No coração de um buraco negro

O que acontece com quem cai num buraco negro? Imagino que muitos de vocês perderam muitas horas de sono com isso. Especialmente agora, quando sabemos que existe um buraco negro gigante no centro da maioria das galáxias, inclusive na nossa, um monstro de 4 milhões de massas solares. No dia 13 de Junho, a sonda espacial NuSTAR -equipada com um telescópio que detecta raios X- foi lançada para examinar em detalhe o que ocorre no nosso gigantesco ralo cósmico.

Segundo a teoria da relatividade geral de Einstein, a gravidade pode ser explicada como resultado da curvatura do espaço em torno de um objeto com massa: quando maior a massa do objeto, mais curvo o espaço à sua volta, e maior sua atração sobre corpos vizinhos. Quanto mais curvo o espaço, mais difícil é escapar da sua gravidade.

O buraco negro é o caso no qual o espaço é tão curvo que nada escapa de sua atração, nem mesmo a luz. Para "ver" um buraco negro é preciso olhar para o entorno dele.

Para Einstein e a maioria dos físicos, os buracos negros são um grande desafio. A maioria deles são restos de estrelas que, ao morrer, implodem como balões furados. O problema é que, durante a implosão, a gravidade vai ficando cada vez mais forte. E a implosão não para. No centro da estrela em colapso se forma uma "singularidade", um ponto onde a gravidade é infinitamente forte e as leis da física deixam de fazer sentido.

A singularidade é circundada pelo "horizonte", a esfera que separa a estranheza do buraco negro do mundo exterior. Se você ultrapassar o horizonte, nunca mais escapa: seu destino é continuar até a singularidade, onde será triturado por completo. Mas não há nada a temer, pois bem antes disso seu corpo será esticado feito espaguete e rasgado.

Einstein nunca gostou de teorias que deixam de fazer sentido. Em 1935, escreveu um artigo com Nathan Rosen no qual sugeriu que o centro de um buraco negro é uma ponte para outro local no Universo (ou mesmo para outro universo), e que do outro lado existe um "buraco branco", o oposto do buraco negro, um ponto de onde surge matéria, como uma cornucópia cósmica.

Esses "buracos de minhoca", como ficaram conhecidas as pontes de Einstein-Rosen, vêm inspirando incontáveis histórias e filmes de ficção científica, pois, em princípio, permitem viagens a velocidades maiores do que a da luz. Infelizmente, fora a total falta de evidência de buracos brancos, para manter as duas bocas do buraco de minhoca abertas é necessário um tipo de matéria que tem energia "negativa", até hoje nunca vista.

A coisa piora se a teoria de Stephen Hawking, que prevê que buracos negros evaporam lentamente, estiver correta. Afinal, se evaporarem, tudo o que resta é a singularidade nua, o ponto absurdo. Horrorizados, físicos propuseram que algo protege essa nudez, a Conjectura de Censura Cósmica.

Qualquer que seja o destino da singularidade, é incrível que buracos negros tenham sido inventados antes de ser descobertos, um casamento quase mágico da imaginação com o Cosmo. É como se a natureza nos dissesse: arrisquem mesmo, sonhem alto. E estejam sempre abertos para o inesperado, pois ele está sempre à espreita.

Breve meditação sobre o Nada

Na física moderna, o espaço vazio, o 'Nada', pode abrigar flutuações capazes de dar origem a todo um universo

Recentemente, envolvi-me num debate com o físico Lawrence Krauss, que publicou um livro no qual afirma que a física hoje explica como o Universo surgiu do nada. Ou seja, a velha questão da Criação sob roupagem científica, e mais um exemplo de arrogância intelectual.

É bom começar com Aristóteles, que decidiu que a "natureza detesta o vácuo", declarando que o "nada" não existe, ao menos como vazio absoluto. Para ele, o espaço era pleno de éter, a substância dos planetas e demais objetos celestes.

No século 17, Descartes também propôs que a natureza era plena. Os planetas eram carregados em torno do Sol por redemoinhos celestes, criados pela circulação duma substância que enchia o espaço.

Newton mostrou que Descartes estava errado, argumentando que a fricção causaria a queda da Lua sobre a Terra. Para ele, a gravidade podia ser explicada por uma força à distância, agindo no vazio.

Esse pingue-pongue continuou até o século 19, quando James Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética. Como toda onda, precisava dum meio para se propagar. Maxwell e outros sugeriram o éter, diferente do dos gregos, mas que preenchia o espaço sem provocar fricção nas órbitas celestes.

Em 1905, Einstein mostrou que o éter era desnecessário: as ondas de luz podem se propagar no espaço vazio. Mais uma vez, o éter some.

Em torno da mesma época veio a mecânica quântica, para explicar a física dos átomos. Foi então que tudo mudou: as regras no mundo dos átomos são diferentes das do nosso mundo. Mais precisamente, seus efeitos existem no nosso mundo, mas são imperceptíveis.

No mundo atômico, nada para. A matéria vibra incessantemente, feito gelatina sacudida. Se você tenta localizar um elétron num ponto do espaço, ele escapa feito uma gota de mercúrio. Esse é o princípio da incerteza de Heisenberg, que impõe um limite absoluto na informação que podemos obter do mundo.

Como movimento tem energia, o princípio também diz que a energia nunca é zero. Na física moderna, representamos uma partícula como excitação de um campo. O espaço é permeado por campos que, de vez em quando, criam partículas.

Os campos vibram incessantemente e, com isso, podem criar partículas com energias variadas: quanto maior a energia, menos tempo essas partículas duram, retornando ao "nada" de onde vieram, o campo vazio (ou vácuo). Se incluirmos a gravidade nesse esquema, e entendendo que é interpretada como a curvatura do espaço causada pela matéria, flutuações quânticas no campo gravitacional levam à flutuações na curvatura do espaço.

Temos, então, o espaço vazio, o "Nada", onde uma flutuação pode levar a uma bolha de espaço, um cosmoide que pode crescer e se transformar num universo inteiro.

É assim que a cosmologia descreve a criação do Universo a partir do nada. Esse tipo de explicação pressupõe toda uma estrutura conceitual, e não faz sentido sem ela. Já não basta celebrar a inventividade humana, capaz de criar teorias desse tipo, sem ter de elevá-la a um nível divino? Parece-me óbvio que a mente humana não pode criar num vácuo: o "nada" absoluto é importante como instrumento metafísico, mas sem importância no mundo real.

Será que devemos ir ao espaço?

Impedir a exploração humana do espaço é ir contra a história; somos exploradores por natureza

Já que na semana passada escrevi sobre como alienígenas ultra-avançados seriam indistinguíveis de deuses, hoje queria ir na direção oposta e explorar o nosso papel como exploradores cósmicos. O assunto foi inspirado pela missão sensacional do módulo Dragon, da empresa SpaceX, o grupo privado que na semana passada acoplou pela primeira vez uma cápsula à Estação Espacial Internacional, inaugurando uma nova era na corrida espacial.

Existem duas escolas de pensamento no que tange a nosso papel na exploração espacial. Membros da primeira argumentam que, do ponto de vista de custos e rapidez de resultados, missões robóticas são de longe melhores. Os sucessos até aqui são mesmo notáveis: por exemplo, a exploração dos planetas gigantes do Sistema Solar (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) pelas missões Voyager 1 e 2 e, mais recentemente, as missões Galileu e Cassini; os veículos de exploração de Marte, guiados por controle remoto daqui da Terra, e a nova missão que deve chegar lá no dia 6 de agosto, com um veículo de exploração bem maior do que seus antecessores. Exemplos não faltam, provando que podemos aprender enviando máquinas ao espaço. É bem mais barato do que enviar humanos e ninguém corre risco de morte.

A segunda escola defende que humanos precisam ir ao espaço. É nossa prerrogativa enquanto espécie inteligente, nosso mandato cósmico. As crianças adoram a ideia de explorar o espaço e muitos se interessam por ciência por causa disso.

Na prática, ter humanos in situ é muito eficiente, pois não só improvisamos como não somos bloqueados por pedras ou sofremos dano em painéis solares e antenas. (Se bem que nosso equipamento pode sofrer esses e outros danos.)

Existem muitas razões para enviar humanos ao espaço, algumas científicas e outras mais românticas. Devemos agora adicionar "dinheiro" entre elas, já que se pode ganhar muito com a exploração privada do espaço -mineração, pesquisa, projetos governamentais, turismo e outros. O grupo SpaceX, por exemplo, tem um contrato de US$ 1,6 bilhão com a Nasa para entregar equipamentos à Estação Espacial Internacional.

Idealmente, a resposta deveria combinar as duas posições: robôs são necessários, pois podem ir aonde não podemos, realizar tarefas para nós impossíveis e nos poupar de riscos desnecessários. Por outro lado, impedir a exploração humana do espaço é ir contra a história da nossa espécie. Somos exploradores por natureza, muitas vezes sem nos importar com os riscos.

Tenho certeza que, se um programa desenvolvesse uma viagem apenas de ida a Marte, não faltariam voluntários dispostos a chegar lá para serem imortalizados pela história da humanidade e para manter nosso expansionismo vivo.

Difícil imaginar que nosso futuro não será no espaço e que, dentro de alguns milhões de anos, não seremos nós os colonizadores de boa parte da galáxia. Pode até ser que encontremos "outros" pelo caminho -se bem que seu silêncio até aqui parece indicar sua raridade ou sua ausência (ou falta de interesse na nossa espécie). Já que, com tecnologias atuais, a viagem até a estrela mais próxima demora uns 100 mil anos, é bom começarmos logo.

MARCELO GLEISER é professor de física teórica no Dartmouth College, em Hanover (EUA), e autor de "Criação Imperfeita". Facebook: goo.gl/93dHI

ETs, o sobrenatural e o divino

Somos cegos em relação ao futuro, e é impossível prever as características de inteligências extraterrestres

SERÁ POSSÍVEL distinguir entre seres alienígenas ultra-avançados e deuses? Inúmeros clássicos da ficção científica, entre eles "2001: Uma Odisseia no Espaço", de Arthur Clar-ke, sugerem que civilizações extraterrestres ultra-avançadas seriam percebidas pela humanidade como divinas. Isso é menos bizarro do que parece, já que ocorreu aqui na Terra, na era das grandes explorações europeias.

Quando os europeus chegaram às Américas, vários nativos os tomaram por deuses. Tinham aparência diferente, usavam trajes estranhos, suas naves enormes podiam viajar por vastas distâncias, sua origem era incerta e podiam matar facilmente com armas de fogo.

No nosso caso, "eles" seriam capazes de feitos que hoje consideramos impossíveis, como se teletransportar, criar novas formas de vida em segundos ou ler nossas mentes. Mas esses impedimentos ocorrem com a tecnologia atual e, em ciência, os sonhos de hoje podem ser a realidade de amanhã.

"Nada é maravilhoso demais para ser verdade, contanto que seja consistente com as leis da natureza", disse o físico Michael Faraday, em meados do século 19.

Por outro lado, muitas descobertas científicas revelam novas leis ou vêm da quebra de leis vigentes. As metáforas e imagens que usamos para descrever o mundo mudam com o tempo, dependentes que são do conhecimento tecnológico e científico da época. Quem, cem anos atrás, compararia o Universo a um computador? E como podemos saber aonde nossa inventividade nos levará em dez ou 50 anos? Ninguém poderia ter previsto que a invenção dos computadores geraria as redes sociais Facebook e Twitter.

Somos parcialmente (se não totalmente) cegos em relação ao futuro não muito distante. Assim, é impossível prever as características de inteligências extraterrestres ultra-avançadas, se é que elas existem. Podemos especular, o que é sempre divertido. Mas os poderes que, para nós, são incríveis hoje, como teletransporte, são inspirados pela ciência atual. O que esses alienígenas são de fato capazes de fazer ou o que nós faremos no futuro é um grande ponto de interrogação.

Como em tantos filmes e livros, pode ser que "eles" estejam por aqui e não possamos vê-los. Pode ser que controlem, ou ao menos influenciem, nossas vidas, invisíveis mas ativos. Seguindo esse raciocínio, a fronteira entre o natural e o sobrenatural fica embaçada. Afinal, se não conhecemos todas as leis da natureza, é possível que o que chamamos de sobrenatural hoje possa, amanhã, ser perfeitamente natural.

Se seus olhos ainda não estão arregalados, pergunto: poderia haver uma conexão entre o sobrenatural e a existência de seres que são perfeitamente naturais mas que, por estarem tão além da nossa compreensão, são indistinguíveis de entidades sobrenaturais?

Não acredito que seja o caso. Apesar de nossa cegueira parcial, já aprendemos muito sobre o mundo natural. Embora limitados, buscamos, rebuscamos e não encontramos nada. "Eles" podem estar rindo às nossas custas (se é que riem). Talvez não existam ou não nos deem a menor importância. Qualquer que seja a resposta, é bom poder continuar a especular. Talvez a cegueira seja nossa maior bênção.

O que dinossauros nos ensinam

A história das colisões na Terra mostra que, se a história tivesse sido outra, não estaríamos aqui

Às vezes, a morte vem de lugares inesperados. Para um dinossauro que vivia há 65 milhões de anos, o maior perigo eram outros dinossauros, especialmente o "T. rex", que só temia outros como ele.

Porém, mesmo que algumas populações de dinossauros estivessem em declínio já antes da extinção, o que deu cabo deles foi a colisão cataclísmica de um asteroide de 10 km de diâmetro.

O impacto deixou uma cratera de 150 km na península de Yucatán, no México. É difícil imaginar que uma única colisão possa causar tamanho dano. Mas uma rocha que viaja a 30 km por segundo (150 vezes mais veloz do que um jato) deposita uma energia no seu impacto equivalente a 100 mil vezes a energia da detonação simultânea de todas as bombas termonucleares que existiam na Guerra Fria. O refluxo de matéria viajou até a metade da distância entre a Terra e a Lua.

Nuvens de poeira bloquearam o sol durante meses e a temperatura caiu vertiginosamente. Após a poeira se assentar, um efeito estufa acelerado fez com que a temperatura subisse rapidamente; mais de 50% das espécies desapareceram.

Esse não foi o único impacto na Terra ou o que mais destruiu a vida. Felizmente, esse tipo de colisão é raro, ocorrendo em média a cada 30 milhões de anos. Uma das mais recentes ocorreu em 1908 em Tunguska, na Sibéria, destruindo cerca de 30 km2 de floresta com a energia de 185 bombas de Hiroshima. Esse tipo de impacto, com frequência média de cem anos, pode causar sérios danos, mas não extinções globais. (No caso de Tunguska, o fragmento explodiu antes do impacto.)

Será que isso pode acontecer de novo? A Nasa tem um programa dedicado à caça de asteroides e cometas, com eficiência de cerca de 75%.

Asteroides ou cometas considerados ameaças globais podem ser detectados com dois anos de antecedência. Uma missão poderia ser enviada com o intuito de desviar a órbita do asteroide, evitando o impacto, como explico no livro "O Fim da Terra e do Céu".

A história das colisões que ocorreram na Terra nos ensina algo crucial sobre a vida: se a história tivesse sido outra, a vida aqui teria evoluído de forma diferente e não estaríamos aqui. Nossa existência é produto de eventos cósmicos de dimensão apocalíptica, acidentes que causaram mudanças drásticas nas condições terrestres, afetando as espécies e destruindo muitas delas.

Quando o balanço ecológico muda, mudam o equilíbrio dinâmico entre presa e predador e a distribuição de alimentos. A pressão ambiental leva a novas condições que vão beneficiar certas espécies em detrimento de outras.

Como cada planeta tem a sua história e nenhuma é idêntica, mesmo supondo que outras "quase-Terras" existam pela galáxia afora e que a vida exista nesses planetas, ela terá características diferentes. Consequentemente, humanos só existem aqui, resultado dos detalhes da história única de nosso planeta.

A história da vida num planeta reflete a história da vida do planeta. Como histórias planetárias não são duplicáveis num universo finito, somos únicos no Universo. Uma boa lição que os dinossauros nos ensinam, especialmente naqueles dias em que você não se sente lá muito importante.

Ciência cara = bom investimento

Um mundo sem ciência ambiciosa fica privado de conhecimento novo e das aplicações das descobertas

Fazer pesquisa é caro, mas vale a pena. Vamos pensar apenas na ciência de base, ou seja, a ciência que não tem o objetivo imediato de ser "útil" via aplicações tecnológicas ou gerando riqueza, cuja meta é investigar a natureza. Quanto um país deve investir nesse tipo de pesquisa?

Quando se discute como equilibrar o orçamento da União, é crucial questionar como os fundos vindos do contribuinte devem ser usados. Afinal, existem necessidades críticas em educação, infraestrutura de transporte, modernização de hospitais, atendimento médico para milhões de necessitados etc.

Num ensaio recente na "New York Review of Books", uma prestigiosa publicação americana, o prêmio Nobel Steven Weinberg afirma que a solução nunca deve ser tirar dinheiro de áreas necessitadas para financiar pesquisa de base (ou qualquer outra). Por outro lado, o investimento na pesquisa de base deveria ser uma opção óbvia para qualquer país que pretende ter uma posição de liderança internacional.

No início do século 20, físicos lidavam com um modo inteiramente novo de interpretar a natureza. Einstein forçou uma revisão dos conceitos de espaço, tempo e energia. Planck, Bohr, Schrödinger e Heisenberg nunca poderiam ter imaginado que suas ideias revolucionárias sobre a física do átomo efetivamente redefiniriam o mundo em que vivemos. Deles veio a revolução quântica, que gerou incontáveis aplicações tecnológicas, incluindo todos os equipamentos digitais, dos computadores aos raios laser, fibras ópticas e tecnologias nucleares.

Em seu ensaio, Weinberg mostra sua preocupação com o futuro da ciência de grande porte, projetos que alcançam bilhões de dólares. Recentemente, o sucessor do Telescópio Espacial Hubble, o Telescópio Espacial James Webb, teve seu orçamento cortado. Após muito drama, o financiamento foi restituído, mas ficou a insegurança. No mundo das partículas, a bola está com a Europa e seu mega-acelerador, o LHC. Cientistas americanos se juntaram ao projeto depois de perceberem a possibilidade de seu acelerador nacional desaparecer.

Na minha opinião, cortar o fomento à pesquisa de base, incluindo projetos bem definidos de alto custo, é inadmissível. Um mundo focado no imediato, no pragmático, pode ser eficiente, mas é extremamente monótono. Imagine um mundo sem as descobertas sensacionais que andam sendo feitas sobre o Cosmo e os mistérios da matéria; um sem estrelas explodindo, sem galáxias colidindo e buracos negros.

Pior, imagine um mundo sem o que ainda não conhecemos e que nunca poderemos descobrir sem nossos instrumentos de exploração. Ademais, perderíamos todas as possíveis aplicações das descobertas.

Uma possibilidade é a de incluir cada vez mais países com fortes economias emergentes, como a China, a Índia e o Brasil, no fomento aos grande projetos. Esse é um dos argumentos a favor da inclusão do Brasil como país-membro do ESO (Observatório Europeu do Sul), uma discussão que deixo para depois.

Quando vejo as enormes quantias sendo gastas na defesa nacional, eu me pergunto se nossas prioridades no lado criativo ou destrutivo. Quando deixamos de investir no novo, ficamos condenamos a só olhar para o velho.

Uma briga entre a física e a filosofia

A questão sobre a origem das coisas faz parte de todas as culturas. Será que a ciência pode resolvê-la?

Uma controvérsia vem se espalhando pela mídia americana. Qual a relação entre a ciência (mais propriamente a física) e a filosofia (mais propriamente da ciência)? Parece coisa meio arcana, mas não é.

Essa é uma briga antiga, reacendida quando o físico Lawrence Krauss publicou "O Universo do Nada: por que existe algo em vez de nada". Nele, Krauss explica como a física tem se aproximado de uma explicação para a pergunta sobre a origem de todas as coisas.

Sabemos que essa é uma questão antiga, parte de todas as culturas. Mas Krauss não dá bola para a antropologia cultural ou para a teologia e a filosofia. Para ele, exemplar típico da posição do "cientismo", só a ciência pode chegar a respostas úteis sobre esse tipo de questão.

O livro de Krauss foi demolido no "New York Times" pelo filósofo e físico David Albert, que questionou se Krauss entende o que significa o "nada". Resumindo, Albert argumenta que a física pressupõe a existência de campos fundamentais para definir sua versão do "nada". Portanto, esse não é o nada absoluto, mas é algo. A ciência só faz sentido quando definida sobre uma estrutura conceitual, começando pelas noções de espaço, tempo e energia.

Krauss respondeu em uma entrevista para o blog da revista "The Atlantic", chamando filósofos de idiotas. Arrependido, se desculpou na "Scientific American", algo extremamente embaraçoso.

Como descrevo no livro "A Dança do Universo", há apenas duas soluções para a questão da origem do Cosmo: ou ele surgiu em um momento do passado ou é eterno. Não é uma coincidência que universos eternos ou oscilantes ou com um começo apareçam tanto em mitos de criação quanto em modelos matemáticos do Cosmo. A diferença crucial é que, em ciência, podemos usar dados para diferenciar os modelos e decidir quais podem ser úteis.

O problema da origem de tudo nos remete à questão da Primeira Causa. Se descrevemos a realidade como uma sequência de eventos, ao irmos ao passado chegamos ao primeiro evento, o que por definição não tem uma causa.

Mitos de criação pressupõem entidades transcendentes, deuses além do espaço, do tempo e das leis da natureza. Se você se satisfizer com uma explicação sobrenatural do mundo, o problema acaba.

A ciência se opõe ao sobrenatural. Seu dogma central é que a natureza é inteligível: com a aplicação da razão, podemos construir explicações que podem ser testadas.

Será que a ciência pode então resolver a questão da origem de tudo? Os modelos que tentam fazê-lo usam conceitos da física quântica, onde o nada absoluto não existe.

Existe, sim, uma energia residual, que chamamos de energia de ponto zero. O vácuo é permeado por essa energia. O problema é que não sabemos como tratar dela. Quando aplicamos a física quântica ao Universo, a energia de ponto zero causa a implosão cósmica. Se isso fosse correto, não estaríamos aqui. Temos ainda muito o que aprender.

Ao mostrar a ciência de forma triunfal, Krauss confunde mais do que esclarece. Mesmo que tenha dito que questões continuam em aberto, o título do livro indica algo falso. Apesar dos avanços da ciência, modelos sobre a criação do Cosmo permanecem especulativos.