Sobre gostar do espaço, de física, de ciência

Print

Adoro dizer que sou cientista. E falo com muito, muito orgulho. Apesar de seguir minha carreira na área biomédica, nutro um grande interesse paralelo pela física, pelo espaço e pelo conceito de tempo. Aliás, tem alguém que não se admire com as impossibilidades da vida?

No fim do ano passado eu li “Uma breve história do tempo”, do Stephen Hawking, e a Sarah já deu uma aula aqui. Enrolei e enrolei para escrever porque eram tantas coisas que valiam ser mencionadas… Escolhi uma para agora (e prometo que não vai ser repetitivo). Preciso falar sobre ciência, e sobre sua popularização.

Não só um grande físico – absolutamente brilhante –, Stephen Hawking também é um nome de peso na popularização da ciência. Seus livros alcançam milhares de pessoas e com uma linguagem acessível a qualquer curioso, apesar dos temas densos. Mais especificamente em Uma Breve História do Tempo, aprendi mais sobre astrofísica do que jamais na minha vida. E não só isso, um dos principais motivos para eu achar esse livro tão incrível é a visão de história da ciência que ele contém. O próprio nome já dá a dica, mas se alguém não pegou de primeira (como eu, antes de ler o dito cujo), todo o livro relata como o entendimento sobre o tempo evoluiu… ao longo do tempo.

Muito mais do que jogar conceitos na nossa cara – como as escolas normalmente fazem, acho que o melhor jeito de criar interesse pela ciência é contando um pouco de como as coisas foram descobertas. E isso não se restringe à física, o entendimento sobre os diferentes papéis das áreas do cérebro por exemplo, é facilmente compreendido quando se conta sobre o Sr. Leborgne ou o paciente H.M. (Sim, essa sou eu claramente puxando a sardinha pro meu lado)

Voltando pra física e, mais especificamente para a astrofísica – como é o foco do livro de Hawking, tem uma história que eu acho particularmente curiosa e interessante: Tycho Brahe. Vejam o vídeo abaixo e digam se não seria muito mais interessante aprender assim na escola. O nome pode não soar familiar para muita gente, mas foi graças ao trabalho dele que Johannes Kepler pôde desenvolver seus estudos que acabariam por descrever os movimentos dos planetas.

Não se assustem, o vídeo tem legenda em português. É só ativar, caso não apareça direto.

Observação pertinente: acho particularmente interessante como tanto conhecimento foi acumulado em épocas sem tecnologias digitais. Sempre me deixa embasbacada.

Muitas outras iniciativas para a popularização da física e da ciência merecem ser mencionadas, mas vou me restringir a três delas:

1. Cosmos

STS-125 Atlantis Solar Transit (200905120002HQ)

Atlantis space shuttle, 2009. Créditos: Nasa/Thierry Legault

Provavelmente a iniciativa mais conhecida do mundo, iniciada por Carl Sagan, ganhou recentemente uma versão apresentada por Neil deGrasse Tyson – que está no Netfilx!!! Um episódio que me vem a cabeça agora e que se relaciona bem com o início do livro de Hawking é o episódio 7 da primeira temporada, que conta a história da descoberta que tornou possível calcular a idade da Terra. Como eu disse, eu acho incrível aprender ciência através da história, e essa séria reflete muito bem essa ideia. Esse episódio em particular conta como, a partir das datas mencionadas na Bíblia, alguém fez o primeiro cálculo da idade do planeta e chegou a uma conclusão comicamente “exata”, com hora e tudo. Como os episódios não tem uma ordem muito necessária, podem pular direto só pros temas que forem de interesse. Esse episódio também pode ser visto no YouTube.

2. Nerdologia

Uma das iniciativas brasileiras de maior visibilidade, o canal tem um foco nos princípios científicos relacionados (ou não) à cultura pop e de ficção científica. Apesar de ele ser “Átila, o biólogo”, o canal aborda uma variedade incrível de temas com uma linguagem bem simples mas que não se torna errada. Acho que uma das maiores dificuldades que os cientistas e jornalistas enfrentam para explicar ciência para o público geral é tornar a linguagem acessível, sem termos técnicos ou necessidade de muito conhecimento prévio, e ainda não simplificar demais ao ponto de que os conceitos passem a estar levemente errados e passíveis de múltiplas interpretações. Variando agora para o tema de comportamento da luz, esse episódio bem legal (e que conta a pesquisa de uma física brasileira!).

3. Leopoldo de Meis

Até hoje esse é o nome que se encontra na porta do meu laboratório, apesar de já ter passado mais de dois anos do seu falecimento. Não posso falar de divulgação científica no Brasil sem mencionar o fundador do instituto no qual faço mestrado hoje. Leopoldo de Meis teve um grande papel na pesquisa em metabolismo energético e deve ser um dos brasileiros que mais chegou perto de uma indicação ao Nobel, mas seu legado se estendeu muito mais do que isso. Ele escreveu livros e gravou filmes, sempre tendo como alvo o publico escolar, e criou a Rede Nacional de Educação e Ciência, para levar suas iniciativas de Cursos de Férias para todo o país. Aqui na UFRJ, o projeto se mantém ativo desde os anos 80 com duas edições anuais, nas quais recebemos nos laboratórios do IBqM alunos e professores do Ensino Médio. Hoje o curso ocorre ao longo de uma semana, na qual os participantes podem propor as perguntas que querem responder, planejar os experimentos e executá-los, levantando ou comprovando hipóteses através da aplicação do método científico. Tive a sorte de ser monitora de um desses cursos em janeiro agora e foi mágico ver a ciência despertando nos olhos de gente brilhante mas que tem poucas oportunidades. Vale dizer que a participação desses alunos pode continuar ao longo de um ano desenvolvendo projetos científicos inovadores, muito além daquela curiosidade inicial.

No YouTube tem esse vídeo, que está dividido em 3 partes, mas essa contém o trecho que mais marcou o que seria o início da minha carreira científica quando vi ele próprio apresentar ao instituto que hoje leva seu nome. A quantidade de conhecimento científico que geramos hoje é muito maior do que qualquer pessoa consegue acompanhar, e sobre isso dá pra eu ficar horas conversando. Na verdade só agora enquanto escrevo me dei conta, mas isso meio que acabou se tornando o tema da minha pesquisa.

Acho que já tem bastante material interessante aqui, e já divaguei um bocado também. Acho que vou gostar de escrever mais sobre ciência por aqui.

Image and video hosting by TinyPic

Continue Reading

Entre intrigas, Big Bangs, Buracos Negros e o formato do universo

Uma breve história do tempo

Texto escrito ao som do álbum dark side of the moon/ Pink Floyd

O que define uma boa teoria cientifica?
Uma teoria cientifica precisa ser simples e fazer previsões precisas que podem ser testadas pela observação.

Hoje vamos falar sobre o universo…
uma breve história do tempo

O astrônomo americano Edwin Hubble formulou em 1924 a imagem moderna do universo. Ele provou que a nossa galáxia não era única. Hubble notou que certos tipos de estrelas sempre tem a mesma luminosidade quando estão perto o bastante para serem medidas, então usou o método indireto para realizar os cálculos, determinando as distâncias até outras galáxias.

Como esse método de medição funciona…

Lembram-se de Newton? Ele descobriu que, se a luz solar passa através de um prisma as cores que a compõe (espectro) são separadas como um arco íris.
uma breve história do tempo

Com um telescópio moderno podemos adaptar esse conceito para estrelas e galáxias. Então é possível determinar a temperatura de uma estrela. Foi então que percebeu-se que faltam certas coras muito especificas nos espectros de estrelas.

Precisamos falar sobre o EFEITO DOPPLER aplicado ao espaço sideral…
uma breve história do tempo
Em 1920, os astrônomos observaram os espectros das estrelas em outras galáxias e descobriram que faltavam os mesmos conjuntos característicos de cores nas estrelas de nossa galáxia, e todos os espectros desviam em direção a extremidade vermelha.

  • O que é a luz?

A luz consiste em flutuações, ou ondas do campo eletromagnético. Os diferentes comprimentos de luz são o que nos entendemos como cores. Os comprimentos de onda mais longos são vermelhos e os mais curtos azuis.
Por tanto, se as estrelas se afastam terão os espectros desviados para cor vermelha, e se elas se aproximam terão um desvio para o azul.
CURIOSIDADE: A polícia usa o Efeito Doppler para calcular a velocidade de um veículo medindo o comprimento dos pulsos das ondas de rádio.
Voltando…
Hubble descobriu que a maior parte das galáxias exibia um desvio para o vermelho, ou seja, elas estavam se distanciando de nós. Além disso, em 1929, ele descobriu quanto mais distante está uma galáxia mais rápido ela se distancia de nós. Uma revolução! Até então, as pessoas acreditavam que o universo era estático. Ou seja, além do universo não ser estático, ele estava se expandindo.

  • Por que ninguém percebeu isso antes?

Esse comportamento do universo poderia ter sido previsto com base na teoria da gravitação de Newton. Contudo a crença em um universo estático era tão forte que ela persistiu até o início do século XX.
Vale ressaltar que Eisntein, ao formular a teoria da relatividade geral (1915), tinha tanta certeza que o universo era estático que modificou sua teoria para tornar isso possível. Ele alegou que o espaço-tempo tinha uma tendência inerente a se expandir e que isso poderia acontecer exatamente para compensar a atração de toda matéria no universo, de modo que o resultado seria um universo estático.
Mas não paramos aí….

Alexander Friedmann (1922), físico e matemático Russo, fez duas suposições simples sobre o universo:
1. A partir da nossa galáxia, o universo é idêntico em qualquer direção, ou seja, somos o centro do universo;
2. O universo deve parecer o mesmo em qualquer direção visto de qualquer galáxia, ou seja, não somos o centro do universo;
Arno Penzias e Robert Wilson, físicos americanos (1965), estavam testando um detector de micro-ondas muito sensível. Eis que, o detector estava captando mais ondas do que deveria. Esse ruído não vinha de nenhuma direção em particular. Então eles começaram a procurar os prováveis defeitos no aparelho, mas logo descartaram essa possibilidade. Percebeu-se que os ruídos eram os mesmos em qualquer direção que o detector fosse apontado, de modo que devia vir de fora da atmosfera.
Nessa mesma época, Bob Dicke e Jim Peebles, físicos americanos, estudavam as micro-ondas. Eles trabalhavam na hipótese que o universo primitivo deveria ser muito quente, denso e incandescente branco e acreditavam que ainda seria possível visualizar esse brilho, pois a luz de partes distantes somente estaria chegando até nós agora.

E você achando que não existia picuinha no mundo da física…

Penzias e Wilson souberam da pesquisa de Dicke e Peebles, e perceberam que eles haviam encontrado a resposta para o problemas deles nos ruídos captados pelo seu detector. Por esse feito ganharam o Prêmio Nobel em 1978.

Voltando para Friedmann e o centro do universo…
Sem querer, Penzias e Wilson esbarraram na 1ª hipótese de Friedmann, de que nós estaríamos no centro do universo. Entretanto, sabe-se que o universo não é o mesmo em todas as direções (apenas em média escala), pois, em 1992, o satélite Cobe, verificou pequenas variações nessas medições.
No modelo de Friedman, todas as galáxias estão se afastando. Sendo assim, Imagine um balão com pintinhas se enchendo de ar:

À medida que o balão se expande, a distância entre 2 pontos aumenta, mas não existe um ponto que possa ser identificado como o centro de expansão.

Vamos forçar sua imaginação um pouco mais…

Friedmann encontrou um modelo. Porém três tipos de modelo correspondem a suas duas hipóteses fundamentais:
1. O universo está se expandindo devagar o bastante para que a atração gravitacional entre as galáxias faça com que a expansão desacelere até cessar. As galáxias então começam a se mover na direção uma das outras e o universo se contrai. Desse modo, a extensão do universo é finita.
Um breve historia do tempo
2. O universo está se expandindo tão rápido que a atração gravitacional nunca o detém, embora reduza sua velocidade. Desse modo, a extensão do universo é infinita.
Um breve historia do tempo
3. O universo está se expandindo depressa o bastante apenas para evitar um novo colapso. Desse modo, a extensão do universo é infinita e plana.
Um breve historia do tempo
Essas teorias todas ajudam os físicos a formular a provável forma do espaço.
No primeiro modelo de Friedmann o universo não é finito de espaço, porém o espaço tampouco possui contorno. A gravidade é tão forte que o espaço é curvado sobre si mesmo, mais ou menos como a superfície da terra.

Exemplo: Se alguém viaja constantemente em uma direção no nosso planeta, não cai pela borda. Ela acaba voltando para o ponto onde começou.
O espaço seria exatamente assim. A quarta dimensão, o tempo, também é finita em extensão, mas é com uma linha com duas extremidades ou contornos, um começo e um fim.
Se combinarmos a relatividade geral com o princípio da incerteza da mecânica quântica, é possível que tanto o espaço quanto o tempo sejam finitos sem bordas e nem contornos.

Muita abstração?!

A ideia de que alguém possa dar a volta no universo e terminar onde começou dá uma ótima ficção cientifica. Mas seria preciso viajar mais rápido do que a velocidade da luz a fim de terminar onde se começou antes do universo se extinguir.
Então vem a pergunta fundamental: Qual desses 03 modelos descreve o nosso universo? O universo vai se expandir para sempre? Ou o universo eventualmente voltará a se contrair?
Agora voltamos para o Efeito Doppler.

Aplicando o efeito doppler, pode-se determinar a taxa de expansão atual do universo ao medir a velocidade com que outras galáxias estão se afastando de nós. Entretanto, as distâncias para as galáxias não são bem conhecidas, pois só conseguimos medi-las de forma indireta. Assim, tudo o que se sabe é que o universo está se expandindo em algo entre 5% e 10% a cada bilhão de anos. No entanto, nossa incerteza sobre a densidade média atual do universo é ainda maior.

  • O que isso significa?

Somando-se todas as estrelas de todas as galáxias e a massa escura não temos força gravitacional suficiente para deter a expansão do universo. Então, a tendência atual é que o universo se expanda até entrar em colapso, o que deve acontecer em dez bilhões de anos.

Mas não se preocupe. A essa altura a menos que tenhamos colonizado outro sistema solar e nos mudado, a humanidade terá deixado de existir, pois será extinta junto com o sol.

Voltando para Friedman (e você achando que Einstein era o cara)…
As três soluções previstas pressupõem que o universo teve um começo: quando a distância entre as galáxias vizinhas deve ter sido zero.

Big Bang!

A matemática não pode lidar de fato com números infinitos, então chegamos num ponto onde a teoria da relatividade geral prevê que existe um ponto no qual a própria teoria deixa de ser válida. Isso se chama singularidade.
Mas o que isso quer dizer?
Mesmo que tenha havido eventos anteriores ao Big Bang, ainda somos incapazes de determinar pois a teoria da relatividade geral não se aplica. Deve-se assim eliminar a ideia de eventos anteriores e aceitar que o tempo se iniciou com o BIG BANG.

E isso causou o caos no meio acadêmico…

Muitos não gostam da ideia de que o tempo teve um início, porque isso remete ao conceito de Deus. Inclusive, a Igreja Católica acatou o modelo do Big Bang e em 1951 proclamou oficialmente que essa explicação estava de acordo com a Bíblia.

Em 1948, Hermann Bondi, Thomas Gold, Fred Hoyle sugeriram a teoria do estado estacionário: a ideia era que enquanto as galáxias se afastavam, novas galáxias surgiam nesse espaço, a partir da matéria nova criada continuamente.
Porém…
No fim da década de 1950, Martin Ryle e um grupo de astrônomos levantou as fontes de ondas de rádio provenientes do espaço. Esse experimento mostrou que a maioria das fontes deve se localizar fora da nossa galáxia e também havia muito mais fontes fracas do que fortes. Foi interpretado que as fontes fracas eram distantes e as fontes fracas eram próximas. Hipóteses:
1) Estamos no centro de uma grande região do universo onde as fontes são mais escassas do que em outras regiões;
2) As fontes eram mais numerosas no passado, quando as ondas de rádio partiram em sua jornada até nós;
As duas explicações inviabilizam a teoria do estado estacionário.
Em 1963, Evgenii Lifshitz e Isaac Khalatnikov, sugeriram que o Big Bang talvez moldasse uma peculiaridade exclusiva dos modelos de Friedmann. No universo real, as galáxias não estão apenas se afastando uma das outras – elas também apresentam pequenas velocidades laterais. Assim, ela nunca precisaram ter estado todas exatamente no mesmo lugar, apenas muito próximas umas das outras. Ou seja, talvez, o universo em expansão não resultasse de uma singularidade, mas de uma fase de contração.

  • Como provar que o universo começou com o BIG BANG?

Lifshitz e Khalatnikov estudaram o modelo do universo de modo parecida a Friedmann, mas levando em consideração as irregularidades e as velocidades aleatórias das galáxias no universo real. Eles argumentaram que, haveriam muito mais modelos como os de Friedmann sem singularidade de Big Bang.
Porém…
1970, eles voltaram atrás em sua alegação, quando descobriram que uma classe muito mais geral de modelos de Friedmann que de fato apresentavam singularidades e nos quais as galáxias não precisavam se mover de nenhuma forma especial.

  • No entanto, será que a relatividade geral prevê que nosso universo deve ter tido um Big Bang, um início de tempo?

Roger Penrose, 1965, demonstrou que uma estrela cedendo à própria gravidade fica aprisionada em uma região cuja superfície acaba por encolher ao tamanho 0. O mesmo acontece com o seu volume. Toda a matéria da estrela será comprimida a uma região de volume zero, de modo que a densidade da matéria e a curvatura do espaço tempo serão infinitas. Em outras palavras, tem-se uma singularidade contida dentro de uma região do espaço-tempo conhecida como buraco negro.

Então…
Stephen Hawking, 1965, percebeu que o teorema de Penrose mostrava que qualquer estrela em colapso deve terminar em uma singularidade. Hawking propôs que aplicando a reversão temporal podia-se entender o universo em expansão nos moldes de Friedmann, pois ele poderia ter se iniciado de uma singularidade.
Por razões técnicas, o teorema de Penrose exigia que o universo fosse infinito em espaço. Assim, o teorema foi usado para provar que haveria uma singularidade apenas se o universo estivesse se expandindo rápido o bastante para evitar um novo colapso.
1970, Hawking e Penrose, demonstram que deve ter havido uma singularidade de Big Bang, deste que a teoria de relatividade geral esteja correta e o universo contenha tanta matéria quanto observamos.
E mais o caos no meio acadêmico…
As oposições partiram dos russos, devido a crença marxista no determinismo cientifico, e em parte de pessoas que achavam que toda a ideia de singularidade era integrável e arruinava a beleza da teoria de Einstein.

Isso mostrou que a relatividade geral é uma teoria incompleta: ela é incapaz de nos dizer como universo começou, pois prevê que todas as teorias físicas perdem a validade no inicio do universo.

A ironia…
Stephen Hawking, atualmente, tenta convencer de que na realidade não houve singularidade alguma no início do universo. Pois, essa singularidade desaparece quando se leva em consideração os efeitos quânticos.
Mas esse assunto fica para um próximo post…

sarah adulta eu
Sugestões bibliográficas:
O universo em uma casca de nós (Stephen Hawking)
Uma breve história do tempo (Stephen Hawking)
Alice no país do quantum (Robert Gilmore)

Filme:
Quem somos nós?

E agradeço se você tiver mais alguma indicação!

Continue Reading