domingo, 14 de novembro de 1999
Um mundo imerso em ondas
Ondas estão por toda a parte. Nós ouvimos porque ondas de som se propagam pelo ar, fazendo vibrar o delicado mecanismo dentro de nossos ouvidos. Quando vemos algo, nossos olhos estão captando ondas luminosas refletidas pela superfície do objeto. Os processos neuronais que traduzem esses estímulos externos em sensações são ainda objeto de muita pesquisa. Mas sabemos que os neurônios responsáveis por essa "tradução" funcionam devido à propagação de ondas elétricas pelos axônios. O mapa de realidade externa que é reconstruído em nosso cérebro é o resultado da propagação e interação de diversos tipos de ondas. Mas o que é uma onda?
Por incrível que pareça, essa pergunta tem várias respostas. Fundamentalmente, a existência de ondas deve-se ao amor que a natureza tem pelo equilíbrio estável; quando um sistema em equilíbrio é levemente perturbado, ele tenderá naturalmente a voltar à condição de equilíbrio. A superfície de um lago, ou de uma banheira cheia d'água, permanece intacta, a menos que algum estímulo externo perturbe esse equilíbrio. Rapidamente, ondas concêntricas se propagam a partir do ponto de contato, e a energia extra depositada ali é então dissipada: o sistema volta ao equilíbrio. Portanto, podemos dizer que ondas são uma propagação organizada de um desequilíbrio.
Em geral, ondas são resultados de perturbações lineares, ou seja, que provocam uma resposta proporcional ao estímulo: um estímulo duas vezes maior provoca uma resposta do sistema duas vezes maior. Quando o problema é formulado matematicamente, as soluções das equações representam as ondas que observamos no lago.
Nem todo estímulo gera uma resposta linear. Vários sistemas são dominados por efeitos não-lineares, em que um pequeno estímulo pode gerar uma resposta muito intensa e vice-versa, sem uma relação simples entre os dois. Um exemplo dramático é o de uma onda quebrando na areia. No mar, vemos ondas na superfície com períodos de cinco a dez segundos; esse regime é essencialmente linear.
Quando essas ondas se aproximam da praia, a menor profundidade aumenta a influência de termos não-lineares. A amplitude da onda aumenta, sua velocidade diminui e, não podendo mais se sustentar, ela quebra, fazendo com que o movimento organizado se torne turbulento. Mas seria prematuro concluir que toda a não-linearidade leva à destruição de ordem. Em certos sistemas, é justamente a não-linearidade que provoca a manutenção da onda, compensando exatamente sua tendência natural de se dispersar, como uma espécie de cola. Essas configurações estáveis e não-lineares são conhecidas como sólitons.
Em 1834, o engenheiro inglês J. Scott Russell relatou seu encontro com um sóliton, ou onda solitária: "Estava observando um barco puxado por dois cavalos em um canal estreito, quando os cavalos pararam subitamente. Uma massa de água formou-se em torno do barco e começou a se propagar a uma alta velocidade (15 km/h), uma formação solitária e elegante, que viajou pelo menos por dois ou três quilômetros, até eu perdê-la de vista."
Hoje vemos sólitons em praticamente todas as áreas da física, desde a propagação de sinais em fibras óticas e domínios magnéticos em vários materiais até a condução de certos impulsos nervosos. A não-linearidade também pode trazer a ordem. Claro, ondas não são restritas ao mundo visível. Átomos e partículas de matéria e de radiação (ou, no visível, luz) também são descritos por ondas. Essas "ondas de matéria" não sofrem dissipação como as ondas no mundo visível à nossa volta: a mecânica quântica mostra que ondas de matéria nunca param por si só. Talvez exista uma relação profunda entre ondas e nosso conceito de tempo. Afinal, mudanças ou transformações são uma manifestação da passagem do tempo.
domingo, 7 de novembro de 1999
Métodos para datar o passado
O método usa o decaimento de substâncias radiativas. Como sabemos, todo elemento químico tem um determinado átomo, cujo núcleo tem um certo número de prótons e nêutrons. Por exemplo, o elemento hélio tem dois prótons e dois nêutrons no núcleo. Já os isótopos de um elemento químico têm o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. Por exemplo, um isótopo de hélio, o He-3 (três é o número de prótons mais o de nêutrons), tem apenas um nêutron no núcleo. Conhecemos em torno de 1.500 isótopos, dos quais 305 ocorrem naturalmente e 1.200 são artificialmente produzidos. Dos que ocorrem naturalmente, 25 são isótopos radiativos, isto é, que decaem em outros isótopos e/ou elementos químicos. Esses radioisótopos naturais são usados para datar fósseis e materiais biológicos.
O datamento por radioisótopos baseia-se na lei da radiatividade, descoberta em 1902 por Ernest Rutherford e Frederick Soddy. Essa lei explica a desintegração de átomos radiativos. Todos os métodos usam o fato de que cada radioisótopo decai a uma taxa constante, sua meia-vida. O carbono-14 tem meia-vida de 5.730 anos. Portanto, uma amostra contendo 1 milhão de átomos de C-14 conteria 500 mil após 5.730 anos, 250 mil após 11.460 anos etc. Se soubermos a quantidade de átomos na amostra original, podemos facilmente estimar sua idade atual medindo sua radiatividade. Caso contrário, podemos estimar essa quantidade, pois todos os animais ingerem C-14 depositado em plantas verdes. Quando o animal ou a planta morrem, o nível de C-14 decai, sendo gradativamente transformado no isótopo de nitrogênio, N-14: medindo a quantidade de C-14 e N-14 na amostra, estimamos sua idade. O método é usado para amostras de até 40 mil anos, para evitar erros de contaminação.
Outros isótopos são usados para datar amostras mais antigas. O rubídio-87 é um isótopo com uma meia-vida de 48,8 bilhões de anos, decaindo no estrôncio-87, que é estável. O método compara a quantidade de dois isótopos, estrôncio-87 (que vem do R-87) e o estrôncio-86, e foi usado para datar as rochas mais antigas da Terra, com 3,8 bilhões de anos, no sul da Groenlândia. Quando usado em meteoritos, o método acusa uma idade de 4,6 bilhões de anos, aproximadamente a idade do Sistema Solar.
Existem vários outros métodos usando radioisótopos. Esses métodos são replicáveis e quantitativos. Albert Einstein dizia que a ciência sem religião é capenga e que a religião sem ciência é cega. Ou seja, que a ciência nasce de uma inspiração espiritual com relação ao desconhecido, que Einstein atribuía a uma inspiração religiosa. Por outro lado, a religião não pode negar os avanços da ciência, pois corre o perigo de ficar cega. Interpretar a Bíblia como uma descrição literal da história do Universo e da Terra vai de encontro aos achados da ciência moderna. Não acredito que a Bíblia tenha sido escrita com essa intenção, do mesmo modo que artigos científicos não devem ter um conteúdo religioso. É na complementaridade de ambos que reside a solução desse suposto conflito, na aceitação das missões e dos limites da ciência e da religião em nossas vidas.
domingo, 31 de outubro de 1999
Uma decisão trágica
As consequências de uma decisão como essa são as piores possíveis; países que estão em vias de desenvolver sua própria tecnologia nuclear bélica terão seus objetivos mais do que justificados. Afinal, se a maior superpotência do mundo se vê no direito de continuar seus testes nucleares e de desenvolver novas tecnologias de destruição, por que não países como Irã, Iraque, Coréia do Norte etc.? A previsão é que, dentro de uma década, o número de países com armas nucleares chegue a uma dezena.
Não é muito difícil imaginar a fragilidade de um mundo controlado pelo medo; mais cedo ou mais tarde, um líder político obcecado pelo poder, com uma visão distorcida das consequências de um ataque nuclear, detonará sua primeira bomba sobre um país vizinho, ou mesmo distante. Ou um país que tenha a bomba e que esteja perdendo uma guerra a usará como último recurso; um animal acossado sempre ataca antes de se entregar à morte.
Inicialmente, parece difícil entender o que passou pela cabeça desses senadores americanos quando votaram, 51 contra 48, por não ratificar o tratado. Os votos foram todos (com exceção de quatro republicanos que votaram com os democratas) dentro de linhas partidárias; ou seja, os republicanos, com a tradição de apoiar a corrida armamentista, votaram contra, e os democratas, a favor. Deixando de lado a ironia de um país que se diz o modelo democrático ter apenas dois partidos, os argumentos dados pelos senadores republicanos foram ridicularizados em outros países: citando as dificuldades (inexistentes sob o ponto de vista científico) de controle de testes nucleares por outros países, esse senadores dizem que os EUA não podem garantir sua segurança enquanto outros países desenvolvem novas armas. Ora, com um arsenal atual capaz de destruir nossa civilização várias vezes, qual a necessidade de novas armas e novos testes?
Poder implica responsabilidade. Para nossa geração e para as gerações futuras. Os EUA tinham em mãos uma grande oportunidade de promover um mundo mais seguro, mais maduro, em que a paz não é obtida por uma política de terror, como na Guerra Fria, mas por meio de uma colaboração entre os países. Infelizmente, a política local falou mais alto do que a responsabilidade e uma guerra partidária, nascida do ódio de um partido contra um presidente de outro, levou a uma decisão com repercussões maiores que qualquer partido ou presidente em qualquer país do mundo.
Provavelmente o leitor se lembra dos protestos contra os testes nucleares da França no atol de Mururoa, no Pacífico, ou da indignação mundial com os recentes testes nucleares da Índia e do Paquistão. Uma das vozes mais ativas no protesto, com ameaças de retaliação econômica, foi justamente os EUA. Como é possível uma hipocrisia dessas? É possível, e continuará a ser possível, enquanto políticos estiverem mais preocupados em gerar empregos (nada melhor do que uma corrida armamentista para tal) para seu eleitorado do que com as repercussões de suas decisões. Claro, os políticos têm de proteger os interesses da população que eles representam. Mas a corrida armamentista cria uma nova dimensão moral, que transcende problemas locais; um mundo sob o caos de uma guerra nuclear é um mundo sem fronteiras. Novos senadores e presidentes serão eleitos, e o tratado deverá ser reavaliado. Talvez esse episódio seja um passo necessário para um futuro mais digno para a humanidade.
domingo, 24 de outubro de 1999
A fúria do interior terrestre
Essa parte central é envolta por outra camada, chamada manto, que também tem em torno de 3.000 km de raio. Mesmo que não possamos, como os heróis da aventura "Viagem ao Centro da Terra", de Jules Verne, visitar o manto, podemos conhecer sua composição por meio de explosões vulcânicas. A lava que é expulsa nessas explosões vem do manto, o que nos dá uma idéia da incrível complexidade subterrânea de nosso planeta. O manto, por sua vez, é envolto pela crosta terrestre, a fina "capa" com espessura variando entre 8 km e 15 km que nos protege do caos sob nossos pés. Mas essa proteção nem sempre é eficaz.
O leitor mais cético pode se perguntar: "Mas como cientistas podem conhecer tão bem o interior da Terra sem irem lá?". Ótima pergunta. O mapeamento do interior terrestre é um dos vários exemplos em ciência em que extraímos informação sobre algum sistema sem observá-lo diretamente. As informações sobre o mundo subterrâneo nos são reveladas por um dos eventos mais catastróficos do mundo natural, os terremotos.
Se, como descrevi acima, a densidade do interior terrestre aumenta em direção ao centro e a parte superior do manto é feita de material rochoso líquido (o magma, que vira lava quando expelido por vulcões), basicamente nós aqui na superfície boiamos sobre esse material. A caldeira infernal do interior gera quantidades enormes de gases que procuram por um escape em direção à superfície. A pressão é tão grande que chega a locomover pedaços da crosta, às vezes aproveitando falhas e fissuras. Esses movimentos são os terremotos, como os que ocorreram recentemente na Turquia e em Taiwan, causando a morte de milhares de pessoas. Nós, no Brasil, somos abençoados pela ausência de terremotos. E de vulcões, furacões...
Um terremoto que mede 7 na escala Richter (em torno de 25 por ano), libera 1025 ergs de energia, isto é, dez trilhões de trilhões de ergs, a energia equivalente à queima de 38 bilhões de litros de gasolina! Essa violência se propaga pela Terra em forma de ondas de dois tipos, as ondas de pressão (onda-P) e as ondas de torção (onda-S, do inglês "shear"). As ondas-P se propagam frontalmente, como uma coluna de dominós que vai caindo quando o primeiro é empurrado, enquanto a onda-S é mais parecida com as vibrações verticais da corda de um violão.
Essas ondas partem dos focos do terremoto e se propagam pela Terra em várias direções, emergindo em pontos diferentes do planeta, onde elas são estudadas por estações sismográficas. A partir das medidas obtidas nessas estações e das propriedades dessas ondas, podemos inferir qual a composição material do interior da Terra, como uma espécie de raio X. Por exemplo, sabemos que ondas-S são absorvidas por meios líquidos. Usando o fato de que ondas-S jamais são detectadas em pontos diametralmente opostos do planeta, ou seja, que elas não atravessam a Terra passando pela sua região central, deduzimos que essa região deve ser líquida.
Claro, o grande desafio para os que estudam terremotos é a possibilidade de prever quando eles irão ocorrer. Infelizmente, ainda não podemos prever a ocorrência de terremotos, apenas locais de maior risco. A resposta, por enquanto, permanece soterrada no caos subterrâneo.
domingo, 17 de outubro de 1999
Onde está o bóson de Higgs?
Há algumas imagens que são usadas na descrição dessas partículas: por exemplo, falamos de "bolas de bilhar" colidindo a velocidades próximas à da luz, ou usamos o popular brinquedo "Lego" para ilustrar como estruturas complicadas podem ser criadas com componentes simples. No caso do "Lego", as diferentes partículas são como blocos de tamanhos e cores diferentes. Mesmo que as analogias sejam úteis, elas passam uma imagem superficial do que acontece quando "olhamos" o mundo de bilionésimos de centímetro.
O "olhamos" entre aspas é intencional. Na verdade, não vemos partículas interagindo diretamente, como células em um microscópio. As interações são estudadas em aceleradores de partículas, máquinas desenhadas para extrair o máximo de informação durante e após o processo de colisão. Esses aceleradores têm detectores que funcionam como uma máquina fotográfica, registrando as trajetórias das partículas ejetadas na colisão. São como os sulcos deixados no gelo por patinadores: podemos inferir os detalhes da rota de um patinador, seu peso aproximado, quantos patinadores estavam presentes etc. Mas a analogia só funciona por pouco tempo, já que a superfície do gelo em breve se torna um caos de sulcos em todas as direções.
Com o auxílio desses aceleradores, hoje temos uma excelente idéia de quais são os tijolos fundamentais da matéria. O elétron faz parte de um grupo de seis partículas chamadas léptons, enquanto prótons e nêutrons são formados por partículas menores, chamadas quarks, ao todo também em seis. Fora essas 12 partículas de matéria, temos 12 partículas de força, o fóton, que transmite a força eletromagnética, três outras responsáveis pela força nuclear fraca -ligada a certos decaimentos radioativos- e oito glúons, responsáveis principais pelas interações entre quarks. Essa informação é incorporada ao modelo padrão das partículas, um grande sucesso da descrição reducionista.
Mas o modelo padrão tem também sérias limitações. Entre outras, não sabemos por que elétrons e prótons têm a mesma carga elétrica, ou qual a origem das massas das partículas de matéria. (E também das três responsáveis pela força fraca.) A idéia mais aceita é que essas massas resultam da interação das partículas de matéria com uma outra partícula, conhecida como "bóson de Higgs". O nome vem do físico indiano Satyendra Nath Bose, que contribuiu para nossa compreensão do comportamento de partículas que têm a tendência de se agrupar no estado de menor energia possível. As partículas de matéria, léptons e quarks, seguem certas restrições quanto à sua distribuição de energia. O bóson de Higgs supostamente cria um meio muito denso, em que as partículas de matéria devem se locomover. O efeito desse movimento em um meio denso é criar uma massa efetiva para as partículas de matéria, que medimos nos aceleradores. É como uma bola de gude movendo-se em água ou em mel. No mel, a partícula move-se com mais dificuldade, como se tivesse uma inércia maior.
O problema é que o bóson de Higgs é muito tímido; até o momento, ainda não conseguimos observá-lo em aceleradores, o que leva muitos a questionar se esse mecanismo de geração de massa está ou não correto. Mas assim caminha a ciência. Avanços ocorrem justamente das brechas no nosso conhecimento, com os experimentos servindo de bengala para nossa cegueira. Na próxima década, aceleradores atingirão energias altíssimas, em princípio capazes de revelar o mecanismo de geração de massa. Se for o Higgs, ótimo. Senão, certamente teremos aprendido algo fundamental sobre esse mundo invisível.
domingo, 10 de outubro de 1999
A grande lixeira nuclear
Nossa sociedade produz quantidades enormes de lixo. Esse lixo é compactado, às vezes tratado e reciclado, enterrado em grandes lixeiras e esquecido. O que fazer com o lixo nuclear, o material altamente radiativo que é produzido no processo de fissão nuclear em reatores?
Infelizmente, com o lixo nuclear, não podemos simplesmente esquecer, acreditando no poder da natureza em "limpar" nossa própria sujeira, como nas encostas de tantos de nossos rios. Com lixo nuclear, a única limpeza vem do tempo: materiais radiativos têm o que chamamos de "meia-vida", o tempo em que sua radiatividade decai a níveis mais aceitáveis. Infelizmente, para alguns materiais nucleares essa vida média pode ser de dezenas de milhares, até milhões, de anos. Mais ainda, o lixo nuclear pode ser tão radiativo que uma exposição de alguns segundos pode matar em dias ou horas.
Esse problema claramente é mais agudo em países que fazem amplo uso da energia nuclear. Mas o lixo vem também das armas nucleares e da aplicação de física nuclear à medicina, como no tratamento de várias formas de câncer. Diferentes tipos de lixo exigem diferentes tipos de tratamento, oferecendo maiores ou menores riscos. Alguns podem até ser reprocessados.
Existe uma ironia por trás do problema do lixo nuclear, que muitas vezes passa despercebida; nós usamos a energia nuclear com fins imediatos, seja para acender a luz em casa ou, há 55 anos, na terrível destruição de duas cidades japonesas e suas populações. O preço é a presença do lixo, a constante e agressiva memória de nossos usos e abusos da energia nuclear. De forma otimista, o uso da energia nuclear será apenas uma rápida fase na história da humanidade, no futuro suplantada por outras fontes de energia, como a solar ou a eólia, que talvez não sejam tão eficientes, mas, sem dúvida, bem mais seguras.
No meio tempo, o lixo nuclear vai se acumulando. Das várias sugestões para seu despojo, vale citar jogá-lo no Sol, no espaço, no fundo do mar, embaixo das calotas polares ou em buracos bem profundos na Terra. Aparentemente, essa última solução é a que está sendo adotada mais seriamente, ao menos pelo governo norte-americano. Técnicos acreditam ter encontrado o local ideal para a grande lixeira nuclear americana: a 150 km de Las Vegas, no meio do deserto, na montanha de Yucca. O projeto, orçado em US$ 35 bilhões, visa criar uma gigantesca cavidade sob a montanha capaz de armazenar, por milhares de anos, 77 mil toneladas de lixo radiativo.
A idéia é manter o lixo em cilindros ultra-resistentes que, associados à própria arquitetura da cavidade, ofereçam um "escudo" praticamente perfeito contra as ações destrutivas da natureza. Enquanto o lixo permanecer isolado, sua radiatividade vai enfraquecendo, até quase tornar-se inofensiva. Trata-se de um projeto único na história da humanidade, que visa construir algo capaz de desafiar a passagem do tempo, permanecendo funcional daqui há 10 mil ou até 100 mil anos. As pirâmides do Egito ainda estão de pé após 4.000 anos, mas não são mais muito funcionais.
Críticos acreditam que o "escudo" não resistirá à contínua ação da água, dizendo que essa estrutura apenas adiará o problema alguns milhares de anos. E isso se um grande terremoto, não raro na região, não destruir a estrutura inteira. E como criar um código capaz de explicar, para alguém daqui há 5.000 anos, o que está enterrado sob a montanha? Como nos comunicaremos no futuro? Será que uma caveira é suficiente? Qual o futuro da linguagem? Imagine que um horrível cataclismo, em 5.000 anos, destrua grande parte da vida na Terra. Um pobre sobrevivente, procurando por outros, se depara com esse estranho sinal, com uma caveira desenhada. "Ah! Deve ser um esconderijo com outros sobreviventes!", pensa nosso azarado. "Deixa eu tentar abrir essa enorme porta aqui..."
domingo, 3 de outubro de 1999
Do nariz de Tycho Brahe aos raios X do Universo
O grande astrônomo dinamarquês Tycho Brahe tinha grandes problemas com seu nariz. Na verdade, seus problemas não eram pelo nariz, mas por sua falta; um golpe da espada de seu primo em um duelo levou-lhe a maior parte do nariz. Como não ter nariz não era aceitável para a corte dinamarquesa, ele moldou um a partir de uma amálgama metálica, cuja composição ele variava de tempos em tempos em seu laboratório.
Aparentemente, Tycho sofria muito com seu nariz; não só a visão de uma pessoa com um nariz metálico era, mesmo no século 16, bastante aterrorizante, como o contato da amálgama com a pele era muito desconfortável. Daí que Tycho procurava continuamente por uma fórmula mais suave para seu rosto. Na noite de 11 de novembro de 1572, quando voltava de seu laboratório alquímico, Tycho viu algo inesperado: aparentemente, uma nova estrela surgira na constelação de Cassiopéia, que tem a forma de um "W" (ou talvez um "M", dependendo do ângulo e da pessoa que a observa).
Na época, a idéia de que uma nova estrela poderia surgir nos céus era absurda. De acordo com a filosofia aristotélica, que ainda dominava o meio acadêmico, os céus eram imutáveis, qualquer transformação sendo relegada à esfera abaixo da órbita lunar. Ora, como uma estrela poderia então surgir do nada? Tycho demonstrou que a "estrela nova" estava muito além da órbita lunar. Mais ainda, essa "estrela" era especial, pois era visível até durante o dia! Ele acompanhou a estrela durante os quatro meses em que ela permaneceu visível a olho nu. (O telescópio só foi usado metodicamente em astronomia a partir de 1609).
Tycho havia observado uma explosão de supernova, o evento que marca a "morte" de estrelas com massas consideravelmente maiores do que a massa do Sol. Suas observações contribuíram para a lenta demolição do edifício aristotélico, abrindo as portas para uma nova astronomia, em que mudanças caracterizam não só os objetos celestes, de planetas a galáxias, mas o próprio Universo. Essa visão dinâmica se deve principalmente à existência de instrumentos cada vez mais poderosos, que permitiram observar fenômenos celestes a distâncias cada vez maiores e com precisão também maior. Essa corrida por visões cada vez mais distantes e precisas é uma busca sem fim, uma metáfora da nossa curiosidade em conhecer as esquinas mais reclusas do Universo que habitamos.
Recentemente, a Nasa, agência espacial dos EUA, lançou um poderoso telescópio, cuja órbita chega a distâncias até 1/3 da distância entre a Terra e a Lua. Esse telescópio difere dos telescópios orbitais, como o Hubble, pois ele não "vê" o Universo dentro de seu espectro visível; conhecido como "Chandra" -em homenagem ao astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar (realmente, não dava para usar o nome inteiro), cujas contribuições foram fundamentais para a compreensão dos processos que determinam a estrutura e o colapso de uma estrela-, esse telescópio produz imagens em raios X, revelando processos que são invisíveis a olho nu.
Posso imaginar a alegria de Tycho Brahe, hoje na parte do Paraíso reservada aos grandes astrônomos, ao saber que a primeira imagem do Chandra foi também de uma supernova em Cassiopéia (não a mesma). E os resultados não poderiam ter sido melhores; as imagens revelam as ondas de material expelido durante a explosão, hoje viajando a velocidades de cerca de 15 milhões de quilômetros por hora. A propagação das ondas mostra como a matéria se espalha pelo espaço interestelar, que é o mecanismo aceito hoje para explicar a distribuição de elementos químicos na galáxia; os mais pesados são produzidos nos momentos finais do colapso que marca o fim da estrela, sendo então distribuídos pelo espaço. O ditado que afirma sermos poeira das estrelas é perfeitamente correto. Inclusive o nariz metálico de Tycho.