O que se passa em nossos cérebros quando pensamos? Será que podemos visualizar o foco de doenças psiquiátricas, como a esquizofrenia ou a obsessão compulsiva, por meio de máquinas capazes de representar a atividade cerebral em imagens? O cérebro é um dos mistérios da ciência moderna. Podemos até argumentar que, como tudo que criamos e sentimos se origina no cérebro, o cérebro é o maior mistério da ciência!
No nível fundamental, o cérebro é uma coleção de uns 100 bilhões de neurônios, células que transmitem impulsos elétricos através de um delicado balanço químico em suas sinapses, ou junções. Estímulos sensoriais captados por vários sistemas -a visão, a audição etc.- são traduzidos em impulsos elétricos, que por sua vez são enviados a partes diferentes do cérebro, onde um mapa da realidade é recriado pela ação de vários grupos de neurônios espalhados nos dois hemisférios. No nível fenomenológico, podemos definir o cérebro como um dispositivo de recriação da realidade. Mas essa definição é insuficiente, pois o cérebro é também capaz de criar realidades de "dentro para fora", mundos imaginários que existem apenas no indivíduo, ou também de recriar realidades, a memória. Daí que devemos ampliar nossa definição do que é o cérebro para um dispositivo capaz de criar realidades: as de fora para dentro, as de dentro para fora, e as recriadas pela memória. O problema é como isso é possível.
A arquitetura do cérebro é uma expressão da sua complexidade; não só o número de neurônios é enorme, mas as variações entre neurônios, o número de suas terminações (os dendritos), o comprimento do seu eixo principal (o axônio) são, também, riquíssimas. Felizmente, descobriu-se que muitos neurônios tendem a se agrupar de acordo com suas funções, em módulos especiais. Por exemplo, na área do córtex visual, esses módulos podem ter 0,1 mm de extensão e mais de 100 mil neurônios. Esse arranjo sugere que muitos neurônios agem em grupos. Uma imagem que vem em mente é uma árvore de Natal, luzes piscando aqui e ali, representando milhares de neurônios trabalhando para criar o que chamamos de mente.
Para entendermos o funcionamento do cérebro, temos de visualizá-lo em ação, representar sua atividade de forma dinâmica. O que acontece no cérebro quando uma pessoa lê alguma coisa, faz um cálculo, fala, ouve ou vê? Nos últimos 30 anos, uma série de tecnologias vindas da física vem causando uma revolução em nossa compreensão do cérebro e de seu funcionamento. Uma delas, a tomografia por emissão de pósitrons (PET), usa substâncias radioativas, injetadas na corrente sanguínea da pessoa, para monitorar mudanças no metabolismo cerebral, no fluxo de sangue em diferentes regiões ou na distribuição de substâncias químicas responsáveis pela transmissão de impulsos. As substâncias radioativas emitem uma partícula chamada pósitron, um elétron com carga positiva, que se choca com elétrons após viajar por curtíssimas distâncias. Essas colisões criam pares de fótons -as partículas da radiação eletromagnética- que são detectados por câmeras situadas em torno da cabeça do indivíduo. Com isso, usamos o decaimento radioativo de uma substância, e os vários processos de colisão que se seguem, para construir uma imagem da atividade cerebral. A resolução espacial do PET é de milímetros e a resolução temporal, de segundos.
Outra técnica é a imagem por ressonância magnética, ou MRI, que tem uma resolução espacial semelhante à PET, mas uma resolução temporal dez vezes mais rápida.
A última novidade no assunto é o magnetoencefalograma (MEG), que mede as minúsculas correntes elétricas no cérebro passando entre grupos de neurônios, com uma resolução espacial de milímetros e temporal de milésimos de segundo! O MEG permite a visualização da ação coletiva de grupos de neurônios, a base estrutural da mente. Combinando essas técnicas, que usam o micro para visualizar o macro, o cérebro fica um pouco menos misterioso. Mas, por enquanto, não muito!
domingo, 18 de junho de 2000
domingo, 11 de junho de 2000
Um pouco de caos é sempre bom
A física newtoniana, esse grande triunfo da racionalidade humana baseado nas teorias que o inglês Isaac Newton desenvolveu no século 17, criou uma visão de mundo fundamentada em um determinismo restrito: em um sistema físico qualquer, por exemplo, se conhecermos todas as posições e velocidades dos planetas orbitando o Sol em um determinado momento, poderemos prever as posições futuras ou reconstruir seus movimentos no passado remoto. Tal era a confiança nessa formulação mecânica do cosmo que, no início do século 19, o francês Pierre-Simon de Laplace declarou que, se uma "supermente" soubesse a posição e velocidade de todas as partículas do Universo, ela poderia prever todos os eventos futuros!
Nesse mundo de certezas, nada mais antipático que um problema sem solução. Como calcular os movimentos quando três corpos interagem gravitacionalmente, como um planeta em um sistema binário, isto é, com duas estrelas? (Contrariamente ao nosso Sol, cerca de 80% das estrelas aparecem em pares.) Esse problema, que parece simples, não tem solução exata. Cálculos em computadores indicam que as órbitas possíveis são caóticas, muito sensíveis às condições iniciais: uma pequena mudança na distância entre as estrelas ou na velocidade inicial do planeta gera uma órbita totalmente diferente. Um sistema simples pode ter comportamento complexo.
Essa sensibilidade às condições iniciais é uma das marcas registradas dos sistemas caóticos. Contrariamente ao uso comum da palavra, que significa o oposto de ordem, caos em um sistema físico representa um comportamento que, apesar de complexo, não é inteiramente desorganizado. Há uma persistência no comportamento do sistema, uma obediência a certos vínculos, que não existe em um sistema aleatório.
O clima é um exemplo de sistema caótico: é impossível prever com precisão qual será o clima em três ou quatro dias, mesmo que tenhamos uma quantidade enorme de dados e equações descrevendo os movimentos dos gases na atmosfera, o fluxo de calor, as diferenças de pressão etc.
Qualquer variação em um determinado local pode afetar o clima em outro local distante. Esse é o chamado "efeito borboleta", expressão cunhada por Edward Lorenz nos anos 60: o bater das asas de uma borboleta no Quênia pode afetar o clima no Canadá. Como jamais saberemos todos os detalhes que podem influenciar o clima mundial, jamais seremos capazes de prevê-lo perfeitamente. As equações continuam sendo determinísticas, mas o poder de previsão não é mais absoluto, como gostaria Laplace.
Por outro lado, o clima não é completamente louco; não neva no Rio de Janeiro (em São Paulo nunca se sabe). Há um limite para o caos climático. Esse mesmo comportamento aparece em outros sistemas que possuem a chamada não-linearidade, a propriedade de responder a estímulos de forma irregular. Em um sistema linear, a resposta é proporcional ao estímulo: se você chutar uma bola duas vezes mais forte, ela irá duas vezes mais longe. Em um não-linear, a situação é mais complicada; um estímulo menor pode causar uma resposta maior. A não-linearidade e a forte dependência das condições iniciais são dois ingredientes fundamentais dos sistemas caóticos.
Novas ferramentas foram criadas para estudar esses sistemas, que, em vez de uma descrição reducionista, usam métodos que dão uma informação global do sistema. Sistemas não-lineares têm comportamentos muito ricos; na verdade, eles é que são a regra da natureza. Sua propriedade mais importante é a emergência de ordem a partir de desordem. Furacões são um exemplo; a não-linearidade do sistema de gases atmosféricos conspira para formar um funil onde o ar se comporta de modo organizado. O mesmo efeito aparece no famoso "olho" de Júpiter, outro furacão gigantesco, resultado da auto-organização dos gases presentes em Júpiter. Sem caos, a natureza seria muito sem graça; um pouco de caos é sempre bom.
Nesse mundo de certezas, nada mais antipático que um problema sem solução. Como calcular os movimentos quando três corpos interagem gravitacionalmente, como um planeta em um sistema binário, isto é, com duas estrelas? (Contrariamente ao nosso Sol, cerca de 80% das estrelas aparecem em pares.) Esse problema, que parece simples, não tem solução exata. Cálculos em computadores indicam que as órbitas possíveis são caóticas, muito sensíveis às condições iniciais: uma pequena mudança na distância entre as estrelas ou na velocidade inicial do planeta gera uma órbita totalmente diferente. Um sistema simples pode ter comportamento complexo.
Essa sensibilidade às condições iniciais é uma das marcas registradas dos sistemas caóticos. Contrariamente ao uso comum da palavra, que significa o oposto de ordem, caos em um sistema físico representa um comportamento que, apesar de complexo, não é inteiramente desorganizado. Há uma persistência no comportamento do sistema, uma obediência a certos vínculos, que não existe em um sistema aleatório.
O clima é um exemplo de sistema caótico: é impossível prever com precisão qual será o clima em três ou quatro dias, mesmo que tenhamos uma quantidade enorme de dados e equações descrevendo os movimentos dos gases na atmosfera, o fluxo de calor, as diferenças de pressão etc.
Qualquer variação em um determinado local pode afetar o clima em outro local distante. Esse é o chamado "efeito borboleta", expressão cunhada por Edward Lorenz nos anos 60: o bater das asas de uma borboleta no Quênia pode afetar o clima no Canadá. Como jamais saberemos todos os detalhes que podem influenciar o clima mundial, jamais seremos capazes de prevê-lo perfeitamente. As equações continuam sendo determinísticas, mas o poder de previsão não é mais absoluto, como gostaria Laplace.
Por outro lado, o clima não é completamente louco; não neva no Rio de Janeiro (em São Paulo nunca se sabe). Há um limite para o caos climático. Esse mesmo comportamento aparece em outros sistemas que possuem a chamada não-linearidade, a propriedade de responder a estímulos de forma irregular. Em um sistema linear, a resposta é proporcional ao estímulo: se você chutar uma bola duas vezes mais forte, ela irá duas vezes mais longe. Em um não-linear, a situação é mais complicada; um estímulo menor pode causar uma resposta maior. A não-linearidade e a forte dependência das condições iniciais são dois ingredientes fundamentais dos sistemas caóticos.
Novas ferramentas foram criadas para estudar esses sistemas, que, em vez de uma descrição reducionista, usam métodos que dão uma informação global do sistema. Sistemas não-lineares têm comportamentos muito ricos; na verdade, eles é que são a regra da natureza. Sua propriedade mais importante é a emergência de ordem a partir de desordem. Furacões são um exemplo; a não-linearidade do sistema de gases atmosféricos conspira para formar um funil onde o ar se comporta de modo organizado. O mesmo efeito aparece no famoso "olho" de Júpiter, outro furacão gigantesco, resultado da auto-organização dos gases presentes em Júpiter. Sem caos, a natureza seria muito sem graça; um pouco de caos é sempre bom.
domingo, 4 de junho de 2000
Profecias e a estabilidade do Sistema Solar
O mundo deveria ter terminado no mês passado. Para ser mais explícito, no dia 5 ou no dia 17. Ao menos assim previam certas "profecias" apocalípticas. A causa? Um raro alinhamento dos planetas Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno com a Lua e o Sol no dia 5 e outro, um pouco menos dramático, no dia 17. Este último é mais uma convergência de planetas em uma região do céu compreendendo um arco de 19 graus do que um alinhamento propriamente dito, que seria equivalente a ter os planetas localizados em uma linha reta imaginária passando pela Terra.
Profecias como essa não são nenhuma novidade; a história está cheia de visões do fim do mundo, dilúvios, pragas e cataclismos os mais diversos, em geral consequência da ira divina. A passagem do ano 2000 foi encarada com um certo temor generalizado, uma mistura de profecias bíblicas com o possível caos tecnológico que seria causado por computadores, confundindo o ano 2000 com o ano 1900. Bilhões de dólares foram gastos e praticamente quase nada de caótico realmente aconteceu. Interessante essa adaptação de um simbolismo apocalíptico, uma herança religiosa, em um temor causado por uma tecnologia que acaba por nos controlar, o monstro destruindo seu criador, numa versão digital do mito do Dr. Frankenstein e sua criatura.
Até que ponto devemos levar a sério essas previsões de fim de mundo devido a alinhamentos planetários? A "causa" por trás da profecia é, claro, a força gravitacional; como cada planeta atrai a Terra em proporção à sua massa e em proporção inversa ao quadrado da sua distância, um alinhamento representaria uma maximização dessa atração, especialmente se todos os planetas estiverem do "mesmo lado", numa espécie de cabo de guerra planetário, a Terra contra o resto do Sistema Solar. O problema com essas profecias é que elas ignoram os números que resultam da simples aplicação da lei da gravitação aos alinhamentos. Vamos fazer algumas comparações: o astro que domina a dinâmica gravitacional do Sistema Solar é o Sol. podemos então estabelecer uma escala, onde a atração gravitacional entre o Sol e a Terra representa uma unidade, ou seja, com valor 1. A atração da Lua sobre a Terra é em torno de 5,6 milésimos da atração do Sol, ou, em nossa escala, 0,0056; a atração de Marte sobre a Terra é de 0,0000012; a atração de Júpiter sobre a Terra é de 0,000056; a atração de Saturno, 0,000004. Conclusão: mesmo se somarmos essas atrações, o resultado final é completamente desprezível. A atração gravitacional exercida pelos planetas sobre a Terra não irá causar cataclismos quando combinada durante esses alinhamentos.
A exploração econômica dessas profecias também é interessante, se não fosse trágica. Trágica porque milhares de pessoas, mal informadas com relação à ciência por trás desses fenômenos, os levam realmente a sério e gastam seu dinheiro e sua saúde em "serviços" de apoio aos cataclismos iminentes. Por exemplo, nos EUA existe um serviço privado chamado "Survival Center" (centro de sobrevivência), com endereço na Internet, que "previu" terremotos, maremotos e ventos de até 3.000 km/h causados pelo alinhamento do dia 5 de maio! Claro, o mesmo centro de sobrevivência também oferece vários produtos que podem ser extremamente úteis nessas circunstâncias, como geradores a gasolina, rádios a energia solar e velas com duração de seis dias. Como literatura de apoio, o portal oferece o livro "5/5/2000 Gelo: O Derradeiro Desastre", onde seu autor prevê que o alinhamento irá causar o degelo das calotas polares, que por sua vez causará enchentes comparáveis às de Noé.
Profecias à parte, desde o século 18 cientistas têm estudado a questão da estabilidade do Sistema Solar; já que a força gravitacional é atrativa, será que os planetas permanecerão em órbitas estáveis indefinidamente, ou será que eles escaparão da atração solar? Ou cairão no Sol? Em 1892, o matemático francês Henri Poincaré, após uma análise do problema, concluiu que não era possível assegurar a estabilidade do Sistema Solar. Técnicas mais modernas mudaram o veredicto positivamente, se incluirmos apenas forças gravitacionais. Infelizmente, efeitos dissipativos podem alterar esses resultados, causando uma futura instabilidade. Mas esses efeitos são muito, muito pequenos, e nada acontecerá por milhões de anos. No mínimo.
Profecias como essa não são nenhuma novidade; a história está cheia de visões do fim do mundo, dilúvios, pragas e cataclismos os mais diversos, em geral consequência da ira divina. A passagem do ano 2000 foi encarada com um certo temor generalizado, uma mistura de profecias bíblicas com o possível caos tecnológico que seria causado por computadores, confundindo o ano 2000 com o ano 1900. Bilhões de dólares foram gastos e praticamente quase nada de caótico realmente aconteceu. Interessante essa adaptação de um simbolismo apocalíptico, uma herança religiosa, em um temor causado por uma tecnologia que acaba por nos controlar, o monstro destruindo seu criador, numa versão digital do mito do Dr. Frankenstein e sua criatura.
Até que ponto devemos levar a sério essas previsões de fim de mundo devido a alinhamentos planetários? A "causa" por trás da profecia é, claro, a força gravitacional; como cada planeta atrai a Terra em proporção à sua massa e em proporção inversa ao quadrado da sua distância, um alinhamento representaria uma maximização dessa atração, especialmente se todos os planetas estiverem do "mesmo lado", numa espécie de cabo de guerra planetário, a Terra contra o resto do Sistema Solar. O problema com essas profecias é que elas ignoram os números que resultam da simples aplicação da lei da gravitação aos alinhamentos. Vamos fazer algumas comparações: o astro que domina a dinâmica gravitacional do Sistema Solar é o Sol. podemos então estabelecer uma escala, onde a atração gravitacional entre o Sol e a Terra representa uma unidade, ou seja, com valor 1. A atração da Lua sobre a Terra é em torno de 5,6 milésimos da atração do Sol, ou, em nossa escala, 0,0056; a atração de Marte sobre a Terra é de 0,0000012; a atração de Júpiter sobre a Terra é de 0,000056; a atração de Saturno, 0,000004. Conclusão: mesmo se somarmos essas atrações, o resultado final é completamente desprezível. A atração gravitacional exercida pelos planetas sobre a Terra não irá causar cataclismos quando combinada durante esses alinhamentos.
A exploração econômica dessas profecias também é interessante, se não fosse trágica. Trágica porque milhares de pessoas, mal informadas com relação à ciência por trás desses fenômenos, os levam realmente a sério e gastam seu dinheiro e sua saúde em "serviços" de apoio aos cataclismos iminentes. Por exemplo, nos EUA existe um serviço privado chamado "Survival Center" (centro de sobrevivência), com endereço na Internet, que "previu" terremotos, maremotos e ventos de até 3.000 km/h causados pelo alinhamento do dia 5 de maio! Claro, o mesmo centro de sobrevivência também oferece vários produtos que podem ser extremamente úteis nessas circunstâncias, como geradores a gasolina, rádios a energia solar e velas com duração de seis dias. Como literatura de apoio, o portal oferece o livro "5/5/2000 Gelo: O Derradeiro Desastre", onde seu autor prevê que o alinhamento irá causar o degelo das calotas polares, que por sua vez causará enchentes comparáveis às de Noé.
Profecias à parte, desde o século 18 cientistas têm estudado a questão da estabilidade do Sistema Solar; já que a força gravitacional é atrativa, será que os planetas permanecerão em órbitas estáveis indefinidamente, ou será que eles escaparão da atração solar? Ou cairão no Sol? Em 1892, o matemático francês Henri Poincaré, após uma análise do problema, concluiu que não era possível assegurar a estabilidade do Sistema Solar. Técnicas mais modernas mudaram o veredicto positivamente, se incluirmos apenas forças gravitacionais. Infelizmente, efeitos dissipativos podem alterar esses resultados, causando uma futura instabilidade. Mas esses efeitos são muito, muito pequenos, e nada acontecerá por milhões de anos. No mínimo.
domingo, 28 de maio de 2000
A primeira década do Hubble
No dia 24 de abril de 1990 a astronomia ganhou um dos maiores presentes de sua história: o telescópio orbital Hubble, um projeto da agência espacial norte-americana Nasa, cujo preço ficou em torno de US$ 3 bilhões.
Foram duas décadas de planejamento, de revisões técnicas, de adiamentos de lançamentos, de dramas e expectativas, de sonhos e especulações. Hoje, podemos dizer que, desde que Galileu ergueu seu pequeno telescópio aos céus em 1609, nenhum outro instrumento astronômico revolucionou tão profundamente nossa visão cósmica em tão pouco tempo. Acho que a primeira década do Hubble merece ser festejada por todos nós. O Universo hoje é muito diferente do Universo de dez anos atrás.
Foram dez anos movimentados: com 12 toneladas e o tamanho de um ônibus, o Hubble já circulou a Terra mais de 58,4 mil vezes, viajando mais de 2,5 bilhões de quilômetros, enfocando 14 mil objetos e gerando um total de 273 mil observações. Tudo isso remotamente, seus instrumentos controlados da Terra.
Os primeiros anos não foram fáceis. O espelho principal do telescópio teve sérios problemas de fabricação, que não foram detectados em terra, pois a administração da Nasa resolveu economizar testes de alta precisão. O telescópio entrou em órbita míope, para constrangimento da Nasa e de centenas de astrônomos que contavam com observações livres das distorções da atmosfera.
Passaram-se três anos até que uma solução brilhante foi desenvolvida, baseada em um jogo de lentes corretoras que mais do que compensaram a miopia do telescópio. Em uma missão que emocionou milhões de pessoas, um time de astronautas usou o ônibus espacial para ir ao encontro do telescópio e instalar as novas lentes. Desde então duas outras missões consertaram várias outras peças defeituosas e modernizaram partes já obsoletas do equipamento.
Segundo seus últimos visitantes, a fuselagem do telescópio está repleta de pequenos buracos, resultados do impacto de vários meteoros do tamanho de grãos de areia. Apesar desse tiroteio cósmico, estima-se que o Hubble continuará em funcionamento por mais uma década, cinco anos a mais do que o plano inicial.
Devido à sua precisão, certas imagens obtidas pelo Hubble já se tornaram parte da galeria que representa os símbolos da nossa era. Quem pode se esquecer das dramáticas imagens do cometa Shoemaker-Levy-9 chocando-se com Júpiter em 1994? Ou das vastas colunas de gás participando da dança de criação de estrelas? Ou das inúmeras imagens de planetas, galáxias, nebulosas e até galáxias em colisão? E o mais incrível é que podemos acessar essas imagens de casa, o Universo nas telas de nossos computadores.
Alguns resultados obtidos pelo Hubble estão causando uma verdadeira revolução na cosmologia moderna. Eis aqui três exemplos: astrônomos encontraram, em meio ao turbilhão de estrelas em galáxias distantes, certas estrelas que são usadas como marcos de distância. A partir desses marcos, é possível estimar a idade do Universo desde o evento que inaugurou sua expansão, o Big Bang, em torno de 14 bilhões de anos atrás, com erro de uns 2 bilhões. Parece muito, mas antes do Hubble o erro era de 10 bilhões.
Usando a precisão do telescópio para distinguir a estrutura de galáxias distantes, foi possível demonstrar que as misteriosas "explosões de raios gama", os eventos mais energéticos do cosmo, não são interiores à nossa galáxia, mas marcam períodos de formação de estrelas em galáxias muito ativas. Mesmo que o mecanismo gerador de tanta energia em tão pouco tempo permaneça misterioso, as pistas dadas pelo Hubble têm sido cruciais nesse estudo.
Finalmente, chegamos à observação mais controversa, que indica que o Universo está em um período de expansão acelerada. Se isso for verdade, em torno de 70% da energia do Universo é composta por uma espécie de fluido antigravitacional, cuja natureza no momento é um completo mistério. Como todo grande instrumento científico, o Hubble não se limita a responder perguntas. Aliado à nossa infinita curiosidade, ele nos ajuda a criar novas realidades, estendendo nossos olhos aos confins do Universo.
domingo, 21 de maio de 2000
O que seria do mundo sem as bolhas?
Ahhh! Nada como uma cerveja bem gelada após o trabalho, o colarinho de espuma branca, as bolhas subindo continuamente, numa coreografia dourada entre gases e líquido. Imagine o que seria do mundo sem bolhas! Uma cerveja ou um refrigerante chocos são intragáveis. E isso sem falar no champanhe, com suas bolhas rápidas, descrevendo elegantes trajetórias ascendentes.
Por incrível que pareça, a cerveja foi inventada entre 5.000 e 10 mil anos atrás, mas só em torno de 1600 d.C. descobriu-se que, se a fermentação ocorrer em um recipiente fechado, bolhas de gás são dissolvidas no líquido. As bolhas são principalmente gás carbônico, aparecendo em geral junto à parede do copo; normalmente uma bolha aparece devido a alguma "impureza", como um grão de poeira. Essas impurezas atuam como sementes, ou sítios de nucleação de bolhas, incitando o gás a concentrar-se ao seu redor. Quando a bolha atinge um certo tamanho, ela se desprende da parede do copo e começa a subir, já que seu interior tem menor densidade do que o líquido. Enquanto a bolha sobe ela também cresce, devido à diferença de pressão entre o gás no seu interior e aquele dissolvido no líquido.
Falando em bolhas de cerveja e champanhe, elas têm várias diferenças: a cerveja tem em torno de 30 vezes mais proteínas que o champanhe, e isso afeta a dinâmica das bolhas; em particular, essas moléculas aderem à sua superfície, aumentando sua viscosidade com o líquido ao redor. Por isso que bolhas de cerveja sobem bem mais devagar que as de champanhe. Mais ainda, as bolhas de champanhe crescem mais rapidamente, em parte devido a uma pressão três vezes maior. Ou seja, champanhe é uma mistura entre líquido e gás bem mais dinâmica que a cerveja. Existe uma cerveja escura irlandesa chamada Guinness, que, de acordo com seus fãs, é tão viscosa que algumas bolhas descem em vez de subir! Simulações em supercomputadores usando as equações da mecânica dos fluidos, com os parâmetros caracterizando o "fluido" Guinness, comprovaram o fenômeno, que é resultado de uma circulação do fluido a partir de sua região central, como um repuxo. Essas mesmas simulações são usadas para estudar a estabilidade de outros objetos, como aviões no ar. Isso é que é versatilidade!
Até agora, falamos de bolhas de gases em líquidos. E o oposto? Podemos falar também de "bolhas" de líquidos em gases. Um exemplo disso é a condensação, quando moléculas de um gás se juntam para formar um líquido. Em física, falamos de transformações (ou transições) de fase, quando uma substância vai de uma fase, por exemplo, gasosa, a outra, líquida. Há vários meios para forçar uma substância a mudar sua fase. O mais comum é mudar a temperatura: se resfriarmos vapor d'água, ele se transforma em líquido; se resfriarmos um líquido, ele se transforma em sólido (gelo). Claro, o processo vai nas duas direções. Tal como com as bolhas de cerveja e champanhe, essas transições também podem ser induzidas por impurezas misturadas. Sem impurezas, a condensação toma muito mais tempo, o que demonstra a importância da sujeira na vida cotidiana.
Outro exemplo importante da função da sujeira na transformação das substâncias é a chuva. Devido à menor temperatura a altas altitudes, o vapor que ascende condensa-se em minúsculas gotículas d'água. Essas gotículas, devido às suas pequenas massas e à fricção do ar, caem tão devagar que praticamente ficam em suspensão, formando as nuvens. Essas gotas agregam-se em torno de pequenos núcleos sólidos, grãos de sujeira, até atingir um tamanho grande o suficiente para se precipitar -é a chuva.
Portanto, caro leitor, a próxima vez que você tomar uma cerveja ou champanhe ou, se de menor idade, refrigerante, lembre-se que a física que causa o aparecimento das bolhas na sua bebida é, a grosso modo, relacionada com a que explica a chuva -uma, gotas de gás no líquido; a outra, gotas de líquido no gás.
domingo, 14 de maio de 2000
Miniaturização versus eficiência
Todos nós queremos computadores cada vez mais rápidos, com memórias cada vez maiores, imagens perfeitas em sua definição digital e, claro, preços cada vez mais baixos. Essa demanda tem desafiado a criatividade dos cientistas que enfrentam os inúmeros problemas que vão surgindo no caminho. Até agora, tudo tem andado às mil maravilhas, como todo consumidor de apetite voraz pode constatar. Eis alguns números: a capacidade de armazenamento de dados, ou a memória, dos discos rígidos aumentou numa taxa de 25% a 30% nos anos 80 e nos anos 90 em torno de 60%. Só no final do ano passado, o aumento na capacidade de armazenamento foi de 130%! Hoje, ela dobra a cada nove meses, mais rápido que a taxa de crescimento na capacidade dos microchips, que também é espantosa. Essa segue uma fórmula empírica chamada Lei de Moore, dobrando a velocidade de processamento -relacionada com a frequência do microchip- a cada 18 meses.
Esse progresso ultra-rápido está por trás da grande revolução tecnológica que estamos vivendo agora, a terceira revolução industrial (a primeira, na Alta Idade Média, com o desenvolvimento da indústria têxtil, e a segunda, com a máquina a vapor). Tudo isso graças ao sucesso com que a física quântica e a eletrônica permitiram uma miniaturização contínua no tamanho dos elementos que compõem esses instrumentos, sem comprometer sua eficiência. Muito pelo contrário. O preço por megabyte (milhões de bytes) de memória, que em 1988 era US$ 11,54, caiu para US$ 0,04 em 1998. A estimativa para 2002 é de US$ 0,003.
Essa corrida pelo menor e mais rápido está chegando ao fim. Não porque a demanda está decrescendo; hoje, um número cada vez maior da população mundial tem ou usa diariamente computadores e essa tendência só tende a crescer. O problema é que as tecnologias usadas na construção de discos rígidos e microchips está chegando ao limite entre dois mundos distintos, o mundo clássico e o mundo quântico, o mundo dos átomos, moléculas e partículas subatômicas. O grande desafio encarado pelos cientistas é que o mundo quântico é dominado por flutuações imprevisíveis, algo que vai de encontro à idéia de memória permanente, que deve ser imune a flutuações aleatórias. Vejamos como isso funciona.
A memória em computadores é "esculpida" magneticamente no material que compõe a superfície do disco rígido; cada unidade de informação, ou bit, é composta de centenas de grãos de certos materiais cujos átomos funcionam como mini-ímãs: imagine um disco daqueles pré-CDs, com a superfície semelhante a um tabuleiro de xadrez. A gravação da informação é efetuada por uma "agulha" magnética, que força os pequenos ímãs nos grãos -os quadrados do tabuleiro- a se alinhar em uma (zero) ou outra (um) direção, em um código binário. Uma vez esculpida no disco, a informação pode ser lida, com um dispositivo sensível às variações no campo magnético da superfície. Como aumentar a quantidade de informação em um disco rígido? Fácil. Basta aumentarmos o número de sulcos na superfície do disco e/ ou o tamanho dos grãos magnéticos e/ou a velocidade com que o disco gira. Cada uma dessas soluções está sendo aplicada. Discos giram com velocidades de 3.600 a 10 mil revoluções por minuto. Se girarem mais rápido, a turbulência causada pelo ar sobre a superfície causa erros na gravação e na leitura de informação.
O número de sulcos está hoje em torno de 5.000 por centímetro quadrado. Para aumentarmos esse número é necessário um posicionamento extremamente preciso da agulha magnética para a leitura de cada sulco. Para a gravação, o problema é maior: a informação sendo gravada pode saltar para o sulco vizinho. Já a diminuição do tamanho do grão encontra um problema ainda mais fundamental: em geral, são usados 500 a 1.000 grãos magnéticos para gravar um bit. Se diminuirmos o número de grãos por bit, não só o sinal magnético enfraquece, dificultando sua leitura, mas flutuações na temperatura podem inverter o sinal magnético aleatoriamente.
Várias novas tecnologias estão sendo propostas para resolver esses desafios; leitoras a laser para guiar as agulhas, materiais mais resistentes às flutuações térmicas. Muito provavelmente, o computador do futuro será muito diferente, um híbrido entre o clássico e o quântico.
Esse progresso ultra-rápido está por trás da grande revolução tecnológica que estamos vivendo agora, a terceira revolução industrial (a primeira, na Alta Idade Média, com o desenvolvimento da indústria têxtil, e a segunda, com a máquina a vapor). Tudo isso graças ao sucesso com que a física quântica e a eletrônica permitiram uma miniaturização contínua no tamanho dos elementos que compõem esses instrumentos, sem comprometer sua eficiência. Muito pelo contrário. O preço por megabyte (milhões de bytes) de memória, que em 1988 era US$ 11,54, caiu para US$ 0,04 em 1998. A estimativa para 2002 é de US$ 0,003.
Essa corrida pelo menor e mais rápido está chegando ao fim. Não porque a demanda está decrescendo; hoje, um número cada vez maior da população mundial tem ou usa diariamente computadores e essa tendência só tende a crescer. O problema é que as tecnologias usadas na construção de discos rígidos e microchips está chegando ao limite entre dois mundos distintos, o mundo clássico e o mundo quântico, o mundo dos átomos, moléculas e partículas subatômicas. O grande desafio encarado pelos cientistas é que o mundo quântico é dominado por flutuações imprevisíveis, algo que vai de encontro à idéia de memória permanente, que deve ser imune a flutuações aleatórias. Vejamos como isso funciona.
A memória em computadores é "esculpida" magneticamente no material que compõe a superfície do disco rígido; cada unidade de informação, ou bit, é composta de centenas de grãos de certos materiais cujos átomos funcionam como mini-ímãs: imagine um disco daqueles pré-CDs, com a superfície semelhante a um tabuleiro de xadrez. A gravação da informação é efetuada por uma "agulha" magnética, que força os pequenos ímãs nos grãos -os quadrados do tabuleiro- a se alinhar em uma (zero) ou outra (um) direção, em um código binário. Uma vez esculpida no disco, a informação pode ser lida, com um dispositivo sensível às variações no campo magnético da superfície. Como aumentar a quantidade de informação em um disco rígido? Fácil. Basta aumentarmos o número de sulcos na superfície do disco e/ ou o tamanho dos grãos magnéticos e/ou a velocidade com que o disco gira. Cada uma dessas soluções está sendo aplicada. Discos giram com velocidades de 3.600 a 10 mil revoluções por minuto. Se girarem mais rápido, a turbulência causada pelo ar sobre a superfície causa erros na gravação e na leitura de informação.
O número de sulcos está hoje em torno de 5.000 por centímetro quadrado. Para aumentarmos esse número é necessário um posicionamento extremamente preciso da agulha magnética para a leitura de cada sulco. Para a gravação, o problema é maior: a informação sendo gravada pode saltar para o sulco vizinho. Já a diminuição do tamanho do grão encontra um problema ainda mais fundamental: em geral, são usados 500 a 1.000 grãos magnéticos para gravar um bit. Se diminuirmos o número de grãos por bit, não só o sinal magnético enfraquece, dificultando sua leitura, mas flutuações na temperatura podem inverter o sinal magnético aleatoriamente.
Várias novas tecnologias estão sendo propostas para resolver esses desafios; leitoras a laser para guiar as agulhas, materiais mais resistentes às flutuações térmicas. Muito provavelmente, o computador do futuro será muito diferente, um híbrido entre o clássico e o quântico.
domingo, 7 de maio de 2000
Medindo a geometria do Universo
Se a Terra é redonda, parece que o Universo é plano. Essa afirmação tem sido feita com cada vez mais firmeza por cosmólogos que se preocupam com a geometria do cosmos, uma questão tão antiga quanto os vários relatos de criação do mundo. Em uma versão científica dessa questão, desavenças iniciais devem ser substituídas por um consenso geral, uma vez que os resultados de observações e análise de dados sejam propriamente interpretados e discutidos. Nos últimos oito anos, uma verdadeira bateria de projetos dedicados ao estudo dessa questão vem sistematicamente coletando dados, avidamente discutidos pela comunidade científica. Semana passada, dados de um experimento chamado Boomerang revelaram, de forma realmente convincente, que os resultados convergem mesmo para um Universo plano. Eis aqui como que um balão flutuando durante dez dias 38 km sobre a Antártica pode nos revelar algo sobre a geometria do Universo.
Segundo o modelo do Big Bang, o Universo primordial era extremamente quente e denso, com as partículas de matéria interagindo furiosamente com as partículas de radiação, os chamados fótons. A energia desses fótons está diretamente relacionada com sua temperatura, que é também a temperatura do Universo. À medida que o Universo se expande, e ele está em expansão desde seus momentos iniciais, sua temperatura cai e os fótons ficam cada vez menos energéticos. Passados em torno de 300 mil anos desde o "bang", os fótons não conseguem mais evitar que elétrons e prótons se juntem para formar átomos de hidrogênio. Durante essa época, o Universo muda de composição, sendo então formado por átomos de hidrogênio e fótons, que passam a se propagar livremente pelo espaço. Com a expansão do Universo, que agora tem em torno de 15 bilhões de anos, esses fótons se resfriaram ainda mais, estando hoje a temperaturas em torno de 3 graus acima do zero absoluto, isto é, -270C. Essa é a famosa radiação de fundo cósmico, prevista pelo modelo do Big Bang e observada pela primeira vez em 1965.
Vamos voltar ao momento em que os fótons passam a ser livres do resto da matéria (os recém-formados átomos de hidrogênio). Nessa época, existiam concentrações de matéria espalhadas pelo cosmo, regiões mais densas que, em alguns milhões de anos, com a força atrativa da gravidade, iriam formar as galáxias e grupos de galáxias que observamos hoje com nossos telescópios. Podemos imaginar uma espécie de sopa de legumes, os fótons formando o líquido e, essas regiões mais densas, os vários pedaços de cenoura, batata etc. Com a atração crescente da gravidade, alguns fótons "caem" dentro dessas regiões, iniciando uma espécie de cabo-de-guerra em que de um lado eles tentam escapar e de outro a gravidade os puxa para dentro da região. Esse vai-e-vem gravitacional produz uma oscilação na energia dos fótons. E, como a energia dos fótons está ligada a sua temperatura, esse processo cria pequenas flutuações de temperatura nos fótons que compõem a radiação de fundo cósmico. Ou seja, ao medir a temperatura dessa radiação, devemos detectar pequenas flutuações, que são os fósseis desse cabo-de-guerra que ocorreu na infância do Universo. O grande desafio é que essas flutuações são da ordem de um milionésimo de grau. Encontrá-las é equivalente a encontrar elevações de 1 metro na superfície da Terra, que tem um raio de 6,4 milhões de metros!
Essas medidas são feitas tanto em satélites quanto em balões. Antenas apontam para ângulos diversos no céu, e a temperatura dos fótons é medida por aparelhos de incrível precisão. As flutuações têm vários tamanhos e temperaturas. Flutuações com ângulo acima de 2 graus são produzidas durante o processo de separação entre fótons e matéria. Flutuações menores revelam algo sobre a distribuição das regiões com excesso de matéria antes desse processo. Essas é que foram medidas por Boomerang. A teoria prevê que a localização das flutuações de maior intensidade nos revela a geometria do Universo; os resultados são consistentes com um Universo de geometria plana, uma versão tridimensional da superfície de uma mesa. Agora, precisamos descobrir que tipos de matéria e energia estão servidos em nossa "mesa cósmica".
Segundo o modelo do Big Bang, o Universo primordial era extremamente quente e denso, com as partículas de matéria interagindo furiosamente com as partículas de radiação, os chamados fótons. A energia desses fótons está diretamente relacionada com sua temperatura, que é também a temperatura do Universo. À medida que o Universo se expande, e ele está em expansão desde seus momentos iniciais, sua temperatura cai e os fótons ficam cada vez menos energéticos. Passados em torno de 300 mil anos desde o "bang", os fótons não conseguem mais evitar que elétrons e prótons se juntem para formar átomos de hidrogênio. Durante essa época, o Universo muda de composição, sendo então formado por átomos de hidrogênio e fótons, que passam a se propagar livremente pelo espaço. Com a expansão do Universo, que agora tem em torno de 15 bilhões de anos, esses fótons se resfriaram ainda mais, estando hoje a temperaturas em torno de 3 graus acima do zero absoluto, isto é, -270C. Essa é a famosa radiação de fundo cósmico, prevista pelo modelo do Big Bang e observada pela primeira vez em 1965.
Vamos voltar ao momento em que os fótons passam a ser livres do resto da matéria (os recém-formados átomos de hidrogênio). Nessa época, existiam concentrações de matéria espalhadas pelo cosmo, regiões mais densas que, em alguns milhões de anos, com a força atrativa da gravidade, iriam formar as galáxias e grupos de galáxias que observamos hoje com nossos telescópios. Podemos imaginar uma espécie de sopa de legumes, os fótons formando o líquido e, essas regiões mais densas, os vários pedaços de cenoura, batata etc. Com a atração crescente da gravidade, alguns fótons "caem" dentro dessas regiões, iniciando uma espécie de cabo-de-guerra em que de um lado eles tentam escapar e de outro a gravidade os puxa para dentro da região. Esse vai-e-vem gravitacional produz uma oscilação na energia dos fótons. E, como a energia dos fótons está ligada a sua temperatura, esse processo cria pequenas flutuações de temperatura nos fótons que compõem a radiação de fundo cósmico. Ou seja, ao medir a temperatura dessa radiação, devemos detectar pequenas flutuações, que são os fósseis desse cabo-de-guerra que ocorreu na infância do Universo. O grande desafio é que essas flutuações são da ordem de um milionésimo de grau. Encontrá-las é equivalente a encontrar elevações de 1 metro na superfície da Terra, que tem um raio de 6,4 milhões de metros!
Essas medidas são feitas tanto em satélites quanto em balões. Antenas apontam para ângulos diversos no céu, e a temperatura dos fótons é medida por aparelhos de incrível precisão. As flutuações têm vários tamanhos e temperaturas. Flutuações com ângulo acima de 2 graus são produzidas durante o processo de separação entre fótons e matéria. Flutuações menores revelam algo sobre a distribuição das regiões com excesso de matéria antes desse processo. Essas é que foram medidas por Boomerang. A teoria prevê que a localização das flutuações de maior intensidade nos revela a geometria do Universo; os resultados são consistentes com um Universo de geometria plana, uma versão tridimensional da superfície de uma mesa. Agora, precisamos descobrir que tipos de matéria e energia estão servidos em nossa "mesa cósmica".
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