O laser é, tanto quanto o computador, parte imprescindível de nosso dia-a-dia: impressoras a laser, discos laser, DVDs, cirurgias e outros procedimentos médicos. Sem dúvida, o laser, que virou quarentão este ano, merece o nosso respeito como uma das invenções mais críticas do século 20. Daí que hoje gostaria de celebrá-lo, dedicando esta crônica a esse importante aliado de nosso laser.
Desculpem-me, caros leitores, mas não resisti a trocar o "z" pelo "s".Tudo começou em 1905, quando Einstein postulou que a luz pode ser interpretada tanto como uma onda, algo que já se sabia, quanto como uma partícula, o fóton, algo que tomou muita coragem na época. A luz visível é apenas uma das várias manifestações da radiação eletromagnética, que inclui as ondas de rádio, as radiações infravermelha e ultravioleta, os raios X e os raios gama.
A única diferença entre esses tipos de radiação é a frequência, que cresce das ondas de rádio até os raios gama. Einstein argumentou que a radiação eletromagnética pode ser representada por essas pequenas "balas" de radiação, cuja energia cresce com a frequência. Os fótons das ondas de rádio, de menor frequência, têm as menores energias, enquanto que aqueles dos raios gama são os mais energéticos.
O segundo componente que precisamos para entender como funcionam os lasers é o simples modelo atômico proposto por Niels Bohr em 1913. Segundo Bohr, o átomo pode ser representado por um pequeno núcleo de carga positiva e por elétrons que giram em torno desse núcleo em órbitas discretas. A novidade aqui é a idéia de órbitas discretas: é como se os elétrons só pudessem andar em trilhos concêntricos circundando o núcleo, não podendo andar no espaço entre os trilhos.
O trilho mais próximo do núcleo é o "estado fundamental" do átomo; os elétrons não podem cair no núcleo. Para subir de uma órbita para outra, os elétrons precisam de energia, tal como nós precisamos de energia para subir uma escada. Essa energia é fornecida por fótons, que precisam ter energias exatamente iguais à diferença de energia entre as duas órbitas. O elétron "come" (absorve) o fóton e com isso tem energia suficiente para subir de nível. Já um elétron em um nível superior (ou excitado) só pode descer emitindo um fóton com energia idêntica à diferença de energia entre as duas órbitas.
Portanto átomos em estados excitados emitem fótons ou radiação com frequência determinada.Imagine um átomo no estado fundamental. Se o bombardearmos com fótons de energia adequada, os elétrons irão absorvê-los e migrar para estados excitados. Esse processo é conhecido como "absorção estimulada". Caso o átomo esteja em um estado excitado, duas coisas podem acontecer: ou ele decai espontaneamente, emitindo um fóton com a frequência adequada (emissão espontânea), ou estimulamos seu decaimento bombardeando-o com fótons de frequência adequada (emissão estimulada). Esse último processo é fundamental no funcionamento do laser.
Isso porque, quando um fóton estimula o decaimento do átomo, outro fóton será liberado durante o decaimento, com energia idêntica à do primeiro. Ou seja, usamos um e pegamos dois. Uma situação semelhante acontece quando tentamos recuperar uma bola que ficou presa em uma árvore atirando outra bola. Se formos bem sucedidos, recuperamos a bola que jogamos e a que estava presa. Portanto, se prepararmos um número grande de átomos em um estado excitado e bombardearmos um desses átomos com um fóton, obtemos dois fótons (o usado como "bala" e o liberado no decaimento).
Esses dois fótons se chocam com dois outros átomos, liberando dois outros fótons (quatro no total), esses quatro liberam oito, e assim por diante, em uma incrível amplificação do efeito inicial. Daí a sigla "laser", que vem do inglês "Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação". Mais ainda, todos esses fótons têm exatamente a mesma energia, formando radiação altamente coerente. Por isso o laser tem um tom tão intenso.Os lasers mais comuns usam uma combinação de gases hélio e neônio. Essa mistura é estimulada por uma descarga elétrica que põe átomos de neônio em um estado excitado. Quando um fóton estimula seu decaimento, outros fótons são emitidos, gerando uma luz vermelha muito familiar. Na próxima vez que você ouvir um CD, essa familiar e intensa luz vermelha será menos misteriosa
domingo, 3 de dezembro de 2000
domingo, 26 de novembro de 2000
Quando os mestres erram
Hoje gostaria de contar uma história que exemplifica como a idéia de autoridade intelectual opera na comunidade científica, muitas vezes com efeitos negativos. Isso porque a imagem do grande mestre projeta uma aura de infalibilidade que é falsa: grandes mentes também erram.Durante os anos 20 e 30, a comunidade astronômica britânica era dominada pela figura de Arthur Eddington.
Foi ele quem provou, por meio de observações de um eclipse do Sol em 1919, que a teoria da relatividade geral de Einstein estava correta. Foi ele quem desvendou, em grande parte, a composição química do Sol e como as estrelas operam, contrabalançando a tendência de implodir pela gravidade e a pressão criada pelas altas temperaturas no centro.
Quando Eddington falava, os astrônomos ouviam.Na Índia, em 1930, um estudante de 19 anos, Subrahmanyan Chandrasekhar, estava fascinado com os novos desenvolvimentos da física, a relatividade geral e a mecânica quântica. Ele decidiu fazer seu doutorado em Cambridge, Inglaterra, onde lecionavam seus ídolos, Eddington e R. Fowler, que em 1926 havia proposto uma resolução radical para um paradoxo levantado por Eddington: o que acontece com uma estrela quando ela esgota seu combustível interno e esfria?
A teoria dizia que ela passaria por uma sucessão de estados de equilíbrio, encolhendo, esquentando e se reequilibrando até esfriar novamente, encolher, esquentar etc. "Alto lá!", exclamou Eddington. "Se isso for verdade, a estrela irá então encolher até desaparecer? Certamente deve haver uma lei da natureza que impeça esse absurdo."A "lei" foi proposta por Fowler, com base na mecânica quântica. Ele mostrou que, quando a estrela encolhe e sua densidade passa de um determinado valor, os elétrons no centro da estrela vão ser espremidos tão perto uns dos outros que uma nova pressão passa a operar.
Podemos visualizar o que ocorre imaginando que cada elétron está confinado a uma pequena célula que, com o aumento da compressão, tende a diminuir. Os elétrons reagem movendo-se a altíssimas velocidades dentro de suas células, gerando pressão que as mantêm firmes, interrompendo o processo de contração.Eddington gostou da explicação, que salvava estrelas ultracompactas chamadas "anãs brancas" da completa implosão. Entra em cena Chandrasekhar que, ainda no navio para a Inglaterra, resolve estudar se os elétrons conseguem balancear contrações arbitrariamente altas.
Afinal, é razoável supor que estrelas com massas bem maiores que a do Sol causem pressões mais altas no centro. Usando métodos aproximados, ele obteve resultado surpreendente: se a massa da anã branca for 1,4 vezes maior que a massa solar, os elétrons são incapazes de contrabalançar o colapso. Chandrasekhar chega a Cambridge e conta a Fowler seu resultado. Infelizmente, a recepção de Fowler e da comunidade astronômica foi fria.Chateado, Chandrasekhar resolve estudar assuntos menos controversos para seu doutorado.
Diploma na mão, ele decide apresentar seus resultados sobre a massa "crítica" das anãs brancas na Sociedade Real de Astronomia. Para sua surpresa, na mesma noite o venerado Eddington também iria falar. Chandrasekhar apresenta os resultados de forma clara e brilhante. Eddington responde criticando severamente as idéias de Chandrasekhar e apresentando sua própria versão do que acontece com as anãs brancas, que, sabemos hoje, estava errada.
Mas quem iria contrariar o grande Eddington? Ele não podia aceitar uma estrela implodindo indefinidamente.O golpe em Chandrasekhar foi tão duro que, por quase 20 anos, ele não trabalhou no assunto. Mas ele estava certo e Eddington, errado. Em 1982, Chandrasekhar ganhou o Prêmio Nobel, por essa e muitas outras contribuições à astrofísica.Para nós, fica a lição de que, em ciência, autoridade pode cegar a visão de muitos durante um bom tempo. Mas, cedo ou tarde, se Davi tiver melhores idéias do que Golias, ele vai vencer a batalha.
Foi ele quem provou, por meio de observações de um eclipse do Sol em 1919, que a teoria da relatividade geral de Einstein estava correta. Foi ele quem desvendou, em grande parte, a composição química do Sol e como as estrelas operam, contrabalançando a tendência de implodir pela gravidade e a pressão criada pelas altas temperaturas no centro.
Quando Eddington falava, os astrônomos ouviam.Na Índia, em 1930, um estudante de 19 anos, Subrahmanyan Chandrasekhar, estava fascinado com os novos desenvolvimentos da física, a relatividade geral e a mecânica quântica. Ele decidiu fazer seu doutorado em Cambridge, Inglaterra, onde lecionavam seus ídolos, Eddington e R. Fowler, que em 1926 havia proposto uma resolução radical para um paradoxo levantado por Eddington: o que acontece com uma estrela quando ela esgota seu combustível interno e esfria?
A teoria dizia que ela passaria por uma sucessão de estados de equilíbrio, encolhendo, esquentando e se reequilibrando até esfriar novamente, encolher, esquentar etc. "Alto lá!", exclamou Eddington. "Se isso for verdade, a estrela irá então encolher até desaparecer? Certamente deve haver uma lei da natureza que impeça esse absurdo."A "lei" foi proposta por Fowler, com base na mecânica quântica. Ele mostrou que, quando a estrela encolhe e sua densidade passa de um determinado valor, os elétrons no centro da estrela vão ser espremidos tão perto uns dos outros que uma nova pressão passa a operar.
Podemos visualizar o que ocorre imaginando que cada elétron está confinado a uma pequena célula que, com o aumento da compressão, tende a diminuir. Os elétrons reagem movendo-se a altíssimas velocidades dentro de suas células, gerando pressão que as mantêm firmes, interrompendo o processo de contração.Eddington gostou da explicação, que salvava estrelas ultracompactas chamadas "anãs brancas" da completa implosão. Entra em cena Chandrasekhar que, ainda no navio para a Inglaterra, resolve estudar se os elétrons conseguem balancear contrações arbitrariamente altas.
Afinal, é razoável supor que estrelas com massas bem maiores que a do Sol causem pressões mais altas no centro. Usando métodos aproximados, ele obteve resultado surpreendente: se a massa da anã branca for 1,4 vezes maior que a massa solar, os elétrons são incapazes de contrabalançar o colapso. Chandrasekhar chega a Cambridge e conta a Fowler seu resultado. Infelizmente, a recepção de Fowler e da comunidade astronômica foi fria.Chateado, Chandrasekhar resolve estudar assuntos menos controversos para seu doutorado.
Diploma na mão, ele decide apresentar seus resultados sobre a massa "crítica" das anãs brancas na Sociedade Real de Astronomia. Para sua surpresa, na mesma noite o venerado Eddington também iria falar. Chandrasekhar apresenta os resultados de forma clara e brilhante. Eddington responde criticando severamente as idéias de Chandrasekhar e apresentando sua própria versão do que acontece com as anãs brancas, que, sabemos hoje, estava errada.
Mas quem iria contrariar o grande Eddington? Ele não podia aceitar uma estrela implodindo indefinidamente.O golpe em Chandrasekhar foi tão duro que, por quase 20 anos, ele não trabalhou no assunto. Mas ele estava certo e Eddington, errado. Em 1982, Chandrasekhar ganhou o Prêmio Nobel, por essa e muitas outras contribuições à astrofísica.Para nós, fica a lição de que, em ciência, autoridade pode cegar a visão de muitos durante um bom tempo. Mas, cedo ou tarde, se Davi tiver melhores idéias do que Golias, ele vai vencer a batalha.
domingo, 19 de novembro de 2000
Em defesa da ciência básica
Marcelo Gleiser
Volta e meia, em cartas de leitores desta coluna ou em palestras abertas ao público, sou criticado por dedicar-me ao estudo de questões básicas da ciência e não a problemas mais imediatos que afligem a humanidade, como a fome, as doenças, a poluição, entre outros. O argumento, que tem as melhores intenções, é mais ou menos o seguinte: os cientistas deveriam ajudar a melhorar a qualidade de vida, e não perder tempo com o que acontece perto de um buraco negro, com o funcionamento das estrelas, com as partículas fundamentais da matéria ou com a compreensão da origem do Universo. Por que cientistas "perdem tempo" com questões tão removidas do nosso dia-a-dia quando eles poderiam estar tentando desenvolver novas curas para a Aids ou o câncer ou controlando o buraco da camada de ozônio? Será que não sentem uma obrigação ética de usar seus talentos para ajudar aos outros? Dada a importância da questão, acho que vale a pena elaborar o que poderia chamar de "apologia da ciência básica". Antes de mais nada, é importante definir o que é ciência básica, algo não tão simples. Ao distinguirmos ciência básica de ciência aplicada, estamos supondo que ela trata de questões que não estão diretamente ligadas a aplicações imediatas, como a criação de novas tecnologias. O problema com essa definição, que reflete parte da confusão causada por meus críticos (e de todos os outros cientistas básicos), é que é muito difícil prever se questões que agora parecem tão esotéricas irão encontrar aplicações práticas no futuro. Como ilustração, cito o desenvolvimento da mecânica quântica, que estuda o mundo dos átomos e moléculas. Quando cientistas como Planck, Einstein, Bohr e Heisenberg tentavam entender o comportamento do átomo no início do século, eles jamais poderiam imaginar que de suas investigações brotaria uma revolução tecnológica que transformou o mundo. Desse questionamento básico emergiram invenções como transistores, semicondutores e laseres, que dominam nossa realidade plena de computadores, fibras óticas, telefones celulares etc. E foi do estudo da física atômica que foram descobertas radiações como o raio X, que revolucionou a medicina e que, por sua vez, ajudou outras revoluções, como a da biologia molecular e a da genética. Julgar a ciência básica a curto prazo cria a falsa idéia de que especulações teóricas jamais poderão ser relevantes na prática, sejam sobre átomos ou sobre estrelas. Outro ponto importante é o número de cientistas que se dedicam à ciência básica, contra os que trabalham em pesquisa aplicada. Sem a menor dúvida, físicos trabalhando em áreas mais teóricas são minoria absoluta. Apesar de não ter dados exatos, arriscaria que eles não passam de 10% a 20% dos físicos trabalhando em universidades e indústrias. Mais ainda, é injusto supor que mesmo os físicos ou os matemáticos trabalhando em assuntos esotéricos não se "importem" com os problemas do mundo. Será que devemos fazer a mesma crítica a banqueiros, a escritores, a comerciantes ou a motoristas de táxi? Não só a maioria desses cientistas leciona em universidades, educando centenas de jovens por ano, como muitos deles têm atividades paralelas, ligadas à preservação do ambiente (caso deste colunista) ou à preservação da democracia neste e em outros países. Ofereço um último argumento. A humanidade precisa de pelo menos alguns sonhadores, daqueles indivíduos que criam novas visões de mundo por meio de suas fantasias, sejam elas artísticas ou intelectuais. Um quadro não ajuda a combater a fome, mas ajuda a criar uma estética que nos eleva acima da trivialidade diária, que nos ajuda a expandir nossos horizontes. Uma teoria nova sobre a origem do Universo também. São poucos os pintores e astrofísicos deste mundo. E, por eles existirem, o mundo é um lugar mais especial. Precisamos ter a generosidade de criar um mundo onde pintores, astrofísicos, banqueiros, comerciantes e motoristas de táxi possam todos voltar a sua atenção para os problemas que afligem a humanidade. Cada um de nós deve pensar globalmente e atuar localmente, cientistas ou não.
Volta e meia, em cartas de leitores desta coluna ou em palestras abertas ao público, sou criticado por dedicar-me ao estudo de questões básicas da ciência e não a problemas mais imediatos que afligem a humanidade, como a fome, as doenças, a poluição, entre outros. O argumento, que tem as melhores intenções, é mais ou menos o seguinte: os cientistas deveriam ajudar a melhorar a qualidade de vida, e não perder tempo com o que acontece perto de um buraco negro, com o funcionamento das estrelas, com as partículas fundamentais da matéria ou com a compreensão da origem do Universo. Por que cientistas "perdem tempo" com questões tão removidas do nosso dia-a-dia quando eles poderiam estar tentando desenvolver novas curas para a Aids ou o câncer ou controlando o buraco da camada de ozônio? Será que não sentem uma obrigação ética de usar seus talentos para ajudar aos outros? Dada a importância da questão, acho que vale a pena elaborar o que poderia chamar de "apologia da ciência básica". Antes de mais nada, é importante definir o que é ciência básica, algo não tão simples. Ao distinguirmos ciência básica de ciência aplicada, estamos supondo que ela trata de questões que não estão diretamente ligadas a aplicações imediatas, como a criação de novas tecnologias. O problema com essa definição, que reflete parte da confusão causada por meus críticos (e de todos os outros cientistas básicos), é que é muito difícil prever se questões que agora parecem tão esotéricas irão encontrar aplicações práticas no futuro. Como ilustração, cito o desenvolvimento da mecânica quântica, que estuda o mundo dos átomos e moléculas. Quando cientistas como Planck, Einstein, Bohr e Heisenberg tentavam entender o comportamento do átomo no início do século, eles jamais poderiam imaginar que de suas investigações brotaria uma revolução tecnológica que transformou o mundo. Desse questionamento básico emergiram invenções como transistores, semicondutores e laseres, que dominam nossa realidade plena de computadores, fibras óticas, telefones celulares etc. E foi do estudo da física atômica que foram descobertas radiações como o raio X, que revolucionou a medicina e que, por sua vez, ajudou outras revoluções, como a da biologia molecular e a da genética. Julgar a ciência básica a curto prazo cria a falsa idéia de que especulações teóricas jamais poderão ser relevantes na prática, sejam sobre átomos ou sobre estrelas. Outro ponto importante é o número de cientistas que se dedicam à ciência básica, contra os que trabalham em pesquisa aplicada. Sem a menor dúvida, físicos trabalhando em áreas mais teóricas são minoria absoluta. Apesar de não ter dados exatos, arriscaria que eles não passam de 10% a 20% dos físicos trabalhando em universidades e indústrias. Mais ainda, é injusto supor que mesmo os físicos ou os matemáticos trabalhando em assuntos esotéricos não se "importem" com os problemas do mundo. Será que devemos fazer a mesma crítica a banqueiros, a escritores, a comerciantes ou a motoristas de táxi? Não só a maioria desses cientistas leciona em universidades, educando centenas de jovens por ano, como muitos deles têm atividades paralelas, ligadas à preservação do ambiente (caso deste colunista) ou à preservação da democracia neste e em outros países. Ofereço um último argumento. A humanidade precisa de pelo menos alguns sonhadores, daqueles indivíduos que criam novas visões de mundo por meio de suas fantasias, sejam elas artísticas ou intelectuais. Um quadro não ajuda a combater a fome, mas ajuda a criar uma estética que nos eleva acima da trivialidade diária, que nos ajuda a expandir nossos horizontes. Uma teoria nova sobre a origem do Universo também. São poucos os pintores e astrofísicos deste mundo. E, por eles existirem, o mundo é um lugar mais especial. Precisamos ter a generosidade de criar um mundo onde pintores, astrofísicos, banqueiros, comerciantes e motoristas de táxi possam todos voltar a sua atenção para os problemas que afligem a humanidade. Cada um de nós deve pensar globalmente e atuar localmente, cientistas ou não.
domingo, 12 de novembro de 2000
Domando o demônio de Maxwell
Outro dia apareceu na minha sala um senhor muito bem apessoado, de terno e gravata, portando uma série de papéis e planos em sua maleta. O visitante abriu seus planos, complicadíssimos, de uma máquina com um enorme pêndulo feito de um material magnético que, segundo seu inventor, poderia funcionar para sempre, em flagrante violação das leis da termodinâmica, a parte da física que estuda o efeito da temperatura no comportamento de sistemas. Se sua invenção funcionasse como anunciado, ela viraria mesmo a física ao avesso. Infelizmente, a engenhoca precisava de um dispositivo descartável bastante familiar, uma pilha elétrica, consumindo mais energia do era capaz de gerar.
O desejo de construir uma máquina capaz de funcionar para sempre, gerando mais energia do que consome, é um sonho muito antigo. Caso isso fosse possível, o problema econômico relacionado ao custo de combustíveis desapareceria, e o mundo seria um lugar muito diferente. De certa forma, o movimento perpétuo está relacionado à busca da imortalidade, da libertação da necessidade de estarmos sempre a construir o que naturalmente decai. Esse aspecto castrador da natureza é expresso nas duas primeiras leis da termodinâmica.
A primeira diz que, em um sistema isolado, não é possível gerar ou destruir energia, apenas transformá-la: uma pilha transforma energia química em energia elétrica, por exemplo. A segunda lei diz que o calor sempre flui de um corpo mais quente para um mais frio. Só assim o sistema realiza trabalho. Em outra versão, ela diz que um sistema isolado sempre evolui de um estado mais organizado para um mais desorganizado.
Se você pingar uma gota de mercurocromo em um copo d'água, ela se dispersará. Mas o contrário -a gota voltar a agregar-se espontaneamente dentro da água- jamais acontecerá. Escondido nessa lei está o fato que para criarmos ordem temos de gastar energia. Uma máquina, dispositivo capaz de criar ordem, necessariamente consome energia para fazê-lo. Na segunda metade do século 19, o grande físico escocês James Clerk Maxwell achou que podia driblar a segunda lei. Ele imaginou um ser, seu demônio, que vivia em uma caixa cheia de um gás a uma temperatura fixa. A caixa era dividida por uma partição com uma pequena porta, e o gás inicialmente estava todo em um lado.
A temperatura de um gás está relacionada à velocidade média de suas moléculas: há moléculas com velocidades maiores e menores que a média. O demônio abria a porta apenas para deixar passar as moléculas mais rápidas. Com isso, ele conseguiria separar o gás entre as duas partições, uma com moléculas mais velozes e outra com as mais lentas. E, como a velocidade está relacionada à temperatura, o demônio separaria o gás em uma parte mais quente e outra mais fria, a condição básica para que um sistema possa realizar trabalho.O que Maxwell não incluiu em sua análise foi que seu demônio, seja ele um ser sobrenatural ou um dispositivo eletrônico, também precisa de energia para operar.
Quando essa energia extra é incluída, o sistema caixa-demônio gasta mais energia do que é capaz de gerar. Venceu a segunda lei. Recentemente, um par de físicos revisitou esse problema usando não um demônio, mas uma caixa minúscula cheia de microondas e um átomo. Esse sistema é descrito pela mecânica quântica, onde efeitos que Maxwell consideraria impossíveis são perfeitamente normais. Aplicando a essa caixa um campo magnético que varia periodicamente, os cientistas argumentam que é possível gerar vibrações que liberam mais energia do que a usada para causá-las. Isso porque, na física quântica, partículas não são descritas como bolas de gude, mas como ondas, que podem interagir de forma coerente, criando cristas e depressões.
A energia depositada pelas oscilações do campo magnético é distribuída nas ondas, fazendo com que o átomo oscile como uma rolha boiando no mar. Essas oscilações geram energia que pode, em princípio, ser extraída. Será que a segunda lei foi vencida pela mecânica quântica? Aparentemente sim, mas por enquanto o sistema só existe em teoria. E não é claro que a termodinâmica possa ser aplicada à esse sistema. De qualquer forma, talvez o demônio de Maxwell venha a existir um dia, mesmo se apenas no mundo do muito pequeno
O desejo de construir uma máquina capaz de funcionar para sempre, gerando mais energia do que consome, é um sonho muito antigo. Caso isso fosse possível, o problema econômico relacionado ao custo de combustíveis desapareceria, e o mundo seria um lugar muito diferente. De certa forma, o movimento perpétuo está relacionado à busca da imortalidade, da libertação da necessidade de estarmos sempre a construir o que naturalmente decai. Esse aspecto castrador da natureza é expresso nas duas primeiras leis da termodinâmica.
A primeira diz que, em um sistema isolado, não é possível gerar ou destruir energia, apenas transformá-la: uma pilha transforma energia química em energia elétrica, por exemplo. A segunda lei diz que o calor sempre flui de um corpo mais quente para um mais frio. Só assim o sistema realiza trabalho. Em outra versão, ela diz que um sistema isolado sempre evolui de um estado mais organizado para um mais desorganizado.
Se você pingar uma gota de mercurocromo em um copo d'água, ela se dispersará. Mas o contrário -a gota voltar a agregar-se espontaneamente dentro da água- jamais acontecerá. Escondido nessa lei está o fato que para criarmos ordem temos de gastar energia. Uma máquina, dispositivo capaz de criar ordem, necessariamente consome energia para fazê-lo. Na segunda metade do século 19, o grande físico escocês James Clerk Maxwell achou que podia driblar a segunda lei. Ele imaginou um ser, seu demônio, que vivia em uma caixa cheia de um gás a uma temperatura fixa. A caixa era dividida por uma partição com uma pequena porta, e o gás inicialmente estava todo em um lado.
A temperatura de um gás está relacionada à velocidade média de suas moléculas: há moléculas com velocidades maiores e menores que a média. O demônio abria a porta apenas para deixar passar as moléculas mais rápidas. Com isso, ele conseguiria separar o gás entre as duas partições, uma com moléculas mais velozes e outra com as mais lentas. E, como a velocidade está relacionada à temperatura, o demônio separaria o gás em uma parte mais quente e outra mais fria, a condição básica para que um sistema possa realizar trabalho.O que Maxwell não incluiu em sua análise foi que seu demônio, seja ele um ser sobrenatural ou um dispositivo eletrônico, também precisa de energia para operar.
Quando essa energia extra é incluída, o sistema caixa-demônio gasta mais energia do que é capaz de gerar. Venceu a segunda lei. Recentemente, um par de físicos revisitou esse problema usando não um demônio, mas uma caixa minúscula cheia de microondas e um átomo. Esse sistema é descrito pela mecânica quântica, onde efeitos que Maxwell consideraria impossíveis são perfeitamente normais. Aplicando a essa caixa um campo magnético que varia periodicamente, os cientistas argumentam que é possível gerar vibrações que liberam mais energia do que a usada para causá-las. Isso porque, na física quântica, partículas não são descritas como bolas de gude, mas como ondas, que podem interagir de forma coerente, criando cristas e depressões.
A energia depositada pelas oscilações do campo magnético é distribuída nas ondas, fazendo com que o átomo oscile como uma rolha boiando no mar. Essas oscilações geram energia que pode, em princípio, ser extraída. Será que a segunda lei foi vencida pela mecânica quântica? Aparentemente sim, mas por enquanto o sistema só existe em teoria. E não é claro que a termodinâmica possa ser aplicada à esse sistema. De qualquer forma, talvez o demônio de Maxwell venha a existir um dia, mesmo se apenas no mundo do muito pequeno
domingo, 5 de novembro de 2000
Clonando a ressurreição
A espécie animal mais assassina da natureza é, sem dúvida, o homem. É uma grande ironia que tenhamos a petulância de nos acharmos a espécie mais inteligente. Para mim, separar inteligência de sabedoria é absurdo. Mas é o que acontece, quando vemos nossa "inteligência" sendo usada para construir armas e armadilhas cada vez mais eficientes para caçar animais. O marfim dos elefantes, as peles das onças, dos jacarés e de tantos outros animais, será que é tão difícil assim viver sem esses "produtos"? A desculpa dada é que os caçadores são pobres e precisam disso para sobreviver, que o problema é econômico. Sem dúvida é um problema econômico. Daqueles ricos que não têm a noção do que está por trás de um casaco de peles ou de brincos de marfim, de quais são as consequências da destruição das espécies.
Se esse mercado desaparecesse, os caçadores iriam caçar outras coisas, de preferência animais que não estão em extinção. Melhor ainda, eles iriam mudar de profissão. Mesmo a caça de subsistência já foi corrompida pelo consumismo desenfreado de partes de animais com que enfeitamos nossa casa ou corpo. Recentemente, cientistas nos EUA anunciaram a primeira clonagem de uma espécie em extinção, o gauro indiano, um parente do búfalo. O bebê gauro nascerá este mês, do ventre de uma vaca. O processo de clonagem tem várias etapas. Primeiro, devemos ter um óvulo que será o recipiente do material genético da espécie em extinção. No caso do gauro, o óvulo usado foi o de uma vaca comum. Usando uma seringa bem fina, os cientistas extraem o material genético do óvulo recipiente, que se encontra no seu núcleo. O que resta no óvulo é o citoplasma, pronto para receber o material genético da espécie a ser clonada.
Para tal, células da pele do animal em extinção, chamadas fibroblastos, são injetadas na parede interior da membrana que envolve o óvulo. Um choque elétrico funde a célula da pele com o citoplasma do óvulo. Algumas horas após a fusão, começa a divisão celular que inicia o desenvolvimento de um novo ser, o clone do animal do qual se retirou a célula da pele. Em alguns dias, essa mistura celular transforma-se em uma massa com mais de cem células, que é então implantada no útero da "mãe". Em alguns meses, nasce o clone do animal em extinção. Com a tecnologia de clonagem de animais em extinção, o debate sobre a preservação das espécies se torna crucial. Infelizmente, oportunistas irão dizer que agora, com essa tecnologia, não precisamos mais temer a extinção, pois sempre poderemos clonar animais da espécie em perigo. Portanto, vamos caçar mais onças, jacarés e baleias, que tudo bem!
Obviamente, esse argumento é absurdo. Um dos problemas fundamentais da clonagem é que ela apenas duplica o material genético, destruindo a diversidade genética da espécie. Ou seja, reconstruiríamos uma espécie em extinção com centenas de cópias idênticas de alguns indivíduos. Imagine um mundo habitado por bilhões de cópias das mesmas cem pessoas! Mesmo que a clonagem ofereça a esperança de podermos repovoar certas espécies, teremos de criar meios de variar artificialmente seu material genético, talvez misturando-o com o de espécies afins, um processo arbitrário e eticamente complicado.
O melhor antídoto contra a extinção é a conscientização e a destruição do mercado de consumo que promove a caça desses animais. E a clonagem de espécies já extintas? Se podemos clonar uma espécie em extinção, por que não um mamute ou mesmo um dinossauro, como no filme "Parque dos Dinossauros"? Em princípio, se tivermos o material genético dessas espécies em bom estado de preservação, sua clonagem é possível. Felizmente, ao menos na minha opinião, devido a milhares (ou milhões) de anos de fossilização e mudanças de temperatura, o material genético dessas espécies se encontra em péssimo estado. Ainda não podemos usar a clonagem para ressuscitar espécies. Paradoxalmente, apesar dessa técnica representar uma grande conquista da ciência moderna, ela também representa a pobreza do espírito humano.
Se esse mercado desaparecesse, os caçadores iriam caçar outras coisas, de preferência animais que não estão em extinção. Melhor ainda, eles iriam mudar de profissão. Mesmo a caça de subsistência já foi corrompida pelo consumismo desenfreado de partes de animais com que enfeitamos nossa casa ou corpo. Recentemente, cientistas nos EUA anunciaram a primeira clonagem de uma espécie em extinção, o gauro indiano, um parente do búfalo. O bebê gauro nascerá este mês, do ventre de uma vaca. O processo de clonagem tem várias etapas. Primeiro, devemos ter um óvulo que será o recipiente do material genético da espécie em extinção. No caso do gauro, o óvulo usado foi o de uma vaca comum. Usando uma seringa bem fina, os cientistas extraem o material genético do óvulo recipiente, que se encontra no seu núcleo. O que resta no óvulo é o citoplasma, pronto para receber o material genético da espécie a ser clonada.
Para tal, células da pele do animal em extinção, chamadas fibroblastos, são injetadas na parede interior da membrana que envolve o óvulo. Um choque elétrico funde a célula da pele com o citoplasma do óvulo. Algumas horas após a fusão, começa a divisão celular que inicia o desenvolvimento de um novo ser, o clone do animal do qual se retirou a célula da pele. Em alguns dias, essa mistura celular transforma-se em uma massa com mais de cem células, que é então implantada no útero da "mãe". Em alguns meses, nasce o clone do animal em extinção. Com a tecnologia de clonagem de animais em extinção, o debate sobre a preservação das espécies se torna crucial. Infelizmente, oportunistas irão dizer que agora, com essa tecnologia, não precisamos mais temer a extinção, pois sempre poderemos clonar animais da espécie em perigo. Portanto, vamos caçar mais onças, jacarés e baleias, que tudo bem!
Obviamente, esse argumento é absurdo. Um dos problemas fundamentais da clonagem é que ela apenas duplica o material genético, destruindo a diversidade genética da espécie. Ou seja, reconstruiríamos uma espécie em extinção com centenas de cópias idênticas de alguns indivíduos. Imagine um mundo habitado por bilhões de cópias das mesmas cem pessoas! Mesmo que a clonagem ofereça a esperança de podermos repovoar certas espécies, teremos de criar meios de variar artificialmente seu material genético, talvez misturando-o com o de espécies afins, um processo arbitrário e eticamente complicado.
O melhor antídoto contra a extinção é a conscientização e a destruição do mercado de consumo que promove a caça desses animais. E a clonagem de espécies já extintas? Se podemos clonar uma espécie em extinção, por que não um mamute ou mesmo um dinossauro, como no filme "Parque dos Dinossauros"? Em princípio, se tivermos o material genético dessas espécies em bom estado de preservação, sua clonagem é possível. Felizmente, ao menos na minha opinião, devido a milhares (ou milhões) de anos de fossilização e mudanças de temperatura, o material genético dessas espécies se encontra em péssimo estado. Ainda não podemos usar a clonagem para ressuscitar espécies. Paradoxalmente, apesar dessa técnica representar uma grande conquista da ciência moderna, ela também representa a pobreza do espírito humano.
Clonando a ressurreição
A espécie animal mais assassina da natureza é, sem dúvida, o homem. É uma grande ironia que tenhamos a petulância de nos acharmos a espécie mais inteligente. Para mim, separar inteligência de sabedoria é absurdo. Mas é o que acontece, quando vemos nossa "inteligência" sendo usada para construir armas e armadilhas cada vez mais eficientes para caçar animais. O marfim dos elefantes, as peles das onças, dos jacarés e de tantos outros animais, será que é tão difícil assim viver sem esses "produtos"?
A desculpa dada é que os caçadores são pobres e precisam disso para sobreviver, que o problema é econômico. Sem dúvida é um problema econômico. Daqueles ricos que não têm a noção do que está por trás de um casaco de peles ou de brincos de marfim, de quais são as consequências da destruição das espécies.
Se esse mercado desaparecesse, os caçadores iriam caçar outras coisas, de preferência animais que não estão em extinção. Melhor ainda, eles iriam mudar de profissão. Mesmo a caça de subsistência já foi corrompida pelo consumismo desenfreado de partes de animais com que enfeitamos nossa casa ou corpo.
Recentemente, cientistas nos EUA anunciaram a primeira clonagem de uma espécie em extinção, o gauro indiano, um parente do búfalo. O bebê gauro nascerá este mês, do ventre de uma vaca. O processo de clonagem tem várias etapas. Primeiro, devemos ter um óvulo que será o recipiente do material genético da espécie em extinção. No caso do gauro, o óvulo usado foi o de uma vaca comum. Usando uma seringa bem fina, os cientistas extraem o material genético do óvulo recipiente, que se encontra no seu núcleo. O que resta no óvulo é o citoplasma, pronto para receber o material genético da espécie a ser clonada. Para tal, células da pele do animal em extinção, chamadas fibroblastos, são injetadas na parede interior da membrana que envolve o óvulo. Um choque elétrico funde a célula da pele com o citoplasma do óvulo. Algumas horas após a fusão, começa a divisão celular que inicia o desenvolvimento de um novo ser, o clone do animal do qual se retirou a célula da pele. Em alguns dias, essa mistura celular transforma-se em uma massa com mais de cem células, que é então implantada no útero da "mãe". Em alguns meses, nasce o clone do animal em extinção.
Com a tecnologia de clonagem de animais em extinção, o debate sobre a preservação das espécies se torna crucial. Infelizmente, oportunistas irão dizer que agora, com essa tecnologia, não precisamos mais temer a extinção, pois sempre poderemos clonar animais da espécie em perigo. Portanto, vamos caçar mais onças, jacarés e baleias, que tudo bem! Obviamente, esse argumento é absurdo.
Um dos problemas fundamentais da clonagem é que ela apenas duplica o material genético, destruindo a diversidade genética da espécie. Ou seja, reconstruiríamos uma espécie em extinção com centenas de cópias idênticas de alguns indivíduos. Imagine um mundo habitado por bilhões de cópias das mesmas cem pessoas! Mesmo que a clonagem ofereça a esperança de podermos repovoar certas espécies, teremos de criar meios de variar artificialmente seu material genético, talvez misturando-o com o de espécies afins, um processo arbitrário e eticamente complicado. O melhor antídoto contra a extinção é a conscientização e a destruição do mercado de consumo que promove a caça desses animais.
E a clonagem de espécies já extintas? Se podemos clonar uma espécie em extinção, por que não um mamute ou mesmo um dinossauro, como no filme "Parque dos Dinossauros"? Em princípio, se tivermos o material genético dessas espécies em bom estado de preservação, sua clonagem é possível. Felizmente, ao menos na minha opinião, devido a milhares (ou milhões) de anos de fossilização e mudanças de temperatura, o material genético dessas espécies se encontra em péssimo estado. Ainda não podemos usar a clonagem para ressuscitar espécies.
Paradoxalmente, apesar dessa técnica representar uma grande conquista da ciência moderna, ela também representa a pobreza do espírito humano.
A desculpa dada é que os caçadores são pobres e precisam disso para sobreviver, que o problema é econômico. Sem dúvida é um problema econômico. Daqueles ricos que não têm a noção do que está por trás de um casaco de peles ou de brincos de marfim, de quais são as consequências da destruição das espécies.
Se esse mercado desaparecesse, os caçadores iriam caçar outras coisas, de preferência animais que não estão em extinção. Melhor ainda, eles iriam mudar de profissão. Mesmo a caça de subsistência já foi corrompida pelo consumismo desenfreado de partes de animais com que enfeitamos nossa casa ou corpo.
Recentemente, cientistas nos EUA anunciaram a primeira clonagem de uma espécie em extinção, o gauro indiano, um parente do búfalo. O bebê gauro nascerá este mês, do ventre de uma vaca. O processo de clonagem tem várias etapas. Primeiro, devemos ter um óvulo que será o recipiente do material genético da espécie em extinção. No caso do gauro, o óvulo usado foi o de uma vaca comum. Usando uma seringa bem fina, os cientistas extraem o material genético do óvulo recipiente, que se encontra no seu núcleo. O que resta no óvulo é o citoplasma, pronto para receber o material genético da espécie a ser clonada. Para tal, células da pele do animal em extinção, chamadas fibroblastos, são injetadas na parede interior da membrana que envolve o óvulo. Um choque elétrico funde a célula da pele com o citoplasma do óvulo. Algumas horas após a fusão, começa a divisão celular que inicia o desenvolvimento de um novo ser, o clone do animal do qual se retirou a célula da pele. Em alguns dias, essa mistura celular transforma-se em uma massa com mais de cem células, que é então implantada no útero da "mãe". Em alguns meses, nasce o clone do animal em extinção.
Com a tecnologia de clonagem de animais em extinção, o debate sobre a preservação das espécies se torna crucial. Infelizmente, oportunistas irão dizer que agora, com essa tecnologia, não precisamos mais temer a extinção, pois sempre poderemos clonar animais da espécie em perigo. Portanto, vamos caçar mais onças, jacarés e baleias, que tudo bem! Obviamente, esse argumento é absurdo.
Um dos problemas fundamentais da clonagem é que ela apenas duplica o material genético, destruindo a diversidade genética da espécie. Ou seja, reconstruiríamos uma espécie em extinção com centenas de cópias idênticas de alguns indivíduos. Imagine um mundo habitado por bilhões de cópias das mesmas cem pessoas! Mesmo que a clonagem ofereça a esperança de podermos repovoar certas espécies, teremos de criar meios de variar artificialmente seu material genético, talvez misturando-o com o de espécies afins, um processo arbitrário e eticamente complicado. O melhor antídoto contra a extinção é a conscientização e a destruição do mercado de consumo que promove a caça desses animais.
E a clonagem de espécies já extintas? Se podemos clonar uma espécie em extinção, por que não um mamute ou mesmo um dinossauro, como no filme "Parque dos Dinossauros"? Em princípio, se tivermos o material genético dessas espécies em bom estado de preservação, sua clonagem é possível. Felizmente, ao menos na minha opinião, devido a milhares (ou milhões) de anos de fossilização e mudanças de temperatura, o material genético dessas espécies se encontra em péssimo estado. Ainda não podemos usar a clonagem para ressuscitar espécies.
Paradoxalmente, apesar dessa técnica representar uma grande conquista da ciência moderna, ela também representa a pobreza do espírito humano.
domingo, 29 de outubro de 2000
Davi, Golias e o destino do Sol
O Sol, como qualquer outra estrela, não brilhará para sempre: em aproximadamente cinco bilhões de anos ele esgotará suas reservas de combustível e entrará em fase de decadência, pontuada pelos mais diversos efeitos cataclísmicos. Isso porque estrelas passam suas vidas combatendo a própria implosão que sua gravidade lhes impõe. Imagine uma pessoa deitada sobre um colchão de molas. Quanto mais pesada for essa pessoa, ou melhor, quanto maior for a sua massa, mais as molas terão de trabalhar para contrabalançar o colapso do colchão.
O mesmo acontece com o Sol. Se nós o representarmos como uma cebola gigante, camada sobre camada, as camadas superiores exercerão uma enorme força gravitacional sobre as inferiores, equivalentes ao colchão sob uma ou mais pessoas. É na região central do Sol que as absurdas energias que contrabalançam a pressão gravitacional são produzidas, por meio do processo de fusão nuclear, o mesmo que causa as explosões das bombas de hidrogênio. Portanto, a existência do Sol se deve a esse equilíbrio entre sua tendência a implodir, devido à sua enorme massa, e a explodir, devido à fusão nuclear de hidrogênio na região central.
Fusão em quê? O hidrogênio se transforma no segundo elemento mais leve, o hélio. Essa mudança revela de forma belíssima a transformação de massa em energia prevista na teoria da relatividade de Einstein, encapsulada na famosa fórmula E=mc2. Basicamente, a massa do produto final das reações de fusão é menor do que a massa dos produtos iniciais, e o excesso é convertido em radiação. Se o Sol, em um ato desesperado de autocanibalismo, usa sua própria matéria para produzir a energia necessária para sua estabilidade, o que acontecerá quando ele devorar todas as suas entranhas, isto é, quando ele tiver convertido todo o hidrogênio de sua região central em hélio?
A resposta mais curta é que ele começará a fundir o hélio em outro elemento, no caso, o carbono. Mas vários efeitos extremamente dramáticos acontecem entre as duas fusões (hélio e carbono), incluindo a transformação do Sol em uma estrela do tipo "gigante vermelha", cujo raio será maior do que a órbita de Mercúrio. Expansões estelares desse tipo ocorrem quando o calor gerado em seu interior é maior do que a implosão gravitacional pode contrabalançar. Eu espero que a essa altura já tenhamos colonizado outras partes da galáxia; caso contrário, esse será o fim da vida na Terra.
Enquanto o envelope da estrela cresce, sua região central encolhe devido à sua gravidade, já que a fusão de hélio ainda não começou. A pressão é tão grande que os elétrons não circulam mais em torno dos núcleos atômicos, mas movem-se livremente no meio da congestão. A um certo ponto, um novo efeito passa a ser importante, o Davi que irá derrotar o gigante Golias. Segundo a física quântica, elétrons e outras partículas, como o próton e o nêutron, são extremamente anti-sociais e tentam se evitar ao máximo. De fato, esse efeito de repulsão é conhecido como o Princípio de Exclusão de Pauli, proposto pelo físico austríaco Wolfgang Pauli em 1925. Quando elétrons são forçados a coexistir em volumes muito pequenos, como nas regiões centrais de estrelas em crise, eles reagem movendo-se a altíssimas velocidades, criando uma enorme contrapressão. O colapso da estrela é detido por um efeito que ocorre na escala subatômica, o micro balanceando o macro.
Esse efeito torna-se crucial no estágio final de evolução do Sol. Após curto período de fusão de hélio em carbono, a região central, agora rica em carbono, não consegue fundir-se em outro elemento mais pesado (para estrelas mais maciças que o Sol, isso não ocorre). Ela continua a contrair-se devido à sua própria gravidade até que os elétrons digam: "Chega de aperto!", reagindo de forma que o colapso pára e os restos da estrela encontram sua paz final. Essa bola de carbono e elétrons, do tamanho da Terra e com metade da massa do Sol, chama-se "anã branca". Ela continuará a resfriar-se até desaparecer na escuridão do espaço. Fria, mas com a dignidade de quem brilhou por dez bilhões de anos.
O mesmo acontece com o Sol. Se nós o representarmos como uma cebola gigante, camada sobre camada, as camadas superiores exercerão uma enorme força gravitacional sobre as inferiores, equivalentes ao colchão sob uma ou mais pessoas. É na região central do Sol que as absurdas energias que contrabalançam a pressão gravitacional são produzidas, por meio do processo de fusão nuclear, o mesmo que causa as explosões das bombas de hidrogênio. Portanto, a existência do Sol se deve a esse equilíbrio entre sua tendência a implodir, devido à sua enorme massa, e a explodir, devido à fusão nuclear de hidrogênio na região central.
Fusão em quê? O hidrogênio se transforma no segundo elemento mais leve, o hélio. Essa mudança revela de forma belíssima a transformação de massa em energia prevista na teoria da relatividade de Einstein, encapsulada na famosa fórmula E=mc2. Basicamente, a massa do produto final das reações de fusão é menor do que a massa dos produtos iniciais, e o excesso é convertido em radiação. Se o Sol, em um ato desesperado de autocanibalismo, usa sua própria matéria para produzir a energia necessária para sua estabilidade, o que acontecerá quando ele devorar todas as suas entranhas, isto é, quando ele tiver convertido todo o hidrogênio de sua região central em hélio?
A resposta mais curta é que ele começará a fundir o hélio em outro elemento, no caso, o carbono. Mas vários efeitos extremamente dramáticos acontecem entre as duas fusões (hélio e carbono), incluindo a transformação do Sol em uma estrela do tipo "gigante vermelha", cujo raio será maior do que a órbita de Mercúrio. Expansões estelares desse tipo ocorrem quando o calor gerado em seu interior é maior do que a implosão gravitacional pode contrabalançar. Eu espero que a essa altura já tenhamos colonizado outras partes da galáxia; caso contrário, esse será o fim da vida na Terra.
Enquanto o envelope da estrela cresce, sua região central encolhe devido à sua gravidade, já que a fusão de hélio ainda não começou. A pressão é tão grande que os elétrons não circulam mais em torno dos núcleos atômicos, mas movem-se livremente no meio da congestão. A um certo ponto, um novo efeito passa a ser importante, o Davi que irá derrotar o gigante Golias. Segundo a física quântica, elétrons e outras partículas, como o próton e o nêutron, são extremamente anti-sociais e tentam se evitar ao máximo. De fato, esse efeito de repulsão é conhecido como o Princípio de Exclusão de Pauli, proposto pelo físico austríaco Wolfgang Pauli em 1925. Quando elétrons são forçados a coexistir em volumes muito pequenos, como nas regiões centrais de estrelas em crise, eles reagem movendo-se a altíssimas velocidades, criando uma enorme contrapressão. O colapso da estrela é detido por um efeito que ocorre na escala subatômica, o micro balanceando o macro.
Esse efeito torna-se crucial no estágio final de evolução do Sol. Após curto período de fusão de hélio em carbono, a região central, agora rica em carbono, não consegue fundir-se em outro elemento mais pesado (para estrelas mais maciças que o Sol, isso não ocorre). Ela continua a contrair-se devido à sua própria gravidade até que os elétrons digam: "Chega de aperto!", reagindo de forma que o colapso pára e os restos da estrela encontram sua paz final. Essa bola de carbono e elétrons, do tamanho da Terra e com metade da massa do Sol, chama-se "anã branca". Ela continuará a resfriar-se até desaparecer na escuridão do espaço. Fria, mas com a dignidade de quem brilhou por dez bilhões de anos.
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