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Hoje, gostaria de falar não daquilo que sabemos, daquilo que podemos nos orgulhar de ter descoberto sobre o mundo, das conquistas da ciência, passadas e presentes. Mudando de direção, falarei do que não sabemos, ao menos de algumas das perguntas científicas que continuam sem resposta.
Antes de começar, é importante salientar por que essa ênfase no que não sabemos. Sem dúvidas, o conhecimento não avança. Perguntar é mais fundamental do que responder. (Mas responder é importante também.) Não me refiro a qualquer pergunta, mas àquela que tem a capacidade de abrir novos caminhos, de expandir as fronteiras do conhecimento. Falo das perguntas revolucionárias, que criam a necessidade de novas formas de pensar sobre o mundo.
Essas perguntas podem ter repercussões ligadas a avanços tecnológicos ou teóricos. (A distinção nem sempre é muito clara.) Um exemplo tecnológico é o dos transistores. Hoje, processadores de computador têm bilhões deles, encolhidos em chips menores do que uma moeda de 10 centavos. Essa miniaturização está por trás do incrível aumento na velocidade de processamento dos computadores, de telefones celulares com telas coloridas e por aí afora. Mas essa crescente miniaturização dos transistores tem um fim certo. Eles chegarão às dimensões atômicas (em uma década, possivelmente) e dali não passarão. Isso por que a física do átomo é muito diversa da que descreve esses aglomerados de transistores. A questão, então, é: como será o computador do futuro? Sem dúvida, ele terá de utilizar aspectos da física atômica, e muitos pesquisadores se ocupam hoje dos "computadores quânticos", que, por enquanto, existem só em teoria. Algo de novo será necessário, algo que revolucionará a tecnologia do século 21, do mesmo modo que o transistor revolucionou a do século 20. Fala-se até em computadores cujos chips são feitos de moléculas orgânicas, isto é, contendo átomos de carbono, como em seres vivos.
Outro exemplo é a questão da inteligência artificial. Será possível construirmos computadores inteligentes, tão ou mais do que nós? Computadores atuais que parecem ser inteligentes, como o Deep Blue que derrotou Kasparov, o mestre de xadrez, não são. Eles são apenas rápidos, tão rápidos que podem testar metodicamente bilhões de jogadas por segundo e avaliar as suas repercussões. A questão da inteligência artificial permanece em aberto. Imagine uma máquina capaz de criar obras de arte inovadoras, de fazer perguntas jamais feitas, de se apaixonar e sofrer como humanos.
Uma vez, assistindo a uma palestra de Marvin Minsky, um dos pioneiros da inteligência artificial, professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), perguntei se, no caso dessas máquinas serem construídas no futuro, elas desenvolveriam também patologias mentais, como depressão ou psicose. Minsky respondeu que "sem dúvida, precisaremos de toda uma nova psicologia para lidar com esses problemas". Essa questão dá origem a outra: se, de fato, essas máquinas vierem a existir, elas poderão ser mais inteligentes do que nós. Nesse caso, nos tornaríamos obsoletos, ultrapassados evolutivamente. Estaríamos, ao criar essas máquinas, decretando a nossa extinção? Quem sabe?
O que me leva à questão da origem da mente. De onde vem o que chamamos de consciência? Os antigos chamavam de alma essa misteriosa chama interna que parece iluminar a nossa existência. O mundo que chamamos de externo é criado por um constante influxo de informação sensorial, integrada em nossos cérebros. A realidade é apenas isso, resultado dessa integração. Se falha algum elemento na integração, a realidade fica distorcida, às vezes a ponto de se tornar irreconhecível, como no caso de alucinações. Muito possivelmente, só seremos capazes de criar máquinas inteligentes quando respondermos à questão da origem da mente. Como recriar aquilo que não entendemos? Meu espaço acabou e nem comecei a falar sobre duas outras questões, a origem da vida e do Universo, ambas foco de muita pesquisa. Quem sabe?
domingo, 26 de janeiro de 2003
domingo, 19 de janeiro de 2003
As inconstantes constantes da natureza
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A descrição dos fenômenos naturais, ao menos daqueles que fazem parte da física, depende de um punhado de números, chamados constantes fundamentais da natureza. Por exemplo, a força gravitacional, que descreve a atração entre corpos maciços como o Sol e a Terra ou o leitor e a Terra, depende da constante de Newton, cujo valor determina o teor (bastante fraco) da força gravitacional. Já a atração entre um elétron e um próton no núcleo atômico depende de uma outra constante, a carga elétrica do elétron. Cada uma das quatro forças fundamentais da natureza -gravitacional, eletromagnética, e as forças nucleares forte e fraca- tem a sua constante.
Essas constantes, e outras extremamente importantes, como a velocidade da luz no vácuo ou a constante de Planck -que determina as trocas de energia em processos atômicos-, são, como já diz o nome, supostamente constantes: seus valores independem do tempo e do espaço, sendo os mesmos em qualquer lugar do Universo ou em qualquer momento.
Ao menos esse é o arcabouço tradicional da física. Na verdade, a situação é um pouco mais sutil. As constantes que mencionei acima têm unidades físicas, que, em geral, dependem de medidas de distância, tempo e massa. (Para quem lembra, temos sempre de especificar se trabalhamos, por exemplo, no sistema MKS -metro, quilograma, segundo; ou CGS- centímetro, grama, segundo.)
Sem querer complicar muito as coisas (mas complicando um pouco), existem dois tipos de constantes fundamentais: as discutidas acima, que têm unidades físicas (como a velocidade da luz, de aproximadamente 300 mil km/ s), e as constantes construídas de modo a não ter unidades físicas, obtidas dividindo e multiplicando constantes com unidades. A mais famosa dessas constantes é a "constante de estrutura fina", obtida a partir de uma combinação da carga do elétron, da velocidade da luz, e da constante de Planck. O valor é, hoje, 1/137.
Existem duas grandes questões sobre essas constantes da natureza. A primeira, claro, é se é possível entendermos a origem de seus valores. Ou seja, por que a velocidade da luz ou a carga do elétron têm o valor que têm? Em princípio, gostaríamos de poder calcular esses valores a partir de uma teoria mais fundamental, em vez de simplesmente usarmos os valores medidos no laboratório. Caso isso venha a ser possível, estaremos obtendo uma visão muito mais profunda da natureza, o sonho de qualquer cientista.
A outra grande questão concerne à constância dessas constantes. Será que elas são mesmo constantes no espaço e no tempo? Por exemplo, será que a carga do elétron ou a velocidade da luz podem ser diferentes em outras partes ou épocas do Universo? Afinal, só sabemos aquilo que medimos, e o que pode parecer constante aqui e agora pode não ser em outros lugares ou eras. Essa possibilidade é bem interessante para os físicos teóricos. Isso porque uma variação temporal em algumas das constantes representa uma janela para uma nova física, muito possivelmente ligada com a resposta à primeira grande questão, a origem dos valores dessas constantes. E física, como qualquer outra ciência, é essencialmente sobre abrir novas janelas para o mundo.
Existem inúmeras teorias que prevêem variações temporais das constantes fundamentais (variações espaciais são, em geral, vetadas). Entre elas, existem teorias de unificação das forças, que visam descrever as quatro forças da natureza mencionadas acima como oriundas de uma força só. As mais promissoras são teorias que supõem que o espaço tem mais de três dimensões (altura, largura, profundidade). Recentemente, astrônomos mediram uma pequena variação temporal na velocidade da luz: o comportamento de átomos durante a infância do Universo, há aproximadamente 10 bilhões de anos, parece indicar que era menor no passado. Caso essa observação seja confirmada, o que deve ser feito com muito cuidado, abre-se uma janela para uma nova física. Talvez apontando para um cosmo com mais de três dimensões, talvez não. O novo nem sempre é previsível. Mas é sempre fascinante.
A descrição dos fenômenos naturais, ao menos daqueles que fazem parte da física, depende de um punhado de números, chamados constantes fundamentais da natureza. Por exemplo, a força gravitacional, que descreve a atração entre corpos maciços como o Sol e a Terra ou o leitor e a Terra, depende da constante de Newton, cujo valor determina o teor (bastante fraco) da força gravitacional. Já a atração entre um elétron e um próton no núcleo atômico depende de uma outra constante, a carga elétrica do elétron. Cada uma das quatro forças fundamentais da natureza -gravitacional, eletromagnética, e as forças nucleares forte e fraca- tem a sua constante.
Essas constantes, e outras extremamente importantes, como a velocidade da luz no vácuo ou a constante de Planck -que determina as trocas de energia em processos atômicos-, são, como já diz o nome, supostamente constantes: seus valores independem do tempo e do espaço, sendo os mesmos em qualquer lugar do Universo ou em qualquer momento.
Ao menos esse é o arcabouço tradicional da física. Na verdade, a situação é um pouco mais sutil. As constantes que mencionei acima têm unidades físicas, que, em geral, dependem de medidas de distância, tempo e massa. (Para quem lembra, temos sempre de especificar se trabalhamos, por exemplo, no sistema MKS -metro, quilograma, segundo; ou CGS- centímetro, grama, segundo.)
Sem querer complicar muito as coisas (mas complicando um pouco), existem dois tipos de constantes fundamentais: as discutidas acima, que têm unidades físicas (como a velocidade da luz, de aproximadamente 300 mil km/ s), e as constantes construídas de modo a não ter unidades físicas, obtidas dividindo e multiplicando constantes com unidades. A mais famosa dessas constantes é a "constante de estrutura fina", obtida a partir de uma combinação da carga do elétron, da velocidade da luz, e da constante de Planck. O valor é, hoje, 1/137.
Existem duas grandes questões sobre essas constantes da natureza. A primeira, claro, é se é possível entendermos a origem de seus valores. Ou seja, por que a velocidade da luz ou a carga do elétron têm o valor que têm? Em princípio, gostaríamos de poder calcular esses valores a partir de uma teoria mais fundamental, em vez de simplesmente usarmos os valores medidos no laboratório. Caso isso venha a ser possível, estaremos obtendo uma visão muito mais profunda da natureza, o sonho de qualquer cientista.
A outra grande questão concerne à constância dessas constantes. Será que elas são mesmo constantes no espaço e no tempo? Por exemplo, será que a carga do elétron ou a velocidade da luz podem ser diferentes em outras partes ou épocas do Universo? Afinal, só sabemos aquilo que medimos, e o que pode parecer constante aqui e agora pode não ser em outros lugares ou eras. Essa possibilidade é bem interessante para os físicos teóricos. Isso porque uma variação temporal em algumas das constantes representa uma janela para uma nova física, muito possivelmente ligada com a resposta à primeira grande questão, a origem dos valores dessas constantes. E física, como qualquer outra ciência, é essencialmente sobre abrir novas janelas para o mundo.
Existem inúmeras teorias que prevêem variações temporais das constantes fundamentais (variações espaciais são, em geral, vetadas). Entre elas, existem teorias de unificação das forças, que visam descrever as quatro forças da natureza mencionadas acima como oriundas de uma força só. As mais promissoras são teorias que supõem que o espaço tem mais de três dimensões (altura, largura, profundidade). Recentemente, astrônomos mediram uma pequena variação temporal na velocidade da luz: o comportamento de átomos durante a infância do Universo, há aproximadamente 10 bilhões de anos, parece indicar que era menor no passado. Caso essa observação seja confirmada, o que deve ser feito com muito cuidado, abre-se uma janela para uma nova física. Talvez apontando para um cosmo com mais de três dimensões, talvez não. O novo nem sempre é previsível. Mas é sempre fascinante.
domingo, 12 de janeiro de 2003
Pragmatismo e sonho
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Qual é a origem da criatividade científica? Essa pergunta, como tantas outras, tem muitas respostas. O que, na opinião de alguns, significa que nenhuma delas é muito satisfatória. Eu discordo. A pergunta é que está mal formulada.
Discutir criatividade em ciência não faz sentido. O que faz sentido é discutir a criatividade dos cientistas. Existem os mais pragmáticos, que equacionam fazer ciência com a aquisição e organização de dados obtidos no laboratório ou por meio de observações de fontes longínquas, como em astronomia. Para esses, o progresso em ciência depende da precisão dessas medidas, o que implica uma íntima relação entre o progresso tecnológico e o científico. Sem novas máquinas e aparelhos de medição, a ciência não avança.
Existem também os sonhadores, aqueles cuja criatividade brota de uma pré-concepção de como o mundo deve ser organizado, em geral inspirada por conceitos estéticos, como simetria e beleza. "Sonhadores" talvez seja uma caracterização exagerada. Mas o ponto é que, sem a impetuosidade, às vezes quase que irracional, que vem da inspiração, fica difícil desvendar os mistérios mais profundos da natureza. Ou seja, para os sonhadores, acreditar na verdade de suas idéias é fundamental, mesmo que elas sejam inicialmente ridicularizadas por outros sonhadores ou por pragmáticos.
Claro, o adjetivo "sonhador", aqui, deve ser interpretado dentro de parâmetros científicos. Sonho não significa a atividade onírica comum a todos, mas a inspiração que leva à construção de teorias cujas previsões devem ser testadas cuidadosamente. Afinal, está se falando de criatividade em ciência e não se deve perder de vista que sua missão é explicar o funcionamento do mundo à nossa volta (e o que existe dentro de nós).
Existem inúmeros exemplos na história da ciência de pragmáticos e sonhadores. Mas poucos ilustram tão bem a diferença entre os dois processos criativos quanto as histórias do dinamarquês Thycho Brahe (1546-1601) e do alemão Johannes Kepler (1571-1630).
Brahe transformou a astronomia com a introdução de instrumentos de altíssima precisão, no final do século 16. Ele morreu oito anos antes da introdução do telescópio como instrumento astronômico. Portanto, todas as suas medidas das posições dos astros celestes, de planetas e cometas a estrelas e "estrelas novas" (hoje chamadas supernovas), foram realizadas a olho nu.
Na época, o modelo introduzido por Copérnico em 1543, que tinha o Sol e não a Terra no centro do cosmo, ainda não era universalmente aceito. Brahe, armado de seus instrumentos, entendeu que a questão só seria resolvida definitivamente a partir de dados extremamente precisos.
Como tinha dinheiro, pôde financiar a construção de instrumentos que foram então usados na coleta de dados. Mas a Brahe, brilhante observador, faltava o talento que poria então esses dados em ordem, montando o arcabouço teórico que explicaria a estrutura do cosmo. Aqui entra Kepler, o sonhador.
Kepler foi convidado por Brahe para ser seu assistente no início de 1600. Mesmo sem dados precisos, ele já havia "adivinhado" a estrutura do cosmos. Para ele, apenas a geometria poderia fornecer uma resposta precisa. Isso porque Kepler era herdeiro das idéias dos pitagóricos, que viam a organização cósmica como sendo dependente dos arranjos dos números e das formas geométricas. Para Kepler, Deus era um geômetra, que certamente usou essas proporções estéticas no desenho do cosmo. A questão era encontrar o arranjo preciso. E, para isso, Kepler precisava de dados.
O encontro entre os dois, apesar de muito tempestuoso, mudou a história da astronomia. Com os dados de Brahe, Kepler obteve as três leis que regem o movimento dos planetas em torno do Sol, confirmando definitivamente o sistema copernicano e fornecendo os elementos matemáticos que Newton mais tarde usou em sua Teoria da Gravitação Universal. A moral da história? Sem dados não há ciência; sem sonhos ela pode dar passos, mas não grande saltos.
Qual é a origem da criatividade científica? Essa pergunta, como tantas outras, tem muitas respostas. O que, na opinião de alguns, significa que nenhuma delas é muito satisfatória. Eu discordo. A pergunta é que está mal formulada.
Discutir criatividade em ciência não faz sentido. O que faz sentido é discutir a criatividade dos cientistas. Existem os mais pragmáticos, que equacionam fazer ciência com a aquisição e organização de dados obtidos no laboratório ou por meio de observações de fontes longínquas, como em astronomia. Para esses, o progresso em ciência depende da precisão dessas medidas, o que implica uma íntima relação entre o progresso tecnológico e o científico. Sem novas máquinas e aparelhos de medição, a ciência não avança.
Existem também os sonhadores, aqueles cuja criatividade brota de uma pré-concepção de como o mundo deve ser organizado, em geral inspirada por conceitos estéticos, como simetria e beleza. "Sonhadores" talvez seja uma caracterização exagerada. Mas o ponto é que, sem a impetuosidade, às vezes quase que irracional, que vem da inspiração, fica difícil desvendar os mistérios mais profundos da natureza. Ou seja, para os sonhadores, acreditar na verdade de suas idéias é fundamental, mesmo que elas sejam inicialmente ridicularizadas por outros sonhadores ou por pragmáticos.
Claro, o adjetivo "sonhador", aqui, deve ser interpretado dentro de parâmetros científicos. Sonho não significa a atividade onírica comum a todos, mas a inspiração que leva à construção de teorias cujas previsões devem ser testadas cuidadosamente. Afinal, está se falando de criatividade em ciência e não se deve perder de vista que sua missão é explicar o funcionamento do mundo à nossa volta (e o que existe dentro de nós).
Existem inúmeros exemplos na história da ciência de pragmáticos e sonhadores. Mas poucos ilustram tão bem a diferença entre os dois processos criativos quanto as histórias do dinamarquês Thycho Brahe (1546-1601) e do alemão Johannes Kepler (1571-1630).
Brahe transformou a astronomia com a introdução de instrumentos de altíssima precisão, no final do século 16. Ele morreu oito anos antes da introdução do telescópio como instrumento astronômico. Portanto, todas as suas medidas das posições dos astros celestes, de planetas e cometas a estrelas e "estrelas novas" (hoje chamadas supernovas), foram realizadas a olho nu.
Na época, o modelo introduzido por Copérnico em 1543, que tinha o Sol e não a Terra no centro do cosmo, ainda não era universalmente aceito. Brahe, armado de seus instrumentos, entendeu que a questão só seria resolvida definitivamente a partir de dados extremamente precisos.
Como tinha dinheiro, pôde financiar a construção de instrumentos que foram então usados na coleta de dados. Mas a Brahe, brilhante observador, faltava o talento que poria então esses dados em ordem, montando o arcabouço teórico que explicaria a estrutura do cosmo. Aqui entra Kepler, o sonhador.
Kepler foi convidado por Brahe para ser seu assistente no início de 1600. Mesmo sem dados precisos, ele já havia "adivinhado" a estrutura do cosmos. Para ele, apenas a geometria poderia fornecer uma resposta precisa. Isso porque Kepler era herdeiro das idéias dos pitagóricos, que viam a organização cósmica como sendo dependente dos arranjos dos números e das formas geométricas. Para Kepler, Deus era um geômetra, que certamente usou essas proporções estéticas no desenho do cosmo. A questão era encontrar o arranjo preciso. E, para isso, Kepler precisava de dados.
O encontro entre os dois, apesar de muito tempestuoso, mudou a história da astronomia. Com os dados de Brahe, Kepler obteve as três leis que regem o movimento dos planetas em torno do Sol, confirmando definitivamente o sistema copernicano e fornecendo os elementos matemáticos que Newton mais tarde usou em sua Teoria da Gravitação Universal. A moral da história? Sem dados não há ciência; sem sonhos ela pode dar passos, mas não grande saltos.
domingo, 5 de janeiro de 2003
A realidade e o quantum
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Segundo o dicionário, realismo é a doutrina filosófica de acordo com a qual objetos materiais existem por si mesmos, independentemente da mente ter consciência deles. Já o oposto, o idealismo, supõe que as coisas existem apenas como idéias na mente.
Eis um exemplo bastante conhecido, que ilustra bem os dois pontos de vista. Imagine que atrás da sua casa exista um bosque, cheio de árvores. Você sabe que o bosque existe porque você passeia frequentemente por lá. Segundo a posição realista, esse bosque existe mesmo se você ou outra pessoa nunca o tenha visto.
Ele é tão real para os mosquitos e as borboletas voando lá quanto para você. Já o idealismo diria que o bosque só existe na sua cabeça, pois a mente fabrica a nossa percepção do real através de sinais sensoriais processados no cérebro.
Se um belo dia uma das árvores do bosque cair, os realistas diriam que ela caiu, mesmo se ninguém a visse caída, enquanto os idealistas só admitiriam que ela caiu caso eles a tenham visto no chão, ou a ouvido caindo. Os idealistas mais radicais diriam ainda que a árvore só caiu dentro da sua cabeça, pois foi a sua mente que construiu o evento.
Essas duas correntes filosóficas estão muito ligadas com a interpretação do mundo segundo a física. A física clássica, que descreve a realidade em que vivemos o dia-a-dia, toma uma posição realista; o mundo esteve aqui bem antes de existirem pessoas com consciência disso.
Afinal, se o Universo existe há 14 bilhões de anos, a Terra há 4,6 bilhões e o Homo sapiens há menos de 200 mil, claramente a realidade é mais velha do que nós. Em outras palavras, a realidade existe independentemente da presença de um observador consciente para medi-la.
O mundo está aí, pronto para ser medido e observado por nós, ou por qualquer outra inteligência interessada em uma descrição quantitativa da natureza. No entanto, a confirmação final do que existe depende da observação; só sabemos o que existe no mundo se observarmos o mundo. Segundo a física clássica, o ato de observação não interfere com o observado; existe uma separação explícita entre observador e observado.
Duas pessoas, observando o mesmo fenômeno, com os mesmos instrumentos, obterão resultados idênticos. Aliás, é justamente isso o que garante a relatividade de Einstein: que dois observadores em movimento com velocidades (e acelerações) diferentes poderão comparar sem problemas as suas medidas.
Essa posição realista foi profundamente revisada com o advento da mecânica quântica durante as três primeiras décadas do século 20. No mundo do quantum, o mundo dos átomos e das partículas subatômicas, o que é ou não real deixa de ser tão óbvio. De fato, os próprios pioneiros da mecânica quântica, de Planck e Einstein à Bohr, Schrödinger e Heisenberg, debateram as implicações da nova teoria para a nossa compreensão do real sem chegarem a um consenso.
A teoria quântica abandona certas premissas básicas da física clássica como, por exemplo, o conceito de trajetória; um elétron viajando pelo espaço não percorre mais um caminho bem definido entre o seu ponto de partida e o de chegada; podemos apenas dizer qual a probabilidade dele tomar um dado caminho. No mundo quântico, a noção de caminho torna-se difusa, junto com a própria existência: afinal, se não podemos dizer por onde o elétron passou para ir de um ponto a outro, como garantir que ele existe entre esses dois pontos?
A salvação do caos completo vem com a idéia de medida. Para sabermos onde está o elétron, temos de interagir com ele. No processo de medida, fixamos a sua posição e, portanto, a sua existência. Ou seja, a realidade, no mundo quântico, depende do ato de observação: as coisas só são reais quando observadas.
Mais ainda, o resultado da observação depende do observador: duas medidas idênticas não darão necessariamente o mesmo resultado. No mundo quântico, vence o idealismo: as coisas existem ao serem medidas, o que, em última instância, depende do observador, seja ele inteligente ou uma máquina.
Segundo o dicionário, realismo é a doutrina filosófica de acordo com a qual objetos materiais existem por si mesmos, independentemente da mente ter consciência deles. Já o oposto, o idealismo, supõe que as coisas existem apenas como idéias na mente.
Eis um exemplo bastante conhecido, que ilustra bem os dois pontos de vista. Imagine que atrás da sua casa exista um bosque, cheio de árvores. Você sabe que o bosque existe porque você passeia frequentemente por lá. Segundo a posição realista, esse bosque existe mesmo se você ou outra pessoa nunca o tenha visto.
Ele é tão real para os mosquitos e as borboletas voando lá quanto para você. Já o idealismo diria que o bosque só existe na sua cabeça, pois a mente fabrica a nossa percepção do real através de sinais sensoriais processados no cérebro.
Se um belo dia uma das árvores do bosque cair, os realistas diriam que ela caiu, mesmo se ninguém a visse caída, enquanto os idealistas só admitiriam que ela caiu caso eles a tenham visto no chão, ou a ouvido caindo. Os idealistas mais radicais diriam ainda que a árvore só caiu dentro da sua cabeça, pois foi a sua mente que construiu o evento.
Essas duas correntes filosóficas estão muito ligadas com a interpretação do mundo segundo a física. A física clássica, que descreve a realidade em que vivemos o dia-a-dia, toma uma posição realista; o mundo esteve aqui bem antes de existirem pessoas com consciência disso.
Afinal, se o Universo existe há 14 bilhões de anos, a Terra há 4,6 bilhões e o Homo sapiens há menos de 200 mil, claramente a realidade é mais velha do que nós. Em outras palavras, a realidade existe independentemente da presença de um observador consciente para medi-la.
O mundo está aí, pronto para ser medido e observado por nós, ou por qualquer outra inteligência interessada em uma descrição quantitativa da natureza. No entanto, a confirmação final do que existe depende da observação; só sabemos o que existe no mundo se observarmos o mundo. Segundo a física clássica, o ato de observação não interfere com o observado; existe uma separação explícita entre observador e observado.
Duas pessoas, observando o mesmo fenômeno, com os mesmos instrumentos, obterão resultados idênticos. Aliás, é justamente isso o que garante a relatividade de Einstein: que dois observadores em movimento com velocidades (e acelerações) diferentes poderão comparar sem problemas as suas medidas.
Essa posição realista foi profundamente revisada com o advento da mecânica quântica durante as três primeiras décadas do século 20. No mundo do quantum, o mundo dos átomos e das partículas subatômicas, o que é ou não real deixa de ser tão óbvio. De fato, os próprios pioneiros da mecânica quântica, de Planck e Einstein à Bohr, Schrödinger e Heisenberg, debateram as implicações da nova teoria para a nossa compreensão do real sem chegarem a um consenso.
A teoria quântica abandona certas premissas básicas da física clássica como, por exemplo, o conceito de trajetória; um elétron viajando pelo espaço não percorre mais um caminho bem definido entre o seu ponto de partida e o de chegada; podemos apenas dizer qual a probabilidade dele tomar um dado caminho. No mundo quântico, a noção de caminho torna-se difusa, junto com a própria existência: afinal, se não podemos dizer por onde o elétron passou para ir de um ponto a outro, como garantir que ele existe entre esses dois pontos?
A salvação do caos completo vem com a idéia de medida. Para sabermos onde está o elétron, temos de interagir com ele. No processo de medida, fixamos a sua posição e, portanto, a sua existência. Ou seja, a realidade, no mundo quântico, depende do ato de observação: as coisas só são reais quando observadas.
Mais ainda, o resultado da observação depende do observador: duas medidas idênticas não darão necessariamente o mesmo resultado. No mundo quântico, vence o idealismo: as coisas existem ao serem medidas, o que, em última instância, depende do observador, seja ele inteligente ou uma máquina.
domingo, 22 de dezembro de 2002
O Universo como laboratório
Marcelo Gleiser
especial para a Folha
O poeta anglo-americano T.S. Eliot (1888-1965), nas linhas finais do quarto dos seus "Quatro Quartetos", escreveu (tradução minha): "Ao fim de todas as nossas explorações, chegaremos ao ponto de partida, conhecendo o lugar como que pela primeira vez". As linhas de Eliot descrevem perfeitamente o que ocorre hoje na interface entre a cosmologia, que estuda o Universo como um todo, e a física das partículas elementares, que investiga os tijolos fundamentais da matéria, a partir dos quais tudo é feito.
Existe uma confluência entre as duas disciplinas, uma interdependência na qual o avanço de uma afeta o avanço na outra. Esse casamento do micro com o macro é consequência direta do modelo do Big Bang, segundo o qual o Universo teve uma infância muito quente e densa.
Aplicando o que se sabe de física às condições radicais de temperatura e pressão vigentes nos primeiros instantes do cosmo, chega-se à conclusão de que, no início, não existiam estruturas contendo várias partículas como, por exemplo, um átomo -composto por prótons e nêutrons em seu núcleo, circundado por elétrons: a temperatura era tamanha que ela sobrepujava qualquer atração mútua entre essas partículas, impedindo a formação de estruturas mais complexas.
Existia um cabo-de-guerra: de um lado, as partículas querendo se agregar e, do outro, a radiação de alta temperatura (ou energia) bagunçando tudo. Fala-se de uma espécie de sopa cósmica, cuja receita vai mudando com a temperatura: à medida que o Universo se expande, a temperatura da radiação (e, consequentemente, a energia) vai caindo, permitindo a formação das primeiras estruturas.
É dessa coreografia primordial que, em torno de um centésimo de milésimo de segundo após o "bang", surgem os prótons e nêutrons, a partir dos quarks. Após um segundo, os primeiros núcleos atômicos, com prótons e nêutrons. Após 300 mil anos, os primeiros átomos de hidrogênio. Como sabemos disso? Inúmeras observações astronômicas mostram que o Universo é banhado em radiação, o fóssil da época de formação dos átomos, que surgiu quando elétrons finalmente se juntaram aos núcleos. Essa "radiação cósmica de fundo" é compatível com um Universo que teve uma infância quente e densa. Para entendermos os primeiros momentos dessa infância, é preciso aplicar a física das partículas à cosmologia. É aqui que a coisa complica.
As partículas elementares e suas interações são estudadas à força bruta, por meio de colisões promovidas em aceleradores de partículas, onde elas são atiradas umas contra as outras. Seria como atirar uma laranja contra outra a altíssima velocidade, para estudar o que há dentro delas. Sem dúvida, da colisão voariam caroços, suco e bagaço. Quando, por exemplo, um próton bate em outra partícula, o mesmo ocorre: da energia da colisão surgem várias outras partículas, matéria sendo criada a partir de energia, conforme dita a famosa fórmula E=mc2. Quanto maior a energia do choque, maior a massa das partículas criadas.
O problema é que os aceleradores são máquinas gigantescas e m
uito caras. Parece paradoxal, mas quanto maior a energia da colisão maior tem de ser o acelerador. A tecnologia atual permite colisões com energias equivalentes ao que ocorreu no Universo um trilionésimo de segundo após o "bang", mas não antes. Quem vai pagar por máquinas maiores, mais caras e, ainda assim, incapazes de atingir energias realmente próximas das do início do tempo?
O Universo primordial atingiu energias imensas, milhares de trilhões de vezes maiores do que as dos aceleradores. Tal como a radiação cósmica de fundo, é possível que essa era primordial tenha deixado fósseis, capazes de ser identificados hoje. Se partículas bem maciças foram produzidas na fornalha primordial, elas podem ser detectadas aqui na Terra. Na falta de tecnologias alternativas, o futuro da física de altíssimas energias está nas mãos da cosmologia. E o futuro da cosmologia também está nas mãos da física de partículas. Voltando a Eliot, o conhecimento futuro virá de uma volta ao momento no qual tudo começou.
domingo, 15 de dezembro de 2002
Einstein, Picasso e a quarta dimensão
Marcelo Gleiser
especial para a Folha
Em recente livro, "Einstein, Picasso: Espaço, Tempo e a Beleza que Causa Confusão", Arthur I. Miller revisita esse tema, oferecendo uma explicação muito plausível para a aparente coincidência de datas. Segundo Miller, não houve, na verdade, uma influência direta entre os trabalhos de Einstein e de Picasso; ambos são partes de uma profunda transformação cultural que já ocorria no princípio do século, cujo foco maior de atenção era justamente o questionamento da natureza do espaço e da relação entre a realidade e sua percepção sensorial.
Picasso tentou representar a totalidade de uma imagem, vista ao mesmo tempo de vários ângulos diferentes, como se o observador existisse em uma dimensão a mais, a quarta dimensão. Explico: imagine uma bola flutuando no espaço. Vemos a superfície dessa bola que, como toda superfície, tem duas dimensões. Mas nós sabemos que essa superfície é curva e não plana, como, por exemplo, o topo de uma mesa. Por quê? Porque vemos a bola em três dimensões. Sabemos que ela tem também um raio que define a distância entre a superfície da bola e o seu centro. Caso o raio variasse de ponto a ponto, isto é, se a distância entre os pontos na superfície e o centro não fosse fixa, a bola teria uma aspecto distorcido.
Imaginemos, então, uma bola distorcida, como a superfície da Lua, repleta de crateras e montanhas, ou uma cabeça. De nossa perspectiva tridimensional, jamais poderemos captar a totalidade da bola: veremos apenas a parte que se encontra voltada para nós, e não a face oculta. Com o cubismo, Picasso tentou representar todos os aspectos de uma superfície, como se pudéssemos ver a frente e as costas de uma pessoa ao mesmo tempo, transformando-nos em observadores de uma quarta dimensão espacial.
Já Einstein, em sua teoria da relatividade especial, mostrou que observadores com um movimento relativo entre si, por exemplo, uma pessoa em pé numa calçada e outra passando de carro, obterão resultados diferentes ao medirem distâncias e intervalos de tempo. Se a pessoa em pé na calçada estiver segurando uma régua de um metro na horizontal (medida por ela), a pessoa passando de carro verá essa régua um pouco mais curta. Não percebemos isso, pois esses efeitos só se tornam importantes a velocidades próximas da velocidade da luz, de 300 mil quilômetros por segundo. O oposto ocorre com o tempo: para o observador passando de carro, um relógio na mão da pessoa na calçada bate mais devagar, ou seja, a passagem do tempo dilata. Einstein concluiu que tempo e espaço são manifestações conjuntas da realidade física. Poucos anos mais tarde, ficou claro que a teoria da relatividade trata o tempo como uma dimensão a mais, em pé de igualdade com as três espaciais.
Picasso e Einstein foram influenciados pelo matemático francês Henri Poincaré que, no início do século, propôs que a geometria descrevendo a realidade não era única. Picasso, através de seu amigo Maurice Princet, e Einstein, ao ler o livro "Ciência e Hipótese", publicado em alemão em 1904. Para ambos, a função da ciência e da arte é revelar a essência da realidade que se esconde por trás da limitada percepção sensorial. Mesmo que a quarta dimensão de Picasso seja diferente da de Einstein, nossa visão de mundo foi profundamente mudada por ambas.
domingo, 8 de dezembro de 2002
O homem, colonizador galáctico
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Será que um dia seremos capazes de viajar até as estrelas, visitar outros sistemas solares e, quem sabe, colonizar outros planetas? Essa pergunta pode parecer coisa de ficção científica. E, para ser sincero, no momento é mesmo. O que não significa que cientistas sérios não estejam pensando no assunto.
Existe um grande obstáculo entre nós e as estrelas: as distâncias são enormes, inviabilizando o uso de combustíveis convencionais, baseados em processos químicos. Não só são necessárias quantidades absurdas de combustível, como a viagem seria interminavelmente longa.
Consideremos, por exemplo, uma viagem até a estrela mais próxima do Sol, Alfa Centauri, a 4,2 anos-luz. A luz que sai de Alfa Centauri, viajando a 300 mil km/s (você pisca o olho e a luz dá 7,5 voltas em torno da Terra), demora quatro anos e pouco para chegar aqui. São cerca de 40 trilhões de quilômetros, viagem que, em naves convencionais, não só demoraria uns 90 mil anos como consumiria o equivalente a 50 anos do combustível de um ônibus espacial. Imagine o tamanho do tanque para armazenar essa quantidade brutal. Para chegar às estrelas precisamos de combustíveis muito mais eficientes, ou de processos físicos para encurtar as distâncias interestelares.
Combustíveis alternativos já estão sendo propostos. Entre eles está a fusão nuclear, como a usada em bombas de hidrogênio e no interior do Sol: a energia vem da fusão de núcleos do átomo de hidrogênio, convertendo-os em hélio. O problema é que a velocidade ainda não é muito alta (quando comparada à velocidade da luz), e a quantidade de combustível necessária é enorme (a menos que o hidrogênio seja coletado na viagem).
Outra possibilidade é a vela a laser: uma verdadeira caravela espacial, em que a luz de um enorme canhão de laser é focada por uma lente de mil quilômetros de diâmetro e projetada sobre uma vela plana. A luz, uma onda, transfere energia e momento a objetos. A idéia é usar esses recursos vindos da luz do canhão de laser para impulsionar a vela, como uma caravela com ventilador próprio.
Mais uma vez, é necessária grande quantidade de energia para fazer o canhão de laser funcionar (como a tomada do ventilador). Entretanto, testes recentes são bem positivos: é possível criar veleiros espaciais que encurtariam a viagem a Alfa Centauri de 900 séculos para 40 anos. Uma viagem até Júpiter demoraria só oito horas, o mesmo que ir de avião de Miami a São Paulo. Nada mau.
A melhor solução já foi discutida em inúmeros filmes e livros de ficção científica: encurtar as distâncias, encurvando o espaço entre as estrelas.
Imagine uma formiga andando sobre uma cama elástica. Para ela atravessar a cama de um lado a outro em velocidade de formiga, demoraria muito. Mas se uma formiga muito inteligente puser uma bola de boliche no meio da cama, o trajeto da formiga encurta. Quanto mais pesada for a bola, mais deformada a superfície da cama elástica e menor a distância que a formiga tem de atravessar (ou pular, em um foguete de formiga).
O mesmo poderia ocorrer para o espaço entre duas estrelas. Einstein mostrou, em sua teoria da relatividade geral, que a matéria encurva a geometria do espaço. Caso fosse possível concentrar muita matéria (uma estrela bem densa, por exemplo) entre o ponto de chegada e o de partida, a distância entre os dois encurtaria muito. Esses atalhos espaciais, chamados buracos de verme, existem apenas em teoria.
Não temos a mínima idéia de como seria possível desenvolver uma engenharia de túneis espaciais. Vendo o que a ciência fez em tão pouco tempo, podemos supor que descobriremos muita coisa nos próximos milhares de anos. Quem sabe não seremos nós os colonizadores da nossa galáxia, criando uma rede de buracos de verme que se estenda pelo espaço interestelar como a rede de estradas da Terra? Afinal, o que hoje é fantasia pode, amanhã, se tornar realidade.
Será que um dia seremos capazes de viajar até as estrelas, visitar outros sistemas solares e, quem sabe, colonizar outros planetas? Essa pergunta pode parecer coisa de ficção científica. E, para ser sincero, no momento é mesmo. O que não significa que cientistas sérios não estejam pensando no assunto.
Existe um grande obstáculo entre nós e as estrelas: as distâncias são enormes, inviabilizando o uso de combustíveis convencionais, baseados em processos químicos. Não só são necessárias quantidades absurdas de combustível, como a viagem seria interminavelmente longa.
Consideremos, por exemplo, uma viagem até a estrela mais próxima do Sol, Alfa Centauri, a 4,2 anos-luz. A luz que sai de Alfa Centauri, viajando a 300 mil km/s (você pisca o olho e a luz dá 7,5 voltas em torno da Terra), demora quatro anos e pouco para chegar aqui. São cerca de 40 trilhões de quilômetros, viagem que, em naves convencionais, não só demoraria uns 90 mil anos como consumiria o equivalente a 50 anos do combustível de um ônibus espacial. Imagine o tamanho do tanque para armazenar essa quantidade brutal. Para chegar às estrelas precisamos de combustíveis muito mais eficientes, ou de processos físicos para encurtar as distâncias interestelares.
Combustíveis alternativos já estão sendo propostos. Entre eles está a fusão nuclear, como a usada em bombas de hidrogênio e no interior do Sol: a energia vem da fusão de núcleos do átomo de hidrogênio, convertendo-os em hélio. O problema é que a velocidade ainda não é muito alta (quando comparada à velocidade da luz), e a quantidade de combustível necessária é enorme (a menos que o hidrogênio seja coletado na viagem).
Outra possibilidade é a vela a laser: uma verdadeira caravela espacial, em que a luz de um enorme canhão de laser é focada por uma lente de mil quilômetros de diâmetro e projetada sobre uma vela plana. A luz, uma onda, transfere energia e momento a objetos. A idéia é usar esses recursos vindos da luz do canhão de laser para impulsionar a vela, como uma caravela com ventilador próprio.
Mais uma vez, é necessária grande quantidade de energia para fazer o canhão de laser funcionar (como a tomada do ventilador). Entretanto, testes recentes são bem positivos: é possível criar veleiros espaciais que encurtariam a viagem a Alfa Centauri de 900 séculos para 40 anos. Uma viagem até Júpiter demoraria só oito horas, o mesmo que ir de avião de Miami a São Paulo. Nada mau.
A melhor solução já foi discutida em inúmeros filmes e livros de ficção científica: encurtar as distâncias, encurvando o espaço entre as estrelas.
Imagine uma formiga andando sobre uma cama elástica. Para ela atravessar a cama de um lado a outro em velocidade de formiga, demoraria muito. Mas se uma formiga muito inteligente puser uma bola de boliche no meio da cama, o trajeto da formiga encurta. Quanto mais pesada for a bola, mais deformada a superfície da cama elástica e menor a distância que a formiga tem de atravessar (ou pular, em um foguete de formiga).
O mesmo poderia ocorrer para o espaço entre duas estrelas. Einstein mostrou, em sua teoria da relatividade geral, que a matéria encurva a geometria do espaço. Caso fosse possível concentrar muita matéria (uma estrela bem densa, por exemplo) entre o ponto de chegada e o de partida, a distância entre os dois encurtaria muito. Esses atalhos espaciais, chamados buracos de verme, existem apenas em teoria.
Não temos a mínima idéia de como seria possível desenvolver uma engenharia de túneis espaciais. Vendo o que a ciência fez em tão pouco tempo, podemos supor que descobriremos muita coisa nos próximos milhares de anos. Quem sabe não seremos nós os colonizadores da nossa galáxia, criando uma rede de buracos de verme que se estenda pelo espaço interestelar como a rede de estradas da Terra? Afinal, o que hoje é fantasia pode, amanhã, se tornar realidade.
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