Quão rara é a Terra?

 A semelhança de tamanho com o nosso planeta é só um dos atributos que talvez sejam necessários à vida 

 Agora que temos a certeza de que existe um número enorme de planetas com características físicas semelhantes à Terra, vale perguntar se esses astros têm, de fato, a chance de abrigar formas de vida e, se tiverem, que vida seria essa.

 Antes, alguns números importantes. Os melhores dados com relação à existência de outros planetas vêm de um satélite da Nasa, o Kepler, que anda buscando planetas como a Terra ao fazer um mapeamento de 100 mil estrelas que estão na nossa região cósmica.

 Pelo projeto da missão, a identificação dos planetas usa um efeito chamado de trânsito: quando um planeta passa na frente de sua estrela (por exemplo, Vênus passando na frente do Sol), o brilho da estrela é ligeiramente diminuído. Marcando o tempo que demora para o planeta passar em frente à estrela, a diminuição do brilho e, se possível, o período da órbita (quando o planeta retorna ao seu ponto inicial), é possível determinar o tamanho e massa do planeta.

 Com isso, a missão estima que cerca de 5% dos planetas na nossa galáxia têm massas semelhantes à Terra e, possivelmente, estão na zona habitável, o que significa que a temperatura na sua superfície permite a existência de água líquida (se houver água neles).

 Como sabemos que o número de estrelas na nossa galáxia é em torno de 200 bilhões, a estimativa da missão Kepler implica que devem existir em torno de 10 bilhões de planetas com dimensões semelhantes às da Terra. Nada mal, se supormos que basta isso para que exista vida. Porém, a situação é bem mais complexa e depende em detalhe das propriedades da vida e, em particular, da história geológica do planeta.

 Aqui na Terra, a vida surgiu 3,5 bilhões de anos atrás. Porém, durante aproximadamente 3 bilhões de anos, a vida aqui era constituída essencialmente de seres unicelulares, pouco sofisticados. Digamos, um planeta de bactérias. Só bem depois que a atmosfera da Terra foi "oxigenada", e isso devido à descoberta da fotossíntese por certas bactérias (cianobactérias, na verdade), é que seres multicelulares, bem mais tarde, surgiram.

 A mudança gerou outra coisa importante: quando o oxigênio sofreu a ação da radiação solar, formou-se a camada de ozônio que acaba por proteger a superfície do planeta. Sem essa proteção, a vida complexa na superfície seria inviável.

 Fora isso, a Terra tem uma lua pesada, o que estabiliza o seu eixo de rotação -a Terra é como um pião que está por cair, rodopiando em torno de si mesma numa inclinação de 23,5 graus. Essa inclinação é a responsável pelas estações do ano e por manter o clima da Terra relativamente agradável.

 Sem nossa Lua, o eixo de rotação teria um movimento caótico e a temperatura variaria de forma aleatória. Juntemos a isso o campo magnético terrestre, que nos protege da radiação solar e de outras formas de radiação do espaço, e o movimento das placas tectônicas, que funciona como um termostato terrestre e regula a circulação de gás carbônico na atmosfera, e vemos que são muitas as propriedades que fazem o nosso planeta ser especial.

 Portanto, mesmo que existam outras "Terras" pela galáxia, defendo ainda a raridade do nosso planeta e da vida complexa que nele existe.

Controlando a fragilidade quântica

 O Nobel de Física deste ano ajuda a entender o mundo bizarro do muito pequeno e ainda tem um lado prático 

 O prêmio Nobel de Física de 2012, conferido nesta semana, foi para o francês Serge Haroche e o americano David Wineland. Ambos são pioneiros da manipulação de sistemas quânticos, o mundo dos átomos, elétrons e outras partículas.

 As descobertas têm importância tanto para compreensão dos efeitos bizarros que ocorrem no mundo do muito pequeno quanto para aplicações práticas, como relógios ultraprecisos e computadores quânticos.

 O mundo quântico é extremamente frágil. Um dos maiores problemas da física quântica é como medi-lo sem interferir nele. Na nossa realidade, isso é bem mais fácil: você vê uma mosca, sabe onde está e, em princípio, pode medir sua velocidade: basta dividir a distância que a mosca percorreu pelo tempo de voo.

 Mas, se essa mosca fosse um elétron, a coisa ficaria bem mais difícil. Quanto mais precisa for a medida da posição do elétron, mais vago o valor da sua velocidade. Isso porque o ato de medir interfere com o que está sendo medido: no caso, partículas de luz, os fótons, têm de ser refletidas no elétron e viajar até um detector.

 Para saber melhor onde está o elétron, o fóton precisa ter maior energia. Com isso, acaba "empurrando" o elétron, interferindo na sua posição. Com a mosca isso também ocorre, mas os fótons não têm energia suficiente para empurrá-la.

 Essa é a diferença entre o mundo clássico, o nosso mundo, e o mundo quântico. O desafio é como medir sem interferir, ou ao menos interferir preservando a natureza quântica dos fenômenos observados.

 Haroche conseguiu "prender" fótons entre dois espelhos, fazendo com que ricocheteassem inúmeras vezes, viajando um total de 40 mil quilômetros antes de serem perdidos. Isso acaba construindo uma onda estável entre os dois espelhos, uma superposição coerente dos fótons. Para tal, o experimento tem de ser extremamente preciso e estável: qualquer interferência externa destruiria a coerência dos fótons. Esses "espelhos" foram feitos de material supercondutor e mantidos a temperaturas baixíssimas.

 A informação sobre os fótons foi obtida emitindo átomos de rubídio um a um para não destruir a coerência dos fótons, um feito incrível. Haroche tentava reproduzir no laboratório um efeito conhecido como gato de Schrödinger, explorando a transição entre o mundo quântico e o mundo clássico.

 Schrödinger imaginou que, se um gato estivesse preso numa caixa com um gás venenoso cuja emissão é controlada por átomos radioativos, um observador externo não saberia se o gato está morto ou vivo: só abrindo a caixa, observando o gato, teria uma resposta.

 Ou seja, no mundo quântico, o estado do gato seria uma combinação dos dois, morto e vivo ao mesmo tempo -um estado de coerência quântica. Os fótons entre os espelhos fazem algo semelhante, uma superposição de dois estados que sobrevive por um tempo, até ser destruída após a passagem de vários átomos de rubídio.

 Com isso, Haroche pôde estudar a destruição gradativa de um estado quântico pela primeira vez. Isso poderá ajudar no desenho de novos computadores que exploram as propriedades do mundo quântico para fazer cálculos muito mais eficientemente do que os atuais.

Ciência e fé: realidades paralelas

O que irrita os cientistas, ao menos os que são ateus, é a insistência dos que têm fé em crer em algo inacessível

No perene debate entre a ciência e a religião, algo que costuma irritar os cientistas, ao menos aqueles que se consideram ateus, é a insistência dos que têm fé em acreditar numa realidade paralela, inacessível à razão. Vejamos isso num diálogo fictício entre um cientista ateu e uma pessoa de fé bem versada nos avanços da ciência.

Cientista: "Uma causa sobrenatural não faz sentido: se for sobrenatural, isto é, além dos limites do espaço e do tempo, das leis da natureza, do material, como podemos saber da sua existência?

Afinal, o que existe tem de ser detectado. Caso contrário, essa existência é uma fabricação, uma fantasia. Pior ainda, se essa causa se manifestar naturalmente, através de uma 'visão' ou de um fenômeno qualquer, vira uma causa natural, que pode ser estudada pelos métodos da ciência. Ou seja, se algum deus existe, é impossível saber da sua existência de forma concreta. E não existe outra forma de saber".

Pessoa de fé: "A coisa não é assim tão simples, preto ou branco, existe ou não existe.

Entendo que, dentro do método científico, algo precisa ser detectável para que se comprove que é real. Ninguém sabia da existência de Urano até sua detecção por William Herschel em 1781. Mas, antes da detecção, Urano existia ou não? Claro que sim, mesmo que não soubéssemos disso. A ciência não pode determinar com firmeza o que não existe, apenas o que existe".

Cientista: "Mas você não pode, não deveria, comparar Deus a um objeto celeste. Pelo que entendo, Sua existência não passa pelas leis da natureza. Se passasse, Deus seria um fenômeno natural e deixaria de ter essa transcendência de que vocês tanto gostam e que ajuda a crença. Se Deus se 'esconde' numa realidade paralela, jamais fará parte do cânone da ciência".

Pessoa de fé: "Sem dúvida, Deus jamais fará parte do cânone da ciência. Esse é o seu problema, tudo tem de ser parte desse cânone. E eu já não penso assim.

Existem coisas que estão além da ciência, coisas que a ciência não tem como e nem deveria tentar explicar. A ciência tem um método bastante claro de estudo, separando o objeto a ser estudado do todo. Esse método supõe que a separação pode ser feita. Isso funciona muito bem no laboratório, ou quando um astrônomo observa uma galáxia.

Mas como explicar, por exemplo, o Universo como um todo, a questão da origem de tudo? Como olhar para o Universo como um objeto de estudo, se não podemos sair dele?".

Cientista: "Esse é o problema mais complicado, que os filósofos gostam de chamar de Primeira Causa, e os físicos, de 'condições iniciais'. Verdade, temos sempre de supor um contexto para oferecer uma explicação. Não temos ainda uma lei que explique como selecionar uma condição inicial dentre as várias possíveis. Mas nem por isso devemos supor que a explicação é sobrenatural, obra de uma entidade que não podemos saber se existe. Que tipo de explicação é essa?".

Pessoa de fé: "Essa é a explicação pela fé, além da ciência".

Cientista: "Eu prefiro continuar tentando entender do meu jeito".

Pessoa de fé: "Boa sorte, que Deus te inspire".

Cientista: "Eu prefiro me inspirar sozinho mesmo".

A terceira Revolução Copernicana

 Revoluções como as de Copérnico tiraram a centralidade da Terra e da Via Láctea no Universo 

 QUANDO, EM 1917, Einstein propôs o primeiro modelo cosmológico da era moderna, não havia qualquer razão para supor que o Universo teria um começo. Tudo indicava que o Universo era estático e infinitamente velho, sem um início.

 Tudo indicava também que a Via Láctea era tudo o que existia. Outras "nebulosas", vistas com telescópios, eram supostamente parte dela. Para além da Via Láctea, o Cosmo se estendia pela escura vastidão infinita do espaço vazio.

 Em menos de uma década, porém, tudo iria mudar. Para o horror da maioria dos cientistas, o Cosmo ganhou uma história, que, ao menos qualitativamente, lembrava o "Faça-se a Luz!" bíblico.

 Numa sucessão de observações sensacionais, graças a um telescópio de cem polegadas e uma metodologia impecável, o astrônomo americano Edwin Hubble e seu assistente Milton Humason determinaram, em 1924, que a Via Láctea era apenas uma entre "centenas de milhares" de outras galáxias.

 Hoje, sabemos que existem centenas de bilhões de galáxias. Após Hubble, a imagem da distribuição da matéria pelo espaço mudou completamente: não havia mais um "centro", a Via Láctea, mas um enorme número de núcleos. De certa forma, a descoberta foi uma versão moderna da Revolução Copernicana, visto que foi nela que a Terra perdeu sua centralidade.

 Como se isso não bastasse, em 1929, Hubble e Humason demonstraram que as galáxias se afastavam umas das outras. A conclusão, ainda mais chocante, inclusive para Einstein, era a de que o Universo não era estático, mas estava em expansão. Com isso, o Cosmo ganhou uma história: voltando no tempo, haveria um momento no qual as galáxias estavam amontoadas, o momento da "criação".

 Se Hubble estivesse certo, a cosmologia se tornava mítica, colocando-a próxima das questões religiosas: se o Universo tem uma história, como ela começou? "Quem" a começou? Por que ela começou?

 A situação tornou-se ainda mais interessante quando, em 1927, o padre-cosmólogo belga Georges Lemaître propôs que o Universo surgiu da desintegração espontânea de um gigantesco átomo primordial.

 Lemaître inventou um modelo científico da "criação", mesmo se insistisse que não havia qualquer relação com a Bíblia. Mas a associação era inevitável. Ninguém prestou, ou quis prestar, atenção nas ideias de Lemaître até que Hubble descobriu a expansão.

 Desde então, a cosmologia vem se debatendo com a questão do "início" de tudo. Em 1948, três ingleses sugeriram uma alternativa, o "modelo do estado padrão", no qual o Cosmos não teria um começo: por toda a eternidade, a matéria era criada na mesma proporção em que se diluía devido à expansão.

 Porém, nos anos 1960, o modelo rival do Big Bang é que foi verificado por observações. Tudo indica que ao menos nossa etapa cósmica surgiu mesmo de um evento inicial.

 Mas e se nosso Universo não for único, mas parte de um multiverso, esse sim eterno? Modelos atuais pressupõem que seja esse o caso, que o multiverso existe eternamente e que o nosso existe entre incontáveis outros. Seria a terceira Revolução Copernicana, agora removendo a centralidade do Universo.

A possibilidade do multiverso

Será o nosso Universo só um entre uma multidão de outros, todos parte de um multiverso eterno?

É bom começar explicando esse título que, sem dúvida, deve parecer estranho aos não especialistas.
A ideia é que nosso Universo (com "U" maiúsculo) é só um entre uma multidão de outros universos, todos parte de um multiverso que pode ter existido por toda a eternidade.

Com isso, o que chamamos de Big Bang seria apenas o evento que marcou o início da nossa narrativa cósmica. Outros universos teriam os seus big bangs e as suas histórias.

Existem vários tipo de multiverso, mas todos têm essa característica em comum, de serem genitores de universos. Por exemplo, algumas teorias sugerem que as leis da natureza podem variar de região a região no multiverso. Nesse caso, diferentes universos poderiam ter diferentes leis da física. No momento, essas teorias são mais metafísicas do que físicas.

Em outras teorias, os diferentes universos têm as mesmas leis, mas as constantes da natureza (a massa e a carga do elétron, a massa do próton, a constante que determina a intensidade da força da gravidade etc.) é que variam.

Esta última hipótese vem da teoria de supercordas, a tentativa de construir uma teoria de todas as forças da natureza (são quatro ao todo), a chamada "Teoria de Tudo".

No momento, não temos qualquer indicação de que o multiverso possa existir. Ou, se existir, se poderemos determinar sua existência. É possível que exista apenas o nosso Universo e ponto final. Porém, se for este o caso, temos o problema de explicar por que esse Universo e não outro. Especialmente se levarmos as previsões da teoria de supercordas a sério e concluirmos que o multiverso é inevitável e que um número enorme de universos existe, cada qual com suas constantes físicas e, portanto, com uma física diferente.
Universos como o nosso são comuns entre eles ou raros? Como determinar isso?

Uma resposta óbvia é que, se nosso Universo não existisse, não estaríamos aqui nos perguntando sobre sua existência. Ele existe e pronto. Mas essa resposta não é muito satisfatória, pois estamos programados para buscar explicações finais, narrativas que justifiquem o começo, o meio e o fim de uma história.

É difícil imaginar algo que não tenha tido um início, como o temos nós e todas as formas de vida. Mais difícil ainda é imaginar que algo possa surgir sem uma causa inicial.

A existência ou não do multiverso, para que seja uma questão científica e não filosófica ou teológica, precisa ser determinada experimentalmente, por alguma observação.

No momento, existem tentativas de fazer isso, estudando o efeito sobre dois universos vizinhos que tivessem sofrido uma colisão no passado. Infelizmente, esses modelos ainda são bem simples, e está faltando muita coisa.

Um dos problemas que a ciência enfrenta com esse debate é a questão do infinito. Se teorias afirmam que o multiverso existiu e existirá para sempre, como comprovar isso? Mesmo com o nosso Universo e seu futuro: para determinar se ele existirá para sempre, precisaríamos de um experimento que durasse também para sempre.

A crise aqui vem da colisão entre conceitos como o infinito e as limitações concretas da passagem do tempo da qual a ciência, enquanto obra humana, prescinde.

O tempo, a Terra e a Lua

Um dia, a Lua ficará posicionada sobre o mesmo ponto do nosso planeta, como fazem certos satélites

 A Lua, segundo as teorias mais recentes, veio da Terra, arrancada por uma colisão cataclísmica com um planetoide do tamanho de Marte. Isso ocorreu na infância do Sistema Solar, uns 4,5 bilhões de anos atrás. Para quem aprecia referências bíblicas, a Lua é como Eva, nascida da costela de Adão, no caso, a Terra.
A matéria que foi assim arrancada acabou por se dispersar em torno da Terra e, aos poucos, foi se reaglutinando em um único corpo celeste, fadado a girar em torno de seu astro criador pela inexorável ação da gravidade.

 Com isso, Terra e Lua têm suas dinâmicas interligadas desde a sua origem. Como a Lua veio da Terra, sua distância até nós já foi bem menor. Se hoje a Lua ocupa não mais do que uma área equivalente a uma unha no céu (em torno de meio grau), ela já foi bem mais visível.

 Essa proximidade, devido ao fato de a força da gravidade cair com o quadrado da distância, significa que, no passado, a influência da Lua sobre a Terra, e a da Terra sobre a Lua, era muito maior.

Hoje, o efeito mais óbvio dessa atração são as marés, duas altas e duas baixas por dia. Fazendo as contas, a força das marés varia com o cubo da distância, sendo ainda mais sensível a ela do que a atração gravitacional. Portanto, no passado, as marés eram mais dramáticas do que são hoje.

A intensidade era tal que oceanos podiam se elevar por centenas de metros, e a própria crosta terrestre pulsava, variando em altitude por dezenas de metros, como se fosse feita de massa de modelar. Aos poucos, a Lua foi se afastando da Terra, como continua a fazê-lo, numa taxa de 4 cm ao ano. Isso significa que o efeito de maré diminui com o tempo. E os dias vão se tornando cada vez mais longos.

Muita gente me pergunta se o tempo anda passando mais rápido do que antigamente. A resposta é não; um minuto continua sendo um minuto, já que a definição de minuto não mudou. O que muda sempre é a duração do dia, mesmo que de modo imperceptível para nós. Estimativas atuais afirmam que a duração de um dia, uma revolução completa da Terra em torno de si mesma, aumenta 1,7 microssegundos por século. Com esse passo de tartaruga, meio bilhão de anos atrás o dia durava um pouco mais de 22 horas, e um ano tinha 397 dias.

Esse efeito vem, também, das marés. A Lua, que hoje nos mostra sempre a mesma face, já girou de maneira diferente. No futuro longínquo, com a desaceleração contínua da rotação da Terra, o dia durará 47 horas, e a distância até a Lua será 43% maior do que é hoje.

A essa altura, a Terra girará em torno de seu eixo com o mesmo período no qual a Lua girará em torno da Terra. A Lua estará sempre sobre o mesmo ponto do nosso planeta, como hoje o fazem os satélites geossíncronos. Será um futuro estranho, muito diferente de hoje, quando a Lua ainda é generosa com todos na Terra. Mas isso só ocorrerá dentro de bilhões de anos.

Pensando sobre esses efeitos, vemos como tanto em nossas vidas é produto de convenções que, mesmo se tomadas como permanentes, não o são. Tudo vem da nossa percepção da passagem do tempo, a qual, numa vida de apenas uma centena de anos, é cega aos percalços lentos da dança dos astros.

Sonhos de viagens à Lua

 A exploração do espaço é a área da ciência em que é mais clara a sua dívida em relação à ficção 

 A morte recente de Neil Armstrong, o intrépido astronauta americano cuja principal distinção foi ter sido o primeiro humano a pisar na Lua, inevitavelmente me levou ao dia 20 de julho de 1969, quando, com os olhos incrédulos grudados na TV, assisti com meus primos a um feito que mais parecia ficção do que realidade.

 O poder transformador da imagem de um ser humano saltitando pelo solo lunar foi tal que, mesmo para um menino carioca de 10 anos, a vida jamais seria a mesma. Explorar a Lua adquiriu um significado mítico: o primeiro passo para a conquista do espaço e a emancipação cósmica da humanidade.

 Sabendo das dificuldades de virar astronauta no Brasil, optei por aprender sobre a ciência do espaço, devidamente complementada por obras de ficção tratando da exploração imaginária do nosso satélite natural. Afinal, como disse o pioneiro da exploração espacial Robert H. Goddard, "é difícil dizer o que é impossível, pois o sonho de ontem é a esperança de hoje e a realidade de amanhã". A exploração do espaço é, sem dúvida, a área da ciência em que é mais clara a sua dívida em relação à ficção.

 Lendo alguns dos primeiros relatos imaginários de viagens à Lua, vemos quão alto a imaginação humana voa quando livre de dados, e quão difícil é transformar imaginação em realidade. Sonhar em ir à Lua e chegar lá são duas coisas muito diferentes, aspectos complementares da nossa humanidade, como sonhadores e inventores. Toda invenção começa com um sonho.

 A primeira narrativa conhecida de viagem à Lua foi escrita pelo satirista Luciano (125 d.C.). Em uma obra que inspirou muitos de seus sucessores ilustres, como Kepler, Cyrano de Bergerac, Jonathan Swift e Voltaire, Luciano conta como, na companhia de outros 50 exploradores, saiu pelos oceanos para ver onde terminavam. Um dia, "um vento violento soprou o navio pelos ares até grande altitudes, mantendo-nos suspensos por sete dias e noites, até que, no oitavo, demos numa terra, uma ilha redonda, brilhante e plena de luz".

 Uma vez na Lua, os exploradores enfrentam inúmeras confusões, incluindo uma guerra contra o reino do Sol e suas criaturas que, numa tradição que Luciano atribui a Homero em sua obra "Odisseia", eram extremamente bizarras. Ao que parece, a guerra é uma condição inescapável de criaturas semelhantes aos homens, espécie de enfermidade incurável. Como escreveu Luciano, "podemos bem dizer que a guerra é a geradora de todas as coisas".

 Pergunto-me o que o heroico Neil Armstrong, famosamente discreto e recluso, pensava de fantasias como a de Luciano. Embora se dissesse "um engenheiro nerd de meias brancas e cheio de canetas no bolso da camisa", ocasionalmente demonstrava grande inspiração: "Olhando para o passado, fomos mesmo muito privilegiados de ter vivido numa breve parcela da história em que mudamos como o homem olha a si mesmo, o que poderá vir a ser e os lugares aonde irá".

 Para este garoto já crescido, Armstrong continuará sendo um raio de luz num mundo que tanto necessita de heróis como ele. E, para mostrar como levo a complementaridade entre ciência e literatura a sério, um de meus filhos se chama Lucia