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Em inglês, a palavra "spin" significa, entre outras coisas, movimento rotatório. Em física, usamos a palavra para designar a rotação intrínseca de partículas subatômicas, como o elétron, o próton etc. Essa representação do spin como uma rotação intrínseca de uma partícula é extremamente problemática, pois ela pressupõe que a partícula gira em torno de um eixo, como um pião ou um planeta. "E qual o problema com isso?", perguntaria o leitor. "Afinal, não podemos imaginar as partículas como sendo planetas minúsculos, girando em torno de um eixo?" Infelizmente, não.
Eis duas razões: primeiro, algumas partículas, ao menos dentro das distâncias com que podemos estudá-las hoje (em torno de um milésimo de trilionésimo de centímetro), não têm uma estrutura espacial, aparecendo como um ponto. O elétron, que gira em torno do núcleo, é um exemplo. Como visualizar o movimento giratório de um ponto, que não tem volume espacial? Segundo, todas as partículas respeitam o que na mecânica quântica, a parte da física que estuda as propriedades dos átomos e das partículas subatômicas, é conhecido como a dualidade onda-partícula. De acordo com essa dualidade, não podemos dizer a priori se uma entidade subatômica, seja ela um elétron, um próton ou um fóton (partículas que compõem a radiação eletromagnética, como a luz visível), é uma partícula localizada em um ponto ou uma pequena região do espaço ou uma onda, espalhada pelo espaço. E como podemos visualizar a rotação intrínseca de uma onda, o seu spin? Essas questões fazem com que o spin seja uma das propriedades mais misteriosas da física quântica.
Na verdade, o problema desaparece ao usarmos a matemática para descrever as propriedades dos átomos e das partículas subatômicas. O mundo do muito pequeno pertence a uma realidade física muito distinta da que presenciamos em nosso cotidiano, tornando delicado o uso de certas analogias tiradas de objetos usuais, como piões e planetas. O espanto causado pelas descobertas da mecânica quântica não foi nada menor para os seus próprios inventores, durante as três primeiras décadas do século 20.
O desenvolvimento da teoria foi quase que forçado goela abaixo por descobertas que ocorreram em laboratório e que não podiam ser explicadas através da consagrada física clássica, baseada nas idéias de Newton e outros. Físicos como Albert Einstein, Niels Bohr, Max Planck, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, Wolfgang Pauli e muitos outros criaram uma nova linguagem matemática, baseada em princípios físicos extremamente exóticos, para poder explicar o que se estava vendo em laboratório. E uma das coisas que se via era a existência das chamadas linhas espectrais, a radiação (às vezes visível) emitida por elementos químicos quando aquecidos. O interessante era a individualidade desses espectros, um para cada elemento, como se eles fossem impressões digitais. O hidrogênio tem o seu espectro, o hélio também, o ouro outro, e assim por diante.
Em 1913, Bohr mostrou que o espectro do hidrogênio podia ser entendido se seu átomo tivesse um próton no núcleo e um elétron girando em torno dele em órbitas separadas, como degraus de uma escada. Cada órbita tem uma energia fixa. Quando o elétron "pula" de uma órbita mais alta para uma mais baixa, ele emite radiação (fótons) revelando o seu espectro. E átomos maiores, como o hélio, com dois prótons e dois elétrons, ou o urânio, com 92 prótons? Para entender o espectro desses átomos, ficou claro que no máximo dois elétrons podiam ocupar cada órbita, tendo a mesma energia. O elétron é bastante anti-social e não gosta de companhia: dois é bom e três já é demais. Esse princípio é conhecido como princípio de exclusão de Pauli. A razão para que apenas dois elétrons ocupem a mesma órbita é atribuída ao spin, que só pode ter dois valores, positivo e negativo, como um pião, que só pode rodar nos sentidos horário e anti-horário.
Portanto, cada órbita atômica pode conter no máximo dois elétrons com spins opostos. Eis a imagem clássica dos piões de volta. A grande diferença é que um pião pode rodar com qualquer velocidade e em qualquer ângulo de inclinação com a vertical. Já a rotação do elétron é limitada a duas opções, isto é, é quantizada nos dois valores do seu spin. Temos de imaginar um "pião quântico".
A origem do spin permanece misteriosa. E o fato de ele ser "quantizado" também. Esse exemplo mostra que a ciência não precisa ter todas as respostas para ser eficiente. Ao propor a existência do spin, os físicos explicaram os resultados experimentais com grande sucesso. Possivelmente, um dia será a vez do spin.
domingo, 16 de dezembro de 2001
domingo, 9 de dezembro de 2001
Definindo o ser humano
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No dia 25 de novembro, um grupo de médicos e cientistas norte-americanos anunciou haver conseguido, pela primeira vez na história, clonar um embrião humano a partir da fusão de uma única célula adulta com um óvulo. Após algumas horas, o clone chegou a conter seis células, antes de cessar o seu desenvolvimento. Digo "cessar o seu desenvolvimento" porque não me é claro como expressar o fato de que o conjunto de seis células parou de se reproduzir. Será que devo dizer que o embrião morreu?
Esse assunto é extremamente controverso e difícil de ser tratado. Não é óbvio para a maioria dos cientistas que uma massa de seis células deva ser chamada de "embrião" ou que essa massa "morra" ao cessar a sua reprodução. O que ficou claro é que vários grupos privados estão tentando clonar seres humanos, ignorando o debate sobre as consequências éticas de suas experiências.
Imediatamente após a Advanced Cell Technology (ACT, ou "Tecnologia Celular Avançada") anunciar sua descoberta, várias outras companhias afirmaram também já ter obtido "embriões". Por exemplo, cientistas da companhia Clonaid, da Califórnia, que, entre outras coisas, defende a existência de Ovnis, afirmam ter conseguido chegar a clones com oito células, duas a mais do que os cientistas da ACT. Segundo a porta-voz da Clonaid, assim que a patente de seus métodos for autenticada, a companhia divulgará os resultados publicamente.
O italiano Severino Antinori afirmou ter clonado um bebê que nascerá até o Natal. O simbolismo de ter o primeiro bebê clonado nascendo no Natal não poderia ser mais irresponsável.
À parte toda a controvérsia ética sobre a clonagem de seres humanos, existe também a controvérsia científica: os resultados da ACT mostram o quanto é difícil clonar embriões humanos. Dos 19 experimentos, apenas 3 se desenvolveram além de uma célula, e nenhum passou de seis. O objetivo dos cientistas da ACT, como o da maioria dos cientistas que trabalham nessa área, não é a clonagem de um ser humano, mas o desenvolvimento de embriões até o estágio em que possam fornecer as células-tronco, capazes de se transformar nos vários órgãos do corpo humano. Para tal, basta que o conjunto de células chegue a formar um blastocisto, embrião com algumas centenas de células. Apesar de os resultados da ACT estarem longe de atingir seu objetivo, estimularam um debate ético e político sério.
As linhas divisórias do conflito são bastante claras; líderes religiosos e políticos conservadores condenam qualquer clonagem envolvendo células humanas, alegando que extrair células-tronco de um blastocisto é equivalente a assassinar um ser humano. Ou seja, que um conjunto de 150 células tem os mesmos direitos legais à vida de um feto de três meses ou de um ser adulto.
Os mais liberais alegam que os benefícios médicos do uso dos órgãos criados a partir das células-tronco justificam a clonagem de embriões humanos. Isso não significa que esses grupos sejam a favor da clonagem de seres humanos: os blastocistos são destruídos no processo de extração das células-tronco. A questão é se eles têm ou não direito à vida.
A ciência nos força a repensar nossos valores morais e éticos. A pílula foi e é vista com desdém pela Igreja Católica, assim como o aborto, mas as pessoas usam a pílula e praticam abortos. Apesar da resistência contra o uso da energia atômica e contra a proliferação de armas nucleares, centenas de usinas operam hoje em dezenas de países, enquanto o estoque de bombas é suficiente para aniquilar a vida sobre a Terra diversas vezes.
Meu ponto é que a censura de certos grupos, sejam liberais ou conservadores, jamais vai conter o desenvolvimento da ciência, especialmente quando atende a interesses políticos ou comerciais. A clonagem de embriões humanos, ao menos para a extração de células-tronco, é uma questão de tempo. Os tecidos e órgãos obtidos dessas células vão salvar ou melhorar a vida de milhões de pessoas que sofrem de mal de Parkinson, Alzheimer e outras doenças sem cura.
Já a clonagem de um ser humano completo é muito mais complexa, clinicamente inútil, e não parece óbvio que possa ser atingida a curto prazo. Certamente, não antes do Natal. Cabe aos cientistas e à sociedade criar um diálogo aberto para que desenvolvimentos nessa área não ocorram em segredo. Porque me parece que eles são inevitáveis.
No dia 25 de novembro, um grupo de médicos e cientistas norte-americanos anunciou haver conseguido, pela primeira vez na história, clonar um embrião humano a partir da fusão de uma única célula adulta com um óvulo. Após algumas horas, o clone chegou a conter seis células, antes de cessar o seu desenvolvimento. Digo "cessar o seu desenvolvimento" porque não me é claro como expressar o fato de que o conjunto de seis células parou de se reproduzir. Será que devo dizer que o embrião morreu?
Esse assunto é extremamente controverso e difícil de ser tratado. Não é óbvio para a maioria dos cientistas que uma massa de seis células deva ser chamada de "embrião" ou que essa massa "morra" ao cessar a sua reprodução. O que ficou claro é que vários grupos privados estão tentando clonar seres humanos, ignorando o debate sobre as consequências éticas de suas experiências.
Imediatamente após a Advanced Cell Technology (ACT, ou "Tecnologia Celular Avançada") anunciar sua descoberta, várias outras companhias afirmaram também já ter obtido "embriões". Por exemplo, cientistas da companhia Clonaid, da Califórnia, que, entre outras coisas, defende a existência de Ovnis, afirmam ter conseguido chegar a clones com oito células, duas a mais do que os cientistas da ACT. Segundo a porta-voz da Clonaid, assim que a patente de seus métodos for autenticada, a companhia divulgará os resultados publicamente.
O italiano Severino Antinori afirmou ter clonado um bebê que nascerá até o Natal. O simbolismo de ter o primeiro bebê clonado nascendo no Natal não poderia ser mais irresponsável.
À parte toda a controvérsia ética sobre a clonagem de seres humanos, existe também a controvérsia científica: os resultados da ACT mostram o quanto é difícil clonar embriões humanos. Dos 19 experimentos, apenas 3 se desenvolveram além de uma célula, e nenhum passou de seis. O objetivo dos cientistas da ACT, como o da maioria dos cientistas que trabalham nessa área, não é a clonagem de um ser humano, mas o desenvolvimento de embriões até o estágio em que possam fornecer as células-tronco, capazes de se transformar nos vários órgãos do corpo humano. Para tal, basta que o conjunto de células chegue a formar um blastocisto, embrião com algumas centenas de células. Apesar de os resultados da ACT estarem longe de atingir seu objetivo, estimularam um debate ético e político sério.
As linhas divisórias do conflito são bastante claras; líderes religiosos e políticos conservadores condenam qualquer clonagem envolvendo células humanas, alegando que extrair células-tronco de um blastocisto é equivalente a assassinar um ser humano. Ou seja, que um conjunto de 150 células tem os mesmos direitos legais à vida de um feto de três meses ou de um ser adulto.
Os mais liberais alegam que os benefícios médicos do uso dos órgãos criados a partir das células-tronco justificam a clonagem de embriões humanos. Isso não significa que esses grupos sejam a favor da clonagem de seres humanos: os blastocistos são destruídos no processo de extração das células-tronco. A questão é se eles têm ou não direito à vida.
A ciência nos força a repensar nossos valores morais e éticos. A pílula foi e é vista com desdém pela Igreja Católica, assim como o aborto, mas as pessoas usam a pílula e praticam abortos. Apesar da resistência contra o uso da energia atômica e contra a proliferação de armas nucleares, centenas de usinas operam hoje em dezenas de países, enquanto o estoque de bombas é suficiente para aniquilar a vida sobre a Terra diversas vezes.
Meu ponto é que a censura de certos grupos, sejam liberais ou conservadores, jamais vai conter o desenvolvimento da ciência, especialmente quando atende a interesses políticos ou comerciais. A clonagem de embriões humanos, ao menos para a extração de células-tronco, é uma questão de tempo. Os tecidos e órgãos obtidos dessas células vão salvar ou melhorar a vida de milhões de pessoas que sofrem de mal de Parkinson, Alzheimer e outras doenças sem cura.
Já a clonagem de um ser humano completo é muito mais complexa, clinicamente inútil, e não parece óbvio que possa ser atingida a curto prazo. Certamente, não antes do Natal. Cabe aos cientistas e à sociedade criar um diálogo aberto para que desenvolvimentos nessa área não ocorram em segredo. Porque me parece que eles são inevitáveis.
domingo, 2 de dezembro de 2001
Água, suor e vapor
Como verificamos a cada vez que nos aventuramos na cozinha, a maioria das substâncias existe em três fases distintas: sólida, líquida, e gasosa. Nada melhor do que a água para ilustrar o fato de que uma substância em uma determinada fase pode se transformar em uma das outras quando submetida a uma mudança externa, de temperatura ou pressão, por exemplo.
Essa mudanças entre as diferentes fases são conhecidas como transições de fase, ocorrendo a temperaturas e pressões características de cada substância. Ao nível do mar, a água ferve a 100C. Mas, a uma altitude de 3.000 metros, a água ferve a apenas 90C.
Esse fato é bem conhecido daqueles que acampam em montanhas e tentam ferver água para fazer um chá ou um ovo duro. A altitudes elevadas, o chá nunca vai ser muito quente e o ovo duro vai demorar bem mais do que três minutos para cozinhar. Essa mudança na temperatura de ebulição da água se deve à queda da pressão atmosférica a altas altitudes. No nível molecular, as três fases são caracterizadas pela competição entre a tendência das moléculas a se atrair quimicamente e a sua energia de agitação térmica, que tende a destruir as ligações químicas existentes entre elas.
Na fase gasosa, as altas temperaturas impedem que as moléculas se liguem, de modo que elas se movimentam livremente, colidindo ocasionalmente entre si. Na fase líquida, a queda de temperatura permite que as moléculas se liguem umas às outras, mas ainda mantendo uma certa liberdade, sem criar um padrão espacial fixo. Já na fase sólida, as moléculas atraem-se fortemente, formando estruturas espaciais rígidas, que muitas vezes exibem uma belíssima simetria cristalina.
Imagine a superfície de um líquido. Moléculas do líquido atraem-se quimicamente, mas também são agitadas devido à sua energia térmica. De vez em quando, uma molécula recebe empurrões de suas vizinhas, que são fortes o suficiente para expeli-la da superfície do líquido. Quanto mais alta a temperatura, maior a agitação térmica das moléculas e mais fácil é que uma molécula escape.
Quando isso acontece, a molécula leva consigo parte da energia térmica e o líquido resfria. Aliás, é esse o mecanismo usado pelo corpo humano quando a sua temperatura aumenta: o suor que evapora da pele leva consigo parte do calor, causando uma queda de temperatura. Portanto, para ferver um líquido é preciso adicionar uma boa quantidade de calor, de modo a aumentar a sua temperatura mesmo que algumas de suas moléculas consigam escapar. O líquido começa a ferver quando a pressão causada por essas moléculas que escapam se iguala à pressão atmosférica, que as força de volta ao líquido.
Mais especificamente, um líquido ferve quando bolhas de vapor aparecem em seu interior e conseguem escapar de sua superfície. Uma bolha surge quando várias moléculas do líquido conseguem escapar de suas vizinhas, criando uma cavidade com as moléculas livres típicas da fase gasosa.
Como o vapor é menos denso que o líquido, a bolha irá subir até a superfície do líquido e tentar escapar, muitas vezes crescendo devido à adesão de mais moléculas de vapor. Se a pressão do vapor for maior do que a pressão atmosférica, a bolha conseguirá escapar e o líquido entrará em ebulição. Caso contrário, a bolha de vapor será comprimida até desaparecer. Voltando à montanha, a altas altitudes a atmosfera é mais rarefeita, exercendo uma pressão menor sobre a superfície do líquido. Com isso, fica mais fácil para as bolhas de vapor escaparem, explicando por que o líquido ferve a temperaturas mais baixas.
Mas ficou faltando um detalhe nessa descrição da ebulição: as moléculas não só escapam da superfície do líquido como podem também retornar a ela. Existe uma troca constante de moléculas entre as fases líquida e gasosa, como se a superfície do líquido fosse um aeroporto com aviões pousando e decolando o tempo todo: se um número maior de moléculas deixar a superfície, o líquido está evaporando; caso contrário, é o vapor que está se condensando.
O que determina se mais moléculas condensam ou evaporam é a umidade relativa, velha conhecida dos boletins meteorológicos. Se a umidade relativa for 100%, existe um equilíbrio entre líquido e vapor. Se for menor, a evaporação ganha. E, se for maior, ganha a condensação. É por isso que quando a umidade relativa do ar é alta, o suor "gruda" no corpo. Poucas moléculas evaporam. O jeito é ligar o ventilador, forçando as moléculas a abandonar a superfície do corpo e levando o calor com elas.
Essa mudanças entre as diferentes fases são conhecidas como transições de fase, ocorrendo a temperaturas e pressões características de cada substância. Ao nível do mar, a água ferve a 100C. Mas, a uma altitude de 3.000 metros, a água ferve a apenas 90C.
Esse fato é bem conhecido daqueles que acampam em montanhas e tentam ferver água para fazer um chá ou um ovo duro. A altitudes elevadas, o chá nunca vai ser muito quente e o ovo duro vai demorar bem mais do que três minutos para cozinhar. Essa mudança na temperatura de ebulição da água se deve à queda da pressão atmosférica a altas altitudes. No nível molecular, as três fases são caracterizadas pela competição entre a tendência das moléculas a se atrair quimicamente e a sua energia de agitação térmica, que tende a destruir as ligações químicas existentes entre elas.
Na fase gasosa, as altas temperaturas impedem que as moléculas se liguem, de modo que elas se movimentam livremente, colidindo ocasionalmente entre si. Na fase líquida, a queda de temperatura permite que as moléculas se liguem umas às outras, mas ainda mantendo uma certa liberdade, sem criar um padrão espacial fixo. Já na fase sólida, as moléculas atraem-se fortemente, formando estruturas espaciais rígidas, que muitas vezes exibem uma belíssima simetria cristalina.
Imagine a superfície de um líquido. Moléculas do líquido atraem-se quimicamente, mas também são agitadas devido à sua energia térmica. De vez em quando, uma molécula recebe empurrões de suas vizinhas, que são fortes o suficiente para expeli-la da superfície do líquido. Quanto mais alta a temperatura, maior a agitação térmica das moléculas e mais fácil é que uma molécula escape.
Quando isso acontece, a molécula leva consigo parte da energia térmica e o líquido resfria. Aliás, é esse o mecanismo usado pelo corpo humano quando a sua temperatura aumenta: o suor que evapora da pele leva consigo parte do calor, causando uma queda de temperatura. Portanto, para ferver um líquido é preciso adicionar uma boa quantidade de calor, de modo a aumentar a sua temperatura mesmo que algumas de suas moléculas consigam escapar. O líquido começa a ferver quando a pressão causada por essas moléculas que escapam se iguala à pressão atmosférica, que as força de volta ao líquido.
Mais especificamente, um líquido ferve quando bolhas de vapor aparecem em seu interior e conseguem escapar de sua superfície. Uma bolha surge quando várias moléculas do líquido conseguem escapar de suas vizinhas, criando uma cavidade com as moléculas livres típicas da fase gasosa.
Como o vapor é menos denso que o líquido, a bolha irá subir até a superfície do líquido e tentar escapar, muitas vezes crescendo devido à adesão de mais moléculas de vapor. Se a pressão do vapor for maior do que a pressão atmosférica, a bolha conseguirá escapar e o líquido entrará em ebulição. Caso contrário, a bolha de vapor será comprimida até desaparecer. Voltando à montanha, a altas altitudes a atmosfera é mais rarefeita, exercendo uma pressão menor sobre a superfície do líquido. Com isso, fica mais fácil para as bolhas de vapor escaparem, explicando por que o líquido ferve a temperaturas mais baixas.
Mas ficou faltando um detalhe nessa descrição da ebulição: as moléculas não só escapam da superfície do líquido como podem também retornar a ela. Existe uma troca constante de moléculas entre as fases líquida e gasosa, como se a superfície do líquido fosse um aeroporto com aviões pousando e decolando o tempo todo: se um número maior de moléculas deixar a superfície, o líquido está evaporando; caso contrário, é o vapor que está se condensando.
O que determina se mais moléculas condensam ou evaporam é a umidade relativa, velha conhecida dos boletins meteorológicos. Se a umidade relativa for 100%, existe um equilíbrio entre líquido e vapor. Se for menor, a evaporação ganha. E, se for maior, ganha a condensação. É por isso que quando a umidade relativa do ar é alta, o suor "gruda" no corpo. Poucas moléculas evaporam. O jeito é ligar o ventilador, forçando as moléculas a abandonar a superfície do corpo e levando o calor com elas.
domingo, 25 de novembro de 2001
Toda singularidade nua será castigada
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Quando Einstein terminou a formulação de sua teoria da relatividade geral, em 1916, ele mal podia imaginar que os buracos negros levariam as suas idéias a ter consequências que ele mesmo não iria gostar. Segundo Einstein, a presença de uma massa (ou de energia, já que matéria e energia podem ser entendidas conjuntamente) curva o espaço à sua volta e afeta também a passagem do tempo. Ou seja, o que seria uma linha reta a uma grande distância da massa vira uma linha curva perto dela. Já um relógio bate mais devagar na vizinhança de uma massa, quando visto por um observador longe dela.
Esses efeitos espaço-temporais são extremamente pequenos para massas comuns, como uma pessoa ou mesmo uma montanha. Mas quando lidamos com objetos astronômicos, como o Sol, eles se tornam mais importantes. De fato, os efeitos previstos por Einstein dependem da "densidade" do objeto, da quantidade de matéria que existe em seu volume. Por exemplo, uma pessoa com 70 quilos não tem uma densidade muito grande, mas se encolhermos essa pessoa mantendo a sua massa fixa até o tamanho de uma bola de gude, sua densidade fica muito maior. O que controla a importância dos efeitos previstos por Einstein é, em um corpo esférico, a razão da massa do corpo (M) pelo seu raio (R), M/R.
Como a gravidade é atrativa, se ela atuasse sozinha, todos os objetos tenderiam a encolher até um ponto com densidade infinita. Como nós não somos pontos com densidade infinita, sabemos que existem outras forças na natureza contrabalançando a atração gravitacional, dando estabilidade aos objetos do mundo. Por exemplo, uma estrela existe por causa do equilíbrio entre a atração gravitacional, que tende a fazer com que a estrela encolha, e a produção de radiação em seu interior através da fusão nuclear de hidrogênio em hélio. Essa fusão do elemento químico mais leve (hidrogênio) no segundo elemento mais leve é que produz a energia capaz de balancear a estrela. No caso do Sol, a fusão continua sem problemas durante 10 bilhões de anos (estamos na metade do ciclo). Depois disso, a gravidade fará com que o Sol encolha até ele encontrar um novo estado de equilíbrio em forma de "anã branca", uma estrela tão densa que uma bola de gude feita de seu material teria o mesmo peso que a Torre Eiffel.
Mas o Sol é uma estrela pequena. Estrelas bem maiores não têm a mesma sorte e continuam a encolher devido à sua própria gravidade, sem encontrar um novo estado de equilíbrio. Nesse caso, como a sua massa permanece aproximadamente constante e o seu raio diminui cada vez mais, como um balão sendo comprimido, os efeitos gravitacionais (M/R) crescem cada vez e as correções previstas por Einstein eventualmente passam a ser importantes. O trágico é que, como nada pode deter esse colapso, a gravidade da estrela vai encurvando o espaço cada vez mais até que ele efetivamente se fecha sobre si mesmo: não podemos ver o que está ocorrendo dentro dele, já que nenhuma informação pode escapar de dentro para fora, nem mesmo a luz. Assim nasce um buraco negro, uma espécie de véu separando o nosso mundo do mundo encurvado sobre si mesmo circundando os restos da estrela.
Das inúmeras questões que surgem com relação aos buracos negros, uma das mais interessantes é o que acontece no seu centro. Segundo as leis da relatividade geral, no centro existe uma "singularidade" espaço-temporal, um ponto onde a gravidade é infinita. Em física, essas singularidades apontam para os limites de uma teoria; a relatividade de Einstein não pode descrever o que ocorre no centro de um buraco negro. A distâncias muito pequenas precisamos também usar a mecânica quântica, que estuda a física atômica e subatômica. O problema é que não sabemos como casar as duas teorias, a gravidade e a mecânica quântica. E o mais chocante é que a mecânica quântica prevê que o buraco negro evapora aos poucos, ficando cada vez menor, até que apenas o seu centro absurdo nos seja revelado! Essa possibilidade causa pesadelos aos físicos, que conjecturam que essa "singularidade nua" não pode ser revelada. O termo "censura cósmica" foi criado, supondo que algo ocorrerá antes de vermos a singularidade nua, mantendo a moralidade cósmica. As leis da física não se quebram, apenas o nosso conhecimento. É possível que a singularidade não exista e que os buracos negros tenham um fim bem mais discreto do que nos revelar a sua nudez. Talvez tudo se resolva quando casarmos as duas teorias. Mas esse casamento está muito difícil de ser arranjado.
Quando Einstein terminou a formulação de sua teoria da relatividade geral, em 1916, ele mal podia imaginar que os buracos negros levariam as suas idéias a ter consequências que ele mesmo não iria gostar. Segundo Einstein, a presença de uma massa (ou de energia, já que matéria e energia podem ser entendidas conjuntamente) curva o espaço à sua volta e afeta também a passagem do tempo. Ou seja, o que seria uma linha reta a uma grande distância da massa vira uma linha curva perto dela. Já um relógio bate mais devagar na vizinhança de uma massa, quando visto por um observador longe dela.
Esses efeitos espaço-temporais são extremamente pequenos para massas comuns, como uma pessoa ou mesmo uma montanha. Mas quando lidamos com objetos astronômicos, como o Sol, eles se tornam mais importantes. De fato, os efeitos previstos por Einstein dependem da "densidade" do objeto, da quantidade de matéria que existe em seu volume. Por exemplo, uma pessoa com 70 quilos não tem uma densidade muito grande, mas se encolhermos essa pessoa mantendo a sua massa fixa até o tamanho de uma bola de gude, sua densidade fica muito maior. O que controla a importância dos efeitos previstos por Einstein é, em um corpo esférico, a razão da massa do corpo (M) pelo seu raio (R), M/R.
Como a gravidade é atrativa, se ela atuasse sozinha, todos os objetos tenderiam a encolher até um ponto com densidade infinita. Como nós não somos pontos com densidade infinita, sabemos que existem outras forças na natureza contrabalançando a atração gravitacional, dando estabilidade aos objetos do mundo. Por exemplo, uma estrela existe por causa do equilíbrio entre a atração gravitacional, que tende a fazer com que a estrela encolha, e a produção de radiação em seu interior através da fusão nuclear de hidrogênio em hélio. Essa fusão do elemento químico mais leve (hidrogênio) no segundo elemento mais leve é que produz a energia capaz de balancear a estrela. No caso do Sol, a fusão continua sem problemas durante 10 bilhões de anos (estamos na metade do ciclo). Depois disso, a gravidade fará com que o Sol encolha até ele encontrar um novo estado de equilíbrio em forma de "anã branca", uma estrela tão densa que uma bola de gude feita de seu material teria o mesmo peso que a Torre Eiffel.
Mas o Sol é uma estrela pequena. Estrelas bem maiores não têm a mesma sorte e continuam a encolher devido à sua própria gravidade, sem encontrar um novo estado de equilíbrio. Nesse caso, como a sua massa permanece aproximadamente constante e o seu raio diminui cada vez mais, como um balão sendo comprimido, os efeitos gravitacionais (M/R) crescem cada vez e as correções previstas por Einstein eventualmente passam a ser importantes. O trágico é que, como nada pode deter esse colapso, a gravidade da estrela vai encurvando o espaço cada vez mais até que ele efetivamente se fecha sobre si mesmo: não podemos ver o que está ocorrendo dentro dele, já que nenhuma informação pode escapar de dentro para fora, nem mesmo a luz. Assim nasce um buraco negro, uma espécie de véu separando o nosso mundo do mundo encurvado sobre si mesmo circundando os restos da estrela.
Das inúmeras questões que surgem com relação aos buracos negros, uma das mais interessantes é o que acontece no seu centro. Segundo as leis da relatividade geral, no centro existe uma "singularidade" espaço-temporal, um ponto onde a gravidade é infinita. Em física, essas singularidades apontam para os limites de uma teoria; a relatividade de Einstein não pode descrever o que ocorre no centro de um buraco negro. A distâncias muito pequenas precisamos também usar a mecânica quântica, que estuda a física atômica e subatômica. O problema é que não sabemos como casar as duas teorias, a gravidade e a mecânica quântica. E o mais chocante é que a mecânica quântica prevê que o buraco negro evapora aos poucos, ficando cada vez menor, até que apenas o seu centro absurdo nos seja revelado! Essa possibilidade causa pesadelos aos físicos, que conjecturam que essa "singularidade nua" não pode ser revelada. O termo "censura cósmica" foi criado, supondo que algo ocorrerá antes de vermos a singularidade nua, mantendo a moralidade cósmica. As leis da física não se quebram, apenas o nosso conhecimento. É possível que a singularidade não exista e que os buracos negros tenham um fim bem mais discreto do que nos revelar a sua nudez. Talvez tudo se resolva quando casarmos as duas teorias. Mas esse casamento está muito difícil de ser arranjado.
domingo, 18 de novembro de 2001
A física do arco-íris
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Quem jamais correu atrás de um arco-íris, procurando pelo legendário pote de ouro e, quem sabe, até pelo duende que supostamente existe em seus arredores? Eu confesso que, juntamente com meus primos, montei várias expedições à procura do começo do arco-íris, sem dar muita bola para as "superstições" (assim pensava então) de que era impossível passar por baixo de um. Após várias tentativas frustradas, que meus pais chamavam de teimosia e eu de persistência, acabei por me convencer, empiricamente, de que realmente não dava para achar a base ou passar por baixo de um arco-íris.
Tudo começa com a descrição da luz do Sol em termos de ondas. Apesar de a luz do Sol ser branca, ela é, na verdade, formada por uma superposição de todos os tons do que chamamos de espectro da luz visível, que vai do violeta ao vermelho, conforme vemos em um arco-íris.
Esse não é todo o espectro da luz solar, pois ela também contém frequências que são invisíveis para nós, como o infravermelho e o ultravioleta. Mas, como o nosso assunto é o arco-íris, vamos nos concentrar na luz visível. Toda onda pode ser descrita pelo seu comprimento, que é a distância entre duas cristas consecutivas. Por exemplo, você pode fabricar ondas na sua banheira fazendo o seu dedo tocar a superfície da água regularmente. Quanto menor é o intervalo entre os toques, menor o comprimento das ondas.
Para entendermos a física do arco-íris, precisamos de três efeitos ópticos: a reflexão, a dispersão e a refração. O arco-íris ocorre quando a luz do Sol, que está situado atrás do observador, encontra gotas d'água em suspensão na atmosfera. As gotas d'água refletem, dispersam e refratam a luz do Sol. Que a luz do Sol é refletida ao passar de um meio a outro (do ar para a água no caso do arco-íris) não é nenhum mistério. Dependendo do meio, ela pode ser mais ou menos refletida. Por exemplo, um espelho reflete a luz muito bem, mas mesmo um vidro qualquer reflete a nossa imagem ao menos parcialmente. O mesmo com a água.
Ocorre que a luz muda de velocidade quando ela viaja através de meios diferentes. Isso porque a luz é, na verdade, composta por ondas eletromagnéticas, que interagem com as moléculas do meio que ela atravessa. Como a luz é formada por ondas de comprimentos diferentes, cada um deles vai interagir de modo distinto com as moléculas do meio, como numa corrida de obstáculos.
Ondas com comprimento muito maior do que as moléculas (os obstáculos) atravessam sem vê-las, enquanto ondas de tamanhos semelhantes vão sentir a presença delas e sofrer atrasos em sua propagação. Ou seja, cores diferentes propagam-se com velocidades diferentes através de um meio material. No caso da água, a luz violeta sofre os maiores atrasos, enquanto a luz vermelha sofre os menores. Daí que a gota d'água funciona com uma espécie de filtro, separando a luz nos seus vários tons. Esse fenômeno é chamado de dispersão.
Imagine então uma onda de luz colidindo com uma gota d'água esférica como uma bola. A parte inferior da onda colide primeiro com a gota e diminui a sua velocidade antes da parte superior. Esse desequilíbrio faz com que a onda encurve para baixo sua direção de propagação através da gota. Essa mudança na direção de propagação da luz ao mudar de um meio a outro é a refração.
Quando a luz do Sol encontra a gota d'água ela se refrata, mudando a direção de sua propagação. Uma vez dentro da gota, será dispersada, com os tons de azul sofrendo maiores atrasos do que os tons de vermelho. Quanto maior a dispersão, maior a refração, ou seja, os tons de azul sofrem maiores desvios do que os tons de vermelho. Com isso, as várias cores vão se chocar com o fundo da gota em pontos diferentes, as de tom azul mais abaixo do que as de vermelho. Ao chegar no fundo da gota, as ondas são mais uma vez parcialmente refletidas de volta e, ao sair para o ar, refratadas, antes de viajar de volta em nossa direção.
A luz que volta até nós vem separada pelas gotas d'água, de modo que as gotas inferiores refletem em nossa direção preferencialmente os tons de violeta, enquanto as superiores refletem os tons de vermelho. Apenas a luz refletida pelas gotas situadas em um arco atinge os nossos olhos, o resto sendo perdido em outras direções. Se existe ouro em um arco-íris, ele é dado pela sua beleza e pelo fato de que podemos compreendê-la.
Quem jamais correu atrás de um arco-íris, procurando pelo legendário pote de ouro e, quem sabe, até pelo duende que supostamente existe em seus arredores? Eu confesso que, juntamente com meus primos, montei várias expedições à procura do começo do arco-íris, sem dar muita bola para as "superstições" (assim pensava então) de que era impossível passar por baixo de um. Após várias tentativas frustradas, que meus pais chamavam de teimosia e eu de persistência, acabei por me convencer, empiricamente, de que realmente não dava para achar a base ou passar por baixo de um arco-íris.
Tudo começa com a descrição da luz do Sol em termos de ondas. Apesar de a luz do Sol ser branca, ela é, na verdade, formada por uma superposição de todos os tons do que chamamos de espectro da luz visível, que vai do violeta ao vermelho, conforme vemos em um arco-íris.
Esse não é todo o espectro da luz solar, pois ela também contém frequências que são invisíveis para nós, como o infravermelho e o ultravioleta. Mas, como o nosso assunto é o arco-íris, vamos nos concentrar na luz visível. Toda onda pode ser descrita pelo seu comprimento, que é a distância entre duas cristas consecutivas. Por exemplo, você pode fabricar ondas na sua banheira fazendo o seu dedo tocar a superfície da água regularmente. Quanto menor é o intervalo entre os toques, menor o comprimento das ondas.
Para entendermos a física do arco-íris, precisamos de três efeitos ópticos: a reflexão, a dispersão e a refração. O arco-íris ocorre quando a luz do Sol, que está situado atrás do observador, encontra gotas d'água em suspensão na atmosfera. As gotas d'água refletem, dispersam e refratam a luz do Sol. Que a luz do Sol é refletida ao passar de um meio a outro (do ar para a água no caso do arco-íris) não é nenhum mistério. Dependendo do meio, ela pode ser mais ou menos refletida. Por exemplo, um espelho reflete a luz muito bem, mas mesmo um vidro qualquer reflete a nossa imagem ao menos parcialmente. O mesmo com a água.
Ocorre que a luz muda de velocidade quando ela viaja através de meios diferentes. Isso porque a luz é, na verdade, composta por ondas eletromagnéticas, que interagem com as moléculas do meio que ela atravessa. Como a luz é formada por ondas de comprimentos diferentes, cada um deles vai interagir de modo distinto com as moléculas do meio, como numa corrida de obstáculos.
Ondas com comprimento muito maior do que as moléculas (os obstáculos) atravessam sem vê-las, enquanto ondas de tamanhos semelhantes vão sentir a presença delas e sofrer atrasos em sua propagação. Ou seja, cores diferentes propagam-se com velocidades diferentes através de um meio material. No caso da água, a luz violeta sofre os maiores atrasos, enquanto a luz vermelha sofre os menores. Daí que a gota d'água funciona com uma espécie de filtro, separando a luz nos seus vários tons. Esse fenômeno é chamado de dispersão.
Imagine então uma onda de luz colidindo com uma gota d'água esférica como uma bola. A parte inferior da onda colide primeiro com a gota e diminui a sua velocidade antes da parte superior. Esse desequilíbrio faz com que a onda encurve para baixo sua direção de propagação através da gota. Essa mudança na direção de propagação da luz ao mudar de um meio a outro é a refração.
Quando a luz do Sol encontra a gota d'água ela se refrata, mudando a direção de sua propagação. Uma vez dentro da gota, será dispersada, com os tons de azul sofrendo maiores atrasos do que os tons de vermelho. Quanto maior a dispersão, maior a refração, ou seja, os tons de azul sofrem maiores desvios do que os tons de vermelho. Com isso, as várias cores vão se chocar com o fundo da gota em pontos diferentes, as de tom azul mais abaixo do que as de vermelho. Ao chegar no fundo da gota, as ondas são mais uma vez parcialmente refletidas de volta e, ao sair para o ar, refratadas, antes de viajar de volta em nossa direção.
A luz que volta até nós vem separada pelas gotas d'água, de modo que as gotas inferiores refletem em nossa direção preferencialmente os tons de violeta, enquanto as superiores refletem os tons de vermelho. Apenas a luz refletida pelas gotas situadas em um arco atinge os nossos olhos, o resto sendo perdido em outras direções. Se existe ouro em um arco-íris, ele é dado pela sua beleza e pelo fato de que podemos compreendê-la.
domingo, 11 de novembro de 2001
Reflexões reducionistas
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Em 1992, o grande físico norte-americano Steven Weinberg publicou um livro com o título "Sonhos de uma Teoria Final". Weinberg recebeu o Prêmio Nobel de 1979, juntamente com Sheldon Glashow e Abdus Salam, pela elaboração de uma teoria que descreve as interações eletromagnéticas e as interações fracas de forma "unificada". A teoria mostra que, acima de uma determinada energia, as duas interações (ou forças) se comportam de modo semelhante, justificando uma descrição única de sua ação sobre os tijolos fundamentais da matéria, as partículas elementares.
Segundo a física das altas energias, é possível descrever a natureza em seu aspecto mais fundamental como sendo composta por partículas indivisíveis de matéria -os tijolos fundamentais que interagem entre si por meio de quatro forças: a gravidade, o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca que, como diz o nome, só atuam dentro do núcleo atômico. A construção de uma teoria "unificada" das interações eletromagnética e fraca pode ser vista como uma grande simplificação do comportamento da matéria em altas energias: nessas energias a natureza é mais simples do que nas energias mais baixas do nosso dia-a-dia, e apenas três forças são suficientes para descrever as interações entre as partículas de matéria.
Weinberg é um dos defensores mais acirrados da aplicação do princípio reducionista à física de altas energias. Ele acredita que, no nível mais fundamental, a natureza é essencialmente simples, comportando apenas uma única interação, que é descrita pela "teoria final". Essa teoria deverá ser construída sobre uma estrutura matemática complexa, onde o princípio mais importante é o da simetria: quanto mais simples um sistema, mais simétrico ele é e menos informação é necessária na sua descrição.
Imagine, por exemplo, uma esfera perfeita e compare-a com outra, cheia de pequenas deformações e rasgos. Qual é o objeto mais simples? Claro que a esfera perfeita: para descrevê-la basta sabermos um número, o seu raio. Já a outra é muito mais complicada e um número muito maior de detalhes é necessário na sua descrição. Segundo a teoria final, a natureza no seu nível mais fundamental é como uma esfera perfeita: simétrica e simples, com um número mínimo de detalhes necessários para sua descrição. Ou seja, o sonho de uma teoria final é na verdade o triunfo final do reducionismo.
É impossível não se deixar seduzir pela elegância do reducionismo. Existe algo profundamente atraente na possibilidade de reduzir a essência da natureza a algo simples, simétrico, elegante, algo que acalme anseios de que, no fundo, as coisas não sejam assim tão complicadas, de que as atribulações da vida sejam só fachada e que o mundo seja, afinal, compreensível e ordenado, não caótico e imprevisível. Na física, essa expectativa só faz sentido se for confirmada por dados experimentais. E a confirmação da teoria da unificação "eletrofraca" no início dos anos 80 certamente pôs lenha no fogo, alimentando as esperanças de que, de fato, o sonho de uma teoria final pudesse se tornar realidade.
Várias teorias foram propostas para unificar a interação forte com a interação eletrofraca em energias ainda mais altas. Aliás, a energia onde a unificação das três forças se manifesta é tão elevada que ela só existiu nos primeiros instantes após o Big Bang, evento que marcou a origem do Universo. Teorias incluindo a força gravitacional também foram propostas, completando assim a unificação das quatro forças da natureza.
Como se viu acima, essas teorias são fundamentadas no conceito de simetria. Segundo elas, por trás do véu que esconde a essência da natureza existem apenas simetria e leis que regem o comportamento da matéria e suas interações. Essa noção é uma herança da filosofia de Platão, onde a essência do mundo é composta por formas geométricas perfeitas que não podemos vislumbrar pelos sentidos, apenas por meio da razão.
Passados 20 anos desde a confirmação da teoria eletrofraca, ainda não há qualquer indicação concreta de que as quatro forças da natureza sejam de fato apenas uma. No entanto, centenas de físicos no mundo inteiro vêm se dedicando ao ideal da unificação final, alimentados por algumas pistas experimentais e uma inspiração platônica. Apenas o tempo dirá se, de fato, a natureza corresponderá às nossas expectativas, ou se teremos de adaptar os nossos sonhos a uma realidade que reside além deles, inelegante, mas nem por isso menos bela.
Em 1992, o grande físico norte-americano Steven Weinberg publicou um livro com o título "Sonhos de uma Teoria Final". Weinberg recebeu o Prêmio Nobel de 1979, juntamente com Sheldon Glashow e Abdus Salam, pela elaboração de uma teoria que descreve as interações eletromagnéticas e as interações fracas de forma "unificada". A teoria mostra que, acima de uma determinada energia, as duas interações (ou forças) se comportam de modo semelhante, justificando uma descrição única de sua ação sobre os tijolos fundamentais da matéria, as partículas elementares.
Segundo a física das altas energias, é possível descrever a natureza em seu aspecto mais fundamental como sendo composta por partículas indivisíveis de matéria -os tijolos fundamentais que interagem entre si por meio de quatro forças: a gravidade, o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca que, como diz o nome, só atuam dentro do núcleo atômico. A construção de uma teoria "unificada" das interações eletromagnética e fraca pode ser vista como uma grande simplificação do comportamento da matéria em altas energias: nessas energias a natureza é mais simples do que nas energias mais baixas do nosso dia-a-dia, e apenas três forças são suficientes para descrever as interações entre as partículas de matéria.
Weinberg é um dos defensores mais acirrados da aplicação do princípio reducionista à física de altas energias. Ele acredita que, no nível mais fundamental, a natureza é essencialmente simples, comportando apenas uma única interação, que é descrita pela "teoria final". Essa teoria deverá ser construída sobre uma estrutura matemática complexa, onde o princípio mais importante é o da simetria: quanto mais simples um sistema, mais simétrico ele é e menos informação é necessária na sua descrição.
Imagine, por exemplo, uma esfera perfeita e compare-a com outra, cheia de pequenas deformações e rasgos. Qual é o objeto mais simples? Claro que a esfera perfeita: para descrevê-la basta sabermos um número, o seu raio. Já a outra é muito mais complicada e um número muito maior de detalhes é necessário na sua descrição. Segundo a teoria final, a natureza no seu nível mais fundamental é como uma esfera perfeita: simétrica e simples, com um número mínimo de detalhes necessários para sua descrição. Ou seja, o sonho de uma teoria final é na verdade o triunfo final do reducionismo.
É impossível não se deixar seduzir pela elegância do reducionismo. Existe algo profundamente atraente na possibilidade de reduzir a essência da natureza a algo simples, simétrico, elegante, algo que acalme anseios de que, no fundo, as coisas não sejam assim tão complicadas, de que as atribulações da vida sejam só fachada e que o mundo seja, afinal, compreensível e ordenado, não caótico e imprevisível. Na física, essa expectativa só faz sentido se for confirmada por dados experimentais. E a confirmação da teoria da unificação "eletrofraca" no início dos anos 80 certamente pôs lenha no fogo, alimentando as esperanças de que, de fato, o sonho de uma teoria final pudesse se tornar realidade.
Várias teorias foram propostas para unificar a interação forte com a interação eletrofraca em energias ainda mais altas. Aliás, a energia onde a unificação das três forças se manifesta é tão elevada que ela só existiu nos primeiros instantes após o Big Bang, evento que marcou a origem do Universo. Teorias incluindo a força gravitacional também foram propostas, completando assim a unificação das quatro forças da natureza.
Como se viu acima, essas teorias são fundamentadas no conceito de simetria. Segundo elas, por trás do véu que esconde a essência da natureza existem apenas simetria e leis que regem o comportamento da matéria e suas interações. Essa noção é uma herança da filosofia de Platão, onde a essência do mundo é composta por formas geométricas perfeitas que não podemos vislumbrar pelos sentidos, apenas por meio da razão.
Passados 20 anos desde a confirmação da teoria eletrofraca, ainda não há qualquer indicação concreta de que as quatro forças da natureza sejam de fato apenas uma. No entanto, centenas de físicos no mundo inteiro vêm se dedicando ao ideal da unificação final, alimentados por algumas pistas experimentais e uma inspiração platônica. Apenas o tempo dirá se, de fato, a natureza corresponderá às nossas expectativas, ou se teremos de adaptar os nossos sonhos a uma realidade que reside além deles, inelegante, mas nem por isso menos bela.
domingo, 4 de novembro de 2001
As cores do céu
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Nossa espécie, como todas as outras, evoluiu de modo a adaptar-se o melhor possível ao mundo. Porém, ao que sabemos, os humanos são os únicos que podem também apreciar a beleza desse mundo, consequência de um aprimorado senso estético que, sem dúvida, também exerce uma função evolutiva. É verdade que a plumagem e o canto dos pássaros machos funcionam como instrumentos de sedução de suas parceiras. Mas não imagino que um pássaro ou um cachorro ou uma formiga olhem para o céu e exclamem à sua maneira "Que lindo dia! Veja só como o céu está azul!"
Nossa visão é sensível a uma janela bastante limitada do espectro eletromagnético, que cobre todas as frequências da radiação produzida pelo movimento acelerado das cargas elétricas. O que chamamos de "luz visível" inclui frequências que variam aproximadamente entre 400 e 800 trilhões de Hertz, ou ciclos por segundo. Essa radiação eletromagnética se propaga pelo espaço vazio com a velocidade da luz, de 300 mil quilômetros por segundo, na forma de ondas.
Podemos caracterizá-las pelo seu comprimento de onda, a distância entre duas cristas sucessivas. (O leitor pode fabricar ondas de comprimento diferente do seguinte modo: encha uma banheira com água e toque a sua superfície regularmente. A cada "experimento", varie o intervalo de tempo entre os toques, ora aumentando-o, ora diminuindo-o. Os ciclos mais lentos, de menor frequência, geram ondas de comprimento maior.)
A luz do Sol que chega até nós é produzida em uma região chamada "fotosfera", cuja temperatura é de 5.800C. A essa temperatura, os átomos vibram tão rapidamente que geram radiação concentrada no visível, com um pouco de infravermelho (que, apesar de invisível, sentimos como calor) e ultravioleta (que também é invisível, mas causa o bronzeado na pele). Nossos olhos evoluíram para que pudéssemos ver o mundo através da radiação que vem do Sol.
Por que o céu é azul? A velocidade da luz diminui quando ela passa do espaço vazio para um meio material, como a atmosfera. Diferentes meios materiais causam variações na velocidade da luz. Para entendermos por que, devemos estudar a anatomia das ondas luminosas.
Vamos voltar ao experimento na banheira. Imagine que o seu dedo seja uma carga elétrica cuja vibração provoca a propagação de ondas. Essas ondas transmitem informação. No caso do dedo, elas transmitem a informação de que você está depositando regularmente energia na água. As ondas luminosas transmitem informação sobre como as cargas elétricas que a geraram estão se movendo. Quando essa onda encontra outras cargas, ela vai passar (ou tentar passar) essa informação para elas. Com isso, a passagem de uma onda luminosa pode, em certas circunstâncias, fazer outras cargas vibrarem.
O que determina essas circunstâncias é a compatibilidade entre o tamanho da onda luminosa, seu comprimento de onda, e o tamanho de seus alvos, a distribuição de cargas que ela encontra. Se as ondas forem muito maiores do que os seus alvos, nada acontecerá. Mas, quando os alvos tiverem dimensões comparáveis ao comprimento de onda da luz incidente, parte da energia da onda será absorvida, fazendo suas cargas vibrarem e reemitirem a radiação, efetivamente espalhando-a em todas as direções. Esse processo de absorção e reemissão de radiação "atrasa" a passagem da onda luminosa, diminuindo sua velocidade de propagação através do meio material.
A maior parte da luz solar atravessa a atmosfera e é vista por nós como o disco do Sol. Porém, a luz nos vários tons de azul tem os menores comprimentos de onda do espectro visível. Ela é a única que pode ser absorvida e reemitida pelas minúsculas partículas de ar na atmosfera, sendo assim espalhada em todas as direções. Daí o céu inteiro ser azul.
E o pôr-do-sol? Note que ele é mais avermelhado na vizinhança do Sol. Durante o pôr-do-sol, a luz solar deve atravessar a atmosfera por uma distância maior. Com isso, a luz azul é espalhada tão eficientemente que nem chegamos a vê-la, sobrando apenas as porções mais avermelhadas do espectro visível, as menos espalhadas. Aliás, quanto mais poluída a atmosfera, mais vermelho o crepúsculo, já que as partículas em suspensão espalham ainda mais eficientemente a luz azul. Basta comparar o pôr-do-sol na Grande São Paulo com um no campo.
Nossa espécie, como todas as outras, evoluiu de modo a adaptar-se o melhor possível ao mundo. Porém, ao que sabemos, os humanos são os únicos que podem também apreciar a beleza desse mundo, consequência de um aprimorado senso estético que, sem dúvida, também exerce uma função evolutiva. É verdade que a plumagem e o canto dos pássaros machos funcionam como instrumentos de sedução de suas parceiras. Mas não imagino que um pássaro ou um cachorro ou uma formiga olhem para o céu e exclamem à sua maneira "Que lindo dia! Veja só como o céu está azul!"
Nossa visão é sensível a uma janela bastante limitada do espectro eletromagnético, que cobre todas as frequências da radiação produzida pelo movimento acelerado das cargas elétricas. O que chamamos de "luz visível" inclui frequências que variam aproximadamente entre 400 e 800 trilhões de Hertz, ou ciclos por segundo. Essa radiação eletromagnética se propaga pelo espaço vazio com a velocidade da luz, de 300 mil quilômetros por segundo, na forma de ondas.
Podemos caracterizá-las pelo seu comprimento de onda, a distância entre duas cristas sucessivas. (O leitor pode fabricar ondas de comprimento diferente do seguinte modo: encha uma banheira com água e toque a sua superfície regularmente. A cada "experimento", varie o intervalo de tempo entre os toques, ora aumentando-o, ora diminuindo-o. Os ciclos mais lentos, de menor frequência, geram ondas de comprimento maior.)
A luz do Sol que chega até nós é produzida em uma região chamada "fotosfera", cuja temperatura é de 5.800C. A essa temperatura, os átomos vibram tão rapidamente que geram radiação concentrada no visível, com um pouco de infravermelho (que, apesar de invisível, sentimos como calor) e ultravioleta (que também é invisível, mas causa o bronzeado na pele). Nossos olhos evoluíram para que pudéssemos ver o mundo através da radiação que vem do Sol.
Por que o céu é azul? A velocidade da luz diminui quando ela passa do espaço vazio para um meio material, como a atmosfera. Diferentes meios materiais causam variações na velocidade da luz. Para entendermos por que, devemos estudar a anatomia das ondas luminosas.
Vamos voltar ao experimento na banheira. Imagine que o seu dedo seja uma carga elétrica cuja vibração provoca a propagação de ondas. Essas ondas transmitem informação. No caso do dedo, elas transmitem a informação de que você está depositando regularmente energia na água. As ondas luminosas transmitem informação sobre como as cargas elétricas que a geraram estão se movendo. Quando essa onda encontra outras cargas, ela vai passar (ou tentar passar) essa informação para elas. Com isso, a passagem de uma onda luminosa pode, em certas circunstâncias, fazer outras cargas vibrarem.
O que determina essas circunstâncias é a compatibilidade entre o tamanho da onda luminosa, seu comprimento de onda, e o tamanho de seus alvos, a distribuição de cargas que ela encontra. Se as ondas forem muito maiores do que os seus alvos, nada acontecerá. Mas, quando os alvos tiverem dimensões comparáveis ao comprimento de onda da luz incidente, parte da energia da onda será absorvida, fazendo suas cargas vibrarem e reemitirem a radiação, efetivamente espalhando-a em todas as direções. Esse processo de absorção e reemissão de radiação "atrasa" a passagem da onda luminosa, diminuindo sua velocidade de propagação através do meio material.
A maior parte da luz solar atravessa a atmosfera e é vista por nós como o disco do Sol. Porém, a luz nos vários tons de azul tem os menores comprimentos de onda do espectro visível. Ela é a única que pode ser absorvida e reemitida pelas minúsculas partículas de ar na atmosfera, sendo assim espalhada em todas as direções. Daí o céu inteiro ser azul.
E o pôr-do-sol? Note que ele é mais avermelhado na vizinhança do Sol. Durante o pôr-do-sol, a luz solar deve atravessar a atmosfera por uma distância maior. Com isso, a luz azul é espalhada tão eficientemente que nem chegamos a vê-la, sobrando apenas as porções mais avermelhadas do espectro visível, as menos espalhadas. Aliás, quanto mais poluída a atmosfera, mais vermelho o crepúsculo, já que as partículas em suspensão espalham ainda mais eficientemente a luz azul. Basta comparar o pôr-do-sol na Grande São Paulo com um no campo.
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