astrônomos antigos. Naquela época, acreditava-se que a Terra estava imóvel no centro do universo e todos os astros giravam em torno dela.

Marte apresentava um caprichoso movimento na forma de laçadas que não era explicado apenas pelo movimento circular. Foram propostos vários epiciclos, ou seja, uma circunferência em torno de um ponto imaginário, que descreve, a partir de seu novo ponto, uma outra circunferência (veja na figura ao lado).

No ano de 1543, o astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543) propôs um modelo para simplificar a descrição dos movimentos planetários. Ele colocou o Sol, e não a Terra, no centro do universo, com os planetas realizando órbitas circulares ao seu redor. Mas esse novo modelo, além de polêmico para época, não conseguia descrever com precisão os movimentos de Marte, mesmo utilizando epiciclos.

O problema da órbita de Marte foi resolvido só no século 17, pelo astrônomo e matemático alemão Johannes Kepler (1571-1630), a partir dos dados observacionais do astrônomo dinamarquês Tycho Brahe (1546-1601). Em 1609, ele conseguiu estabelecer as três leis do movimento planetário – as leis de Kepler – e deduziu que a órbita de Marte era uma elipse, com o Sol ocupando um dos focos.

Só que a órbita de Marte é uma elipse com uma certa excentricidade. Isto faz com que o planeta apresente variações significativas de brilho. A diferença entre o afélio (o ponto mais distante do Sol) e o periélio (o mais próximo) é de aproximadamente 43 milhões de quilômetros, o que equivale a aproximadamente 17% do raio orbital.

Quando Marte está mais perto do Sol e a Terra mais distante, ele fica muito brilhante. Em 2003, Marte fez uma das maiores aproximações da Terra, atingindo o tamanho aparente no céu de 25,1 segundos de arco – um segundo de arco equivale 1/3600 de um grau. A Lua tem diâmetro aparente de 0,5 grau, ou seja, 72 vezes maior que Marte na sua melhor aproximação. O próximo evento desse tipo será em 3 de março de 2012, quando Marte aparentará 14 segundos de arco de diâmetro.

Novas lendas

Em 1877, em uma das aproximações de Marte com a Terra, o astrônomo estadunidense Asaph Hall (1829-1907) descobriu as luas Fobos e Deimos, pequenos corpos com formato irregular e centenas de quilômetros de extensão.

Nessa mesma época, o astrônomo italiano Giovanni Schiaparelli (1835-1910) divulgou a observação de uma intricada rede de linhas retas simples e duplas riscando áreas brilhantes do planeta. Ele as chamou de ‘canali’, que em italiano significa ‘canais’.

A descoberta sugeria que Marte era habitado por seres inteligentes, que tinham construído uma elaborada rede de canais para transportar água dos polos marcianos (já conhecidos naquela época) para a região equatorial, que deveria ser mais seca.

O feito estimulou o estadunidense Percival Lowell (1855-1916), que construiu um grande observatório no Arizona, a observar Marte por mais de duas décadas, registrando dezenas de canais. Mas as recentes expedições espaciais não conseguiram observar os ‘canais marcianos’ de Schiaparelli e Lowell. Parece que não passaram de uma ilusão.

As expedições marcianas

Desde 1960 foram enviadas 43 missões espaciais para Marte, a maioria promovida pelos Estados Unidos e pela antiga União Soviética. Muitas foram um completo fracasso, dentre as quais algumas não conseguiram atingir Marte e outras sequer saíram da órbita da Terra.

Outras tantas, no entanto, trouxeram informações importantes, como a Mariner 4, dos Estados Unidos, que em 1965 passou a 9.900 km de Marte e obteve imagens confirmando a atmosfera rarefeita e composta por gás carbônico do planeta. Já a sonda Mariner 9, lançada em 1971, entrou na órbita de Marte e mapeou cerca de 97% de sua superfície.

Em 1976, as sondas Viking 1 e 2 pousaram com sucesso em Marte, realizando inúmeros experimentos, inclusive alguns com o intuito de detectar vida no planeta. Os resultados obtidos foram inconclusivos e até hoje geram controvérsias.

Nas décadas de 1990 e 2000, várias sondas foram enviadas a Marte com objetivo de conhecer melhor o planeta, sobretudo para procurar água ou alguma forma de vida, atual ou que existiu no passado. Os resultados mostraram que Marte já teve rios e que, atualmente, a água pode estar abaixo da superfície.

Neste ano, duas novas missões foram enviadas a Marte. A sonda Phobos-Grunt, da agência especial Russa, tinha como principal objetivo viajar até Fobos e retornar com material de lá. Contudo, houve problemas no lançamento. A missão fracassou e a espaçonave ficou na órbita da Terra; em breve, cairá em nosso planeta.

A outra missão foi da Nasa – o Laboratório de Ciências de Marte (MSL, na sigla em inglês), apelidada de Curiosity (curiosidade, em português) –, lançada no dia 26 de novembro. Essa sonda leva uma série de equipamentos, dentre os quais um veículo movido a energia nuclear, com 750 kg e 2,8 metros de comprimento (aproximadamente o tamanho de um automóvel), para explorar continuamente a superfície marciana. Novamente, o principal objetivo é responder se há (ou existiu) vida em Marte.

Marte é, sem dúvida, um dos planetas mais presentes no imaginário popular. A suposta existência de marcianos e a possibilidade de encontrar outras formas de vida estimulam a nossa curiosidade. De fato, muitas histórias e crônicas ainda serão contadas sobre o planeta vermelho.

Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Luzes e cores

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Sun, 20 Nov 2011 22:56:00 +0000

Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 18/11/2011

Recentemente estive no Rio de Janeiro e foi possível admirar as belezas da cidade em um ensolarado dia de primavera. Em particular, o céu estava muito azul, com algumas nuvens brancas. A cidade maravilhosa fica mais bela ainda com essa diversidade de cores produzida pela luz do Sol.

A luz que vem do Sol surge a partir da energia liberada nas reações de fusão nuclear que ocorrem no seu interior. No núcleo do Sol, temos temperaturas da ordem de 15 milhões de ^oC, que criam condições ambientais para que quatro núcleos de átomos de hidrogênio (prótons) sejam transformados em um núcleo do átomo de hélio (que tem dois prótons e dois nêutrons), levando também à liberação de dois pósitrons (partículas com as mesmas características do elétron, mas com carga positiva).
O saldo de todo esse processo é que o núcleo de hélio produzido tem massa menor que a dos quatro prótons de hidrogênio. Essa diferença é transformada em energia, segundo a famosa equação de Albert Einstein E=mc², na qual ‘m’ é a massa e ‘c’ a velocidade da luz no vácuo.

Embora a diferença de massa seja muito pequena, o valor da velocidade da luz no vácuo é enorme (da ordem de 300 mil km/s), o que resulta em uma grande quantidade de energia, levada para fora do núcleo do Sol na forma de fótons (partículas de luz) com altas energias.

Esses fótons são absorvidos pelas diferentes camadas internas do Sol e fazem com que elas fiquem aquecidas e, assim, reemitam fótons. Grande parte da luz que chega até nós vem da superfície da estrela, onde a temperatura é da ordem de 6 mil ^oC. É nessa temperatura que os átomos aquecidos emitem a luz visível.

O Sol emite luz em quase toda a faixa do espectro eletromagnético, que vai de ondas com comprimento muito longo, chegando a dezenas de metros (como as ondas de rádio), até radiações com comprimentos de onda menores do que 0,01 nanômetro (um nanômetro corresponde a um milionésimo de um milímetro), que correspondem aos raios X e raios gama.

A luz que chega aos nossos olhos está em uma faixa estreita que chamamos de espectro visível, que corresponde a radiações entre 380 e 720 nanômetros. Nessa faixa, temos as cores vermelha, laranja, amarela, verde, azul, anil e violeta. Em particular, a principal emissão do Sol ocorre no comprimento de onda de 550 nanômetros, que corresponde sensivelmente à luz verde-amarelada. A luz que os nossos olhos observam vindo do Sol é a combinação de todas as cores do espectro visível, que resulta no branco.

Os nossos olhos provavelmente se adaptaram a captar a luz nessa faixa do espectro porque a maior parte dos raios luminosos que chegam à superfície da Terra tem esses comprimentos de onda.

Por que as nuvens são brancas?

O efeito da luz se espalhando nos objetos provoca situações interessantes. Uma pergunta muito comum, principalmente feita por crianças – afinal, nessa fase a curiosidade é bastante aguçada –, é por que as nuvens são brancas, já que o vapor d’água não tem cor.

Na verdade, as nuvens são compostas por gotas de água de diferentes tamanhos, e não por vapor d’água, como o senso comum costuma indicar. O vapor se condensa na forma de gotas em torno de partículas de poeira, fumaça e sal, suficientemente leves para permanecerem suspensas no ar. A grande maioria das gotas tem dimensões microscópicas (da ordem de um milésimo de milímetro).

Como em uma nuvem existe grande diversidade de tamanhos de gotas de água, cada uma espalha a luz branca proveniente do Sol de maneira diferente. Dependendo do seu tamanho, a gota de água espalha um determinado comprimento de onda e absorve os outros.

As gotas maiores espalham as cores de maior comprimento de onda (como vermelha e amarela), enquanto as gotas menores espalham as de menores comprimentos (por exemplo, azul e violeta). A combinação do espalhamento de todas as cores tem como resultado a cor branca.

Da mesma maneira, a ‘espuma’ que aparece na crista das ondas do mar também é branca devido ao efeito do espalhamento da luz por partículas de água com diferentes tamanhos. O mesmo vale para a ‘fumaça’ muitas vezes usada em shows de música. Nesse caso, utiliza-se gelo seco (que é feito de gás carbônico) para condensar o vapor d’água que existe no ar, fenômeno semelhante ao observado nas nuvens.

Quando as nuvens estão muito carregadas, menos e menos da radiação solar que entra nelas consegue chegar ao fundo das nuvens, o que lhes dá uma aparência mais escura.

O azul do céu

É famosa a foto do astronauta norte-americano Edwin Aldrin (1930-) tirada quando ele esteve na Lua. Nela vemos a bandeira dos Estados Unidos e o módulo lunar totalmente iluminado, enquanto o céu está escuro, sem nenhuma estrela. Na verdade, não vemos estrelas no céu porque os astronautas desceram no lado da Lua que estava iluminado pelo Sol.

Mas então por que o céu estava escuro, e não azul, como observamos durante os dias aqui na Terra? O céu é escuro porque a Lua não tem uma atmosfera tão densa como a nossa e, assim, não há espalhamento da luz. De fato, 10% da luminosidade observada durante o dia devem-se à difusão da luz do Sol pelas moléculas existentes na atmosfera.

Algumas partículas e moléculas da atmosfera – inclusive provenientes da poluição atmosférica – servem para difundir a luz do Sol para todas as direções. Certas partículas são mais efetivas em difundir determinado comprimento de onda de luz. Em particular, as moléculas de oxigênio e de ozônio (muito abundantes na atmosfera terrestre), devido às suas pequenas dimensões, conseguem difundir com mais eficiência a luz com comprimentos de onda curtos, como é o caso da luz azul e da violeta.

As moléculas de oxigênio presentes na atmosfera têm origem no processo de fotossíntese, por meio do qual as plantas e as algas convertem o gás carbônico em oxigênio molecular utilizando a luz do Sol. Logo, o céu azul é uma marca da existência da vida na Terra.

Certamente um dia com muita luz torna-se mais bonito e agradável. Mas, sempre que sentirmos na pele o calor que a luz provoca ou enxergarmos a beleza que ela pode revelar, devemos lembrar que tudo isso é fruto de processos físicos importantes. Por trás da beleza, há sempre algo a mais.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

Quem está correto, Dr. Einstein?

noreply@blogger.com (Adilson J A de Oliveira) — Mon, 24 Oct 2011 19:33:00 +0000

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje On line
publicada em 21 de outubro de 2011

Nas últimas semanas, duas notícias ganharam destaque nos meios de comunicação referentes a dois resultados que podem mexer com os alicerces da física. Uma foi a divulgação dos resultados de um experimento que envolveu o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (Cern), na Suíça, e o Laboratório Nacional de Gran Sasso, na Itália.

Segundo os autores do estudo, foram observados neutrinos (partículas sem carga elétrica e praticamente sem massa) que viajaram mais rápido do que a velocidade da luz.
A outra foi o anúncio dos laureados pelo Prêmio Nobel de Física de 2011 – Saul Perlmutter, Adam G. Riess e Brian P. Schmidt – por terem descoberto, de forma independente, em 1998, a aceleração da taxa de expansão do universo.

Essas duas notícias com certeza chamariam muito a atenção, se ainda estivesse vivo, de Albert Einstein (1879-1955), pois estão diretamente relacionadas às suas mais importantes descobertas.
No começo do século 20 – como talvez esteja acontecendo agora –, houve uma grande reviravolta na física. Novos resultados experimentais e teorias para explicá-los mudaram profundamente a forma que entendemos a natureza.

Foi nessa época que nasceu a física quântica (que explica o comportamento de átomos e moléculas) e a teoria da relatividade (que ajuda a compreender o universo em grande escala e em altas velocidades). Essas duas teorias são os dois principais pilares da física moderna. Einstein contribui de maneira decisiva para ambas.

Em 1905, Einstein resolveu o problema da incompatibilidade entre a mecânica (que descreve o movimento) e o eletromagnetismo (que descreve os efeitos dos campos elétricos e magnéticos), com a sua teoria da relatividade especial (TRE).
Com essa teoria, ele afirmou que as leis físicas deveriam ser a mesma em todos os referenciais inerciais (que não sofrem aceleração) e que a velocidade da luz no vácuo é a mesma em todos referencias inerciais.

Ainda segundo a TRE, a massa de uma partícula cresce junto com a sua velocidade. Se atingisse a velocidade da luz, sua massa seria infinita. A velocidade da luz seria, portanto, intransponível. No caso da própria luz, como ela não tem ‘massa de repouso’, ela sempre viaja a aproximadamente 300 mil km/s.

Alguns anos depois, em 1915, Einstein lançou a teoria da relatividade geral (TRG), na qual expandiu a anterior para referencias não-inerciais (ou acelerados), o que resultou no desenvolvimento de uma nova teoria para a gravitação.

Será possível?

Se estiver correta a observação de que os neutrinos produzidos no Cern teriam chegado ao laboratório de Gran Sasso, que fica a 730 km de distância do centro europeu, 60 nanossegundos (ou 60 bilionésimos de segundo) antes do que deveriam, isso significa que eles viajaram mais rápido que a velocidade da luz.

Contudo, quando anunciado, esse dado recebeu muitas críticas da comunidade científica, visto que, se confirmado, derruba o que foi postulado por nada mais nada menos que o principal físico do século 20.

O grande ceticismo em relação ao resultado desse experimento é que a TRE é uma das teorias físicas mais bem testadas. Os equipamentos usados na mecânica quântica – inclusive o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), o maior acelerador de partículas do mundo, localizado no Cern – são projetados com base nessa teoria. Se não fosse assim, os experimentos não funcionariam.

Outra questão que foi levantada é o fato de os neutrinos serem produzidos a alta energia nas supernovas, estrelas muito massivas que, no seu estágio final, realizam uma contração grande o suficiente para desencadear um processo de produção de energia tal que as faz brilhar mais do que uma galáxia inteira por um intervalo de tempo de alguns meses.
A maior parte da energia desse processo flui para fora da estrela na forma de neutrinos. Como eles interagem pouco com a matéria, escapam da supernova quase que imediatamente, enquanto os fótons, segundo as previsões teóricas, levariam cerca de três horas para deixá-las.
Em 1987, ocorreu a explosão de uma supernova (chamada Shelton ou SN1987A) na Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite a nossa que está a aproximadamente 168 mil anos-luz de nós.
Nesse evento, milhões de neutrinos chegaram à Terra três horas antes de a luz ser detectada, como era esperado. Se esses neutrinos viajassem mais rápido que a luz, como afirma esse recente experimento, eles teriam chegado cerca de cinco anos antes!

Reviravolta?

Curiosamente, a descoberta que valeu o Prêmio Nobel de Física deste ano também está associada à observação de supernovas – de um tipo particular conhecido como IA.
De forma independente, dois grupos – Perlmutter e Schmidt lideravam equipes de pesquisa concorrentes, com Riess pertencendo à segunda – encontraram cerca de 50 supernovas. Ao medir o seu brilho, os pesquisadores observaram que ele era menos intenso do que o esperado, o que os levou a concluir que a expansão do universo estava acelerando.

Einstein previu a expansão do universo ao aplicar a teoria da relatividade geral para explicar a estrutura do universo como um todo. Na época, como não havia qualquer evidência do universo em expansão, o físico adicionou um termo a suas equações que funcionava como uma força gravitacional repulsiva para contrabalancear a ação gravitacional (que é atrativa), gerando assim um universo estático.

Em 1929, quando o astrônomo estadunidense Edwin Hubble (1889-1953) observou pela primeira vez a expansão do universo, Einstein apontou a suposta força gravitacional repulsiva que havia criado como o maior erro da sua carreira.

A expansão acelerada do universo é atualmente atribuída à chamada ‘energia escura’, que seria responsável por mais de 70% do universo, mas da qual se sabe ainda muito pouco.
O efeito da energia escura só pode ser observado em galáxias mais antigas do que a nossa, com aproximadamente cinco bilhões de anos, onde a matéria já teria se dispersado o suficiente para que essa força começasse a suplantar a gravidade e acelerasse a expansão do universo.

Diferentemente do experimento realizado no Cern, a aceleração da expansão do universo foi comprovada por outras observações e por outros experimentos.

Por outro lado, se de fato os neutrinos viajam mais rápido do que a luz, os modelos usados atualmente para compreender as supernovas talvez tenham que ser modificados e pode ser que isso interfira na interpretação das observações que mostraram que a expansão do universo está acelerada.

Dessa forma, ainda teremos muitos debates e somente novos experimentos mostrarão se o Dr. Einstein estava correto.