Superbrana

Novo blog

2008-10-02T11:08:00.003-04:00

Estou me transferindo para outro blog, o Ars Physica. Convido a todos que visitavam esse blog para participar do novo! A vantagem do novo blog é que será no formato do Cosmic Variance: um grupo de diferentes físicos estarão postando sobre assuntos ligados a Física. Continuarei a colocar o mesmo tipo de material que vinha postando neste blog lá.

Religulous

2008-09-28T01:33:00.005-04:00

O comediante Bill Maher vai lançar semana que vem, em 3 de outubro, um documentário crítico sobre religião, Religulous, que promete ter seus momentos cômicos, talvez algo na linha dos filmes do Michael Moore (Tiros em Coulumbine, Farenheit 9/11, Sicko). Bill será o próximo convidado do programa The Daily Show, que é muito bem conhecido nos Estados Unidos, no dia 30 de setembro. A entrevista estará disponível no site do programa a partir do dia 1 de outubro. O trailer (legendado em português!) promete um bom filme. Ele já esteve no Larry King (entrevista sem legenda, em inglês).

Há dois documentários muito pouco conhecidos até o momento que são críticos a religião, The Root of All Evil de Richard Dawkins e The God Who Wasn't There. Eu gostei bastante deste segundo, que é sobre o problema de Jesus histórico, i.e. se Jesus realmente existiu ou não. O problema desses filmes é que eles são ácidos demais para conseguir balançar o crente comum. Eles mais produzem um sentimento de revolta do que iluminação, na minha opinião. Espero que esse novo filme de Bill seja mais sereno, e com isso consiga maior espaço na mídia e distribuição, e possibilite educar mais as pessoas sobre o problema do ópio do povo.

Eu certamente vou assistir esse filme.

Enquanto isso, podemos ver vários vídeos no YouTube do Bill Maher.

Bobagens sobre o custo do LHC

2008-09-25T16:17:00.008-04:00

Das notícias sobre o LHC para mim a parte mais interessante é observar a reação do público. Algumas são cômicas, mas uma classe de comentários me preocupa: os ligados ao custo do projeto. As alegações são muito infundadas, genericamente baseadas na idéia falsa de que o LHC é um projeto muito caro. Não é, o LHC sai de graça. O custo total para por o LHC em funcionamento, incluindo material e pessoal do sítio, o acelerador por completo, cerca de 15% de todos os detetores, e o cluster de computadores ficará em US$ 5.6 bilhões [1]. Como o projeto começou em 2001, são 8 anos de construção, o que dá apenas US$ 700 milhões por ano divididos entre 20 países da Europa, o que dá uma média de um investimento de US$ 35 milhões por país durante 8 anos.

A Europa por ano gasta apenas 1.8% do PIB com ciência e tecnologia, os EUA 2.6%, o Japão 3.4% [2]. O orçamento do LHC é uma pequeníssima parcela desse investimento, pois, 1.8% do PIB Europeu é US$668 bilhões. Isso significa que a Europa está gastando 0.1% do seu investimento de ciência com LHC, que é um dos projetos mais proeminentes da ciência de hoje. Há enorme espaço no PIB desses países para gastos com outros fins, e na parte específica que vai para pesquisa em ciência e tecnologia, ainda resta 99.9% do orçamento para outros projetos.

Os Estados Unidos sozinho poderia bancar o LHC. De fato, os EUA sozinho poderia ter financiado o SSC. Mas os EUA tem outras prioriades: nos últimos 5 anos, só a guerra do Iraque custou US$845 bilhões diretos dos cofres públicos norte-americanos, e tem um custo projetado de US$ 3 trilhões para a economia dos EUA [3]. E a Inglaterra, até 2006, gastou US$ 9 bilhões do dinheiro público [4] na guerra. Ainda falta somar a guerra do Afeganistão. Semana passada, o governo norte-americano perdoou uma dívida de US$85 bilhões da AIG. Uma única junta privada ganhou, em um único dia, o equivalente ao custo de 14 LHCs. Hoje, o Congresso norte-americano liberou US$700 bilhões para perdoar as dívidas de empresas hipotecárias [4]. Então, se alguém ai quer reclamar de aplicar dinheiro para fins como filantropia, há lugares muito mais sérios e importantes para olhar do que a miséria do investimento em pesquisa e tecnologia, e a fração ainda mais insignificante do LHC desse montante do dinheiro na Europa e Estados Unidos.

E no Brasil, que tal comparar o gasto anual dos salários de todos os funcionários e políticos do Congresso e do Senado com o orçamento total para investir em ciência e tecnologia do MCT por todo o país, incluindo-se ai os gastos com bolsas para pesquisa, centros de pesquisa, e todo o resto? Eis os números: ciência vs. Senado e Congresso. Com um investimento como esse em ciência, tem certeza que o LHC é caro?

O que eu falei acima é óbvio para muita gente. Mas por alguma razão, os números do LHC fizeram as pessoas esquecerem de como o efetivo investimento em desenvolvimento de ciência e tecnologia por todo o planeta não corresponde a parcela da participação da tecnologia e ciência na economia mundial.

Referências

CERN Brochure 2008 Nota: a tabela de custo do LHC neste documento está em francos suíços.
Estimates of National Research and Development, National Science Foundation, Aug 2008.
Reuters.com
Bloomberg
Isso está por toda a mídia, mas essa lista de perguntas & respostas do NY Times coleta as informações relevantes.

Sinais de nova física?

2008-09-25T11:07:00.006-04:00

Hoje William Marciano, Alberto Sirlin e Massimo Passera tornaram pública uma análise sobre possíveis indicações de nova física na medida do momento magnético do múon. Esse parâmetro foi medido com enorme precisão pelo experimento E821 no acelerador de partículas RHIC do Brookhaven National Laboratory, em Upton, Nova York. O resultado experimental é

onde é a massa do múon. O valor teórico calculado do Modelo Padrão é

Há uma pequena diferença do valor experimental para o teórico, de 302(88) × 10^-11, i.e. 3.4σ. O valor teórico é constituído de três contribuições, de processos que incluem 1) apenas léptons e fótons, 2) os bósons W e Z, 3) hádrons. Neste recente artigo foram analisados possíveis erros de cálculo teórico da contribuição 3). No entanto, esses cálculos atrelam um valor máximo para a massa do Higgs (em outras palavras, são sensíveis a quão pesado o Higgs é) . Por outro lado, as buscas experimentais diretas do acelerador de partículas LEP do CERN indicam que a massa do Higgs deve ser maior que 114 GeV/c². Dessa forma é possível determinar uma janela dos valores possíveis da massa do Higgs usando o resultado do LEP e do momento magnético do muon. Os autores então mostraram que se permitimos modificações nos cálculos teóricos para o momento magnético, o valor máximo da massa do Higgs fica menor que 133 GeV/c², muito próximo do valor mínimo. Em uma dessas estimativas de mudança de cálculo, a conclusão seria que o Higgs não existe — o valor máximo fica menor que o valor mínimo —, contradizendo as hipóteses do cálculo.
Pode ser que de fato há um erro no cálculo e a massa do Higgs esteja no intervalo (114,133). Marciano, Massimo e Sirlin, que são profissionais de enorme experiência com cálculos desse tipo, entendem que isso é pouco provável. Todavia se não há erro no cálculo, o momento magnético do muon sinaliza que há efeitos novos que ainda não foram levados em consideração, tais como a supersimetria.
Se essa discrepância indica ou não evidência para nova física além do Modelo Padrão ainda era uma questão polêmica até uns anos atrás, mas essa análise recente parece colocar a evidência de nova física mais plausível.

LHC atrasará por cerca de dois meses

2008-09-20T12:50:00.003-04:00

A notícia oficial saiu hoje. O LHC teve um vazamento no sistema criogênico e deve ter um atraso de pelo menos 2 meses, então nada mais da primeira colisão ser realizada em algum momento de outubro.

O único comentário pertinente é o seguinte: isso é absolutamente normal. Quando o LHC estava em construção, parte dos imãs supercondutores falharam causando atrasos. Em qualquer experimento em ciência, boa parte do trabalho consiste em resolver problemas e dificuldades inesperadas que vem ao longo do caminho. O problema anterior e este novo são apenas dois exemplos das dificuldades tecnológicas envolvidas quando se tem o maior sistema criogênico jamais realizado.

Mestres viram doutores e são demitidos

2008-09-19T16:19:00.022-04:00

Segundo uma matéria da revista Valor Econômico, aparentemente no Brasil dos últimos anos professores de universidades particulares foram demitidos depois de fazerem um curso de pós-graduação. O presidente do sindicato das particulares, H. F. Figueiredo, explica porque isso acontece:

O número de doutores depende do programa pedagógico de cada instituição, a universidade é como qualquer empresa, há uma avaliação de desempenho, não publicou durante o ano, será dispensado.

Isso não parece ser verdade. Por exemplo, o CNPq mostra que, excetuando-se a PUC, nem 1% de toda produção científica do Brasil financiada pelo órgão é realizada nas universidades particulares (a PUC-RJ com 2,4%). Segundo artigo da Folha de S. Paulo de uns anos atrás, a grande maioria dos professores de universidades particulares dão em média 40h semanais de aula, alguns até mais. Portanto, as universidades particulares de modo algum vêm contratando com base na produção científica, intelectual ou artística. Não faz nem sentido: se elas só contratam 1/3 de pessoas com pós-graduação, 2/3 do seu corpo docente nem se quer tem a qualificação intelectual para produzir material publicável. A Unip é uma das maiores universidades do Brasil, se 1/3 do seu corpo docente estivesse sendo mantido com base em excelência de publicações, a universidade já teria figurado no Times Higher Educational Supplement ou no Academic World Ranking, mas isso não aconteceu. Como profissional incipiente na área de pesquisa, eu posso assegurar que nunca vi um único artigo científico que foi publicado por um pesquisador da Unip. Se existe algum, precisa de muita experiência em pesquisa para acabar vendo (1 em um milhão?).
FIgueiredo também diz:

Uma universidade numa cidadezinha de Tiririca da Serra não tem condição de contratar um doutor por tempo integral para pesquisar e em nenhum lugar está escrito ou provado que um doutor é melhor professor do que um profissional com experiência.

Dois problemas com esse comentário. Primeiro, se você tem uma universidade que diz que oferece um curso de medicina, é melhor que você realmente possa ensinar medicina. Isso inclui ter laboratórios de química, biblioteca equipada, cadáveres indo para as aulas de cirurgia, material cirúrgico, vários outros equipamentos didáticos, e professores qualificados. Se você quer ter uma universidade em Tiririca da Serra, você deve transferir todo o equipamento necessário para isso, e não apenas abrir um prédio com título de universidade que depois formará profissionais sem a qualificação necessária.

Segundo, um doutor em particular pode não ser melhor professor, mas se você tem alguém interessado em ser um bom professor, agregar maior qualificação, experiência e conhecimento só irá melhorar a educação. Se olharmos para as universidades mais bem sucedidas no mundo, veremos que há uma forte correlação entre a qualificação do corpo docente e o sucesso do corpo discente.

O mais curioso de tudo isso é que não parece que esse estilo adotado pelas universidades particulares no Brasil ajuda em nada a fazer o faturamento da universidade ser melhor. Não quero soar pretensioso ou arrogante, mas tenho que usar os exemplos que conheço bem. Segundo os jornais de televisão (entendendo ai que pode estar errado), o vestibular da USP é um (ou o mais) concorrido de universidades do país, a média de todos os cursos é 12 c/v. A USP é a mais procurada em São Paulo por que tem uma boa imagem de instituição universitária, totalmente devida a qualificação e a produção intelectual, científica e artística dos professores residentes, mais o resultado de vários dos seus ex-alunos que figuram em quadros de liderança nacional do governo, empresas, produção tecnológica e artística. Muitos que tem alta renda e passam na USP e em uma particular, escolhem a primeira. Isso se comprova pelos dados da própria USP, que mostra que a maioria dos matriculados são de alta renda: uma única rua da região nobre de São Paulo tem mais alunos na USP que todo distrito sul da cidade. Provavelmente a mesma lógica se aplica nos demais estados da federação: se há uma universidade de impacto científico, artistico e cultural, essa atrai mais estudantes (em geral, são as públicas, federais e estaduais, e atraem também alunos de alta renda). As particulares, com sua política de educação como loja de 1,99 — para usar uma comparação feita por um colega — só tem uma imagem denegrida: a má boca diz que o vestibular é fácil, e agora mais essa, se o professor for bom demais, é demitido por excesso de qualificação. As prioridades gerais das universidades particulares no Brasil podem até mantê-las economicamente viáveis a curto prazo, mas não tem como resultar em melhor faturamento a longo prazo, uma vez que a universidade continuamente perde prestígio, ao invés de ganhar. As duas universidades com maior capital do planeta são particulares: Harvard e Yale (respectivamente 37 e 23 bilhões de dólares), porém imaginem se na fundação do departamento de física de Yale eles tivessem decidido demitir o Josiah W. Gibbs depois que ele adquiriu o doutorado em física matemática. Para ser contratado hoje em dia em uma universidade destas é necessário, no mínimo, vários pós-doutorados, ou uma produção científica excepcional, e ainda assim, são universidades muito mais ricas que qualquer particular (ou pública) no Brasil.

Sem Deus

2008-09-16T21:17:00.005-04:00

Steven Weinberg escreveu recentemente para o The New York Review of Books sobre religião: Without God. Para quem gostar desse artigo, o Weinberg publicou uns anos atrás um livro com uma coleção de ensaios sobre ciência e suas adversárias culturais: Facing Up (desconheço se há edição em português). Vale a pena!

Fiquei sabendo desse artigo pelo meu colega Daniel Ferrante, do It's Equal but it's different.

A origem da gravidade

2008-09-14T10:16:00.011-04:00

O que causa a gravidade? Em um post anterior falei sobre a relação entre a termodinâmica e os buracos negros, que parecia indicar uma relação íntima entre gravitação e termodinâmica. Na gravitação clássica, vemos que é possível fazer um paralelo completo entre as equações da Relatividade Geral e as equacões da termodinâmica. Quando se estuda um sistema quântico na presença de um buraco negro, é possível demonstrar passo-a-passo que o buraco negro é um corpo negro que emite radiação a uma certa temperatura T, portanto de fato buracos negros agem como sistemas termodinâmicos. Como a gravitação clássica "já sabia" que o buraco negro deveria se comportar como um sistema termodinâmico?

Uma possível resposta para essa pergunta foi formulada por Ted Jacobson, da Universidade de Maryland, em 1995 [1]. Como vimos antes, observadores acelerados podem emitir luz para regiões mas não podem receber sinais de luz delas. Para todos efeitos, essa região, parte do chamado horizonte de Rindler de um observador acelerado, age como um buraco negro, mesmo na ausência completa de matéria e gravidade. Vimos que na mecânica quântica é possível fazer um cálculo que mostra que o vácuo de um observador inercial é um corpo negro cheio de partículas quando visto por um observador acelerado, com uma temperatura T proporcional a aceleração do observador. Isso levou Jacobson as seguintes considerações: imagine que um observador dentro do seu cone de luz em IV (ver Fig. 1) supõe que as regiões I e III onde vivem observadores acelerados são um sistema termodinâmico com temperatura T proporcional a aceleração da órbita de um observador acelerado imediatamente fora do cone de luz — ou seja, consideramos o limite em que a órbita acelerada coincide com as linhas do cone de luz [2]. Daqui para diante, vamos nos referir então a essas regiões como sistema, simplesmente.

Fig. 1: Diagrama t-x do movimento de um observador acelerado. As linhas tracejadas determinam o interior do cone de luz (regiões II e IV) de um observador inercial que esteja parado na posição x = 0. A linha sólida é um exemplo de uma trajetória de um observador acelerado, como visto no referencial do observador inercial parado em x = 0. O vetor u é a velocidade do observador, e o vetor a é a sua aceleração. (C. Misner, K. Thorne, J.A. Wheeler, Gravitation, Freeman Co., sem permissão)

Adote como válida a primeira lei da termodinâmica para o sistema:

que diz que a variação de energia interna de um sistema em um determinado processo termodinâmico é igual ao calor recebido pelo sistema , onde é a variação da entropia no processo e a temperatura do sistema. A medida que o tempo passa, partículas do cone de luz IV podem cruzar o cone de luz e ir parar nas regiões I e III, e vamos considerar isso como uma transferência de energia para o sistema. Em Relatividade, podemos associar qualquer fluxo de energia e momento com uma certa quantidade denotada por (o tensor de energia-momento), que vamos naturalmente identificar como parte de . Usando a hipótese de que a variação da entropia é igual a variação da área do cone de luz, então a equação da primeira lei da termodinâmica pode ser reescrita de forma a dizer que deve haver uma distorção dos cones de luz, uma contração ou expansão, dependendo do fluxo de energia . Com um pouco de trabalho e muita perspicácia, essa equação da termodinâmica pode ser resolvida com a equação da Relatividade Geral que relaciona o campo gravitacional com a matéria

Vista desse ponto de vista, a Relatividade Geral é a equação de equilíbrio termodinâmico entre espaço-tempo e matéria. Isso sugere que a gravidade é um efeito macroscópico, resultado da interação de partículas com os cones de luz da Relatividade Especial, e não uma força fundamental da Natureza.

A idéia de Jacobson é muito atraente por diversas razões. Ela responde a origem da relação entre termodinâmica e gravidade: seria uma identidade. O problema da quantização da gravidade desaparece: sendo a gravidade um efeito macroscópico, um limite termodinâmico, ela não existe microscopicamente, portanto não faria sentido discutir a descrição quântica da gravitação.

Contudo, a idéia não é conclusiva ainda. Não há nenhuma justificativa para a proporcionalidade entre e a variação da área do cone de luz. Na demonstração de Jacobson (ou qualquer outra versão do mesmo argumento) isso é uma hipótese que ainda precisa ser verificada como válida. A motivação dessa proporcionalidade é, naturalmente, a termodinâmica de buracos negros, porém mesmo nesse caso essa relação não tem uma demonstração (é apenas uma identificação por analogia).

A questão é que não se pode ainda usar as técnicas da teoria da informação para calcular as entropias desses supostos sistemas termodinâmicos do espaço-tempo. Como vimos, a entropia é uma medida de falta de informação. Como horizontes bloqueiam observadores de obter acesso a regiões do espaço-tempo, eles são candidatos naturais a ter entropia: eles escondem informação sobre tudo que acontece dentro deles. Mas exatamente que informação está faltando? No caso de um gás de partículas, nós sabemos: são as posições e velocidades de cada partícula que não foram medidas. E no caso de buracos negros ou do horizonte de Rindler?

Para o caso de buracos negros é um completo mistério. É ainda mais complicado porque a noção de entropia como desordem para buracos negros é falha, e também a noção de que a entropia contaria graus de liberdade internos tem se mostrado confusa. O interior de um buraco negro pode conter inclusive um universo inteiro (a chamada solução de Oppenheimer-Synder) que tem infinitos graus de liberdade internos. Não parece que podemos obter qualquer resposta finita para a entropia de um buraco negro se esta estiver associada a graus de liberdade. Para o horizonte de Rindler é menos complicado, em especial porque é possível demonstrar que de fato o vácuo do observador inercial tem uma entropia S associada a ele quando visto de um observador acelerado, mas como mostrar que essa entropia é proporcional a área do cone de luz ainda é um mistério.

Essa é portanto a história do que sabe até o momento a respeito do problema dessas curiosas relações entre a gravidade e a termodinâmica. Um terreno fértil para idéias novas, onde muita coisa ainda precisa ser esclarecida.

Nota

Jacobson, Ted. Phys. Rev. Lett. 75, 1260-1263 (1995), arxiv:gr-qc/9504004.
Esse limite é possível porque a órbita de um partícula acelerada tende ao cone de luz no limite em que a aceleração vai a infinito.

Google Hoje

2008-09-10T13:35:00.001-04:00

Observatório da Imprensa

2008-09-10T10:37:00.009-04:00

De longe venho observando a frenesi que tomou conta repentinamente da mídia a respeito do LHC. Físicos profissionais e estudantes como eu que já estão a anos envolvidos com a ciência do LHC devem estar em parte felizes, mas em parte muito tristes (eu certamente estou confuso). A felicidade, naturalmente, é de ver a nossa paixão repentinamente causar tamanho interesse, e claro, há boas razões: o LHC poderá revelar o mecanismo físico por de trás da massa dos bósons W, Z e possivelmente dos léptons e quarks; poderá abrir a porta para compreensão de porque a escala eletrofraca (10² GeV) é tão pequena em comparação com a escala gravitacional (10¹⁹ GeV); poderá descobrir se o universo tem mais que 3 dimensões espaciais, sendo as dimensões extras de tamanho subatômico; poderá revelar se a Relatividade Especial é apenas um pedaço de uma simetria ainda maior na Natureza chamada supersimetria; poderá finalmente produzir em laboratório a matéria escura, que é responsável por cerca de 25% de toda a densidade de energia do universo; poderá produzir mini-buracos negros que permitiriam estudar finalmente efeitos da gravidade na mecânica quântica, como a radiação Hawking. Enfim, estamos todos muito excitados!

Mas a tristeza é ver que o interesse repentino da mídia em nada tem a ver com as boas razões que mencionei acima. Quase totalidade dos programas de TV e publicações de jornais e revistas sobre o LHC vem distorcendo a ciência.

Primeiro, são passagens como:

O lançamento é o maior experimento da história da física para entender a origem do universo. (Yahoo Notícias)

Cientistas testam com sucesso máquina que tenta reproduzir o Big Bang (Folha de S. Paulo)

'Máquina do Big Bang' só deve produzir resultados em 2009 (Globo Notícias)

Uau! Os físicos vão fazer um Big Bang em laboratório e outros absurdos. E pior: mesmo alguns físicos de partículas ajudaram essa propaganda.

Na realidade, de modo algum o LHC é um simulador de Big Bang no sentido literal do termo, então a mídia deveria tomar muito cuidado, principalmente na escolha da manchete. Para começar, o universo primordial é composto por altíssima densidade de uma sopa primordial de partículas elementares de vários tipos interagindo umas com as outras e com um campo gravitacional. O LHC não é um simulador de Big Bang: ele reage apenas feixes de prótons a baixa densidade e na ausência de um campo gravitacional — portanto, condições muito diferentes do universo primordial —, e tampouco ele "simula um Big Bang" no sentido da criação do universo propriamente dita. Contudo, de fato os experimentos poderão talvez ajudar na compreensão do universo primordial. Por exemplo, o LHC talvez possa descobrir matéria escura e obter as taxas de reações dessas partículas. Isso pode acontecer se o LHC descobrir a supersimetria e medir parte dos parâmetros do modelo supersimétrico. Nesse caso, poderemos utilizar os resultados experimentais do LHC para estudar a produção da matéria escura no início do universo (contas que na realidade já foram feitas!). O LHC também poderá fornecer a explicação para o problema da assimetria matéria-antimatéria no universo, dependendo se for possível medir efeitos da chamada violação carga-paridade (CP) em partículas novas (a serem descobertas do LHC). Em poucas palavras, o que o LHC estuda são reações na escala de 10^-16cm, que então podem ser usadas para fazer contas no modelo do Big Bang sobre a produção de partículas que foram descobertas no LHC, igual como se usa física nuclear para calcular a nucleossíntese primordial. Nesse sentido, o LHC é tanto "máquina do Big Bang" quanto qualquer acelerador de núcleos dos anos 30. Mas pouco aprenderemos sobre o Big Bang propriamente dito, isto é, o modelo de criação do universo usado na Relatividade Geral. O LHC estudará uma faixa de energia que já é sabido ter pouca importância para a Cosmologia (a chamada transição de fase eletrofraca). O LHC entra apenas fornecendo as partículas que devemos colocar dentro do Big Bang.

Segundo, é essa insistência infundada de mencionar os tais cenários de destruição da Terra, que aparece em praticamente todos os jornais:

Alguns céticos disseram temer que a colisão dos prótons pudesse provocar o fim do mundo. (Agência Reuters)

Opa, céticos? Não, lunáticos, é bem diferente. Você chamaria de cético alguém que diz que a gravidade não existe, e que não precisa ter medo de cair da beirada de um precipício? Não, né? Mesma coisa.

Também há algumas imprecisões aleatórias, como

Os cientistas esperam fornecer a força necessária para romper os componentes dos átomos a ponto de ser possível ver como eles são feitos. (Yahoo Notícias)

Falso, a estutura dos átomos já foi "quebrada" faz décadas. E continuando na mesma notícia:

O experimento deve repetir trilhões de vezes o momento ocorrido cerca de 15 bilhões de anos atrás quando, conforme crêem os cosmólogos, um objeto incrivelmente denso e quente do tamanho de uma moeda explodiu, expandindo-se rapidamente para criar as estrelas, os planetas e, um dia, a vida na Terra.

O que só serve para difundir conceitos errados sobre o Big Bang.

Daí eu fico triste: a cobertura da mídia está se focando em 1) a idéia, que chama realmente muita atenção, de que o LHC "simula um Big Bang" (falso!) e 2) a possibilidade do LHC destruir o planeta, ao invés de estar focada nas várias boas razões para o LHC que mencionei no início do post, e que são as verdadeiras razões que levam quase todos os físicos a apoiarem o experimento. A verdadeira motivação para o LHC se resume nisso: podemos entender que todos seres vivos macroscópicos são compostos de células, as células de substâncias químicas, as substâncias químicas de átomos, os átomos de prótons, nêutrons e elétrons, os prótons e nêutrons de quarks, e agora queremos saber ainda mais sobre a natureza dos quarks, elétrons e outras partículas que compõe tudo que existe no Universo. Queremos saber onde vai parar essa cadeia de explicações, "tudo é feito de ..." para poder entender o Universo.

Poderemos ver o efeito Hawking finalmente?

2008-09-05T20:30:00.006-04:00

Ontem tomei conhecimento de um promissor trabalho recente de Katherine Mack (U. Princeton) e Daniel Wesley (DAMTP, Cambridge) onde uma análise detalhada foi feita da possibilidade de observar a radiação Hawking.

Para começar a história, [era uma vez] olhamos a época do universo logo depois que a radiação cósmica de fundo deixou de estar em equilíbrio térmico com os elétrons e prótons (instante em que isso acontece é chamado de superfície de último espalhamento), quando o hidrogênio, hélio, a matéria escura, começaram a se aglutinar pela atração gravitacional para a formação das primeiras estrelas e galáxias. Essa época do universo é chamada de Idade das Trevas, pois a matéria não estava emitindo luz espontaneamente, e por isso parecia pouco provável que se obteria informação através de medidas astronômicas sobre o que ocorreu nessa etapa de evolução do cosmos. Porém, uma idéia antiga parece ter se tornado viável de observar com a tecnologia atual, que consiste em usar uma certa emissão eletromagnética do átomo de hidrogênio com comprimento de onda de 21 cm, chamada em surto de criatividade, de linha 21 cm.

Pois bem, as características da emissão dessa onda eletromagnética pelo hidrogênio no universo primordial depende de forma muito sensível da temperatura do meio intergalático (que contém hidrogênio). Segundo os cálculos de Mack e Wesley, se já existiam buracos negros mesmo antes da formação das galáxias com massas entre 5× 10¹⁰kg — mil vezes menor que o cometa Halley, bem mais leve que a Terra ou a Lua — e 10¹⁴ kg, a emissão de fótons e elétrons-pósitrons por radiação Hawking destes buracos negros reaqueceria o hidrogênio de forma a criar uma pequena e observável diferença na emissão da linha 21cm na Idade das Trevas. Dessa forma, no futuro, talvez seja possível finalmente observar a radiação Hawking!

Os experimentos propostos atualmente não teriam sensibilidade ainda suficiente para observar o efeito, mas uma segunda geração mais precisa, como estimado pelos autores, seria. Eles fazem a estimativa imaginando uma atualização de um dos experimentos já propostos, o Square Kilometer Array (SKA), previsto para começar em 2012. Se esta atualização é possível mesmo é complicado determinar nesse momento.

E claro, há uma hipótese grande extra aqui: a formação de buracos negros por um processo que não é o colapso gravitacional de estrelas (lembre: estes aqui se formaram antes das galáxias e estrelas). Modelos que prevém a existência destes buracos negros existem, então é uma excelente idéia ir buscar esses monstros nos dados da rádio astronomia, e quem sabe fazer uma descoberta fundamental sobre a gravidade.

Novo documentário fala sobre a caça ao Higgs no Fermilab

2008-09-04T10:52:00.002-04:00

Veja o trailer:

http://137films.org/films/theatomsmashers/trailer.php

Pelo que entendi, é um documentário focado sobre a caça ao Higgs no Fermilab. Contém informações sobre o funcionamento do acelerador, física de partículas e também debate a política de incentivo a pesquisa. Em abril desse ano eu tive a oportunidade de assistir a palestra de uma das pessoas que trabalha nessa investigação, o Ben Kilminster, que aparece no documentário (andando de patins e atrás de um quadro branco). Ficou claro que o Fermilab tem muito pouca chance de detectar o Higgs: o ruído é grande demais, a remoção deste atualmente é confiada numa rede neural, e vai demorar ainda mais dois anos para eles chegarem a ter sensibilidade suficiente para poder excluir o Higgs do Modelo Padrão.

Descobridores do grafeno ganham prêmio

2008-09-03T09:10:00.003-04:00

http://physicsworld.com/cws/article/news/35665

Andre Geim e Kostya Novoselov da Universidade de Manchester, Inglaterra, receberam o prêmio de €10.000 da Sociedade de Física da Europa pela descoberta do grafeno em 2004. O grafeno é uma folha de átomos de carbono de apenas 1 átomo de espessura, e atraiu grande interesse quando foi descoberto em 2004 porque é possível montar um certo tipo de transistor com o material onde os elétrons se movem mais rápido do que no silício. Ano passado, um grupo liderado por Charles Marcus em Harvard construiu a primeira junção p-n de grafeno, que é parte do esquema necessário para um transistor. Os físicos dessa área estão dizendo que talvez estejam em face ao desenvolvimento de novos transistores comerciais mais rápidos que os atuais.

O Efeito Unruh

2008-08-29T12:50:00.009-04:00

Continuando as postagens sobre termodinâmica do espaço-tempo, essa é sobre uma descoberta curiosíssima devida a Bill (William) Unruh em 1976, um ano depois da descoberta da radiação Hawking [1].

Existência de partículas depende do observador

Nós temos uma noção intuitiva do que é uma partícula, porém somente em 1939 que Eugene Wigner deu uma definição matemática concreta para o que é uma partícula [2]. A definição matemática eu vou deixar de lado aqui, e notar apenas duas coisas importantes:

O conceito depende explicitamente de uma escolha de coordenada de tempo [3]. Para a simetria de Galileu, como aquela presente nas leis de Newton, isso não é um problema, pois todos os observadores do universo concordam que o intervalo de tempo entre dois eventos físicos é o mesmo. No entanto, isso só é verdade como uma aproximação. Por exemplo, suponha que há vários múons sentados (em repouso) em cima da mesa onde está o seu computador. Com relação ao relógio do computador, os múons decaem radioativamente em média de 10^-6 segundos. No entanto, quando estamos observando múons vindo a alta velocidade da alta atmosfera em direção ao chão — agora estamos vendo os múons do referencial em que estão em movimento — eles vivem mais que 10^-3 segundos (isso é um fato experimental). Assim, dois observadores diferentes não concordam entre quanto tempo leva para um múon decair.

Uma vez feita a identificação matemática do que significa uma partícula, pode-se introduzir um observável que conta quantas partículas existem no sistema. Com isso pode-se calcular, por exemplo, quantos elétrons N(θ) em média devem ser encontrados em um certo ângulo θ no experimento do espalhamento Compton dentro de uma certa área A naquele ângulo vista a uma certa distância r de onde ocorre o espalhamento. A concordância entre o cálculo e o efeito associado a "encontrar um elétron naquele ângulo" é perfeita [4].

Por causa que dois observadores diferentes não necessariamente concordam com o intervalo de tempo entre dois eventos físicos, eles também não conseguem concordar sobre a existência de partículas. Em 76, Bill Unruh mostrou, por exemplo, que se o observador S mede o universo no estado de vácuo, ou seja, ele tem que o número de partículas no universo é zero, então qualquer observador K que se move com relação a S com uma aceleração a mede N no universo como sendo diferente de zero, para K o universo está completamente preenchido de partículas em equilíbrio térmico e na temperatura

Se concordamos então que o que chamamos de N mede o número de partículas no experimento do efeito Compton, somos obrigados a concordar que o valor de N em um determinado estado fixo depende do observador.

Essa é uma previsão direta da mecânica quântica, sem firulas. Ela não pôde ser ainda confirmada porque a temperatura é muito baixa para acelerações razoáveis [5].

A conclusão, portanto, é a seguinte: se o universo estiver vazio (sem nenhuma partícula) como visto por um observador inercial, então um observador acelerado em relação a este referencial percebe o universo como um corpo negro de temperatura proporcional a aceleração.

Se o espaço e o tempo tem uma temperatura associada, então talvez tenham uma entropia. Como isso é possível? O espaço e o tempo vazio tem uma temperatura e entropia?

Horizonte de Rindler

O segredo está no que acontece com o observador acelerado.

Diagrama t-x (C. Misner, K. Thorne, J.A. Wheeler, Gravitation, Freeman Co., sem permissão)

No diagrama, a curva grossa é a trajetória t(x) de um corpo com aceleração constante a. Nesse diagrama, a velocidade da luz tem valor 1. Sendo assim, as linhas retas t = x + b, t = -x + b são as linhas por onde a luz se propaga. Qualquer sinal físico entre um ponto a outro só pode ser transmitido com inclinação igual ou maior que 1. Portanto, qualquer sinal emitido na região II jamais chega ao observador acelerado, mas o observador pode enviar sinais para essa região. Sinais na região IV podem atingir o observador, mas ele não pode emitir sinais para essa região. A região III está completamente incomunicável com o observador, para qualquer tempo futuro. Sendo assim, um observador acelerado, por causa da finitude da velocidade da luz, não tem como obter informação sobre todo o espaço-tempo. Qualquer raio de luz que ele vê passar para a região II jamais retorna. Nesse sentido, as linhas tracejadas que delimitam a interface entre as regiões I, IV e II definem um horizonte de eventos para o observador acelerado, similar (mas não idêntico) ao horizonte de eventos de um buraco negro. Então parece que a termodinâmica de buracos negros é só a ponta do iceberg da relação entre Termodinâmica e espaço-tempo.

Agora já temos parte dos conceitos necessários para entender que parece existir uma relação íntima entre a Termodinâmica e a própria Relatividade Geral. Isso fica para um próximo post, quando vou falar sobre teoria de informação aplicada aos horizontes de eventos e a descoberta de Ted Jacobson de que a Relatividade Geral é uma equação de estado da Termodinâmica.

Notas e referências

W. G. Unruh, Phys Rev D 14, 4, 870 (1976).
E. P. Wigner, Ann. Math. 40 149 (1939).
Para benefícios dos físicos que porventuram estiverem a ler isso: uma partícula é definida como um auto-estado de H e P, e H é definido como o gerador de translações temporais U(t). Escolhas diferentes da coordenada t representam escolhas diferentes do operador H.
E.g. R. P. Singhal, A. J. Burns, Am. J. Phys. 46, 6, 646 (1978).
George Matsas e Daniel Vanzella, que são experts nessa área, afirmam que não faz sentido buscar testes experimentais da radiação Unruh (Int.J.Mod.Phys.D11:1573-1578,2002; ou arxiv:0710.5373). O argumento deles: embora a escolha de partículas depende do referencial, a descrição é completamente covariante, portanto sempre é possível escolher um referencial em que o efeito Unruh desaparece. Isso é verdade, mas discordo que isso signifique não ser necessário medir o efeito: é importante demonstrar experimentalmente que a nossa definição de partículas, que leva a definição do número de ocupação N, realmente concorda com a realidade da Natureza, independente da escolha de referencial. O efeito de fato é automático, é uma previsão da teoria, mas precisa ser testado como qualquer outro efeito.

Informação e entropia

2008-08-24T13:47:00.019-04:00

Eu comentei antes brevemente sobre informação e entropia, mas não dei uma explicação satisfatória. Aqui eu pretendo explicar melhor para semana que vem continuar a falar sobre a termodinâmica do espaço-tempo.

Medida de informação

Suponhamos que queremos definir objetivamente o conteúdo de informação de uma mensagem. Para isso vamos definir uma medida de informação. Em matemática, medida pode ser definida de forma axiomática e abstrata, todavia por aqui vamos apenas nos conformar com o fato de que volume de um sóido, área de um polígono e comprimento de uma curva são exemplos de medidas. Queremos então uma fórmula para o volume de informação que uma mensagem tem. Esse problema surgiu pela primeira vez na engenharia de comunicação, e foi resolvido na tese de doutorado de Claude Shannon. Nós sempre podemos formular o problema da seguinte forma: considere um canal de comunicação que transmite mensagens em um certo código (e.g. binário/digital, ou Morse, ou a modulação da freqüência de ondas eletromagnéticas), e estamos escutando o canal em uma ponta, esperando chegar mensagens. Cada mensagem m tem uma certa probabilidade p_m de ser recebida. Nós queremos que a quantidade de informação de uma mensagem m seja uma função I_m = I(p_m), , com as seguintes propriedades:

I(1) = 0, ou seja, se já sabíamos que a mensagem seria recebida (a mensagem tem probabilidade 1), nenhuma informação foi ganha.
I é decrescente no intervalo [0,1], ou seja, quanto menos achávamos provável receber a mensagem, mais informação ganhamos ao recebê-la.
Se recebemos duas mensagens (estatisticamente independentes) em sucessão, a quantidade de informação ganha é a soma da informação contida em cada mensagem: I(pq) = I(p) + I(q).

É um problema de cálculo determinar a função I das hipóteses 1-3. Você pode escrever a equação diferencial que satisfaz (3) usando (1) como condição inicial. A resposta é

I(p) = -k log p

para uma constante arbitrária k. No caso da comunicação digital, é conveniente definir k de modo que

I(p) = -log₂p

pois assim a quantidade informação continda numa mensagem de N bits é I(1/2^N) = N, de acordo com a nossa intuição.

Falta de informação média e entropia

Agora considere o caso de uma linha de átomos, cada átomo com um momento magnético que pode apontar para cima ou para baixo, ou então uma seqüência de moedas, cada uma podendo estar na posição cara ou coroa. Em princípio, um experimentador poderia medir simultaneamente a direção de todos os spins da cadeia, ou fotografar a seqüência de moedas por inteiro. Isso permitiria determinar completamente o estado do sistema, que vamos chamar estado microscópico. Se a cadeia se organiza aleatoriamente (ou as moedas foram todas jogadas aleatoriamente para cima antes de cair no seu lugar na seqüência), então para cada estado possível m da cadeia há uma probabilidade p_m do experimentador encontrar a cadeia naquele estado. Observe que não precisamos supor nada sobre essa distribuição de probabilidades: pode ser que a chance de obter cara seja 1/2, mas pode ser que seja 1/6 (moeda enviesada). O único requisito é que

ou seja, as probabilidades estão normalizadas para 100%. Se o experimentador deixou de medir a cadeia de spins no estado m, então a quantidade de informação perdida é dada por

I_m = -k log p_m

Portanto, a quantidade média de informação perdida do sistema se o experimentador não realizar nenhuma medida, é

Suponha que o sistema pode ser encontrado em um total de W estados, o que na física é chamado de o espaço de fases do sistema. Para o nosso sistema de spin ou moedas, W = 2^N (a determinação de W é um problema de combinatória ). Agora queremos saber qual é a quantidade máxima de informação que perdemos por não termos realizado nenhum dos possíveis experimentos que determina o estado microscópico do sistema. Isso é um problema de cálculo que no Brasil é apresentando em geral no curso universitário Cálculo II: encontrar o máximo da função de várias variáveis p_m. Isso permite determinar qual a distribuição de probabilidades sem assumir nenhum conhecimento prévio sobre o sistema. De acordo com a intuição, essa distribuição deveria ser p = 1/W, e de fato é esse o resultado do cálculo [1]:

que é a fórmula de Boltzmann. Como prometido, esta ai demonstrado matematicamente que entropia é a quantidade de informação perdida quando deixamos de fazer todas as medidas possíveis que determinariam o estado microscópico do sistema. Da definição de S dada pela equação acima podemos demonstrar todas as suas propriedades, como concavidade (a segunda lei da Termodinâmica), extensividade, etc.

O significado informacional da temperatura, pressão e potencial químico

Toda a Termodinâmica é um caso particular de um problema matemático da teoria de informação. Na Termodinâmica dos gases, por exemplo, nós temos um sistema físico composto de N partículas, cada partícula com uma energia ε, e todas as partículas juntas ocupam um volume total V. Nós poderíamos, em princípio, medir experimentalmente a posição e a velocidade de cada partícula. Mas como em um gás há ~ 10²³ partículas, isso seria uma tarefa hercúlea. No lugar disso, nós vamos dizer que as partículas podem estar com uma certa distribuição de probabilidades com uma dada velocidade e posição, e a única coisa que sabemos é o valor estatístico médio de certas variáveis. Por exemplo,

que é o valor médio estatístico da energia. Nós não sabemos a priori qual a probabilidade p_n do sistema ter energia E_n. Nesse caso, a quantidade máxima de informação perdida (para não assumir nenhum conhecimento que não possuímos sobre o sistema) precisa ser calculada levando em conta que já sabemos o valor médio da energia, do volume e o número de partículas do sistema. Isso é o que se chama de um cálculo de maximização com vínculos. Lagrange mostrou que nesse caso vai existir um conjunto de parâmetros, chamados os multiplicadores de Lagrange, um para cada vínculo do sistema. O vínculo da energia introduz um parâmetro que é chamado de temperatura, o do volume, pressão, e o número de partículas, potencial químico. A temperatura de um sistema é o multiplicador de Lagrange da falta de informação máxima dada a energia fixa do sistema. [2]

Nota final: revisitando entropia e desordem, e matando de vez por todas o clichê criacionista

Como expliquei no blog antes, o sistema magnético é um exemplo de sistema onde maior entropia significa maior ordem (e não desordem). Primeiro, vou explicar com outras palavras para que fique mais claro.

Considere um gás ideal com N partículas em um recipiente V. Pela fórmula da entropia,

, onde f é uma função de outras variáveis que não nos interessam no momento. Você nunca vai encontrar o gás em um volume V/2, porque , e a segunda lei da termodinâmica diz que dados os vínculos do sistema, ele assume os valores de temperatura, pressão, etc., de modo que S seja máxima. É possível dar uma interpretação intuitiva para isso, dizendo que se o gás ocupasse um volume V/2 ele estaria "mais organizado" do que se ele ocupasse um volume V. Sem precisar continuar, no entanto, eu posso agora mesmo apontar uma falha nessa interpretação. Observe que a entropia de V/2 é menor que V independente de como as partículas estão distribuídas. Em geral, as pessoas imaginam que V/2 seria algo como todas as partículas ocupando uma parte a esquerda (ou a direita que seja) do recipiente. Mas se todas as partículas estivessem ocupando um fractal maluco de volume V/2 dentro de V, a entropia do volume V/2 ainda seria a mesma. Mas vamos ignorar isso. Vamos aplicar a mesma lógica aos imãs. Nesse caso, se o sistema tem uma magnetização M (que é o campo magnético do imã) não nula, então o sistema tem que ter uma ordem parcial dos spins: eles precisam estar em média estatística ordenados apontando na direção do campo total M, que nada mais é que a soma dos spins de todos os átomos. E para a temperatura abaixo da temperatura de Curie (i.e. quando o imã existe!), esse é o estado de equilíbrio do sistema. Portanto, , pela segunda lei da Termodinâmica. Mas o estado com M = 0 é exatamente o estado mais desordenado, onde os spins apontam aleatoriamente sem nenhuma correlação entre eles. Não estou comparando aqui um estado de equilíbrio com outro estado de equilíbrio (não é assim que se faz a maximização de S), estou imaginando que o sistema estava inicialmente em uma condição em que o equilíbrio era atingindo por um estado parcialmente organizado (como tem que ser se M for não nulo, ou seja, o material é um imã), e fazendo um "deslocamento virtual" para um estado em que ele está mais desorganizado. A probabilidade de encontrar o sistema no estado mais desorganizado vai a zero, a medida que o sistema é mais desorganizado (do mesmo modo que encontrar um gás com todas as partículas num cubo de volume V/2 na metade de um recipiente retangular de volume V tem probabilidade zero).

Isso mostra que não podemos utilizar a intuição de desordem para atribuir entropia. Não podemos dizer, por exemplo, que a molécula de DNA em meio aquoso possui menos entropia que os nucleotídios separados em meio aquoso. Para poder determinar se a entropia do DNA é maior ou menor, precisamos fazer a conta, meu filho, e isto representa contar todos os estados acessíveis ao DNA e usar a fórmula de Boltzmann.

Nota

Na Wikipedia há um artigo que mostra como fazer esse cálculo. Você também pode aprender um pouco mais sobre teoria de informação lá.
Os cálculos detalhados e uma argumentação brilhante de porque a Termodinâmica é nada mais que um problema da teoria de informação, pode ser encontrado nos artigos de E. T. Jaynes Phys. Rev. 106, 620 - 630 (1957); Phys. Rev. 108, 171 - 190 (1957), ou então no livro E. T. Jaynes, Probability Theory, ou também alguns livros de física estatística, como do Roger Balian, From microphysics to macrophysics, Springer.

Igreja universal é condenada por explorar deficiente mental

2008-08-21T22:26:00.007-04:00

http://www1.folha.uol.com.br/folha/cotidiano/ult95u436429.shtml

Os filha da puta vivem arrumando desculpa

e motivos pra te pegar, te usar, e depois te desprezar
Te tomam tudo, a vida, a grana e a alma
E ainda querem que você tenha calma
Por isso eu vou falar (pode falar)
Vou contar (pode contar)
Sobre os filha da puta que só querem te roubar
Fundam uma igreja ora vejam, onde já se viu
Enriquecer com a fé alheia (puta-que-pariu)
E é inútil tentarmos abrir os olhos do povo
Pois se um abre os olhos, mil olhos fecham de novo.
E eles dizem que você está com o demônio,
mas o demônio habita no seu patrimônio.
E eles farão o favor de tomar toda sua grana,
porque a grana pra eles é uma coisa profana
Só que aí, o demônio vai parar com quem?
No bolso do filha da puta que fica rico dizendo amém!

(Gabriel O Pensador, fdp³)

Essa não é a primeira ação do mesmo gênero. Pessoas que doaram para a Universal, Reino de Deus, Renascer e a Igreja Católica, já entraram com processos na justiça. Uns anos atrás a Folha fez um levantamento de alguns desses processos mais curiosos. Entre eles, havia o caso de um pedreiro, que solicitou a troca de uma escada para fazer serviço numa igreja da Universal, porque a que o pastor arranjou não ia sustentá-lo. Ao que o pastor insistiu: "Se tens fé, não cairás". O pedreiro teve traumatismo e quebrou vários ossos. Processou depois a Igreja.

Esse é o primeiro que eu tenho notícia em que uma igreja foi condenada.

Em geral, no Brasil, entende-se que o contrato entre a instituição religiosa e o crente não é como um contrato de consumidor-vendedor, então mesmo que o pastor tenha convencido (como é público e notório que eles fazem para qualquer um que já assistiu os programas evangélicos de madrugada na TV) que pode resolver os problemas da pessoa de desemprego, relacionamento amoroso, familiar, uso de drogas, etc., através da participação do indivíduo nos cultos e no dízimo, e que esse problema (obviamente) não foi resolvido, a pessoa não tem nenhum amparo legal para depois reivindicar o dinheiro investido, no caso raríssimo de um surto de lucidez a tenha tomado após os acontecimentos.

A propósito, a Universal comemorou seus 30 anos no ano passado. A Folha presenteou a Igreja com uma reportagem sobre seu império econômico, mas isso não é desconhecido de ontem. Isso já vem desde aquele escândalo do líder da igreja, Edir Macedo, pego pelos repórteres do Jornal Nacional em 95 ensinando os seus pastores a explorar (oops, pedir enfaticamente e de forma convincente dinheiro a) seus fiéis. A Igreja é dona de duas redes de TV nacionais, e para lá de mais de 30 estações de rádios.

E o escândalo da Renascer? Esse é tão fresco que não precisa relembrar nada.

Ainda assim, as igrejas continuam inabaláveis.

Termodinâmica de buracos negros

2008-08-20T17:45:00.011-04:00

Depois de um projeto que não deu muito certo para estudar a analogia entre eletrodinâmica quântica em 2 dimensões e a constante cosmológica, passei a estudar no último mês o assunto da relação entre termodinâmica e espaço-tempo, e estou achando cada vez mais pérolas sobre o assunto. Vou falar nos próximos posts aos poucos sobre o que se trata.

Tudo começou com os estudos de Stephen Hawking e alguns colaboradores sobre buracos negros. Primeiro, Hawking e independentemente dele D. Christodoulou e R. Ruffini em 1971 descobriram que a área total de um buraco negro só pode crescer ou permanecer constante. Inicialmente, a análise deles considerava a validade das equações da Relatividade Geral, porém trabalhos posteriores de Hawking, Roger Penrose e especialmente de Robert Wald, deixaram claro que isso é um fato bastante genérico de qualquer espaço-tempo onde vale uma certa condição de causalidade (chamada de hiperbolicidade global) e onde há uma certa noção de espaço-tempo incompleto (a noção de singularidade dos buracos negros), mesmo que a Relatividade Geral não seja válida.

A lei do aumento da área é curiosamente similar com a lei de que a entropia de um sistema físico de energia e volume fixos deve sempre crescer ou permanecer constante. Uma propriedade especial dos buracos negros garante que se possa definir uma noção de energia total que se conserva, em analogia com a primeira lei da Termodinâmica. Em 1973, Hawking, J. M. Bardeen e B. Carter mostraram que havia uma analogia completa entre as quatro leis da Termodinâmica e a dinâmica de buracos negros (quatro porque inclui-se a lei zero):

a) A lei de conservação da energia de buracos negros pode ser escrita na mesma forma da primeira lei da termodinâmica,

fazendo identificações: a energia interna U é identificada com Mc², a temperatura T é identificada com a força gravitacional em cima do buraco negro, a entropia S é proporcional a área A do buraco negro e o trabalho W é identificado com o torque que provoca a alteração do momento angular. (Na fórmula acima já foi feita a aproximação quase-estática de que calor é TΔS)

b) é (Segunda Lei)

c) A força gravitacional na superfície do buraco negro nunca se anula, análogo a terceira lei do zero absoluto.

d) A força gravitacional na superfície de um buraco negro estacionário é constante ao longo da superfície, assim como a temperatura de um corpo em equilíbrio térmico é constante ao longo do corpo (Lei Zero).

Até 1975 esses resultados pareciam apenas simples coincidência. No artigo de 73 de Hawking, Bardeen e Carter, eles expressam claramente o sentimento deles na época:

Pode-se ver que κ/8π [a força gravitacional na superfície do buraco negro] é análoga a temperatura do mesmo modo que A [área] é análoga a entropia. No entanto, deve ser enfatizado que κ/8π e A são distintas da temperatura e da entropia do buraco negro. De fato, a temperatura efetiva de um buraco negro é zero absoluto. Uma forma de ver isso, é notar que um buraco negro não pode estar em equilíbrio com radiação de corpo negro em nenhuma temperatura não-nula, porque nenhuma radiação pode ser emitida do buraco negro[grifo meu]

Em 1975, Hawking descobriu que eles não estavam corretos nessas afirmações. O que eles deixaram de fora eram as correções da mecânica quântica (ou mais precisamente, da teoria quântica de campos). Quando se leva em consideração a mecânica quântica, buracos negros vistos por um observador muito distante, agem como um corpo negro que emite radiação com a temperatura κ/2π. Em unidades do SI, um buraco negro eletricamente neutro de massa M sem rotação está em equilíbrio térmico a temperatura

Essa é, sem dúvidas, uma das fórmulas mais maravilhosas da Física. Esta fórmula é:

Um fenômeno puramente quântico, como se vê da presença da constante de Planck
Relativística, pela dependência na velocidade da luz
Gravitacional, pois depende da constante da gravitação universal de Newton
Resultado da mecânica estatística, como se nota pela constante de Boltzmann.

Que outro fenômeno conhecido da Física incorpora gravitação, mecânica quântica, mecânica estatística e relatividade? Eu não conheço nenhum outro!

A radiação térmica de buracos negros é conhecida como radiação Hawking. Devido a conservação da energia, a medida que o buraco negro emite radiação ele diminui gradativamente toda a sua carga elétrica, momento angular e massa, até deixar de existir por completo. Isso é um pouco misterioso na mecânica quântica, pois uma lei fundamental da teoria é a da conservação da probabilidade. Se inicialmente tivermos um sistema descrito por uma distribuição de probabilidade que está corretamente normalizada para ter área igual a 1 (i.e. a soma da probabilidade de todos os eventos possíveis é 100%) e uma parte do sistema cai no buraco negro, então após a evaporação a probabilidade engolida desaparece, violando a conservação da probabilidade. Isso é conhecido como o problema da perda de informação em buracos negros.

Mas nos próximos posts eu tentarei explorar o seguinte: a) de onde vem a radiação Hawking? Qual o processo físico que provoca a evaporação? e b) como a Relatividade Geral clássica já sabia disso? Como a teoria clássica da gravitação já corretamente incorporava a força gravitacional na superfície do buraco negro como uma temperatura associada a entropia proporcional a área?

Pesquisadores criam robô com cérebro biológico

2008-08-14T20:07:00.008-04:00

Pesquisadores da Universidade de Reading na Inglaterra, criaram um robô que é exclusivamente operado por um cérebro biológico. O cérebro é uma cultura de neurônios de ratos colocada numa malha em formato de disco com cerca de 60 eletrodos. Os eletrodos captam sinais dos neurônios que então são utilizados para comandar o movimento do robô. E quando o robô se aproxima de um objeto, sinais são enviados para os eletrodos para excitar os neurônios. O robô não utiliza nenhuma outra fonte de comando, seja de um computador externo ou humano. No momento, os pesquisadores estão brincando com a invenção, vendo se ele pode aprender e memorizar. Daqui a dois dias sairá uma matéria na New Scientist sobre o robô, batizado de Gordon.

Interfaces de sistemas biológicos com máquinas não é uma completa novidade, no entanto. Em 1952, Alan Hodgkin e Andrew Huxley descreveram o primeiro modelo matemático da sinapse do neurônio (mais precisamente, do potencial de ação dos canais de íons de sódio e potássio). Eles receberam o Prêmio Nobel de Medicina pelo trabalho. O modelo de Hodgkin-Huxley, como veio a ser chamado, é um sistema dinâmico, um conjunto de equações diferenciais ordinárias não-lineares acopladas, que apresenta caos. Com o modelo de Hodgkin-Huxley, já havia sido idealizada e realizada a comunicação de neurônios reais com neurônios simulados em computadores: quer dizer, neurônios de um animal são acoplados a eletrodos que respondem de acordo com as equações de Hodgkin-Huxley, sendo estas simuladas em um computador. Não sei se o corpo de Gordon responde supondo que está se comunicando com neurônios que podem ser descritos por um modelo de Hodgkin-Huxley (uma versão atualizada do modelo!), mas não ficaria surpreso se o princípio de funcionamento do robô seja exatamente esse.

No Brasil, inclusive, há um grupo de pesquisa no Instituto de Física da Universidade de São Paulo com experimentos desse tipo, liderados pelo Prof. Dr. Reynaldo Pinto, que é a pessoa certa para comentar sobre o experimento da Universidade de Reading. O grupo da USP colabora com um outro grupo similar na Universidade da Califórnia em São Diego (UCSD), no Institute for Nonlinear Science. O grupo da UCSD já havia construído circuitos híbridos de neurônios biológicos de lagostas com modelos matemáticos simulados por computador no ano 2000.

Mais também na Folha de S. Paulo.

Atualização: 15/08, embora a revista da New Scientist ainda esteja por ser impressa, a matéria já está disponível online. Vale a pena dar uma olhada na matéria da New Scientist, pois contém um vídeo mostrando como o robô se comporta.

LHC anuncia primeira data

2008-08-08T10:37:00.010-04:00

OK, as duas últimas semanas foram muito corridas, fiquei a semana anterior viajando... Mas semana que vem vai acalmar. Aos que lêem o blog respondi (atrasadíssimo!) os comentários no blog, os quais agradeço muito!

Agora, notícia de ontem:

http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR06.08E.html

O LHC deve injetar o primeiro feixe de prótons no dia 10 de setembro. Isso, imagino eu, significa que a máquina deve começar a funcionar lá por outubro. O que será feito em setembro são apenas testes preliminares, sendo que deve decorrer um mês até a primeira colisão ser programada, e talvez em novembro, os experimentos (CMS, ATLAS, etc.) comecem a coletar dados (quer dizer, o experimento começará efetivamente).

Abaixo segue um post breve sobre o LHC.

O que é o LHC?

O LHC (Large Hadron Collider, do inglês, Grande Colisor de Hádrons) essencialmente é um túnel de metal em formato de um círculo de 27 km de circunferência, 100 metros abaixo do solo, recoberto de imãs feitos de supercondutores de nióbio-titânio mantidos a -271.3 °C. Dentro do túnel, dois feixes de prótons circularão a 99.9999991% da velocidade da luz (quando o LHC estiver operando com dois feixes de 7 TeV). Na verdade, os prótons são injetados no círculo por um pré-acelerador a velocidades bem mais baixas, e a força magnética dos imãs supercondutores acelera os prótons até eles chegarem nessa velocidade. Os feixes então são feitos colidir de frente:

O que realmente colide no LHC são os quarks e glúons, pois nessas velocidades, os prótons se comportam como quarks e glúons livres (i.e., quarks e glúons que praticamente não interagem uns com os outros. Isso já era sabido desde o final da década de 60, em virtude de um experimento do SLAC e do MIT). Na colisão, os quarks e glúons se espalham para fora da direção do feixe, e rapidamente formam várias novas partículas: mésons pi em sua maioria, mas também muitos kaons e neutrinos. O produto da reação é então visualizado nos detetores.

Há vários detetores em diferentes pontos do LHC, com finalidades e/ou funcionamento diferentes: CMS, ATLAS, ALICE, LHCb e outros. Os dois primeiros tentarão encontrar o bóson de Higgs, que será produzido no LHC primordialmente através da colisão de dois glúons que formam quarks tops que então decaem para o bóson de Higgs. CMS e ATLAS também vão procurar por qualquer sinal que não seja previsto pelo Modelo Padrão.

O LHCb fará uma medida mais precisa da assimetria matéria-antimatéria presente no Modelo Padrão; o "b" é devido ao fato que eles estudarão as reações de quarks tipo bottom.

Em um segundo estágio, o LHC substituirá os feixes de prótons por feixes de núcleos atômicos. Isso irá permitir estudar a estrutura nuclear a altas energias. Essa estrutura deve adquirir propriedades de um fluido viscoso chamado de plasma de quarks e glúons que ainda foi muito parcamente estudado. ALICE vai providenciar medidas mais precisas desse estado dos núcleos, e consequentemente vai testar com maior precisão a QCD.

O CERN contém brochuras excelentes sobre o LHC:

http://press.web.cern.ch/press/Journalists/Welcome.html

O LHC vai destruir o planeta Terra?

Muito provavelmente não. A histeria coletiva que surgiu na mídia é devido ao seguinte. Em 1998, foi proposta a hipótese de que talvez existam dimensões espaciais extras no universo (além das 3 que vivenciamos quotidianamente) que poderiam ser vistas no LHC. Se isso for verdade e se além disso a constante de gravitação de Newton total (incluíndo as dimensões extras) for bem maior do que o valor que ela tem na seção 3-espacial em que vivemos, então o LHC produzirá buracos negros. Esses buracos negros terão uma massa típica da ~ TeV, ou seja, nada muito mais pesado que um único núcleo de urânio. Para além da região do horizonte de eventos (a área do buraco negro), o campo gravitacional do buraco negro é como de qualquer distribuição clássica de matéria. De fato, o campo gravitacional do Sol externo a ele é o mesmo que aquele gerado por um buraco negro de massa igual a do Sol. Nem por isso, como qualquer um pode ver, a Terra é engolida pelo Sol. O campo gravitacional gerado por um buraco negro produzido no LHC seria muitíssimo pequeno em comparação com as energias cinéticas típicas das partículas nas reações, de modo que ele passaria desapercebido. Além disso, buracos negros evaporam: eles emitem luz através de um processo descoberto por Stephen Hawking (o mago dos buracos negros), e um com uma massa tão pequena, de apenas aproximadamente 10 vezes a massa do núcleo de urânio, evaporaria quase instantaneamente. Essa evaporação que seria o sinal do buraco negro nos detetores do LHC.

Qual o objetivo do LHC?

Rutherford em 1909 realizou o experimento que descobriu que os átomos eram compostos do núcleo e da eletrosfera. Ele demonstrou que o núcleo tinha 10^-13 cm de tamanho típico. De lá para cá, a física foi se envolvendo na descoberta da estrutura última que compõe tudo que existe no universo. O LHC será o primeiro microscópio que visualizará como a Natureza é na escala de tamanho de 10^-16 cm, mil vezes menor que o raio do próton. O objetivo do LHC é obter os fatos experimentais sobre a estrutura da matéria nessa escala de tamanho.

O LHC terá algum impacto tecnológico?

Sim. O LHC já possui um impacto tecnológico tremendo. Não do conhecimento que será produzido diretamente sobre a estrutura da matéria, mas dos desafios tecnológicos que precisam ser superados para o experimento funcionar. E são muitos! Para começar, o LHC já realizou dois avanços: 1) ele possui o maior sistema criogênico já montado e 2) ele possui o maior sistema informatizado de computação distribuída já planejado. O LHC coletará cerca de 15 milhões de gigabytes por ano, que ainda precisa ser processado. A análise dos dados será distribuída sobre diferentes clusters de computadores. Os maiores, pelo que eu saiba, são o do próprio CERN e outro localizado no Fermilab. Cada cluster são várias placas mãe de computadores, cada uma com quatro ou seis (não sei o detalhe da arquitetura que eles estão usando) processadores de última linha ligados em paralelo, e cada placa é ligada uma a outra diretamente. Só no CERN há até agora 30 mil CPUs instaladas, e 16 milhões de gigabytes de discos rígidos. O supercomputador do CERN é ligado a outros supercomputadores por fibras ópticas que transferem dados a 10 gigabits por segundo. O recorde mundial de velocidade de transferência de dados é a linha CERN-Fermilab: 600 megabytes por segundo. Isso é equivalente a transferência de dados de um CD inteiro em apenas 1 segundo da Europa até os EUA. Atualmente, o meu provedor da Internet em casa oferece 3 Megabits por segundo, o que me levaria 125 anos (mais de um século!) para baixar a mesma quantidade de dados que leva 10 dias na conexão do CERN. Nenhuma conexão de rede do planeta, entre quaisquer empresas de telecomunicação ou dentro de uma rede privada, é tão rápida.

O sistema completo é conhecido por grid de computação, e já era idealizado por técnicos de tecnologia de informação há vários anos, mas a colaboração experimental do LHC montou o primeiro do seu tipo de alta eficiência, por necessidade do experimento. Do mesmo modo que o CERN, décadas atrás, foi o berço da Web, ele agora é o berço do que talvez no futuro seja o novo paradigma de sistema de informação. Espera-se que outros cientistas também usarão o grid, para, por exemplo, realizar simulações numéricas do comportamento de moléculas biológicas, que no grid pode tomar apenas alguns anos, mas que antigamente tomaria séculos para ser realizado.

Além disso, há vários problemas ligados a resistência dos mateirais usados nos detetores, a eletrônica dos detectores, a transferência de dados dos experimentos até o supercomputador central do CERN, etc., e tudo isso em um ambiente único na história em tamanho e desafios tecnológicos de informação e eletrônica.

Hoje no arxiv.org

2008-07-25T15:32:00.006-04:00

[post técnico]

chamou-me atenção o artigo,

arxiv:0807.3692

que mostrou o seguinte: um universo FRW com constante cosmológica (CC) e um fluido imperfeito com viscosidade proporcional a 1/H^b, com b> 1 um parâmetro constante e H o parâmetro de Hubble, tende a um universo de Sitter no futuro (quando o fator de escala vai a infinito) com um parâmetro de Hubble H inversamente proporcional a constante cosmológica nua (bare). Assim, é possível colocar uma constante cosmológica muito grande na Lagrangeana e obter um valor pequeno para a constante cosmológica observável, resolvendo o problema da constante cosmológica.

Algo tão simples, porque ninguém pensou nisso antes? Será meio embaraçoso se um fluido imperfeito for responsável pelo pequeno valor observado da CC... todas aquelas contas de superpotenciais na supergravitação de 11 dimensões vão para onde?

As equações de Maxwell e monopolos magnéticos

2008-07-22T09:45:00.017-04:00

Por que existe carga elétrica, mas não existe carga magnética? Ampère e Maxwell mostraram como o campo magnético B se relaciona com uma corrente elétrica (cargas elétricas em movimento). A equação de Ampère-Maxwell no entanto não é suficiente para determinar o campo magnético. É necessária uma equação análoga a lei de Coulomb (ou Gauss), mas como aparentemente não existem cargas magnéticas na Natureza, Maxwell impôs a mesma lei de Gauss para o campo magnético mas com carga zero. No entanto, é possível mostrar que as equações de Maxwell possuem uma simetria: coloque nas equações uma carga magnética

junto com uma corrente de cargas magnéticas. Nesta forma, as equações de Maxwell possuem uma simetria de rotação: se E e B são soluções da equação de Maxwell para as densidades de cargas elétricas e magnéticas , e respectivas correntes, então também é solução das equações os campos E' e B' dados por

onde é uma matriz (operação de) rotação por um ângulo , para cargas elétricas e magnéticas rotacionadas pela mesma operação R. Visto dessa forma, a ausência de cargas magnéticas é uma mera convenção de unidades, uma escolha de definição dos campos elétrico e magnético. Isso não é surpreendente porque quando se muda o referencial, campos magnéticos e elétricos se misturam. A carga magnética introduzida dessa forma é chamada de monopolo magnético de Dirac.

O monopolo de Dirac pode ser eliminado o tanto que o ângulo seja um parâmetro livre, sem nenhum mecanismo particular para fixa-lo. Até hoje, todos os experimentos parecem indicar que sempre podemos eliminar a carga magnética.

Monopolo de 't Hooft e Polyakov

Nos anos 70, Polyakov e 't Hooft descobriram um mecanismo físico que pode fixar o valor do ângulo , implicando na existência de monopolos magnéticos com efeitos físicos.

Já se sabe que as equações de Maxwell são apenas um pedaço de um conjunto maior de equações, que incluem outros campos E_a, B_a além dos campos elétrico e magnético (sendo a = 1,2,3). O conjunto completo de equações é conhecido como a teoria eletrofraca, descoberta por Steven Weinberg e Abdus Salam. A interação entre duas cargas elétricas envolve tanto os campos elétricos e magnéticos quanto os campos fracos E_a, B_a, só que a lei de Coulomb para os campos fracos é do tipo ~ exp(- 10 r/r_o)/r² onde r_oé o raio do próton. Portanto, assim que as distâncias entre as cargas é maior que mais ou menos um décimo do raio do próton, os campos fracos decaem exponencialmente e rapidamente se tornam imperceptíveis em comparação com os campos eletromagnéticos. Mas quando se estuda a interação entre cargas elétricas a distâncias comparáveis ao raio do próton, esses efeitos se tornam perceptíveis. Dois elétrons se afastam tanto porque trocam fótons como também porque trocam partículas da interação fraca.

Uma vez que a força eletromagnética é um pedaço da teoria eletrofraca, é natural imaginar a possibilidade de que os campos eletrofracos e os campos da força nuclear forte (responsável por manter os núcleos atômicos coesos) podem ser parte de um conjunto único de equações, que mistura todos esses campos. Essa proposta é conhecida genericamente pelo nome de GUT (Grand Unified Theory). Em algumas GUTs [aquelas em que o campo de calibre não é simplesmente conexo], campos que interagem com todos os campos da GUT geram uma carga magnética automática, fixando o valor do ângulo e impedindo assim que possamos remover a carga magnética por uma redefinição dos campos. Tipicamente, esses campos estão associados a partículas muito pesadas, ~ 10¹⁵ GeV (para uma comparação, o LHC colidirá prótons com energia de ~ 10⁴ GeV), e portanto os efeitos só são importantes na escala subatômica, explicando a ausência de monopolos magnéticos nas reações estudadas até hoje em aceleradores de partículas. Oriundas desse mecanismo, estas cargas magnéticas são chamadas de monopolos de 't Hooft-Polyakov.

Estes monopolos são estáveis. Estima-se que uma grande quantidade deles deveria ter sido formada no universo primordial e sobrevivido até hoje, permeando o universo igual como a radiação cósmica de fundo. No modelo do Big Bang sem inflação, a densidade atual de monopolos magnéticos deveria ser ~ um monopolo por próton ou nêutron (i.e. um por nucleon). Naturalmente isso não é observado. Se o modelo inflacionário estiver correto, a densidade atual poderia ser bem menor que 10^-30 por nucleon, mostrando que não há como descartar a existência desses monopolos magnéticos por enquanto.

Então, se o eletromagnetismo e a força fraca forem na verdade parte de uma teoria mais fundamental que incorpora a força forte, é possível que existam monopolos magnéticos na Natureza.

Monopolos magnéticos e discretização da carga elétrica

Uma motivação, ou atrativo, de se introduzir monopolos magnéticos é que a existência deles resolve o problema da discretização da carga elétrica. Dirac mostrou que se existem monopolos magnéticos, então a carga elétrica tem que ser discretizada, isto é, os valores permitidos para a carga elétrica de sistemas físicos deve ser um múltiplo inteiro de uma constante universal. O valor da constante não é fixado, mas isso explicaria porque todos os bárions observados na Natureza sempre possuem ou zero, ou uma, ou duas ... vezes a carga do elétron (ao invés de, digamos, 8/3 ou 1.314 vezes a carga do elétron).

Referências técnicas

Para o monopolo de Dirac, J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, John Wiley (edição 2 ou 3)
S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields, Vol. 2, Cambridge University Press, cap. 23
S. Coleman, Aspects of Symmetry, Cambridge University Press, cap. 6-7
papers do 't Hooft.
M. Nakahara, Geometry, Topology, Physics, Taylor&Francis, para os aspectos matemáticos (grupo de cohomologia do espaço de soluções, etc.)

Modelo Padrão passa em mais um teste

2008-07-17T10:03:00.006-04:00

O Modelo Padrão passou em mais um teste detalhado: o limite GZK.

O que é o limite GZK?

Prótons se propagando no meio interestelar podem espalhar elasticamente dos fótons da radiação cósmica de fundo,

(1)

[onde p é o símbolo do próton e é o do fóton]. Porém, para prótons com energia maior que E_t ~ 10¹⁰ GeV, aparece outra possibilidade: o próton pode ser convertido em um píon,

(2)

Portanto, os prótons começam a desaparecer quando tem energia E > E_t. Esse é o chamado efeito, ou limite de energia, GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin). Prótons com tais energias vindo de fontes astrofísicas são raros: aqui na Terra aparece 1 a cada 10 km quadrados por ano.

Contradição aparente

Em 1998, uma análise preliminar de dados do experimento AGASA no Japão parecia indicar a inexistência do desaparecimento de prótons acima do limite GZK. Se isso fosse verdade, então poderíamos estar em face a novos efeitos ainda não conhecidos sobre as interações do próton. Isso parecia altamente razóavel, uma vez que a energia do próton acima do limite GZK é muito além de qualquer teste que já havia sido feito do Modelo Padrão em laboratório (cerca de ~ 200 GeV) e também relativamente próxima da energia esperada da grande unificação das forças nucleares (~ 10¹⁵ GeV).

Várias idéias foram exploradas que poderiam explicar a violação do limite GZK: talvez os campos magnéticos de núcleos de galáxias seriam muito mais altos do que se considerava antes (permitindo assim acelerar prótons e compensar o efeito do limite GZK); talvez novas partículas exóticas existem na Natureza que não perdem energia ao se propagar pela radiação cósmica de fundo; e até propostas altamente improváveis e quase decididamente erradas como a de que a velocidade da luz varia com a posição no universo, propagandeada por João Magueijo em um livro, motivada por uma especulação conhecida como Loop Quantum Gravity.

Solução do problema

A solução do problema começou a surgir com os primeiros dados do experimento HiRes. Em 2002, John Bachall e Eli Waxman (hep-ph/0206217) reanalisaram os dados do AGASA junto com os dados do HiRes e concluíram que havia consistência com o limite GZK, ao contrário da primeira análise precipitada do grupo do AGASA. Em março de 2007, HiRes publicou o resultado de medidas detalhadas do espectro de ráios cósmicos com energias superiores ao limite GZK e mostrou que de fato o limite é real (Phys. Rev. Lett. 100 101101).

No mês passado, o Observatório Pierre Auger — uma colaboração internacional a qual o Brasil tem participação importante tanto no desenvolvimento do experimento como na construção, envolvendo primordialmente o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) — obteve uma série de medidas independentes do HiRes que corroboram os mesmos resultados (astro-ph/08060.4302).

As observações experimentais recentes do HiRes e do Pierre Auger evidenciam que o limite GZK está correto. O Modelo Padrão passou em mais um teste.

Direito autoral sobre partes do corpo

2008-06-29T17:34:00.005-04:00

Se a paranoia sobre direitos autorais tivesse começado na antigüidade, não é improvável que pessoas tivessem que pagar por ter sangue circulando nas veias ou por consumir oxigênio do ar.

Se há algo de mais deplorável na ciência de hoje, este algo é de longe as patentes genéticas. Essas patentes sim que deveriam ser o foco das atenções de debates sobre bioética. Tomemos o caso do gene BRCA-1. Se uma mulher possui uma mutação neste gene, então ela tem 80-85% de chance de desenvolver câncer de mama, e mutações deste gene são responsáveis por cerca de %5 dos casos deste câncer — junto com o BRCA-2, 10%. Porém, é inviável fazer uma avaliação da presença de mutação deste gene quando uma criança nasce junto com o teste do pezinho, porque se você tem o gene, você tem que pagar o royalty para a Myriad Genetics Inc., Universidade de Utah e National Institute of Heatlh (NIH). Segundo James Watson em DNA: O Segredo da Vida, esta patente pode chegar até US$ 1 mil por identificação (isso era em 2002). Como resultado, um exame de diagnóstico de BRCA-1 é, naturalmente, uma fortuna, e só o royalty é várias vezes o custo do exame.

Vemos ai um enorme progresso na medicina e no combate ao câncer minado pela avareza e soberba infinitas humanas. Na minha opinião, as patentes deveriam ser todas negadas e anuladas. Tenho certeza que daqui alguns anos, o bom-senso e melhor conhecimento do significado de o que é um gene vai chegar na cabeça dos juristas, e essas sandices vão acabar.

Não apenas potenciais pacientes saem perdendo. Os laboratórios de pesquisa também: se você decide realizar uma pesquisa que envolve identificar o BCRA-1/2 em um paciente, tem que pagar por cada identificação. Nesse caso, se não me falha a memória, o preço é mais camarada, algo como US$ 100. Não obstante, a dificuldade de conseguir dinheiro para pesquisa científica é notória e esse tipo de patente apenas dificulta ainda mais o desenvolvimento da ciência.

Na semana passada, mais um sujeito entrou para o hall da fama dos seres humanos mesquinhos e deploráveis que pedem patente por partes humanas: James Thomson. Ele quer patentear células-tronco embrionárias. É isso mesmo. Ele quer que toda vez que alguém retire uma célula-tronco de um embrião usando a técnica por ele inventada, que essa pessoa tenha que pagar o devido royalty. Já não bastou o entrave no congresso americano, as tensões do julgamento do STF no Brasil e situações similares na Europa, Koréia e mundo afora, e agora novamente as pesquisas com célula-tronco embrionárias são ameaçadas por um cientista. Se ele conseguir a patente, pode não ser o desastre completo para os Estados Unidos e a Europa. Afinal, o que é ter que pagar mais uns US$300 por cada célula-tronco a mais, não é? Só vai encarecer em mais alguns milhões. Para o orçamento de bilhões de dólares do NIH, o Dr. James deve estar pensando "É só mais um preço que a sociedade tem que pagar por eu ser assim tão inteligente". Mas se a patente chegar até ao Brasil e aos demais países emergentes, cada centavo pago de royalty vai fazer a diferença. Se o Dr. James quiser, ele pode inviabilizar a pesquisa com células-tronco embrionárias no mundo inteiro, com exceção das grandes potências. Para quem já tomou o primeiro passo de solicitar uma patente sobre um bem natural humano, presente em todos os embriões já criados e que serão criados, eu não ficaria surpreso se de fato ele estipulasse uma taxa alta demais. Qualquer taxa já é um absurdo! Estamos falando de células, pelo amor do neutrino!

Ainda bem que nossos ancestrais não patentearam a produção de fogo.

Entropia e desordem: mal entendidos em Física vol. 2

2008-06-21T17:32:00.009-04:00

Nota: Em alguns aspectos, outro post apresenta o que está aqui de forma melhor e mais detalhada, porém, mais matemática.

Edição: 22/08/08, em versão anterior, eu atribui a Carnot o conceito de entropia e a demonstração de que Q/T é maior ou igual a zero. Parece que, na verdade, isto foi devido a Clausius.

Um dos conceitos mais interessantes da Física é o da entropia. A entropia surgiu pela primeira vez quando se começou a debater a eficiência das máquinas, quando Clausius demonstrou que em um processo reversível vale a desigualdade

para variação de calor em um processo a temperatura T. Clausius chamou o lado esquerdo da desigualdade de entropia.

Hoje em dia entende-se que o que é fundamental e universal para todos os sistemas físicos macroscópicos é a existência de uma função S da energia U, volume V, número de partículas que constitutem o material N, e possivelmente outras variáveis como campos elétricos e magnéticos: S = S(U,V,N, ...). Postula-se a existência dessa função, chamada de entropia, assim como suas propriedades, o que define a segunda lei da Termodinâmica. Isso deixa bem claro quais são as regras do jogo, as leis fundamentais da Natureza, assim como se faz com a formulação da lei de Newton (a existência de uma função vetorial F, da posição, velocidade e do tempo, que satisfaz F = ma, e que se chama de força).

Mas toda matéria é feita de átomos. E cada átomo tem propriedades como a sua posição, velocidade relativa a um certo referencial, massa, energia, etc. Não entra entropia na lista. Se toda a matéria é feita de átomos, de onde vem a existência dessa função S?

A interpretação usual da entropia é chama-la de uma medida de desordem. Quase todos os físicos interpretam assim. Não só vaga e subjetiva, essa interpretação é incorreta. Vejamos o caso de um sistema ferromagnético (como o ferro). Abaixo de uma certa temperatura

, o material cria um campo magnético externo. Isso é porque cada átomo contém um certo dipolo magnético , que é uma espécie de "carga" magnética. A energia de dois dipolos é dada por , então a energia mínima é alcançada quando os dipolos apontam na mesma direção. Quando a energia de agitação térmica é bem maior que a de ligação dos dipolos, estes são nocauteados em direções aleatórias, e ai a soma sobre todos os átomos dá um campo magnético zero. Se baixarmos suficientemente a temperatura, o acoplamento magnético vence a agitação térmica e o material adquire um campo magnético externo. Nesse estado, todos os dipolos magnéticos estão alinhados: a ordenação do sistema é máxima. Se imaginarmos desalinhar os momentos magnéticos a temperaturas , o sistema vai sair de um estado desordenado para um ordenado, e vai aumentar a entropia, pela segunda lei da Termodinâmica. Dai aumentamos a entropia do sistema e a ordem também.

A entropia foi vinculada as variáveis microscópicas da Natureza por Ludwig Boltzmann. Ele mostrou que o logarítmo do volume do espaço composto pelas variáveis microscópicas (como a posição e momento) é a entropia:

onde W é o volume do espaço das variáveis microscópicas, e k, a constante de Boltzmann, é uma constante que fixa as unidades. Com a equação de Boltzmann, agora podemos entender melhor o que significa a entropia.

A interpretação correta da entropia tem a ver com o conceito de informação. O conceito foi matematizado por Claude Shannon, que demonstrou que há uma medida (no sentido matemático da palavra, como a idéia de área e volume) que tem as propriedades que associaríamos intuitivamente com informação, e esta medida é exatamente a equação de Boltzmann! Na interpretação de Shannon, a entropia é uma medida da falta de informação sobre o sistema: escolhemos as variáveis U, V, N, e omitimos, por exemplo, as velocidades individuais das partículas; a medida (volume) da informação perida é a entropia S. Em dois artigos de 1957, o físico Edwin T. Jaynes, na época na Universidade de Stanford, mostrou o seguinte: a medida de informação do sistema, chamemo-la de S, é exatamente a fórmula de Boltzmann quando a falta de informação (no sentido de Shannon) é máxima. Dessa forma, podemos entender a entropia como sendo a medida de informação associada a um sistema de várias partículas, e o equilíbrio termodinâmico (a maximização da entropia) é alcançado quando há a menor quantidade de informação disponível sobre o sistema.

Então, o que é entropia? Um sistema físico composto por átomos seria em totalidade descrito pela posição, velocidade, momento magnético, etc., de cada átomo. Para um número muito grande de átomos, podemos ignorar essas variáveis e nos concentrar no número mínimo de variáveis coletivas do sistema como um todo: a energia total (de todas as partículas), o volume (a região do espaço ocupada por qualquer uma partícula), o número total de partículas, o campo magnético total, etc. Se mudarmos uma das variáveis, então podemos nos perguntar para onde vai o sistema? Isto é, qual o valor novo das novas variáveis? Por exemplo, se temos um gás dentro de um recipiente de volume V que não troca calor com meio externo, e então duplicarmos o volume, qual a nova temperatura? A resposta é a seguinte: o novo estado do sistema será tal que a quantidade de informação é a mínima possível (ou seja, a entropia é máxima, dados os vínculos do sistema).

Para finalizar, o conceito de informação de Shannon encontrou aplicação em outras áreas da Física também: sistemas dinâmicos, caos e complexidade, e também em computação quântica. Mas cada assunto desse é mais que um post...

Para saber mais:

A Mathematical Theory of Communication, C. Shannon, online.
E. T. Jaynes, Phys. Rev. 106, 620; Phys. Rev. 108, 171.
H. Callen, Thermodynamics
S. A. Salinas, Introdução a Física Estatística, Edusp.

Entropia máxima

2008-06-17T09:01:00.004-04:00

A terceira lei da termodinâmica possui um limite mínimo para a entropia que um sistema pode ter (que é zero). Hoje encontrei este artigo,

http://arxiv.org/abs/0806.2388v1

em que há uma elegante e muito simples demonstração de um limite superior para a entropia de um sistema,

onde g ~ O(1) [um número da ordem de 1].

Deus é imaginário

2008-06-14T10:06:00.002-04:00

Alguém que prefere manter o anonimato sustenta dois excelentes sítios na Internet,

God is Imaginary (Deus é imaginário)
Why won't God heal the amputees? (Por que Deus não cura os amputados?)

Estes sites estão nos links sugeridos do blog desde o início, mas talvez você ainda não os tenha prestado uma visita. Assim como o livro do Carl Sagan que resenhei aqui, estes sítios tem o objetivo de tentar motivar o pensamento crítico a respeito da religião por parte dos religiosos. O site é especialmente focado para os cristãos. Entre os grandes feitos do autor, estão vários vídeos no YouTube sobre o assunto, que já passaram a marca de 1,5 milhão de visualizações.

A estratégia de God is Imaginary é perfeita. Como o intuito não é provocar ou ofender, o autor começa com apaziguadores:

Irei assumir que você é um cristão educado. Você tem um diploma universitário e foi treinado para pensar crítica e racionalmente sobre o mundo em que vivemos. (...) Você alguma vez já pensou em usar a sua erudição para refletir sobre sua fé? Sua vida e sua carreira demandam que você pense e aja racionalmente. Vamos aplicar suas habilidades de pensamento crítico enquanto discutimos algumas questões simples sobre sua religião.

Partindo disso, o website lista 50 itens de reflexão a respeito da religião. Algumas questões dizem respeito a promessa não cumprida, ou inconsistente, da religião:

Por que Deus não cura os amputados? Como um cristão, você acredita no poder da reza e acredita que Deus está por ai curando doenças. Mas todos nós reconhecemos que isso não se aplica aos amputados: nós não vemos no nosso dia-a-dia pernas ou braços serem regenerados espontaneamente. Não importa o quanto se reze, amputados não recebem nenhum milagre de Deus. Se você é uma pessoa inteligente, tem que admitir que esta é uma pergunta interessante. Por um lado, você acredita que Deus responde preces e realiza milagres, mas por outro, sabe que isso não se aplica a membros amputados. Como resolver essa discrepância?
Por que há tantas pessoas passando fome no mundo? Por que Deus estaria preocupado com você receber um aumento [permitam-me expandir aqui: por que Deus estaria preocupado com o seu sucesso profissional em geral], respondendo suas preces e fé na existência Dele, mas ignoraria a fome e a miséria de milhares de crianças na África subsaariana? Como um Deus que é amor e se preocupa com o bem estar e destino dos humanos pode fazer isso?

Algumas outras questões dizem respeito a falseabilidade da religião. Antes de mais nada, é importante perceber o detalhe sutil que a religião tem na mente das pessoas, como foi apontado por Sam Harris várias vezes. As pessoas dão um status especial a religião pelo puro e simples fato de ser considerada um fato social chamado religião. Observe, por exemplo, esse argumento comum com intuito de justificar a fé: "Não podemos provar que Deus não existe". Ora, também não podemos provar que gnomos não existem. E há livros antigos da Irlanda sobre gnomos, contos de escritores, relatos de crianças, aparições em filmes, desenhos animados e outras mídias, produtos comerciais. No entanto, seria tolice argumentar que só porque não se pode provar que gnomos não existem que é razoável acreditar na existência deles. Só seria razoável acreditar em gnomos se houvesse evidências copiosas. No entanto, sabemos que gnomos não passam de histórias inventadas na Irlanda muito tempo atrás. Todas as pessoas no Brasil são ateus com relação a gnomos. O mesmo argumento vale para o Deus cristão, todavia, porque no Brasil a crença em gnomos não é considerada socialmente uma religião, as pessoas não utilizam desta mesma racionalidade. Na cabeça do cidadão comum, a religião tem um status especial, um escudo contra críticas que são válidas para qualquer outro sistema de conhecimento. Outros exemplos concretos desta distinção você pode ver na tentativa inconsistente de separar a religião social dos cultos e mitologias (A Cientologia, por exemplo, é um culto? Quase todas as críticas, principalmente as que dizem respeito ao funcionamento econômico da Igreja da Cientologia, se aplicam diretamente aos Evangélicos. Mas ninguém diz que os Evangélicos são um culto, não é?). Se por um instante lenvatarmos esse escudo, as 50 questões de God is Imaginary vão automaticamente colocar o cristianismo no mesmo patamar de plausibilidade que a Fada dos Dentes.

O autor do site continua argumentando que, se você for uma pessoa inteligente, vai buscar uma forma de racionalização para as perguntas inventando alguma desculpa por parte de Deus. Por exemplo, você dirá que Deus permite que crianças morram de fome na África porque Ele tem algum plano misterioso para elas. E aqui mais uma vez, vemos como a religião tem seu status especial: se fosse um chefe de estado humano ou jurista que deliberadamente escolheu um grupo de pessoas para passar fome, mesmo tendo poder para resolver o problema, diríamos que esta atitude é imoral e repugnante. Essa racionalização é tola. Simplesmente não faz sentido. Como um Deus que é amor é ao mesmo tempo conivente com tanto sofrimento dos humanos?

Só há uma única resposta que faz sentido. Deus é imaginário. Se por um único momento você se permitir essa idéia, verá como todas as perguntas tem uma resposta clara e simples:

Por que Deus não cura os amputados? Porque Deus é imaginário, e um produto da imaginação humana não responde aos anseios reais dos humanos. Não pode nos ouvir, muito menos alterar o curso natural do universo. Não pode curar um resfriado, muito menos câncer, AIDS ou regenerar um membro amputado. Ao invés disso, precisamos de Medicina, que possui evidências estatísticas concretas de sua existência e eficácia.
Por que há tantas pessoas passando fome no mundo? Porque Deus é imaginário. A miséria não é um resultado de um plano místico por parte de uma figura da superstição humana, tampouco o sucesso capitalista. Estes fatos são resultados de uma intricada dinâmica social, que envolve a história, os recursos naturais da geografia, o funcionamento do capitalismo baseado em lucro — alguém sai ganhando as custas de outro que saiu perdendo —, política e crendices. Se quisermos resolver este problema, não devemos o atacar com fé. Devemos entender essa complicada dinâmica social e apontar onde ela pode ser melhorada para minimizar a diferença em oportunidades de diferentes povos.

O material de God is Imaginary é uma pérola na Internet. Um lugar de convite ao pensamento crítico e racional e reflexão sobre a religião que todo cristão inteligente deveria conhecer.

De onde veio toda a matéria do universo?

2008-06-07T17:17:00.009-04:00

Um grande desafio na compreensão da origem do universo é saber que processo físico natural gerou toda a matéria que mais tarde formou as galáxias, planetas, nós. No modelo do Big Bang supõe-se que o universo começa muito quente, já populado de um grande número de partículas. Começando de um universo cheio de nêutrons, prótons, elétrons, pósitrons e fótons, e supondo que estes constituintes dominaram a densidade do universo quando a temperatura era de aproximadamente 10¹⁰ K, é possível calcular vários aspectos da evolução subseqüente do universo. É possível calcular que do peso total dos elementos químicos presentes no universo que foram criados após essa época, cerca de 70% é hidrogênio, 27% hélio, e uma pequena porcentagem de elementos mais leves até o lítio.

Porém, de onde vieram estas partículas e por que o universo começou tão quente?

Na década de 80 foi descoberta uma idéia que pode ser a resposta: a inflação. Basicamente, supõe-se que o universo era dominado por um falso vácuo com uma energia que passou a diminuir lentamente (em comparação com a taxa de expansão do universo). É um vácuo porque não tem partículas, mas é falso porque na realidade não representa a menor energia possível do universo. Um vácuo verdadeiro seria aquele estado estável de mínima energia.

A Relatividade Geral diz que a expansão de um universo dominado pela energia de um falso vácuo metaestável como este é exponencial: as distâncias típicas escalam com exp(Ht), onde t é o tempo e H é aproximadamente constante. Quando o universo faz a transição de ser dominado por este vácuo para ser dominado por matéria a alta temperatura, a expansão resulta em um universo com curvatura espacial zero. Isso significa dizer que ao medir os ângulos internos de um triângulo formado por galáxias muito distantes, a soma é 180°. Isso de fato é observado experimentalmente (lembre-se que na teoria da Relatividade Geral, é possível violar esse teorema da geometria espacial plana!).

O que acontece é que a densidade de curvatura é dada por uma equação do tipo k/a(t)H(t), onde k é uma constante, a(t) é chamado de fator de escala e H(t) é o parâmetro de Hubble, e t é o tempo. A quantidade a(t) representa o fator pelo qual a distância espacial d entre dois pontos escala no universo: d(t) ~ a(t)d₀ para certa constante d₀. Em um universo que expande exponencialmente, H = a/(da/dt) é constante, logo a densidade de curvatura vai a zero com a(t)^-2 com o aumento de a(t).

O que mais me impressiona no modelo inflacionário é como ele resolve a pergunta de onde veio a matéria do universo. Para que o vácuo perca densidade de energia e o universo saia do período inflacionário, pela conservação da energia esta é convertida em partículas no universo. Isso é possível da mesma forma que um carrinho parado no alto de uma colina converte energia potencial gravitacional em energia cinética a medida que desce a colina. O paradigma padrão do modelo inflacionário é supor que existe um campo escalar que desce uma colina de energia potencial, mas nesse caso seria energia potencial do próprio campo escalar (e não gravitacional). Outros mecanismos físicos podem gerar o mesmo efeito, como campos vetoriais massivos (há exemplos na Natureza de campos vetoriais assim: o campo do W e do Z).

Esta idéia é bastante robusta e faz previsões específicas sobre o universo. Por exemplo, embora o universo seja homogêneo e isotrópico em larga escala, existe uma pequena inomogeneidade: a densidade de uma galáxia é bem diferente da densidade do meio extragalático. O padrão de inomogeneidades do universo é fundamental, pois é esta inomogeneidade que fez matéria se acumular aqui e ali para formar as galáxias. Podemos observar como as inomogeneidades variam conforme se observa regiões cada vez menores do universo como um todo. A inflação faz uma previsão definitiva para a forma das inomogeneidades com a escala de tamanho, e esta previsão já foi observada experimentalmente. As medidas astronômicas da forma das inomogeneidades do universo foi feita pelo satélite WMAP da NASA. Até o momento, esta é a principal evidência experimental de que o universo pode ter sofrido inflação antes de entrar no Big Bang.

A inflação faz outras previsões sobre o universo que podem ser observadas no futuro. Entre elas, há o espectro da radiação gravitacional primordial. O experimento LISA que vai buscar ondas gravitacionais poderia ter sensibilidade suficiente para detectar as ondas primordiais. Ou pelo menos se LISA acontecer e for bem sucedido, uma nova geração de experimentos seria capaz de observar as ondas gravitacionais do início do universo e colocar a inflação em teste.

Ainda não há evidências suficientes que sustentem a inflação como algo real. Que o universo é plano já era sabido antes da teoria ser proposta, e de fato, não é necessário supor a inflação para simplesmente colocar a mão uma curvatura zero no universo. A inflação apenas diz porque a curvatura é zero. As medidas do espectro de inomogeneidades ainda não são precisas o suficiente para excluir diferentes modelos de inflação ou alternativas. Isso talvez seja resolvido com o experimento Planck. Há uma pletora de mecanismos físicos conhecidos que poderiam ser responsáveis pela inflação, e se esta foi real, qual deles é o certo é desconhecido.

Porém, a teoria da inflação faz previsões bem claras sobre o universo que serão testadas pelos próximos experimentos. Além disso, ela é belíssima, no sentido de ter um apelo teórico de inevitabilidade: se o universo veio a existir a partir de um instante t = 0, é muito mais natural supor que ele não poderia estar populado por nada, e ter começado em um estado completamente evacuado, ao invés de imaginar um universo que já nasce populado de partículas. Se imaginarmos que a distribuição da posição do campo que gera a inflação com respeito a colina do potencial começou mais ou menos caótica por todo o espaço, haverá vastas regiões espaciais onde o campo estará na posição adequada para interagir com a gravidade de forma a gerar inflação. O decaimento do falso vácuo em direção ao vácuo por perda de energia para a expansão do universo vai inevitavelmente popular o universo com matéria quente, e então gerar o Big Bang.

Dessa forma o universo é um verdadeiro almoço de graça, sendo tudo que existe resultado espontâneo da criação do próprio vazio!

Para saber mais,

A Guth & D Kaiser, Science 307, 5711 [para quem tem assinatura]; M Turner, Nature Physics 4 89-91 (2008).
A. Guth, "O Universo Inflacionário", Ed. Campus
Sobre o espectro de inomogeneidade, considere esta reportagem da Sciam Brasil.

"ITA da Amazônia"

2008-06-04T21:36:00.005-04:00

Notícia de anteontem:

http://www1.folha.uol.com.br/folha/ambiente/ult10007u408111.shtml

Um grupo de acadêmicos da Academia Brasileira de Ciências, entre eles o Jacob Palis (ganhador do Prêmio TWAS), montou um projeto para o governo investir cerca de R$30 bilhões durante dez anos para o estabelecimento de um centro tecnológico de ponta na região amazônica.

Comentário sobre a notícia:

"A estrada para o inferno é cheia de boas intenções", como diz o ditado. Eu acho que há algumas falhas com o projeto, se alguém está pensando que ele realmente colocará o Brasil como "o primeiro país tropical do primeiro mundo". Infelizmente no Brasil impera a mentalidade de que é o governo que tem que fazer, e se o governo não faz, então a culpa só é dele. Logo, de quem é a responsabilidade por trazer um projeto sustentável de tecnologia para a Amzônia? Do governo. A Vale do Rio Doce, a Alunorte e as madeireiras que devem ter um rendimento anual superior (fazendo eu aqui minha estimativa do guardanapo) a R$20 bilhões, não precisam fazer nada.

Se o projeto sair do papel, o resultado na melhor das hipóteses será o seguinte: algo realmente parecido com o modelo São José dos Campos, ou seja, uma indústria do início do século 20 sendo vangloriada como revolucionária em pleno século 21, e que de quebra não consegue nem se equiparar a indústria pesada internacional dos países ricos, vinculada a uma imagem de um ensino superior competitivo internacionalmente, mas que na realidade tem indicadores de produção científica e tecnológica de regular a péssimo, e que não se compara de nenhuma forma nem mesmo a produção científica e tecnológica dos Tigres Asiáticos, e ainda perde um pouco para a chilena e argentina [1].

O pólo de economia tecnológica dos Estados Unidos foi fundado por quem? A IBM, Apple, Microsoft, Genentech, Monsanto, etc. não são estatais. Apenas a IBM já produziu cinco Prêmios Nobel em Física e Química, enquanto o Brasil todo: zero. A minha experiência na USP, uma universidade pública, é a de que o modelo burocrático da máquina pública brasileira, com regimes de trabalho com estabilidade infinita e supersalários desproporcionais ao desempenho do funcionário ou da instituição, é um fracasso. Professores que não precisam correr atrás do seu salário com relatórios de pesquisa (o salário é garantido!), alunos que não precisam ter desempenho acadêmico bom para permanecer na escola, e uma inversão de valores onde 90% ou mais do orçamento da instituição que era para ser uma universidade de pesquisa é gasto com salários de funcionários e professores ao invés de pesquisa, extensão e estrutura educacional. E tudo isso a custo de 11% do ICMS do Estado, para ser usado exclusivamente por uma pequeníssima parcela da população. Para completar, a maioria dos alunos teria condições de pagar uma instituição particular de ensino: uma única rua do Jardins (bairro rico da capital de São Paulo) tem mais alunos na USP que toda a região sul da cidade (parte mais pobre).

Com tanto dinheiro nas mãos da Vale e da Alunorte, e sabe-se lá que outras empresas farmacêuticas que usam propriedade amazônica, mais as madeireiras, será que ninguém ali jamais pensou em criar um modelo efetivo de desenvolvimento tecnológico e científico livre das mazelas da corrupção do Estado?

Parece que no Brasil essa vai ser uma idéia revolucionária: o dia em que cair a ficha de porquê 80% da economia dos Estados Unidos é direta ou indiretamente produto de física básica [2], e as indústrias brasileiras vão deixar de serem produtoras de alumínio para serem, quem sabe, produtoras das novas tecnologias que colocarão os computadores digitais no passado.

Por enquanto, nós ainda compramos a TV digital dos outros e vendemos laranja, e achamos um bom negócio — falando nisso, porque a Globo, que tem milhões para jogar fora no Big Brother, não criou um laboratório de desenvolvimento de TV digital nos anos 80? E se o governo não montar a fábrica pré-pronta de tecnologia de 50 anos atrás — importada da alemanha, claro — para ter emprego para os engenheiros formados, então todos estes engenheiros vão preferir virar bancários (e muita vezes de banco estatal!). Engenheiro criar indústria nova? Criar oportunidades com suas próprias mãos? Que isso, emprego é papel do Estado! Esse é o nosso Brasil.

Eu não acho que tudo seria resolvido se as empresas tomassem essa iniciativa. Creio que é necessário uma combinação de estado e iniciativa privada, cada um exercendo a parte que lhe cabe. A máquina pública brasileira é burocrática e faz o dinheiro passar pelas mãos de muita gente antes de chegar ao destino, potencializando a corrupção. A máquina púbica tem renda garantida e não sofre a mesma pressão de "seleção natural" que o mercado exerce, contribuindo para uma menor preocupação com a excelência.

Vamos ver se vai sair do papel, e no que vai dar.

Notas

A realidade do modelo São José dos Campos é a seguinte: produção de patentes inferior a USP, Unicamp, UFMG, UFRJ e UNESP, e várias empresas, não figurando nem entre os 20 maiores produtores de inovação tecnológica do país, ou nem 0,3% das patentes nacionais; notas de pós-graduação da CAPES razoáveis, mas abaixo das engenharias da USP, Unicamp, UFRJ, UFPE e outras; completa invisibilidade na avaliação internacional do Times Higher Educational Supplement ou do Academic World Ranking, enquanto instituições de tecnologia de Cingapura, China/Hong Kong, Twain, Chile, e Argentina aparecem no ranking. Nestes rankings, um pouquinho melhor classificadas (mas longe de algo de realmente orgulhoso) são a USP e a Unicamp.
Isso foi um estimativa feita pela American Physical Society.

Atividade do blog

2008-05-31T11:12:00.002-04:00

Estive de mudança nas últimas semanas e por isso o blog ficou abandonado. Espero agora voltar a postar com maior freqüência sobre assuntos interessantes.

Como também praticamente não recebo comentários, não sei por quanto tempo vou levar o blog adiante.

Willis Lamb: 1913-2008

2008-05-22T21:48:00.003-04:00

De: http://physicsworld.com/cws/article/news/34240

Morreu semana passada no dia 15 de Maio, aos 94 anos, Willis Eugene Lamb. Ele foi o descobridor do efeito do espectro do átomo de hidrogênio que leva o seu nome, e por esta descoberta recebeu o Prêmio Nobel em 1955. Lamb descobriu que os nívels 2s_1/2 e 2p_1/2 do átomo de hidrogênio tem energias diferentes, em contradição com a idéia que a energia dos elétrons no átomo só dependeriam do número quântico principal n. A diferença de energia entre estes dois estados é a de um fóton com ~ 1.000 MHz, e é conhecida como deslocamento Lamb.

A descoberta de Lamb foi fundamental para o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica, que é a teoria da luz que a descreve como partículas (fótons) segundo as leis da mecânica quântica. A descoberta ocorreu em 1947 quando ele trabalhava na Universidade Columbia, em Nova York, e foi anunciada para a comunidade em uma conferência histórica, em Shelter Island, Nova York (conhecida como Shelter Island I) na primeira semana de Junho naquele mesmo ano.

A importância do trabalho de Lamb reside no fato de que tanto a equação de Schrödinger como a de Dirac para o elétron prevêem que os dois estados em questão só podem ter a mesma energia. Isso é porque este efeito não tem a ver com a descrição quântica e relativística do elétron, e sim com o fato da luz ser formada por fótons. Apenas a teoria quântica de campos é capaz de prever corretamente a diferença de energia destes níveis observados por Lamb.

Foi Hans Bethe o primeiro a fazer uma estimativa teórica do deslocamento Lamb, logo depois de Shelter Island I, utilizando um formalismo que havia sido introduzido anos antes na teoria quântica de campos por Victor Weisskopf, chamado de renormalização. Porém, somente com os trabalhos de Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman em 1948 que foi possível desenvolver um formalismo completo de cálculos aproximados na teoria quântica de campos. O formalismo introduzido por eles foi retocado e aprofundado por Freeman Dyson em 49, que foi o primeiro a demonstrar que todas as quantidades físicas observáveis na teoria quântica de campos são números finitos (em contrapartida, no formalismo da equação de Dirac, ao tentar introduzir fótons, obtém-se valores infinitos para as propriedades do elétron). Com o formalismo completo, vários físicos calcularam o efeito Lamb com grande precisão na eletrodinâmica quântica e obtiveram perfeita concordância com o valor experimental. Esta foi, de fato, a primeira evidência da validade da teoria quântica de campos.

Lamb obteve seu doutorado na Universidade da Califórnia, Berkeley, e foi aluno de Robert Oppenheimer. Depois do doutorado, transferiu-se para Columbia onde ficou até 1951. Lamb continuou sua carreira como professor em Stanford, Harvard, Yale, Oxford e por último na Universidade do Arizona, onde permaneceu até se aposentar em 2002.

Evite exemplos concretos

2008-05-06T21:12:00.005-04:00

Interessante o estudo publicado recentemente por um grupo de psicólogos da Universidade Estadual de Ohio, que aponta que o uso de exemplos concretos no ensino de matemática em média pode atrapalhar ao invés de ajudar a correta compreensão dos conceitos:

http://www.sciam.com/article.cfm?id=in-abstract-avoid-concret

Um grupo de 80 estudantes universitários foi ensinado um certo sistema arbitrário de regras de aritmética. Parte do grupo foi apresentado ao sistema através de exemplos concretos como combinar líquidos e medir copos, e o outro apenas em termos de figuras geométricas.

Depois os estudantes foram submetidos a um teste: se eles sabiam aplicar os conceitos aprendidos em um caso prático não-relacionado, que foi um certo jogo de crianças.

Os estudantes que aprenderam por pura geometria tiveram uma nota no teste em média 8, enquanto os que aprenderam por exemplos concretos tiveram média entre 4 e 5. (nota máxima: 10).

A inclinação natural e imaginar que o resultado poderia ser conseqüência do fato de que o ensino com exemplos concretos insere muitos elementos exógenos ao verdadeiro cerne matemático de interesse, distraindo os estudantes da lógica que eles deveriam entender, confundido-os provavelmente em termos de analogias que poderiam ser substituídas pela matemática propriamente dita.

Eu pretendo voltar a comentar sobre este estudo no blog quando tiver mais tempo...

Buraco negros: peças exóticas da gravidade

2008-04-20T13:18:00.014-04:00

Representação artística de um buraco negro que existe no quasar OJ287 (fonte: NASA).

Uma das previsões mais exóticas da Relatividade Geral (RG) é a existência de buracos negros. Todos temos uma idéia intuitiva do que se trata: um objeto que gera um campo gravitacional tão intenso que ao cruzar uma certa fronteira, nada mais pode voltar, nem mesmo um raio de luz.

Na quinta-feira passada, foi publicado um trabalho na revista Nature, onde um grupo de astrônomos compara cálculos da Relatividade Geral para o comportamento de um binário de buracos negros (o modelo) com o quasar OJ287 — um núcleo de galáxia que emite muita luz. A cada 12 anos, o quasar tem uma explosão de luz, e a data precisa, em mais ou menos 1 semana de incerteza, pôde ser calculada com o modelo: a última explosão, de setembro de 2007, aconteceu um dia depois da previsão teórica (portanto dentro da incerteza). Mais importante, foi possível outra vez testar a existência de ondas gravitacionais: sem a emissão destas ondas, a explosão deveria ter ocorrido 20 dias depois, o que não foi observado. Este sistema tem campos gravitacionais que são 10 mil vezes mais fortes que os campos do par de estrelas de nêutrons que mencionei no post sobre Big Bang. Este foi mais um teste da Relatividade Geral, e a teoria passou com grande sucesso, acumulando mais evidência da existência de buracos negros no universo.

Hoje em dia, é universalmente aceito que buracos negros são reais. Uma das evidências mais dramáticas é Sagitário A* (SgA* para economia), um objeto pequeno (para escala de uma estrela) ao redor do qual várias estrelas orbitam. O vídeo abaixo mostra uma série de observações astronômicas de um grupo do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de SgA*. O objeto não emite luz nenhuma e tem tanta massa que a estrelas seguem em órbitas keplerianas. O que isso significa é que SgA* é tão mais pesado que uma estrela quanto o Sol é mais pesado que a Terra. De fato, o objeto só pode ser um buraco negro supermassivo 2,5 milhões de vezes mais pesado que o Sol, uma massa tão grande que a velocidade de escape do campo gravitacional próximo a SgA* é maior que a velocidade da luz.

Um review técnico sobre a evidência astronômica de buracos negros: Martin Rees, astro-ph/0401365.

Mas as coisas não são fáceis na Natureza. Embora sejam previstos teoricamente e observados astronomicamente, buracos negros são uma coisa muito exótica na teoria. Primeiro, a RG impõe que no centro destes objetos não existe espaço nem tempo! Isso é o que se chama da singularidade espaço-temporal de buracos negros, e ela é inevitável na RG (um teorema provado por Stephen Hawking). No entanto, parece que a singularidade é impossível de ser medida, porque buracos negros possuem horizontes de eventos: imagine uma região esférica ao redor do buraco negro, se você cruzá-la não pode mais voltar. Isso significa que se há um observador dentro do horizonte de eventos, nenhum sinal que ele emitir pode chegar a quem está fora, em outras palavras, nenhuma informação sobre o que acontece no buraco negro pode ser obtida por quem está fora. Se isto sempre acontece com singularidades não se sabe, mas conjecturou-se que sim [1]. Isso gera também um paradoxo com a mecânica quântica: se imaginarmos um sistema físico descrito por uma certa quantidade de variáveis, ao cruzar o horizonte de eventos o buraco negro num certo sentido destrói estas propriedades. Em mecânica quântica isso só é possível se ocorrer uma transformação chamada não-unitária no sistema, o que tem significado físico de violar a interpretação probabilística da teoria (ou de forma equivalente, de não conservar a energia). Esse paradoxo é conhecido como o paradoxo da perda de informação em buracos negros [2]. Isto é um problema muito sério, pois é uma aparente contradição entre duas teorias fundamentais da Natureza.

Outra característica exótica: é possível que no centro do buraco negro exista uma ponte de acesso a outra região do espaço, chamada de wormhole, ponte de minhoca ou ponte de Einstein-Rosen [3]. O buraco negro possui uma região do seu espaço interior que o liga com outro universo!

Diagrama espaço-tempo de um buraco de minhoca de C. Misner, K. Thorne e J. Wheeler, Gravitation, W. H. Freeman (1973).

Já foi estudado a possibilidade de se usar esse efeito de buracos negros para viagens espaciais, mas eu é que não gostaria de atravessar uma singularidade espaço-temporal para isso! Bom, na verdade, buracos negros não podem ser usados para viagens espaciais, isso é um fato da teoria, porém é possível construir modelos teóricos de buracos de minhoca que poderiam ser usados para viagens espaciais. No entanto, isso só é possível se existir matéria exótica no universo, que se comporta como a constante cosmológica, que não pode ser constituída por bárions (prótons, nêutrons, elétrons, etc.) ou matéria escura.

Muitas destas dificuldades teóricas com os buracos negros foram grandes motivadores de vários progressos da teoria de supercordas, que é um modelo (de brinquedo na minha opinião) para a gravidade quântica, e você pode ler mais sobre isso no livro de Hawking e outros, "O futuro do espaço-tempo", Cia. das Letras. Que eu saiba, nenhum destes problemas é satisfatoriamente resolvido na teoria de cordas.

Notas

Isso é o que se chama da conjectura da censura cósmica.
Mais detalhes no site do Baez.
Para mais: aqui, mais técnico aqui, e para quem conhece as equações da Relatividade Geral, um artigo do Americal Journal of Physics aqui.

Richard Dawkins e Lawrence Krauss

2008-04-17T21:24:00.002-04:00

Richard Dawkins recentemente fez várias visitas a universidades norte-americanas, como Columbia e NYU, Texas, Berkeley, etc. Em Stanford ocorreu um diálogo (longo) com Lawrence Krauss, um físico teórico atualmente trabalha na Case Western Reserve University, ex docente de Yale, que também já publicou livros de divulgação científica (como A Física de Jornadas nas Estrelas). O foco da conversa foi educação de ciência.

Para quem entende inglês, os vídeos estão disponíveis online no YouTube/Google Videos, cortesia da Richard Dawkins Foundation.

Big bang e grande explosão: mal entendidos em Física vol. I

2008-04-13T14:27:00.010-04:00

Há muitos mal-entendidos da Física, seja na mídia, na compreensão pública de ciência ou mesmo entre os próprios físicos.

Um dos maiores quiproquós é a idéia de que o Big Bang é uma teoria de uma grande explosão. Este post é para explicar a idéia básica da teoria e desmistificar esse mal-entendido.

O modelo do Big Bang é constituído por três idéias:

A validade da Relatividade Geral (RG) em larga escala
O universo é espacialmente homogêneo e isotrópico
A distância média entre galáxias no universo aumenta com o tempo

1. A RG é a atual mais bem sucedida descrição da gravidade conhecida. Um dos sistemas que permite grande precisão no teste da teoria é um par de estrelas de nêutrons que orbitam uma a outra. Segundo a RG, este sistema emite radiação gravitacional e por isso o período orbital diminui com o tempo. Isso acontece com qualquer sistema, mas os efeitos da RG são significativos apenas quando o campo gravitacional se torna muito intenso, como no caso deste par de estrelas. Trinta anos de observação do período do sistema são resumidos no seguinte gráfico [1]:

No eixo dos x está o ano em que a medida do período foi feita (1975-2005), e o eixo dos y representa grosso modo o decaimento do período orbital. Os pontos são as medidas experimentais, e a linha sólida é o cálculo obtido da RG (não é um ajuste de curva). Em resumo, a teoria prevê corretamente o comportamento do sistema com uma precisão atual de 0.2%, que é comparável ao Modelo Padrão da física de partículas.
A única coisa que você precisa saber sobre a RG para entender o resto do post é o seguinte: nesta teoria é o próprio espaço-tempo que age como o campo gravitacional (ou mais precisamente, a curvatura da geometria do espaço-tempo).

2. Existe uma radiação eletromagnética que permeia todo o universo, de freqüência na região de microondas, e que é a mesma em todas as direções e em todos os pontos do universo. Esta radiação é chamada de radiação cósmica de fundo (CMB da sigla em inglês). Em 2003, o o satélite da NASA WMAP lançou um mapa da presença desta radiação em toda abóboda celeste:

As regiões azuis são mais frias, e as regiões vermelhas são mais quentes. O que importa para nós aqui é que a diferença de temperatura típica entre dois pontos do universo é da ordem de 10^-5 ºC. Ou seja, a temperatura de qualquer ponto do universo é em média a mesma até o 4 dígito significativo. O universo é observado como altamente isotrópico e homogêneo.

3. As medidas da recessão mútua das galáxias datam de ~ 1930. Eis o que temos [2]:

Neste gráfico está traçada a distância da galáxia D_L vs. um parâmetro que decresce com a idade do universo (o desvio para o vermelho do espectro da luz). Vai ficar mais claro o significado do gráfico daqui a pouco.

Chegamos a conclusão que 1) e 2) são fatos sobre o universo. Pois bem, só existe um único tipo de solução para o espaço-tempo da RG que satisfaça 2), conhecida já faz quase um século. Esta solução diz que a distância típica entre galáxias deve ser uma função do tempo. Esta função pode ser crescente ou decrescente, dependendo da composição do universo (quer dizer, do que interage com a gravidade: fótons, prótons, nêutrons, etc). O fato 3) é a medida experimental desta função e prova que a distância típica aumenta com o tempo.

É intuitivo imaginar que se a distância aumenta com o tempo, então ao voltar ao passado, deve haver um valor para o tempo no qual a distância típica entre dois pontos do universo era zero. Isso é erroneamente interpretado como a idéia de que todo o universo estava concentrado em uma região muito pequena. Não é bem assim. É possível calcular o volume do universo no modelo do Big Bang, e este é sempre infinito [3]. Como a distância típica entre dois pontos diminui ao voltar ao passado mas o tamanho total do espaço não, o que realmente acontece é que a densidade do universo cresce.

Quando a densidade aumenta, a temperatura do material que compõe o universo também aumenta. Por isso, o universo era composto por matéria muito quente no início. Quando a temperatura era cerca de 10¹⁰ K (1 milhão de vezes mais quente que o núcleo do Sol), a densidade era tamanha que o universo era formado por prótons, nêutrons, elétrons, pósitrons, fótons e outras partículas subatômicas. É possível fazer um cálculo, sob estas condições, do que acontece depois — é um cálculo simples de física nuclear que se estuda em laboratórios desde o início do século XX. Isso foi feito pela primeira vez por George Gamow e Ralph Alpher na década de 40, e eles mostraram que o esfriamento subseqüente do universo combina prótons e nêutrons de tal forma que do total de átomos do universo, aproximadamente 75% vira hidrogênio, 25% hélio, e frações muito pequenas são produzidas de lítio e carbono e qualquer outro elemento. A abundância dos elementos químicos observada astronomicamente é exatamente esta! Isso foi a primeira comprovação de uma previsão do modelo do Big Bang.

Como você pode ver, não há nenhuma explosão no modelo do Big Bang. Não há nenhuma "bola de fogo que explode", ou "toda a matéria do universo concentrada numa região menor que a cabeça de um alfinete que então explode". Seria mais correto dizer: "toda a matéria que hoje compõe o nosso aglomerado de galáxias, um dia esteve concentrada numa região menor que a cabeça de um alfinete". Se você imaginar uma região do tamanho da cabeça de um alfinete quando o universo tinha 2 segundos de vida, há outras reigiões que distam milhares de anos luz deste alfinete, e que hoje estariam a muitos bilhões de anos luz de distância desta mesma região, e isso vale para qualquer ponto do espaço.

A informação que tenho é que o nome Big Bang surgiu por volta de 1940 e foi cunhado por Fred Hoyle. Isso foi na época em que Gamow e Alpher calcularam a primeira previsão concreta do modelo do Big Bang que falamos acima, portanto o modelo ainda não tinha sido testado. Hoyle preferia modelos onde o universo sempre existiu e existirá. Ele achava inapropriada a idéia de que o universo só existiu por um tempo finito, e satirizou a idéia dizendo algo como "não havia nada e então, Bang! o universo passou a existir". Hoyle não queria passar a imagem de uma explosão (pelo menos não no sentido físico-químico da palavra), e sim transmitir a idéia de que no modelo do Big Bang parece incompleta a idéia de que o universo passa a existir do nada.

Não sei onde a má interpretação do nome surgiu. Ela é mundialmente adotada pela mídia, e as vezes até físicos profissionais e materiais de divulgação científica. Alguns adotam sabendo que é imprecisa e errada mais por uma questão de simplificação da idéia; outros (dentro do público geral) acham que esta simplificação é literalmente a teoria do Big Bang.

Para saber mais

"A Dança do Universo", Marcelo Gleiser, Cia. das Letras
"O universo inflacionário", Alan Guth, Ed. Campus
Este bem escrito, tecnicamente correto, sítio com material sobre o assunto:
http://map.gsfc.nasa.gov/universe/

Referências e notas

astro-ph/0407149
W.-M. Yao et al., J. Phys. G 33, 1 (2006), Big Bang Cosmology Review (web)
Caso o universo seja espacialmente plano, ou tenha curvatura positiva. Os dados experimentais apontam que o universo é espacialmente plano.

100 anos de John Bardeen

2008-04-06T11:50:00.007-04:00

Em 23 de maio de 2008, John Bardeen completaria 100 anos.

Bardeen foi o único cientista a ganhar duas vezes o prêmio Nobel da Física, e uma vez por uma descoberta experimental e outra teórica! Em 1956, por ter sido um dos inventores do transistor, e em 1972 por ter proposto a teoria microscópica das interações entre os elétrons que explica a origem da supercondutividade do tipo I.

Este mês, a Physics World preparou uma edição especial sobre Bardeen.

Os trabalhos de Bardeen são de suma importância para a ciência. Os dois prêmios Nobel que recebeu foram devidos as suas pesquisas sobre uma bela e simples pergunta:

O que causa a condução elétrica dos materiais?

A condução elétrica é um fenômeno que só pode ser plenamente explicado dentro da mecânica quântica, que foi desenvolvida por volta de 1920. Com a descoberta da teoria das bandas de condução eletrônica em sólidos foi possível explicar como funciona os semicondutores. Conhecendo a origem do mecanismo de condução nestes materiais, Bardeen, Brattain e Shockeley projetaram o diodo de semicondutor e o transistor, que hoje são componentes fundamentais dos circuitos dos computadores digitais.

Mais curiosos que os metais e semicondutores, são os materiais supercondutores. Estes materiais tem resistência elétrica identicamente nula. Para os supercondutores do tipo I, Bardeen, Schrieffer e Cooper mostraram que uma interação entre os elétrons anula o efeito da resistência, de modo que o movimento coletivo dos elétrons no sólido gera uma corrente que se sustenta por tempo indeterminado. Um dos fenômenos da supercondutividade do tipo I é que o material expele qualquer campo mangético do seu interior, conhecido como o efeito Meissner.

Vídeo educativo mostra o efeito Meissner.

Bardeen ingressou na universidade estadual de Wisconsin em Madison para fazer engenharia elétrica. Ele se formou em 1928 e trabalhou como engenheiro até 1933, quando decidiu largar a engenharia e seguir em um doutorado em física matemática na Universidade de Princeton. Ele foi orientado por Eugene Wigner e decidiu fazer sua pesquisa de doutoramento em física do estado sólido. Depois da guerra, Bardeen foi contratado no Bell Labs onde suas pesquisas de estado sólido levaram a invenção do transistor. Em 1951, Bardeen foi contrato como professor de engenharia elétrica e física na Universidade de Illinois, e foi em 57 que ele propôs a explicação da supercondutividade do tipo I.

Encontrado metano em planeta extra-solar

2008-03-19T21:04:00.002-04:00

Lembram do post sobre o livro do Carl Sagan e a abundância de material orgânico nos cometas?

Agora isso:

Descoberto metano em planeta extra solar (Folha de S. Paulo)

Extrasolar planets: a whiff of methane (Nature, em inglês)

Buracos negros artificiais

2008-03-06T21:44:00.004-05:00

Um grupo de físicos da Universidade de St. Andrews na Escócia, produziram pela primeira vez um sistema físico com propriedades análogas a um buraco negro. Eles até prometem em breve poder medir experimentalmente a radiação Hawking, a emissão de luz que todo buraco negro deveria produzir, mas que nunca foi encontrada em buracos negros reais.

Mais: Physics World.

Bons tempos

2008-02-23T18:13:00.004-05:00

Da esquerda para direita, de cima para baixo: César Lattes, Hideki Yukawa, Walter Schüzter, Hervásio de Carvalho, José Leite Lopes, Jayme Tiomno. Esta foto foi tirada em Princeton, provavelmente no Instituto de Estudos Avançados (eu acho que em frente ao Fuld Hall).

Eu tenho esta foto em algum dos meus livros, mas ela está também na Internet.

César Lattes e a consolidação da ciência nacional

2008-02-23T16:55:00.009-05:00

Será possível exagerar o legado de Lattes a ciência brasileira? Provavelmente não. Cesare Mansueto Giulio Lattes nasceu a 11 de julho de 1924 em Curitiba, de descendência italiana judia. Sua família transferiu-se depois para São Paulo onde fez seus estudos do ginásio. Quando começou a assistir aulas de física, mostrou grande facilidade com a matéria e decidiu ser professor da disciplina. Seu pai na época era responsável pelos vencimentos da missão estrangeira que fundou a FFCL USP, e pôs então seu filho em contato com Gleb Wataghin, que acabou por apoiar a escolha do jovem. Lattes ingressou na universidade em 41, após primeiro lugar no vestibular da FFCL, e em 1943 com apenas 19 anos se formou bacharel em Física. Da sua formação teve forte influência Wataghin, Marcelo Damy, Giuseppe Occhialini e Mário Schenberg que o convenceram de seguir carreira em pesquisa. Com Schenberg, Lattes realizou um trabalho sobre o campo de radiação do elétron segundo a eletrodinâmica quântica [1], chegando a uma expressão para a radiação do momento de dipolo com 27 termos. Mais tarde, Lattes lembraria este trabalho como o momento de sua decisão definitiva pela física experimental!

No laboratório de Wataghin, Lattes construiu câmeras de Wilson para o estudo de raios cósmicos junto com Hugo Camerini e André Wataghin (filho de Gleb) com dinheiro próprio, usando tecnologia recém desenvolvida por Damy e com base em métodos desenvolvidos por Occhialini — uma versão aperfeiçoada do método experimental de Occhialini e P. M. S. Blacket que possibilitou a elucidação do processo de criação do pósitron. Com esse instrumento eles pretendiam estudar a componente “mole” da radiação cósmica (quer dizer, os raios cósmicos com baixo poder de penetração na matéria, ou em outras palavras: de baixa energia).

Occhialini transferiu-se no final de 44 para Inglaterra onde passou a integrar o grupo de física nuclear na Universidade de Bristol liderado por Cecil Powell, que na época estudava espalhamento nêutron-próton na escala de 10 MeV. Os resultados de Lattes com a câmera que desenvolvera no Brasil levaram Occhialini a solicitar uma bolsa para a sua inclusão no grupo de Bristol. Assim foi, e em 1946 Lattes era Research Associate do laboratório. Lattes e Occhialini novamente juntos não estavam dispostos a realizar trabalhos em espalhamento de nêutrons, e logo inseriram a pesquisa de raios cósmicos em Bristol. Nos anos de 46/47 o laboratório era formado por cerca de 20 pessoas (incluindo Lattes).

Laboratório de pesquisa nuclear da Universidade de Bristol, 1946. Lattes está no meio da segunda fileira (de baixo para cima).

O grupo começou a utilizar chapas fotográficas, então fabricadas pela empresa Ilford. Nesta época, havia forte interesse em estudar a natureza do que se chamava méson, partícula proposta por Hideki Yukawa para ser intermediadora da força nuclear. Aparentemente, ela havia sido descoberta por Carl Aderson e Seth Neddermeyer em 1936 [2], mas não apresentava todas as características teoricamente especuladas. No experimento de Occhialini e Lattes, duas modificações cruciais nas chapas fotográficas da Illford foram propostas: 1) Occhialini solicitou aumento expressivo da presença de prata, o que possibilitou maior seção de choque de interação com mésons e por conseguinte maior número de eventos, 2) Lattes descobriu que bórax (substância que contém boro) ao ser adicionado às chapas aumentava substancialmente o tempo de exposição, acrescentando portanto ainda mais eventos.

Occhialini e Powell levaram algumas dessas chapas modificadas ao Puc du Midi nos Pirineus e descobriram a possível presença de uma partícula nuclearmente ativa, diferente do méson Anderson-Neddermeyer, mas não foram capazes de determinar sua massa [3]. Donald H. Perkins realizava nessa época experiências similares, levando suas chapas a altas altitudes (~ 30.000 m) com aviões [4], mas como não detinha as mesmas técnicas das chapas do grupo de Bristol, registrou um número bem menor de eventos. Logo em seguida Lattes, Occhialini, H. Muirhead e Powell causaram grande confusão no mundo ao descobrirem que aparentemente havia dois mésons e que um podia se desintegrar no outro [5]. Ainda não podiam afirmar com certeza, pois não era possível medir as massas.

O problema da determinação da massa foi resolvido por Lattes, P. Fowler e P. Cüer [6]. Depois de uma pesquisa no departamento de geografia de Bristol, Lattes sugeriu realizar novas medidas não no Puc di Midi, a 2,8 mil metros de altitude, mas em Chacaltaya, na Bolívia, a 5,5 mil metros, o que possibilitaria melhor estatística — 100 mil vezes mais eventos! A escolha se deveu ao “fácil” acesso a região. Lattes foi sozinho e depois de uma viagem homérica, conseguiu chegar ao pico. Expôs as chapas e revelou uma delas um mês depois. Ao analisar o material no microscópio, identificou com sucesso dois eventos claros de um méson decaindo em outro. Telegrafou para Powell contando as novidades, e este solicitou sua volta.
De volta a Bristol, Lattes, Occhialini e Powell realizaram o trabalho de análise do material, revelando claramente que existiam dois mésons, um que hoje conhecemos por μ [7], observado por Anderson e Neddermeyer, e que definitivamente não podia ser o méson de Yukawa devido a sua fraca interação nuclear; e outro, que correspondia a massa do modelo de Yukawa, o π [8]. Lattes tinha 23 anos de idade. A repercussão da descoberta foi imediata. Lattes deu uma série de palestras pela Europa sobre os resultados, incluindo no Instituto de Niels Bohr na Dinamarca, a convite do próprio Bohr. Em seguida, Lattes foi para o Lawrence Berkeley National Laboratory, na Califórnia, onde equipou o recente acelerador de partículas cíclotron com as técnicas de detecção adequadas para o píon, realizando assim a primeira produção artificial do π da história [9]. O prestígio imediato de Lattes foi espetacular: primeira manchete nos jornais brasileiros, capa da revista Life, matéria na revista Times. Yukawa recebeu o Prêmio Nobel pelo seu modelo (1949) e Powell sozinho pelas descobertas de Occhialini e Lattes (1950). Das entrevistas concedidas por Lattes não é possível identificar nenhum ressentimento por este fato. Ele até brinca: “na verdade, Bohr escreveu uma carta que será aberta em 2006 dizendo porque eu não recebi o prêmio!”.

A preocupação de Lattes não era o Nobel. Deixe-me destacar um trecho de carta enviada a seu amigo José Leite Lopes, datada de 12 de agosto de 1946:

“(...) Estou perfeitamente disposto a ir trabalhar aí em condições muito menos favoráveis do que aqui (...) porque acho que é muito mais interessante e difícil formar uma boa escola num ambiente precário do que ganhar o Prêmio Nobel trabalhando no melhor laboratório do mundo. A satisfação HUMANA [grifo dele] que a gente sente ao verificar que está sendo útil para que outros também tenham oportunidade de pesquisar é muito melhor do que a que se obtém de uma pesquisa (...) sob ótimas condições de trabalho.”

Em Berkeley, ele conheceu Nelson Lins de Barros, irmão de Álvaro Lins de Barros, um braço forte do governo de Getúlio Vargas. Expôs a sua idéia a Nelson da criação de um centro de excelência no Brasil para pesquisa em física e de uma política nacional para desenvolver ciência, e Nelson então o pôs em contato com Álvaro, que o levou pessoalmente a reuniões com Getúlio. A repercussão na mídia de seus trabalhos foi o fator fundamental que possibilitou a criação do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) (onde Lattes foi o primeiro diretor) e do Conselho Nacional de Pesquisas (CNPq) (onde Lattes foi conselheiro científico) por decreto do presidente.

O valor do CNPq para o desenvolvimento da universidade como centro de pesquisa no Brasil não precisa de apresentação. O CBPF que foi construído do zero absoluto tornou-se um dos mais importantes centros de física do país e sua atuação junto a Faculdade Nacional de Filosofia (onde Lattes efetivou-se professor titular) formou Jorge André Swieca, Herch Moysés Nussenzveig, Mario Novello, Nicim Zagury, Sérgio Joffily e de maior interação com Lattes, Elisa Frota-Pessoa. O centro iniciou cooperações internacionais (Brasil-Japão e o Centro Latino Americano de Física, CBPF-CERN, CBPF-Fermilab, Projeto Pierre Auger, e tantos outros), atraiu ao Brasil pesquisadores estrangeiros como Guido Beck, Juan J. Giambiagi, Bert Schröer, Occhialini; e alojou grandes pesquisadores nacionais como Jayme Tiomno, Schenberg, Constantino Tsallis e A. M. Ozório de Almeida.

Em 1948, Lattes recebeu o título de doutor honoris causa pelo Instituto de Física da USP. Em 1955 foi convidado para trabalhar na Universidade de Chicago para assumir o grupo deixado pelo falecido Enrico Fermi, o que recusou.

Em 1967, recebeu convite que aceitou para tornar-se professor titular da então em criação Unicamp, participando assim da fundação do Instituto de Física “Gleb Wataghin” (em homenagem ao mestre), onde estabeleceu o grupo de altas energias e o laboratório de raios cósmicos. Mais uma vez, Lattes atuou pela criação de um centro de pesquisa, cujo valor nacional e internacional é bem conhecido. Após aposentar-se na Unicamp, ainda colaborou com a criação de um grupo de pesquisa em Física em Mato Grosso do Sul.

Lattes manteve intensa produção científica até a década de 90. Estabeleceu em Chacaltaya um laboratório de raios cósmicos o qual foi apoiado pelo CBPF, pelo Japão e também pela universidade local Universidad Mayor de San Adrés. Neste laboratório, formou pessoas que hoje integram centros experimentais no Brasil e no exterior, dos quais destacou-se Roberto Salmeron (que depois foi para o CERN e atualmente é emérito da École Polythecnique de Paris). Dos trabalhos que realizou lá, destacou-se estudos da interação hadrônica [10] que culminaram com a descoberta das chamadas “bolas de fogo” na produção múltipla de píons.

Lattes tornou-se emérito da UFRJ, CBPF e Unicamp, e morou em Campinas até falecer em março de 2005, aos 80 anos. Entre os prêmios que recebeu, incluem-se: Ernesto Fonseca Costa (CNPq, 1953), Einstein (Acad. Bras. de Ciências, 1950), Bernardo Houssay (Organização dos Estados Americanos, 1978) e o Prêmio de Física da Academia de Ciências do Terceiro Mundo (1988).

Notas e referências

Lattes, C. G. M., Schönberg, M. Schützer, W. Anais Acad. Bras. de Ciências 19, 13 (1947).
Anderson, C., Neddermeyer, S. Phys. Rev. 50, 263 (1936).
Occhialini, G. P. S., Powell, C. F. Nature 159, 186 (1947).
Perkins, D. H. Nature 159, 126 (1947).
Lattes, C. M. G., Muirhead, H., Occhialini, G. P. S., Powell, C. F. Nature 159, 694 (1947).
Lattes, C. M. G., Fowler, P., Cüer, P. Nature 159, 301 (1947).
Na classificação contemporânea, o μ é um lépton (da mesma natureza que o elétron), e não um méson, termo reservado para partículas formadas por um par quark-antiquark, das quais o π é um exemplo (e o mais leve). Naquela época, “méson” queria dizer mais pesado que o elétron, porém mais leve que o próton.
Lattes, C. M. G., Occhialini, G. P. S., Powell, C. F. Nature 160, 453 (1947); Nature 160, 486 (1947); Proc. Roy. Soc. 61, 173 (1948).
Lattes, C. M. G.. Fujimoto, Y., Hasegawa, S. Phys. Rep. 65, 152 (1980).

30 Anos de Física de Partículas 2

2008-02-16T16:49:00.008-05:00

Continuando o assunto do último post...

A assimetria matéria/antimatéria

Todos os processos da eletrodinâmica e a força nuclear forte observados em laboratório acontecem com a mesma probabilidade para duas reações que diferem por uma troca de todas as partículas por antipartículas. Então, por exemplo, a probabilidade de um fóton ser defletido por um elétron (efeito Compton) é a mesma que um fóton ser defletido por um pósitron.
Não obstante, é observado astronomicamente que o universo é dominado por elétrons, e não é uma mistura 50%-50% de elétrons-pósitrons. Isso só é possível se em algum estágio do Big Bang houver mais elétrons que pósitrons.
Se imaginarmos que estes elétrons e pósitrons vieram de algum processo físico, como é possível que no Big Bang uma das partículas (o elétron) tenha sido produzida em maior quantidade? A única forma é se as leis da física favorecerem a produção de matéria no lugar da antimatéria.
Até 1964, as leis da física pareciam perfeitamente simétricas em matéria/antimatéria. Naquele ano, porém, foi confirmado experimentalmente por James Cronin e Val Fitch que a força nuclear fraca possui uma assimetria matéria-antimatéria na interação entre os quarks. A assimetria é incorporada na física de partículas através do fato de que cada quark de massa definida, digamos o up quark, não interage sozinho numa reação nuclear fraca, mas sempre numa mistura com os outros quarks de mesma carga elétrica.
Não obstante, estudos na cosmologia apontaram que a assimetria matéria-antimatéria dos quarks não é grande o suficiente para explicar completamente a assimetria da matéria-antimatéria no universo. Há algo faltando [1].

Por volta de 1970, Raymond Davis Jr. e John Bahcall começaram a encontrar evidências de que os neutrinos possuiam massa, seguindo idéias anteriormente propostas em 1968 por Bruno Pontecorvo. No início dos anos 90, a colaboração do experimento Kamiokande/SuperKamiokande fez medidas independentes do experimento de Davis que confirmavam a existência de massa para os neutrinos [2]. Os dois experimentos receberam o Prêmio Nobel em 2002.

A descoberta da massa dos neutrinos abriu uma nova porta no problema da assimetria da matéria/antimatéria: se os neutrions de massa bem definida entrarem numa mistura ao interagir com o W e o Z, então dependendo da natureza dessa mistura, pode haver uma violação da simetria matéria-antimatéria (igual como acontece com os quarks). Ainda não há resultados experimentais que testam essa hipótese, mas já há modelos teóricos indicativos que uma assimetria para os neutrinos poderia ser o que faltava para explicar a diferença entre matéria-antimatéria observada no universo! Ainda mais interessante, modelos de unificação da força nuclear forte com a eletrofraca (as teorias de GUT) predizem uma massa para o neutrino e violação da simetria matéria-antimatéria de forma mais ou menos automática.
No presente momento, há vários experimentos designados a investigar a natureza do neutrino e suas interações com a matéria, entre eles: BooNE e MINOS no Fermilab, KamLAND no Japão e o IceCube na Antártida. Estes experimentos poderão determinar a natureza da massa dos neutrinos e se estes participam ou não da assimetria matéria-antimatéria.
O neutrino, que foi proposto em 1929 para preservar a conservação da energia, pode acabar por desempenhar um papel fundamental no Universo e ainda permitir avaliar se há realmente uma unificação das forças fundamentais.

O Problema CP Forte e a Matéria Escura

A assimetria da matéria-antimatéria na física teórica de partículas é denominada de violação CP. Se partimos do pressuposto que as simetrias são suficientes para estabelecer a forma das leis da física, então a simetria da força forte deveria implicar na existência de violação CP em processos nucleares fortes. Em outras palavras, a simetria da QCD não impede a existência de violação CP. Entretanto, tal violação nas interações fortes não é observada experimentalmente. É possível traduzir isso em termos de um parâmetro, genericamente chamado de , que deve ser menor que uma parte em um bilhão. Dessa forma, fica a pergunta: por que a violação CP forte é tão pequena? O Modelo Padrão não tem uma explicação! Talvez algo mais fundamental esteja em jogo.
Um mecanismo para explicar o valor tão pequeno do parâmetro surgiu em 1977 num estudo sobre instantons realizado por R. Peccei e Helen Quinn [3]. O mecanismo de Peccei-Quinn leva a existência de uma nova partícula escalar eletricamente neutra, chamada de axion. Buscas do axion até agora deram sinal negativo, o que em si é consistente com o modelo teórico que prevê um acoplamento muito fraco. Mas nem tudo está perdido para detectar os áxions: um axion livre no universo decairia para dois fótons apenas depois de um longo tempo, e isso o faz um candidato natural para a matéria escura. Há experimentos — em andamento e sendo projetados — que buscam determinar se o axion faz parte da massa das galáxias. Ainda não existe nenhuma evidência conclusiva de que o mecanismo de Peccei-Quinn esteja em ação na Natureza.
Há modelos de física de partículas com supersimetria que poderiam ser descobertos no LHC que resolvem o problema sem a exigência de um axion [4]. Outra alternativa é pressupor que a massa do quark na ausência de interações é zero, mas que as interações dos quarks com forças ainda não descobertas gerariam uma massa efetiva muito pequena [5]. Nesse caso, a origem do valor de dependeria da física de uma teoria de unficação, supercordas, ou algo do tipo.

Mistérios das massas dos quarks

O Modelo Padrão não prevê nenhum valor específico para massa dos férmions, mas há pelo menos duas características do espectro das partículas que são ainda mais curiosas. A primeira é a seguinte: os quarks de carga positiva interagem todos do mesmo modo com as forças fundamentais. Em outras palavras, as "cargas" dessas partículas são todas idênticas. O mesmo vale para os quarks de carga negativa. É natural que os quarks de carga positiva tenham uma massa diferente dos de carga negativa, uma vez que o valor absoluto da carga não é a mesmo: a carga elétrica do up, charm e top (u,c,t) é +2/3, do down, strange e bottom (d,s,b) é -1/3; então a contribuição da nuvem de fótons virtuais para a massa dos quarks de cargas opostas é diferente, mas entre quarks de mesma carga a contribuição é idêntica. Uma vez que os quarks interagem todos com a mesma intensidade com os glúons, a diferença na massa dos quarks provenientes da contribuição de partículas virtuais poderia vir da diferença das cargas elétricas.
Os quarks de carga negativa s,b são mais leves que os quarks correspondentes de carga positiva c,t. Porém, para os quarks u,d a relação é a inversa! O quark d é mais pesado que o u. Como isso é possível, se a diferença de massa entre os pares (u,d), (c,s) e (t,b) deveria ser devido a carga elétrica? Isso seria uma curiosidade tola se não fosse o fato de que essa inversão da diferença de massa do par (u,d) é responsável pela estabilidade do próton! Se a diferença das massas dos quarks u,d obedecesse o mesmo padrão dos demais quarks, seria o próton que decairia para o nêutron, e o universo seria um mundo muito chato sem nenhum átomo. Até o momento, não há nenhuma explicação para essa diferença de massa entre gerações.
Outro fato curioso da massa dos quarks é o valor da massa do top. Inicialmente, imaginava-se que o top deveria ter uma massa ~ 80 GeV. Foi uma surpresa quando as colaborações CDF e D0 do Fermilab apontaram em 1995 que o valor é 172±3 GeV [6]. O aspecto curioso desse número é o seguinte. Se tivéssemos um medidor do valor do campo do Higgs no vácuo (este valor existe tanto quanto o valor do campo elétrico num determinado ponto), obteríamos 247 GeV, que quando dividido pela raiz de dois é o valor da massa do top! Será que o top desempenha algum papel especial na unificação da força eletromagnética com a força nuclear fraca que explicaria esta coincidência? Há uma versão da Technicolor (lembra do último post?) onde o top sofre interações que fazem com que ele forme uma partícula tipo-techni-hadrônica, formada apenas de top e techni-gluons, e interage de tal forma a substituir o bóson de Higgs. Essa idéia é chamada de Topcolor, ou Technicolor auxiliada pelo top. A Topcolor pode ser diretamente observada (ou descartada) no LHC, e tem a vantagem de matar dois coelhos com uma cajadada só: a coincidência entre o valor da massa do top e o valor do campo de Higgs e o problema da hierarquia.

Notas

Dois artigos populares que fala mais sobre isso: no CERN Courier e na Physics World.
Os resultados iniciais de Davis datam de 1970, mas somente em 1998, com as medidas independentes do SuperKamiokande, que a comunidade se sentiu segura para admitir que o neutrino tem massa.
R.D. Peccei, Helen R. Quinn, Phys. Rev. D 16:1791-1797 (1977); Phys. Rev. Lett. 38:1440-1443 (1977). [SPIRES]
K.S. Babu, Rabindra N. Mohapatra, Phys. Rev. D 41:1286 (1990). [SPIRES]; Rabindra N. Mohapatra, Andrija Rasin, Phys. Rev. Lett. 76:3490 (1996). [SPIRES]
Tecnicamente: o termo de massa na Lagrangeana que descreve quarks a altas energias (digamos > 200 GeV) é zero, mas a baixas energias estas interações ainda não descobertas geram uma massa efetiva muito pequena.
CDF Collbaration, Phys. Rev. Lett. 74:2626 (1995) [SPIRES]; D0 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 74:2632 (1995) [SPIRES].

A Física de partícula dos últimos 30 anos

2008-02-09T18:25:00.001-05:00

Uma das alegações mais comuns de alguns livros de divulgação que tratam sobre supercordas é a de que a física de partículas esteve mais ou menos congelada do ponto de vista de novas idéias teóricas nos últimos 30 anos. Woit, Greene, Kaku são exemplos de textos com essa alegação: após a descoberta da unificação eletrofraca e dos métodos de cálculo nas chamadas teorias de calibre que aconteceram nos anos 60 e 70, pelos últimos 30 anos a física de partículas apenas viu confirmação do cenário teórico geral estabelecido, sem necessidade de novas idéias.

Isso é verdade em parte, mas não é toda a história. Como eu quero mostrar neste e nos próximos posts, a física de partículas nos últimos 30 anos foi um terreno muito fértil para problemas desafiadores e grandes dificuldades teóricas, que acabaram por desenvolver uma série de novas e importantes técnicas que mudaram drasticamente a visão da física fundamental que se tinha nos anos 70. Algumas dessas idéias ainda serão testadas no LHC, e dada a situação extremamente obscura da nossa compreensão de alguns problemas da física de partículas, é bem provável que algo completamente inesperado possa surgir nos próximos anos, criando ainda mais excitação para novas idéias.

A descoberta das teorias efetivas

Na década de 40, Freeman Dyson descobriu que teorias de física de partículas com certas características tinham uma receita simples que permitia calcular qualquer fenômeno físico e obter uma resposta finita. As teorias que satisfazem os critérios de Dyson são chamadas de teorias renormalizáveis. Outras teorias pareciam simplesmente prever que qualquer processo físico teria probabilidade infinita de ocorrer, o que não faz sentido uma vez que nada pode ter mais que 100% de probabilidade.

O problema técnico resolvido por Dyson foi o principal motivador do desenvolvimento da teoria eletrofraca e da cromodinâmica quântica: ambas são teorias renormalizáveis. No entanto, no final dos anos 70, o gênio Steven Weinberg mostrou como fazer cálculos com qualquer teoria em física de partículas. Ficou claro que as teorias renormalizáveis são apenas um caso particular de teorias mais gerais, e que correspondem apenas a uma primeira aproximação. As teorias mais gerais são hoje genericamente chamadas de teorias efetivas (antigamente chamadas de não-renormalizáveis).

Esta descoberta impulsionou uma série de desenvolvimentos muito importantes, em especial para a física da força nuclear forte, pois é impossível usar a QCD diretamente para estudar hádrons em baixas energias. Porém, é possível escrever teorias efetivas que descrevem hádrons mas que são intimamente relacionadas com a QCD. A relação das teorais efetivas de hádrons com a QCD é a mesma entre as teorias que descrevem a magnetização dos materiais com a física atômica: ao invés de começar do problema do movimento de N átomos, ignora-se todos os graus de liberdade dos átomos, exceto o momento magnético, e constrói-se então um modelo para a interação de N momentos magnéticos. Desse modo, foi possível durante os anos 90 fazer cálculos analíticos de propriedades dos hádrons partindo da QCD. Em especial, Mark Wise, Mikhail Voloshin e Nathan Isgur descobriram no final de 1989 uma nova simetria das interações fortes, e desenvolveram uma teoria efetiva com base nesta simetria que permitiu calcular analiticamente o comportamento dos mésons que contém quarks charmed e bottom[1]. Esta teoria é conhecida como a teoria efetiva de quarks pesados (HQEFT), e antes dela pensava-se que somente cálculos numéricos complicados da QCD poderiam providenciar previsões para as propriedades dos mésons com quarks charmed e bottom. Os três receberam em 2001 o Prêmio J. J. Sakurai de Física Teórica da American Physical Society pelo desenvolvimento da teoria e suas conseqüências.

O problema da hierarquia

Um dos componentes fundamentais do modelo de unificação eletrofraca da física de partículas é a existência do chamado bóson de Higgs. No entanto, em 1979, Kenneth Wilson mostrou que a existência do bóson de Higgs constitui automaticamente um problema[2], hoje conhecido como o problema da hierarquia.
Wilson percebeu que a contribuição das partículas virtuais para a massa do bóson de Higgs é da ordem de 10¹⁹ GeV [3]. No entanto, a massa do bóson de Higgs é experimentalmente vinculada para ser da ordem de 100 GeV. A única solução é ajustar um parâmetro da teoria em mais ou menos 17 algarismos significativos para ser idêntico a contribuição das partículas virtuais:

Massa do Higgs = (parâmetro da teoria) + (partículas virtuais)

Qual a razão do parâmetro da teoria provocar um cancelamento tão perfeito da contribuição das partículas virtuais? O Modelo Padrão não tem uma resposta para essa pergunta!
Isto levou logo em 1979 Leonard Susskind [2] a propor uma alternativa a existência do bóson de Higgs, a teoria conhecida por Technicolor, que prevê a existência de uma nova força forte na Natureza. Mais tarde foi percebido que a supersimetria também resolve o problema da hierarquia, pois a contribuição de cada partícula virtual do Modelo Padrão para massa do Higgs é cancelada por uma partícula de spin diferente.
No entanto, tanto a supersimetria como Technicolor eventualmente requerem um certo ajuste arbitrário de parâmetros e simetrias discretas para poder evadir o problema da hierarquia, o que na prática não o resolve completamente, apenas o transfere para um outro lugar: a tentativa de justificar as escolhas de parâmetros nestas teorias.
Durante vários anos não surgiu nenhuma alternativa viável para supersimetria ou Technicolor, até que em 1998 Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos e Gia Dvali mostraram que se existem mais dimensões espaciais no universo então há um cenário possível que resolve o problema [4].
Se há dimensões extras no universo, então a potência irradiada por grávitons que podemos observar nas 3D é menor que a potência total irradiada, devido ao fato que parte dos grávitons se propagam nas dimensões extras. Sendo assim, é possível ajustar a constante da gravitação de Newton para trazer a escala da gravitação quântica para aproximadamente 1 TeV. Isso resolve o problema pois nesse caso a contribuição dos pares de partículas virtuais seria da ordem ~ 1 TeV, que é apenas uma ordem de grandeza diferente da massa do Higgs, ao invés de 17 ordens de grandeza.
O trabalho de Nima e Cia. abriu uma nova arena para a construção de alternativas ao Modelo Padrão. Atualmente, o mais estudado é o modelo de Randall-Sundrum[5].
Nos modelos com dimensões extras há novas partículas, pois para cada partícula há um campo associado (por exemplo, para o fóton há o campo eletromagnético) que agora pode "vibrar" em mais dimensões. As vibrações nas dimensões extras são percebidas como partículas elementares, chamadas de parceiros Kaluza-Klein. Então, por exemplo, para o campo eletromagnético há o fóton e toda uma torre de excitações Kaluza-Klein de massa ~ 1 TeV. Todas essas partículas poderiam ser, em princípio, observadas no LHC (indireta ou diretamente).
É extremamente excitante imaginar que daqui a poucos anos poderemos obter de um experimento como o LHC informação sobre algo tão fundamental como o número de dimensões que existe no universo, em especial se o resultado for que há mais do que apenas 4 [6].

Em 2001, inspirados pela descoberta dos modelos de dimensões extras, Nima, Andrew Cohen e Howard Georgi encontraram outra alternativa [7]. Eles mostraram que é possível construir um modelo onde o bóson de Higgs tem uma simetria extra que "protege" a massa de contribuições de partículas virtuais. O segredo é o que se chama simetria de custódia, que impõe que se a massa do Higgs fosse zero então nenhuma partícula virtual poderia contribuir para a massa do Higgs. O resultado é que todas as contribuições de partículas virtuais passam a ser elas próprias proporcionais ao valor da massa do Higgs. Assim, se a massa do Higgs for da ordem de 100 GeV, todas as contribuições de partículas virtuais são também da ordem de 100 GeV, e não ocorre nenhuma catástrofe. Vários modelos foram construídos baseados nesta idéia, e eles vão sobre o nome genérico de Little Higgs.

Será que o LHC vai revelar que há supersimetria? Technicolor? Dimensões extras? Little Higgses? Ou será que o LHC vai apenas encontrar o bóson de Higgs do Modelo Padrão e nada mais? Lembremos que o que está em jogo aqui é a compreensão de o que na Natureza permite que exista a unificação eletrofraca, i.e. como é possível que exista uma única simetria para a força fraca e o eletromagnetismo quando o fóton não possui massa mas os bósons W e Z são pesados.

E ainda há muito mais coisas curiosas para falar... Vão ficar para um próximo post!

Nota: terei o maior prazer em responder perguntas sobre o texto, que podem ser deixadas como comentários.

Referências

M. Wise, N. Isgur, Phys.Lett.B 232:113 (1989) [SPIRES]; M.B. Voloshin, M.A. Shifman, Yad. Fiz. 45 (1987), p. 463 [SPIRES].
L. Susskind, Phys. Rev. D 20, 2619 - 2625 (1979) [SPIRES]. A proposta de Technicolor já havia sido esboçada, por razões diferentes, em 1976 por Steven Weinberg [SPIRES].
Para o argumento do problema da hierarquia tanto importa se a unificação eletrofraca é válida até a escala da gravitação quântica ou até uma escala de grande unificação com a força forte (que é ~ 10¹⁵ GeV).
N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali, Phys.Lett.B 429, 263-272 (1998) [SPIRES].
L. Randall, R. Sundrum, Phys.Rev.Lett. 83, 3370-3373 (1999) [SPIRES].
Para mais sobre esse assunto, você pode ler este artigo de divulgação.
Phys.Lett.B 513, 232-240 (2001) [SPIRES]. Para um artigo de divulgação sobre Little Higgs, veja aqui.

Jayme Tiomno e o mecanismo das interações fracas

2008-02-09T17:40:00.001-05:00

Jayme Tiomno nasceu no dia 16 de abril de 1920 no Rio de Janeiro mas fez quase todo seu curso secundário em Muzambinho, Minas Gerais, vindo a completá-lo no Rio de Janeiro. Ingressou na Faculdade Nacional de Filosofia (FNFi) da Universidade do Brasil, atual UFRJ, onde se formou Bacharel em Física em 1941. Nesta época conheceu José Leite Lopes (FNFi) e Cesar Lattes (USP). Formado, foi assistente de Joaquim Costa Ribeiro na FNFi (1942) e depois de Mário Schenberg na USP em 1947. Naquele ano, assistiu um seminário de Lattes a respeito da nova descoberta da existência do múon e do píon, de onde surgiu seu interesse em especial pelo múon, que já naquele momento lhe pareceu também interagir pelo mecanismo de Fermi, outrora proposto para explicar o decaimento betado nêutron.
Tiomno recebeu uma bolsa do governo norte-americano para obter seu Ph.D., tendo ele seguido para a Universidade de Princeton em 1948. Lá, trabalhou com John A. Wheeler (ex-orientador de R. P. Feynman) que também estava interessado na natureza da interação dos léptons. Tiomno concebeu um esquema geral para a interação fraca (historicamente conhecido por universalidade das interações fracas) no qual existiriam três pares de partículas, [(p,n), (e,νe), (μ,νμ)], que interagiriam entre si segundo o esquema original de Fermi^[1], idéia simultaneamente proposta por B. M. Pontecorvo, O. B. Klein, G. Puppi, T. D. Lee, C. N. Yang e M. N. Rosenbluth. No artigo de Wheeler e Tiomno, havia um diagrama representando o esquema geral, hoje conhecido por triângulo de Tiomno. Ele ainda trabalharia no mesmo tema logo depois com C. N. Yang, quando formalizaram a proposta pela primeira vez e cunharam o termo interação universal tipo Fermi^[2].
Em 1950, Tiomno concluiu sua tese de doutoramento na supervisão de Eugene Wigner a respeito do campo dos neutrinos e o decaimento beta duplo. Ele voltou para USP ainda em 50 e realizou um importante trabalho com Walter Schützer no qual eles introduziram pela primeira vez a noção de causalidade no formalismo matemático da teoria da matriz S, o que constituiu a primeira aplicação da teoria das relações de dispersão às reações nucleares^[3]. Em 1952, ele foi convidado a integrar o grupo de física teórica coordenada por J. Leite Lopes no CBPF. Os anos 50 no CBPF são lembrados pelo próprio Tiomno como os anos mais frutíferos de sua carreira. Ele concentrou-se primariamente em continuar a elucidação das interações fracas. Aplicando vários critérios de simetria ao modelo da interação universal tipo Fermi, chegou a conclusão que seus trabalhos anteriores levavam a duas possibilidades: a interação fraca se daria pela conservação de uma corrente de natureza S+P+T (escalar mais pseudoescalar mais tensor) ou V-A (vetor menos axial)^[4]. Para tal, ele introduziu a noção da chamada transformação γ₅(gama 5). Ele considerou que a interação fraca deveria ser do tipo S+P+T. Dois anos depois, nos Estados Unidos, R. E. Marshak e E. C. G. Shudarshan e independentemente Feynman e M. Gell-Mann propõe, com base nas evidências experimentais daquele ano (1957), que a interação é na verdade na forma V-A. Esta segunda forma que descreve corretamente a interação fraca dos léptons e hádrons.
Ainda em 1957, Tiomno desenvolveu estudos a respeito da natureza da interação nuclear forte que logo em seguida serviram de base para os desenvolvimentos de Y. Ne’eman que culminaram na elucidação da estrutura destas interações, independentemente de Gell-Mann.
Em 1960, Tiomno propôs a existência de um novo méson, o K´, similar ao já conhecido méson K, mas de paridade oposta, para dar conta de assimetrias observadas em colisões de hádrons. A existência da partícula foi mais tarde confirmada no SLAC, em Stanford (ressonância K-π, ou K*).
Em 1987, o Comitê Nobel recebeu a indicação de agraciar naquele ano Shudarshan, Marshak, Mdme. C. Wu e Tiomno pelas descobertas a respeito da interação fraca. No entanto, decidiu-se por J. G. Bednorz e K. A. Muller pela descoberta das cerâmicas supercondutoras.
As intervenções do regime militar no Brasil encontra-nos aqui novamente. Em 1964, o novo diretor do CBPF, almirante Otacílio Cunha, torna o ambiente impossível para a pesquisa, e Tiomno busca se afastar. No ano seguinte, ele consegue ir para a Universidade de Brasília (UnB) juntar-se com Roberto Salmeron na criação de um centro de física naquela universidade. Porém, a arbitrariedade incomensurável do regime leva a descontinuação da UnB em outubro daquele mesmo ano^[5]! Tiomno volta então para o Rio. Wheeler, preocupado com a situação, convidou-o várias vezes para tornar-se pesquisador visitante de Princeton, mas Tiomno declinava. Em 67, consegue afastar-se do CBPF indo para o Instituto de Física da USP, onde fundou o grupo de pesquisa hoje integrado no Departamento de Física Matemática (fundado por H. M. Nussenzveig). Mas isso só durou um ano: AI-5 veio no final de 68. Tiomno estava, como tantos outros acadêmicos, proibido de trabalhar. Wheeler, nos Estados Unidos, tomou conhecimento e ajudou a organizar uma seqüência de abaixo-assinados enviados ao presidente Costa e Silva, um dos quais com a assinatura de mais de 600 físicos estrangeiros, e também manifestações individuais de repúdio ao presidente enviadas por C. N. Yang e Licoln Gordon (este último na época era reitor da Johns Hopkins).
Tiomno ainda recusou vários convites para ir lecionar nos Estados Unidos, tentando diversas manobras para resolver o problema no país. Depois que seus ex-alunos não conseguiram contrata-lo para a PUC-RJ em virtude da intervenção militar, Tiomno cedeu a um convite feito por Freeman Dyson em setembro de 1970 para ir a Princeton, onde permaneceu até 1972. Finalmente, em 1973, por interferência do papa Paulo VI, o grupo da PUC-RJ conseguiu contratar Tiomno e este voltou ao país. Assim, continuou seus trabalhos em colaboração com seus ex-alunos, entre os quais Jorge André Swieca, onde formou um núcleo de excelência em física teórica de onde destacou-se mais tarde o grande divulgador de ciência Marcelo Gleiser.
Com a anistia em 1980, Tiomno pôde voltar ao CBPF onde permaneceu até se aposentar, trabalhando primordialmente com Relatividade Geral. Ele chegou, nos últimos anos, a desenvolver um trabalho no qual revisava criticamente a relatividade especial e apontava que os experimentos já realizados, embora corroborassem a teoria, não eram capazes de banir propostas alternativas. Este trabalho foi inicialmente recusado para publicação, mas Tiomno pediu uma revisão mais cética. O trabalho foi por fim publicado em 1985^[6].
Entre os prêmios que recebeu, destacam-se a Grã-Cruz da Ordem Nacional do Mérito Científico (1994) e Prêmio de Física da Academia de Ciências do Terceiro Mundo (1995).

Notas

Tiomno, J., Wheeler, J. A. Rev. Mod. Phys. 21, 153 (1949); Rev. Mod. Phys. 21, 144 (1949)
Tiomno, J. Yang, C. N. Phys. Rev. 79, 495 (1950).
Schützer, W. Tiomno, J. Phys. Rev. 83, 249 (1951).
Tiomno, J. Nuovo Cimento 1, 226 (1955).
O relato “de dentro” da intervenção militar na UnB encontra-se em R. Salmeron, A Universidade interrompida, Ed. UnB (1999). Este não é o único episódio no qual um centro de pesquisa foi destruído pelo regime. O laboratório do célebre Walter Oswaldo Cruz no Rio de Janeiro foi outro, tendo ele perdido o acúmulo de equipamentos desde os herdados de seu pai. Anos de pesquisa destruídos, um acontecimento que derrubou emocionalmente Walter pelo resto de sua vida.
Tiomno, J., Rodrigues, W. A. Found. Phys. 15, 945 (1985).
Para um artigo mais completo sobre a vida de Tiomno: Bassalo, J. M. F., Freire, O., Jr. Rev. Bras. Ens. Fís. 25, 426 (2003), disponível online aqui.

Dois artigos para ler no fim de semana

2008-02-01T22:52:00.000-05:00

Aqui vão duas leituras interessantes para o fim de semana:

Steven Pinker, The Moral Instict, NY Times, 13 Jan 2008; psicólogo de Harvard fala sobre os instintos humanos que estabelecem a moral (em inglês).
Hélio Schwartsman, Ciência sob ataque, Folha de S. Paulo, 31 Jan 2008. Ministra criacionista...

José Leite Lopes (1918-2006) e a unificação das forças fundamentais

2008-02-01T20:46:00.001-05:00

José Leite Lopes nasceu em Recife a 28 de outubro de 1918. Estudou no Colégio Marista e foi encantado pela ciência, especialmente a química. Assim, ingressou em 1936 na Escola de Engenharia de Pernambuco onde formou-se três anos depois em Química Industrial. Lá, conheceu Luiz Freire, um dos pioneiros em Física no Brasil, que foi sua maior influência para mudar para a pesquisa em Física. Em 1937, Leite Lopes foi ao III Congresso Sul Americano de Química, onde conheceu Mário Schenberg, que apresentou-o ao então Departamento de Física da USP. Voltando para Recife, Leite Lopes estava decidido: iria seguir carreira como físico. Em 1939, formado, Leite Lopes conseguiu uma bolsa de estudos das industrias Manuel de Britto para continuar seus estudos no sul do país. De 1940-42 formou-se bacharel em Física pela Faculdade Nacional de Filosofia (FNFi) no Rio de Janeiro (atual UFRJ). Naquele ano, Leite Lopes recebeu uma bolsa da Fundação Zerrener^[1] para trabalhar na USP, sob orientação de Schenberg, e nesta ocasião conheceu Cesar Lattes. Ficou na USP até 1943 e no ano seguinte prosseguiu para obtenção de seu Ph.D. na Universidade de Princeton. Já no primeiro semestre em Princeton, Leite Lopes publicou um trabalho com Josef Maria Jauch onde desenvolviam a interação nuclear forte como troca de pares de mésons escalares entre os nucleons. Mas sua tese de Ph.D. não seria orientada por Jauch, e sim, por sugestão deste, por Wolgang Pauli, célebre pioneiro da mecânica quântica e teoria quântica de campos. Em Princeton, Leite Lopes assistiu aulas e seminários de Einstein, Weyl, von Neumann e naturalmente, Pauli. Parte da série de artigos de Pauli e Leite Lopes estão hoje disponíveis na coletânea da produção científica de Pauli.
Defendida sua tese, Leite Lopes voltou ao Rio de Janeiro no início de 1946 então com seus 27 anos, onde assumiu a cátedra de Física Teórica Superior da FNFi. Seu grupo de trabalho pareceu restringir-se principalmente a Jayme Tiomno (FNFi) e Schenberg (USP). Tentou sistematicamente aumentar os recursos para pesquisa em Física no Rio de Janeiro, levando a pauta na congregação da FNFi, publicando artigos em jornais, tentando ao menos contratar mais algum pesquisador assistente, mas sem nenhum sucesso. Os resultados de seu amigo Lattes em 48-49 animou a sociedade brasileira e quando Lattes voltou para o Brasil foi possível finalmente ampliar os horizontes, não na universidade, mas com a criação do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) em 1949, liderada por Lattes e Leite Lopes, e em seqüência, do Conselho Nacional de Pesquisa (CNPq) em 1951. Atrás da consolidação do emergente CBPF, buscou-se colaboração internacional e nacional, tendo Leite Lopes trazido Richard P. Feynman em 1950 e em 1951, para pesquisa no CBPF e aulas na Universidade do Brasil. Também passaram a integrar o grupo de trabalho de Leite Lopes no CBPF: Schenberg, Guido Beck, J. J. Giambiagi e Tiomno. Lattes liderava a pesquisa experimental. No ano de criação do CNPq, com a ajuda do novo órgão do governo, realizou-se no país um encontro de física, no qual participaram além dos pesquisadores já citados do CBPF e outros daquela instituição e da USP, Eugene Wigner, Emillio Segrè e Isidor I. Rabi. Nestes anos, na FNFi e no CBPF, alguns nomes do Brasil formaram-se com a equipe do CBPF, como Mario Novello, Herch Moysés Nussenzveig, Luís Carlos Gomes, Nicim Zagury, Sérgio Jofilly e Jorge André Swieca.
Em 1955, Leite Lopes foi secretário científico da primeira conferência internacional sobre utilização pacífica da energia atômica da ONU, junto com Oppenheimer, mas no ano seguinte voltou a trabalhar em teoria quântica de campos: a convite de Feynman foi ao CalTech como research fellow, onde também estava Murray Gell-Mann.
Os trabalhos de Leite Lopes no CalTech culminaram em 1958 com o que foi talvez sua contribuição mais significativa para a Física^[2]: a observação que a força nuclear fraca como descrita na teoria de Fermi poderia advir da existência de partículas massivas carregadas (mais tarde chamado bóson W) e também de uma partícula neutra (o bóson Z). Até antes do trabalho de Leite Lopes, no contexto da interação nuclear fraca, apenas os bósons W já haviam sido considerados.
Este trabalho foi uma observação que antecedeu as idéias que culminariam na versão moderna da teoria eletrofraca de Steven Weinberg e Abdus Salam^[3], o que deu aos dois o Prêmio Nobel. Outro físico brasileiro que trabalhou na teoria eletrofraca e obteve grande sucesso foi Tiomno, que falaremos mais em outro ensaio, chegando inclusive a ser indicado para receber o Prêmio Nobel por suas contribuições.
Novamente em 1961 Leite Lopes surgiu no quadro político, desta vez para lançar o projeto de criação do Ministério da Ciência e Tecnologia, junto com H. Moussaché, W. Oswaldo Cruz, H. Lent e A. Moses (então presidente da Acad. Bras. de Ciências). O projeto saiu do papel, no entanto, anos mais tarde.
Leite Lopes e o CBPF foram atingidos pelo regime militar no Brasil. Com o estabelecimento do governo autoritário, já em 1964 Leite Lopes fora chamado a depor em dois inquéritos e viu Schenberg ser preso e ter seus direitos políticos e ligações acadêmicas suspensas, em virtude de ser membro do Partido Comunista. O AI-5 aposentou Leite Lopes compulsoriamente e o impedia de continuar suas atividades ligado a FNFi, então ele e sua família refugiaram-se no exterior. Sua primeira parada foi em Carnegie-Mellon em 1969, e um mês depois de estabelecido nesta universidade, recebeu do almirante Otacílio Cunha, novo diretor do CBPF, a carta anunciando que Leite Lopes estava demitido!
No exterior, Leite Lopes permaneceu em Carnegie-Mellon por um ano. Em seguida foi para a Universidade Luis Pasteur em Estrasburgo na França e foi extraordinariamente nomeado professor titular. Com a redemocratização do Brasil em 1986, foi convidado pelo Ministro da Ciência e Tecnologia, Renato Archer, a voltar ao país, o que aceitou, tornando-se diretor do CBPF — e eu diria aqui: honoris causa Otacílio! —, cargo que manteve até 1989.
Leite Lopes passou seus últimos anos no Rio de Janeiro e além da física, apreciava a arte plástica, sendo ele próprio um pintor. Alguns de seus quadros podem ser vistos no seu livro Ciência e Liberdade, da Ed. UFRJ/CBPF e na capa de seu Uma história da Física no Brasil, Ed. Liv. da Física, que são a base deste ensaio biográfico e muito dos demais desta série.

Leite Lopes faleceu em 2006, aos 87 anos, no Rio de Janeiro, de uma parada cardíaca.

Notas

Esta fundação era do empresário co-fundador da cervejaria Antárctica, Heitor Zerrener.
J. Leite Lopes. Nuclear Phys. 8, 234 (1958). Resumo do artigo aqui.
Um outro relato da contribuição de Leite Lopes é dado por Steven Weinberg em sua Nobel Lecture.

Mario Schenberg (1914-1990): Física, Política e Arte

2008-01-24T19:09:00.003-05:00

Mário Schenberg foi um grande físico teórico brasileiro com grande interesse na política e nas artes plásticas. Ele nasceu em Recife em 2 de julho de 1914, mas sua família visitava constantemente o Rio de Janeiro, onde passou grande parte de sua infância. Aos treze anos teve seu primeiro contato com a geometria e a física que o encantaram. Também nesse mesmo ano conheceu as idéias marxistas, lendo o periódico Cultura, que o levaram imediatamente a sua primeira participação política apoiando a Coluna Prestes no último ano do movimento.
Ingressou em 1931 na Escola de Engenharia de Pernambuco em Recife e lá teve contato com sua primeira forte influência: Luiz Freire — instigador de tantos outros espíritos científicos, como o de José Leite Lopes. No terceiro ano, transferiu-se para a Escola Politécnica da USP, onde se formou engenheiro eletricista em 1935. Com a criação da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras (FFCL) da USP em 34, ele ingressa na turma de matemática, onde teve aulas com Gleb Wataghin e o matemático italiano Luigi Fantappié. Em 1936, obtém seu grau em matemática na primeira turma da recém criada faculdade. No último ano de engenharia (1935), já havia preparado um trabalho na incipiente eletrodinâmica quântica^[1]. Formado, foi contratado como assistente no laboratório de Wataghin. No ano seguinte, desenvolveu a representação do funcional delta de Dirac através da integral de Stieljes, trabalho que foi indicado à publicação por Tullio Levi-Civita nos anais da Academia dei Lincei ^[2]. Pouco depois, em 1938, subsidiado pelo governo do estado de S. Paulo, foi para a Itália trabalhar com Enrico Fermi a respeito da eletrodinâmica quântica.
Enquanto trabalhava com Fermi, desenvolveu a hipótese da origem dos raios cósmicos a partir de mésons, e não fótons e elétrons, como se supunha na época. Como Fermi não acreditou no trabalho, Schenberg só veio a publicá-lo em 49 no Brasil, nos Anais da Acad. Bras. de Ciências. Este trabalho está citado no livro de Heisenberg sobre raios cósmicos.
A ascensão do fascismo levou Fermi aos Estados Unidos e Schenberg mudou-se para Zurique, onde trabalhou com Wolfgang Pauli. Logo antes da guerra estourar em 39, Schenberg foi para Bélgica a fim de voltar ao Brasil. Antes, passou por Paris, onde ficou alguns meses como visitante no Collège de France, dando seminários, no ambiente junto com F. Joliot-Curie e P. Langevin. Lá ele conheceu o artista Di Cavalcanti.
De volta ao Brasil no final de 38, Schenberg recebeu bolsa da Fundação Guggenheim para ir trabalhar nos Estados Unidos, onde permaneceu durante a guerra. Foi a Universidade de Washington, onde estava George Gamow que Schenberg já havia conhecido anteriormente no Brasil. No final da década de 30, Gamow investigava o processo de colapso das estrelas que leva às supernovas. Os cálculos já realizados por Gamow não incluíam o neutrino, que era idéia recente. Notando isto, Schenberg aperfeiçoou o modelo, e o neutrino acabou por desempenhar o papel crucial no mecanismo das supernovas^[3], sendo responsável em parte pela dissipação de energia nas estrelas. O processo de "roubo de energia" pelos neutrinos foi chamado de processo urca. A razão do nome vem de encontros anteriores de Gamow e Schenberg, quando os dois foram certa vez ao cassino da praia da Urca (próximo de onde hoje é o CBPF), onde teriam perdido dinheiro em apostas na roleta. Gamow, de quem se tem tantas histórias de irreverência, salientou que os neutrinos roubavam a energia do interior das estrelas com tanta rapidez quanto o dinheiro sumia na roleta do cassino da Urca. Na comunidade internacional, o mecanismo das supernovas é mais conhecido por ser acrônimo de Ultra Rapid CAtastrophe. Curiosamente, a palavra 'urca' transliterada para cirílico é expressão coloquial para ladrão na região sul da Rússia, inclusive em Odessa, onde Gamow nasceu^[4].
Schenberg em seguida foi para o Instituto de Estudos Avançados de Princeton onde realizou novamente trabalhos com Pauli a respeito de relatividade geral (dos quais destacou-se a primeira observação do momento angular do campo gravitacional) e um sobre interações fracas que não conservam paridade — precedendo o trabalho de C. N. Yang e T. D. Lee. No mesmo ano, ainda trabalhou com S. Chandrasekhar no observatório de Yerkes a respeito da evolução do Sol^[5].
Schenberg voltou em 1942 para a USP. Coordenou um trabalho a respeito da teoria do elétron pontual, no qual trabalharam Leite Lopes, Walter Schützer e César Lattes^[6]. A partir de 1944, assumiu a cátedra de mecânica racional e celeste, e passou a contribuir crucialmente para formação de novos pesquisadores no Instituto de Física da USP (IF USP).
A partir de 1948, Schenberg passou seis anos na Europa, trabalhando na Universidade Livre de Bruxelas. Quanto voltou ao Brasil, assumiu a diretoria do IF USP que manteve até 1961. Desta época criou o grupo de estado sólido (labs. de baixas temperaturas e ressonância magnética) com recursos federais e o apoio de Ulysses Guimarães, antevendo a importância destas pesquisas para o avanço tecnológico. Na época, seus colegas, incluindo Oscar Sala, desfecharam críticas a essa iniciativa, pois consideravam a física nuclear o paradigma de aplicação. Schenberg ainda propôs a instalação do primeiro computador na USP, o que foi realizado na Escola Politécnica sob sua supervisão.
Na década de 60, Schenberg foi convidado a integrar o grupo de física teórica do CBPF onde colaborou com a formação de jovens pesquisadores como Jorge André Swieca.
Membro do Partido Comunista Brasileiro (PCB), em 1946 foi eleito deputado estadual em S. Paulo. Como tal participou da Assembléia Nacional Constituinte de 1946 e propôs a lei que instituiu o curso noturno na universidade. Em maio de 1947, o PCB foi cassado: Schenberg e seus companheiros estavam na ilegalidade. Ficou dois meses preso. Em 1962 foi novamente eleito deputado estadual pelo PTB com a maior votação do partido no estado, porém não pôde exercer a função por ser ex-membro do PCB. Com o regime militar, foi preso, torturado e ficou foragido. Lattes coletou assinaturas da comunidade científica internacional solicitando o relaxamento de sua prisão, para que pudesse ir ao Japão a um congresso o qual estava convidado. O governo cedeu, Schenberg viajou, mas não pediu exílio, fazendo questão de voltar. Com o AI-5 foi aposentado compulsoriamente e proibido de ir a USP e ao CBPF. Da opressão de sua atividade política guardou forte mágoa, “há certas coisas que a gente não deve esquecer, porque se a gente esquece, perdoa; e certas coisas não devem ser perdoadas” disse mais tarde relembrando os anos de ditadura. Em 1979, com a anistia, foi reintegrado ao corpo docente da USP. Enquanto esteve afastado, dedicou-se mais a crítica da arte plástica, tendo publicado livros e resenhas que se tornaram referências.
No final de sua vida, tornou-se pesquisador emérito do CPBF (1988) e da USP (1987), recebeu várias honras como Cidadão Paulistano (1986). Gradativamente, Schenberg apresentou os sintomas de Alzheimer, mal que o levou a morte em 10 de novembro de 1990. Na ECA USP, foi homenageado com a criação do Centro Mário Schenberg de Documentação e Pesquisa em Artes em reconhecimento de suas publicações como crítico.

Notas

Schönberg, M. Nuovo Cimento (1936) [ref em falta]
M. Schönberg. Rendiconti della Acad. Naz. dei Lincei, 20, 81 (1937).
Gamow, G., Schönberg, M. Phys. Rev. 58, 147 (1940); Phys. Rev. 59, 539 (1941).
A origem do nome em referência ao cassino é verídica, contada pelo próprio Schenberg (Cientistas Brasileiros, SBPC); Nadyozhin, D. K., Space Science Reviews, 74, 3-4 (1995), Springer.
Chandrasekhar, S., Schönberg, M. Astrophys. J. 96, 161 (1942).
Estes artigos serviram logo em seguida de base para a teoria de Feynman-Wheeler (cf. Wheeler, J. A., Feynman, R. P. Rev. Mod. Phys. 21 (1949)).
Um fascinante relato sobre as interferências do regime militar é Bassalo, J. M. F., Freire, O., Jr. Rev.Bras. Ens. Fís. 25, 426 (2003).

Spintronica e o futuro dos computadores

2008-01-18T17:29:00.000-05:00

O ano acadêmico começou e hoje tivemos o primeiro colóquio de 2008 do Departamento de Física, apresentado pelo físico Don Eigler do Centro de Pesquisa IBM em Almaden.

Poucas pessoas sabem, mas a pesquisa em física teve ligação direta com a invenção das tecnologias mais fundamentais para a existência de microcomputadores: o diodo e transistor. Uma pergunta importante para a física do estado sólido é explicar a condução elétrica em termos da natureza atômica da matéria. Esforços para compreender o transporte de elétrons em materiais datam de pelo menos meados do século 19, mas os modelos falhavam grosseiramente: vários fenômenos eram inexplicáveis (como a dependência da condutividade com a temperatura) ou as previsões eram erradas (como a propriedade termoelétrica, estimada 100 vezes maior, ou a contribuição dos elétrons para o calor específico). A razão disto é que o fenômeno da condutividade elétrica é em grande parte efeito da mecânica quântica dos elétrons se movendo em um meio com vários núcleos atômicos aqui e ali. Isto só pôde ser apreciado nos anos de 1928-1931, quando os físicos Felix Bloch, Rudolf Peierls e Alan H Wilson desenvolveram a teoria quântica do transporte dos elétrons nos materiais: a teoria das bandas eletrônicas. Aplicando esta teoria em laboratório, os físicos William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain em 1947-48 inventaram o diodo e o transistor.

Desde então os físicos tem se interessado fortemente na compreensão das propriedades do estado sólido que possam levar a novas tecnologias. Um exemplo que está na moda é a descoberta do efeito da magnetoresistência gigante, que permitiu a indústria criar os discos rígidos em miniatura para laptops e iPods.

Circuito desenvolvido em 2002 na IBM Almaden, 12nm x 17nm. Science 289, 5597, p. 1381-1387

Já o grupo de Don Eigler na IBM em final de 2002 produziu o menor circuito digital jamais construído, de 17 nm de comprimento (mais de 200 mil vezes menor que os disponíveis no mercado, mil vezes menor que o núcleo de uma célula animal, apenas 200 vezes maior que um átomo de hidrogênio). Para isso, eles desenvolveram uma técnica de manipulação de átomos usando o microscópio de tunelamento que foi inventado na IBM em Zurique na década de 80. O circuito opera a poucos Kelvin de temperatura (cerca de -270 °C) e demora quase 1h para processar informação, portanto ainda não é tecnologia de mercado. O trabalho foi publicado na Science. Mas a grande inovação aqui é fazer um circuito a base da idéia de cascata, análoga a um computador feito a base de dominó.

Uma fila de dominós em que um derruba o próximo pode, naturalmente, transmitir informação. A informação "o primeiro dominó foi derrubado" é propagada ao longo de uma linha reta de dominós por exemplo. Agora, também é possível construir portas lógicas com dominós, basta arranjar a cascata de forma adequada (o vídeo em inglês abaixo explica a idéia). Uma característica importante do sistema é que cada elemento (dominó) só pode influenciar seus vizinhos (só derruba quem está "a frente"). Num computador real, influência a longa distância poderia ser o efeito de uma corrente passando em um fio de cobre gerar ruído em outro fio vizinho.

Ora, que sistema da física do estado sólido se comporta dessa maneira? São os spins dos átomos em sólidos: cada spin interage apenas com o seu vizinho, e eles tendem a se alinhar devido a força magnética. Em 2006, o mesmo grupo de Don na IBM construiu a primeira cascata de spins, i.e. uma cadeia de dominós onde cada dominó é um único átomo e a interação entre os dominós (que permite um derrubar o outro) é a força magnética. O projeto foi liderado por Cyrus Hirjibehedin e publicado na Science.

Imagine o potencial de miniaturização dessa tecnologia: o uso de alguns poucos átomos (~ dez átomos) para construir um circuito lógico completo, o qual pode então ser usado em um computador. Menor que isso impossível!

Ainda não foi possível construir cascatas de spin comercialmente viáveis, mas Don nos assegurou que o grupo da IBM em Almaden está trabalhando duro nesse sentido.

Uma nota marginal: para aqueles que já ouviram falar em computação quântica, os sistemas de cascata de spin são computação clássica, como a realizada nos computadores modernos. A única diferença é o potencial de miniaturização.

Marcelo Damy de Souza Santos (1914-) e a Física Nuclear no Brasil

2008-01-17T19:57:00.000-05:00

Em 1936 formava-se a primeira turma da recém criada FFCL da USP. Entre os formandos, estava o jovem bacharel e licenciado em Física Marcelo Damy de Souza Santos, um dos físicos experimentais brasileiros mais notáveis de todos os tempos.

Damy nasceu a 14 de junho de 1914 em Campinas, São Paulo. Sua família mudou-se para a capital com o desfecho do movimento que levou Vargas ao poder (1930). Possuía gosto pela eletrônica e consertava rádios para ajudar a renda familiar. Na insurreição paulista contra Vargas (Revolução Constitucionalista de 32), participou na Escola Politécnica da produção de granadas e morteiros. Ingressaria nesta escola no ano seguinte, onde formou-se em engenharia elétrica em 1935.
No segundo ano de engenharia, Damy teve sua primeira aula com Gleb Wataghin, que o atraiu para a física e o tornou assistente em seu laboratório. Por volta de 1936, Wataghin e Damy confeccionaram contadores Geiger-Müller para identificação de partículas eletricamente carregadas em raios cósmicos.

O British Council concedeu-lhe uma bolsa no ano de 1938 para continuar seus estudos de pós-graduação na Inglaterra, no Cavendish Laboratory da Universidade de Cambridge, sob orientação de W. Lawrence Bragg. Lá, Damy foi encarregado de verificar a presença de mésons nos raios cósmicos. Para tal, era necessário um circuito de coincidências muito curtas (~ ms) o que só foi possível com a confecção de um dispositivo especial por parte de Damy, capaz de medir tempos da ordem de 10ns. Os primeiros radares ingleses utilizaram o seu dispositivo para medir intervalos de tempo e em virtude disso ele foi convidado pela Inglaterra a participar do projeto de novas tecnologias bélicas durante a 2a Guerra. Foi então que o ministro do exterior Osvaldo Aranha considerou que se Damy era interessante para os ingleses, seria ainda mais interessante para o Brasil!

Com a entrada inglesa na guerra e o subseqüente recrutamento das universidades para participar, Damy optou por voltar ao Brasil. O dispositivo desenvolvido em Cambridge, que na época era tecnologia exclusiva sua e do Cavendish, possibilitou a identificação da cascata de mésons produzidos simultaneamente pelos raios cósmicos ao reagir com a atmosfera, os chamados chuveiros penetrantes^[1]. No ano seguinte a publicação do artigo, Damy assumiu a cátedra de Física Experimental e Geral do Dep. de Física da USP. Estes anos foram de intensa atividade do grupo de Damy, que em 40 realizou uma experiência em pareceria com Collège de France da qual obteve-se a primeira evidência da existência de correntes de íons a uma altitude equivalente a 1,5 diâmetros da Terra (fenômeno associado ao ainda não descoberto cinturão de Van Allen) e no ano seguinte recebeu no Brasil Arthur H. Compton, prêmio Nobel, e sua equipe de raios cósmicos.

No ano da publicação da descoberta dos chuveiros penetrantes, Damy e Paulus Aulus Pompéia foram convidados pela Marinha para dotar os submarinos brasileiros de um sonar. Os trabalhos foram inicialmente desenvolvidos no laboratório de Física da FFCL, mas depois que Getúlio Vargas visitou-os em ocasião do primeiro sucesso com o dispositivo, mudaram-se para a represa Santo Amaro, onde construíram um laboratório flutuante e o primeiro protótipo do sonar brasileiro, capaz de detectar a presença de embarcações num raio de 2 km. Testes subseqüentes, no entanto, mostraram grande dificuldade em limpar ruídos comuns. Depois de pesquisar diversas alternativas e sistemas já conhecidos pelos norte-americanos, Damy concebeu um sistema viável, dispositivo equivalente aos cristais de quartzo utilizados nos sonares da 1a Guerra (desenvolvidos por Lagevin e Florisson): um oscilador magneto-estritivo para emissão de ondas sonoras detectáveis por cristais piezoelétricos. O dispositivo final foi produzido em larga escala na USP (Geologia, Química, Física e IPT) em colaboração com a Marinha e passou a equipar os submarinos brasileiros. Com a nova tecnologia, a Marinha brasileira passou a levar comboios de Natal até a Argentina, o que antes necessitava do acompanhamento dos submarinos norte-americanos, em virtude de ataques do Eixo. Damy e Pompeia não patentearam os detectores. Este trabalho foi em 1962 laureado com a Medalha do Mérito Naval pela Marinha.

Finda a guerra em 1945, Damy voltou para suas atividades junto a Wataghin. Naquele ano, a fundação Rockefeller concedeu-lhes uma verba para construção de um acelerador de partículas. Damy foi aos Estados Unidos e passou 10 meses como professor visitante na Universidade de Illinois, onde aprendeu a tecnologia do Betatron com seu próprio criador: W. D. Kerst. Voltou ao Brasil, construiu e passou a operar o primeiro acelerador de partículas da América Latina, que iniciou suas atividades em maio de 1951. O objetivo do Betatron instalado era estudar reações foto-nucleares. Os trabalhos desenvolvidos renderam bolsas no exterior a dois assistentes de Damy: Oscar Sala e José Goldemberg, e contavam com a colaboração de José Leite Lopes na parte teórica.

Em 1956, o CNPq e o Conselho Universitário da USP decidem criar o Instituto de Energia Atômica (IEA), atual IPEN, em seqüência ao congresso internacional da utilização pacífica da energia atômica. Damy fora indicado para a diretoria e fundação do novo instituto, onde permaneceu até 1964 quando se instaurou o regime militar que o demitiu. Suas atividades no IEA deram origem ao primeiro reator nuclear no Brasil que começou a funcionar em 57.
No ano de 1966, Damy aposentou-se pela USP e recebeu o convite de Zeferino Vaz a colaborar com a construção da Unicamp, tendo coordenado a criação do Instituto de Física daquela universidade (IFGW), o qual foi o primeiro diretor. Decidiu-se que haveria três principais linhas de pesquisa: altas energias, a ser coordenada por Cesar Lattes, e que fora a primeira a ser implantada, estado sólido (Sérgio Porto da John Hopkins) e nuclear (ele próprio).

Divergências políticas devidas as intervenções militares fizeram Damy abandonar a Unicamp no final de 1971. Incansável, assumiu em 1973 cargo de professor titular na PUC-SP onde dirigiu o Centro de Matemática, Física e Tecnologia, implantou um laboratório de Física Nuclear e organizou os cursos de graduação e pós nesta área. Voltou a trabalhar no IPEN a convite em 1988.

Damy acumulou assim as homenagens de tornar-se emérito da USP (1984) e da PUC-SP (1994), além de diversos prêmios e medalhas, os mais recentes a Grã-Cruz do Mérito Nacional Científico (1994), IBM de Ciência e Tecnologia (1994) e Cidadão Paulistano (2002).

Bibliografia

Notas

Wataghin, G., Pompeia, P. A., Santos, M. D. S. Phys. Rev. 57 (1940).

Gleb Wataghin (1899-1986)

2008-01-11T19:30:00.000-05:00

Um dos primeiros centros de pesquisa em Física no Brasil foi a Universidade de São Paulo, criada em torno da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras (FFCL-USP, já extinta) em 1934. O matemático brasileiro Teodoro Ramos foi ao exterior buscar auxílio para consolidação e início de atividades de pesquisa na nova universidade. Para o Dep. de Física, Ramos buscou o apoio de Enrico Fermi, que indicou um de seus ex-estudantes, o físico ítalo-ucraniano Gleb Vassielievich Wataghin, então professor na Universidade de Turim, Itália. Wataghin aceitou o convite e então fundou o atual Instituto de Física da USP. No Brasil, Wataghin conseguiu criar imediatamente um ambiente acadêmico de pesquisa.

Nascido em Birsula, Ucrânia, em 3 de novembro de 1899, completou seus estudos pré-universitários em Kiev e antes da revolução russa refugiou-se em Turim. Formou-se em física e matemática com louvor na Universidade de Turim, onde tornou-se professor catedrático de física superior a partir de 1929 e naquele ano naturalizou-se italiano. Nestes primeiros anos em Turim, Wataghin concentrou-se em trabalhos a respeito da natureza dos raios cósmicos.
Chegado ao Brasil, Wataghin lutou pelo cumprimento de sua missão: começou a construção de um laboratório de raios cósmicos, continuando em parte a pesquisa que vinha desenvolvendo na Itália, e recrutava alunos da escola de engenharia para o seu laboratório e suas aulas de física. Formou nos primeiros anos Marcelo Damy, Mário Schenberg, Paulus Aulus Pompeia, Cesar Lattes, Walter Schützer, Sonja Ashauer (posteriormente aluna de Dirac em Cambridge) e Abrahão de Morais, para citar apenas alguns. Das gerações futuras, Oscar Sala e Roberto Salmeron. Juntou-se em 1938 a ele o físico italiano Giuseppe Occhialini, vindo do Laboratório Cavendish em Cambridge, que havia recentemente descoberto o pósitron com Patrick Blackett independentemente de Carl Anderson, e elucidado o processo de produção de pares elétron-pósitron^[1].
Uma história curiosa é a seguinte: por volta de 1937 o laboratório de raios cósmicos em construção de Wataghin foi expulso da Escola Politécnica, por ordem do diretor da escola Henrique Guedes. O laboratório fora desmanchado, livros e equipamentos ficaram pelo corredor. O ex-reitor Reinaldo Porchat interviu e conseguiu uma pequena sala no sótão do prédio principal da Politécnica. Foi nesta nova sala que Damy começou seus trabalhos com Wataghin e onde um dos experimentos mais importantes dos primeiros anos da física brasileira teve início.
Wataghin, Pompeia e Damy publicaram em 1940 a observação da produção simultânea de partículas penetrantes na radiação cósmica^[2]: era a descoberta dos chamados chuveiros penetrantes, o mecanismo de interação dos raios cósmicos com a atmosfera terrestre. Os chuveiros penetrantes foram anteriormente previstos teoricamente pelo próprio Wataghin.
Os trabalhos de Wataghin e seus alunos atraiam para a USP bolsas das fundações Rockefeller e Guggenheim e do British Council, o que tornou possível que estudantes prosseguissem suas formações em ambientes acadêmicos tradicionais, incluindo as universidades de Cambridge, Chicago, Princeton, Bristol, Roma, Bruxelas e o Instituto de Estudos Avançados de Princeton. O amparo nacional as pesquisas só se consolidaria em 1951 com a criação do CNPq, a qual esteve à frente um de seus alunos, César Lattes.
Em 1948, Wataghin propôs que os elementos químicos pesados eram produzidos em processos dentro das estrelas, o mecanismo que hoje se considera a correta explicação para a origem dos elementos pós-lítio (pesados) no universo^[3].
No ano seguinte, com sua missão concluída no Brasil, Wataghin voltou para Turim para ajudar na reconstrução da Itália no pós-guerra. Instalou lá dois aceleradores de partículas: um betatron de 30 MeV (1954) e um síncroton de 100 MeV. Foi nomeado membro da Academia de Ciências de Turim e da Academia dei Licei e recebeu o prêmio Feltrinelli em 1951 pela descoberta dos chuveiros penetrantes. Desta época seus trabalhos foram principalmente em colaboração com Romolo Deaglio e Mario Verde e ainda manteve colaboração com seus estudantes brasileiros.
Wataghin morreu em Turim em 1986. Seus alunos consolidaram a Física no Brasil com a criação do CBPF, o Instituto de Física “Gleb Wataghin” da Unicamp, o Dep. de Física da PUC e a ampliação do Instituto de Física da USP, como teremos a chance de relembrar em posts futuros. Graças a seus esforços de quinze anos de dedicação ao início da produção científica no Brasil, hoje o país dispõe de estruturas para participar da produção de conhecimento humano em física.

Bibliografia
Outras fontes, além das citadas no post anterior incluem:

E. Predazzi, Gleb Wataghin, XX Encontro Nacional de Partículas e Campos, SBF (1999).
R. Salmeron, Gleb Wataghin, Estud. av. 16, 44, São Paulo (2002).
H. Fleming, Honrar pais e mães

Notas

P. M. S. Blackett, G. P. S. Occhialini. Proc. Roy. Soc., A 139, 699 (1933).
G. Wataghin, P. A. Pompeia, M. D. S. Santos. Phys. Rev. 57 (1940).
G. Wataghin. Phys. Rev. 73 (1948). Curioso que no mesmo ano o modelo do Big Bang quente foi proposto por Gamow e este tentou, inicialmente, produzir os elementos pesados já no universo primordial. No entanto, ficou claro com os estudos de Gamow e Alpher que a nucleossíntese do Big Bang não era capaz de gerar os elementos depois do Li, que só poderiam ter sido criados, como bem descobriu Wataghin, nas estrelas.

Ensaios biográficos

2008-01-11T18:40:00.000-05:00

Quando eu era aluno da graduação, preparei alguns ensaios biográficos sobre a vida de Marcelo Damy, César Lattes, José Leite Lopes, Mário Schenberg, Jayme Tiomno e Gleb Wataghin, todos estes são físicos que tiveram importância ímpar para o desenvolvimento da física e da ciência no Brasil. Também fiz uma entrevista com o Marcelo Gleiser, com o intuito de preparar um ensaio no mesmo estilo. Os ensaios são curtos e deveriam ter sido publicados pelo jornalzinho do centro acadêmico do Instituto de Física da USP. Infelizmente, apenas um deles foi publicado, agora não lembro qual. As próximas postagens desse blog serão estes ensaios e a entrevista com o Marcelo Gleiser, começando por Gleb Wataghin. Os ensaios irão contar um pouco da vida pessoal e acadêmica dessas grandes figuras, das dificuldades para encontrar incentivo a pesquisa, a criação do CNPq, CBPF, USP, Unicamp e outras instituições de ensino superior, o retrocesso intelectual instaurado pelo regime militar e outras histórias. Pretendo colocá-los online um por semana. Comentários com acréscimos e correções serão muito bem vindos!

Acho que esse material pode ter algum valor para quem quiser ter uma noção da história da física no Brasil. As fontes gerais são:

Cientistas do Brasil, SBPC (1998). Este livro pode ser comprado diretamente da SBPC e também está disponível na íntegra na Internet: http://www.canalciencia.ibict.br/notaveis/
Biografias da Academia Brasileira de Ciências.
Cientistas Brasileiros: César Lattes e José Leite Lopes, documentário de José Mariani, Prefeitura do Rio de Janeiro, RJ (2003).
Marques, A. (ed), César Lattes 70 Anos, CBPF/MCT, Rio de Janeiro (1994)
J. Leite Lopes, Uma história da física no Brasil, Ed. Livraria da Física, São Paulo (2004)

Algumas outras fontes mais específicas serão citadas em cada ensaio. Nas fontes é possível ter uma visão bem mais completa: os ensaios são apenas resumos de duas páginas ou menos cada. Outro livro que pode servir de referência, porém não o usei, é a coleção História das Ciências no Brasil, organizado por Mário Guimarães Ferri e Shozo Motoyama, Edusp (fora de catálogo).

As variedades da experiência científica

2008-01-08T09:04:00.001-05:00

Acabei de ler nessas férias o belíssimo livro The Varieties of Scientific Experience (As variedades da experiência científica) de Carl Sagan. A versão original pode ser encontrada aqui e a edição em português de Portugal aqui. O subtítulo do livro é uma visão pessoal da busca de Deus. Até onde eu saiba é o único livro de Sagan que fala explicitamente sobre religião. O livro é póstumo e foi publicado no final de 2006, editado pela sua esposa Ann Druyan e consiste nas Palestras Gifford de 1985 apresentadas por Sagan. Esta série de palestras é sobre teologia natural, i.e. aspectos da religião que não são obtidos por revelação divina. Ao longo da sua existência, esta série de palestras já apresentou idéias de diversos intelectuais, teólogos e cientistas, como os físicos Arthur Eddington ('26-'27), Niels Bohr ('48-'50), Werner Heisenberg ('55-'56), Freeman Dyson ('85), Roger Penrose ('92-'93) e humanistas do porte de Hannah Arendt ('72-'74) e Noam Chomsky ('05). O livro contém belas imagens coloridas do cosmos, bem típicas da paixão do astrônomo pelo mundo natural e também um apêndice com transcrições parciais das sessões de perguntas e respostas ao final de cada palestra.

Com sua diplomacia intelectual característica, Sagan fala sobre as razões para acreditar em um Deus ou outros entes sobrenaturais que poderiam intervir no rumo do universo em especial no quotidiano humano. Sem palavras ásperas ou ataques, Sagan tenta construir um momento de reflexão para todos que tem interesse em avaliar sua fé. É um livrinho muito salutar para qualquer pessoa, e é um dos poucos com alguma chance de abalar a fé dos religiosos liberais, contrastando bastante com os mais vendidos de Richard Dawkins e Sam Harris. Infelizmente, como Sagan mantém um discurso sereno e cheio de conteúdo ao invés de inflamar corações, é bem provável que ele não figurará entre os mais lidos.

Aqui eu gostaria de colocar alguns pedaços do livro que mais me chamaram atenção.

Metafísica

Um dos aspectos da experiência religiosa é a metafísica, aquelas idéias sobre a existência, em algum sentido, de "apêndices" da realidade, da natureza. Por exemplo, a idéia de que os relâmpagos são fisicamente lançados por um homem gigante e muito forte no alto do monte Olimpo; ou a existência dos milagres, de anjos, espíritos e outros entes imateriais que podem se comunicar direta ou indiretamente conosco; ou uma consciência omnipotente que arquitetou e executou o programa da vida no universo. Vamos começar a refletir sobre este aspecto lembrando que na Idade Média acreditava-se que eram os anjos que empurravam os planetas no céu. Hoje temos a compreensão de que existe gravidade no universo. No final das contas, o aspecto metafísico da religião busca buracos na ciência e os preenche com uma hipótese do gênero: "se isso não se explica pelo movimento de elétrons, então só pode ser obra divina". Mas o fato de não termos uma compreensão completa de um fenômeno não significa que uma explicação racional, objetiva e matemática, não exista. De fato, a história tem mostrado sistematicamente que várias das idéias da metafísica da religião de séculos passados foram explicadas em termos científicos que gerou um poder de explicação muito mais abrangente. Pense por exemplo em como a hipótese de que os relâmpagos são produto de Zeus poderia nos levar a construir o aparelho de rádio.

Hoje em dia a maioria das pessoas não disputaria com a ciência o que produz o relâmpago. Embora o princípio seja o mesmo, há pessoas que aderem a concepções de mundo logicamente inconsistentes que aceitam a explicação científica para o relâmpago mas acreditam que apenas no que diz respeito a criação do universo e da vida, e somente nisso, há um dedinho de Deus. O capítulo 3 do livro de Sagan versa sobre esse debate. Algo de muito interessante que aprendi nesse capítulo é que as moléculas orgânicas mais simples — os blocos químicos que compõe os aminoácidos, proteínas, DNA e RNA — são muito comuns em lugares inesperados do universo, como por exemplo a cauda de um cometa. Além disso, no próprio sistema solar há corpos como os satélites de Saturno Iapetus e Titã que contém água e moléculas orgânicas (como cianeto, hidrocarbonetos, metano, álcoois). Titã em especial contém uma atmosfera dominada por nitrogênio, assim como é a da Terra (nós vivemos numa atmosfera quase 70% de gás nitrogênio). Carl Sagan expressa sua admiração por esse mundo:

Eu acho que é algo muito interessante que há um mundo no sistema solar exterior carregado de material para vida. E nós podemos calcular, dada a taxa com que esses materiais são formados hoje em Titã, quanto destes materiais acumulou lá ao longo da vida do sistema solar. A resposta é equivalente a uma camada de pelo menos cem metros de espessura por todo Titã e possivelmente quilômetros de espessura. [...] E, coincidentemente, há também evidências que há uma camada de oceano de hidrocarboneto líquido. Então, apenas pense sobre esse ambiente. Há terra, provavelmente há oceano. A terra é coberta por essa camada orgânica que cai do céu. [...] O que aconteceu com esse material ao longo de 4,6 bilhões de anos? Quão complexas são as moléculas lá?

A presença de moléculas orgânicas em várias partes do universo, produzidas pela ação das reações nas caudas de cometas ou formação de atmosferas de planetas e satélites indica que a vida deve ser muito comum no universo. Só o telescópio espacial Hubble é capaz de enxergar 10²⁰ estrelas (equivalente ao número de grãos de areia de toda a superfície da Terra!). Como o Sol é uma estrela típica, muitas dessas estrelas possuem sistemas planetários, e tal como o nosso, provavelmente produziram ao acaso a vida, uma vez que moléculas orgânicas estão disponíveis em abundância na formação desses sistemas. Como a evolução é um relojeiro cego, alguns desses mundos podem ter produzidos apenas micróbios, outros podem ter produzido seres muito mais inteligentes que os seres humanos. Não temos evidências de que há vida fora da Terra, todavia a argumentação precedente indica que ela muito provavelmente existe. Se um dia o projeto SETI ou outro similar fizer contato com extraterrestres inteligentes, será algo profundo para repensar o quão importante os seres humanos são para esse universo e se o criador realmente intervém a nosso favor em qualquer situação.

Folclore sobre extraterrestres

Sagan foi um explorador espacial, então muito lhe interessava alegações sobre visitas de alienígenas. Ele relata com mais cuidado sua experiência no ramo da investigação de relatos de abdução em O Mundo Assombrado Pelos Demônios (Cia. das Letras). É evidente que para critérios razoáveis de veracidade nunca fomos visitados por alienígenas. Sagan compara a experiência que teve com estas investigações com os relatos das experiências religiosas e dos milagres. Muitas pessoas genuinamente tem experiências religiosas, dizem ter visto milagres ou terem sido elas próprias salvas por milagres. Isso contudo não significa que a coisa seja como alegado. Por exemplo, uma experiência religiosa muito relatada é a sensação de atravessar um túnel com uma luz intensa no final. Esta experiência é descrita por muitas pessoas reanimadas por desfibriladores. Esta sensação é real e pode ser obtida num experimento controlado como na decolagem de um avião supersônico. O que acontece é que a desoxigenação rápida do cérebro, característica deste experimento controlado ou de certos tipos de paradas cardíacas, causa essa alucinação. As pessoas podem ser facilmente enganadas por si próprias, por desconhecerem o funcionamento de ilusões de óptica, alucinações ou delírio. Em alguns casos a questão é pura fraude. De qualquer modo, a respeito disso é muito forte o pensamento do político Thomas Paine, como citado por Sagan:

É mais provável que a Natureza sairá do seu rumo ou que um homem contará uma mentira?
Nós nunca vimos no nosso tempo a Natureza sair do seu curso. Todavia há evidências de que milhões de mentiras já foram contadas no mesmo tempo. É portanto pelo menos um milhão para um que um relator de milagres está mentido.

Ou na versão de David Hume, com um pouco mais de significado para o cristianismo:

Quando alguém me diz que viu um homem ressuscitar dos mortos, eu imediatamente me pergunto o que seria mais provável: esta pessoa estar mentido ou ter sido enganada, ou o milagre relatado ter realmente ocorrido. Eu sempre escolho a opção menos milagrosa. Se a falsidade do relato for mais milagrosa do que o evento que ele descreve, então ele pode dizer que comanda meu credo ou opinião.

A hipótese de Deus

O ápice do livro talvez seja o capítulo 6, intitulado A hipótese de Deus. Sagan começa com um debate sobre as tentativas de justificar a existência de Deus, incluindo idéias hindus, porém se concentrando na tradição judaico-cristã-islâmica. Ele desnuda cada uma das justificativas. Depois segue-se uma breve avaliação dos problemas inerentes a existência de Deus, como o clássico problema da antiguidade grega que evidencia que Deus não pode ser ao mesmo tempo omnipotente, omnisciente e bondoso:

Deus deseja acabar com o mal, mas não é capaz?
Então ele não é omnipotente.
Ele é capaz, mas não deseja?
Então ele é malevolente.
Ele é capaz e também deseja?
Então ele pratica o mal?
Ele não é capaz nem deseja?
Então porque chamá-lo de Deus?

— Epicuro

A propósito desta parte do livro, há uma outra observação interessante apontada por Albert Einstein. Um Deus pessoal que intervém no universo a nosso favor discorda com o princípio básico da ciência de que há leis imutáveis que regem o comportamento do universo, leis que podem ser inferidas por meio de experimentos reprodutíveis. O eletromagnetismo macroscópico é descrito por equações — as equações de Maxwell — e não pela vontade de uma consciência que altera como lhe convém o comportamento da luz, da eletricidade e do magnetismo. Ou a ciência pode utilizar-se de modelos lógicos e racionais para descrever o universo sem ambiguidades ou não pode. Neste último caso, nossos modelos científicos devem estar errados.
Para encerrar o capítulo 6, Sagan faz uma pergunta legítima e simples que merece uma resposta honesta. A tradição judaico-cristã-islâmica é baseada na idéia de que algumas pessoas (entre elas, supostamente: Abraão, Moisés, Jesus e Maomé) receberam comunicação direta de Deus, sabedoria então registrada nos livros ditos sagrados. É também um fato universal que todas religiões precisam se validar de alguma forma apresentando idéias sobre como ocorrem intervenções sobrenaturais que "provam" as alegações dessas religiões (e.g. a psicografia no espiritismo ou a encarnação da pomba-gira na umbanda). Dito isto, a pergunta de Sagan é: por que Deus (ou outros deuses) não deixaram claro e evidente para todos os seres humanos sinais de Sua existência? Por exemplo, o Deus cristão bem que podia ter colocado um crucifixo maior que Júpiter em órbita ao redor do Sol. Ou ao invés de ter secretamente fornecido a Moisés os dez mandamentos no alto de uma montanha, quando ninguém estava por perto para ter certeza, poderia tê-los escrito em hebraico na superfície da Lua. É incrível como o Deus da Bíblia preocupou-se em repassar informações sobre as regras e legitimidade de escravização (e.g. Êxodo 21:2-7), o uso da pena de morte para crianças mal criadas, feiticeiros, prostitutas, ateus e homossexuais (e.g. Deuteronômio 21:18-21, Levítico 20:27, Levítico 29:1), quais vilas o exército de Israel deve invadir e destruir (Números 31:14-18), etc., todas afirmações perfeitamente passíveis de terem sido escritas por seres humanos comuns (uma análise crítica apontaria que o Velho Testamento foi mais provavelmente escrito por líderes políticos e generais de exército do que uma consciência sobrehumana), mas foi incapaz de fornecer uma única frase que seria impossível de ser entendida ou concebida por humanos na época em que as escrituras foram preparadas. Ora, Abraão e Moisés tiveram o privilégio de ver Deus eles próprios, então nada mais razoável que Deus tivesse dado a eles alguma informação que seria compreendida apenas no século 21 e que serviria da prova de sua existência. Por exemplo, ele poderia ter repassado entre os dez mandamentos: "Não ultrapassarás a velocidade da luz". Tal mandamento passaria como um enigma legítimo até o início do século 20. Com a descoberta da relatividade ficaria claro que este mandamento fora realmente comunicado a Moisés por uma consciência muito melhor informada sobre o universo do que qualquer humano daquela época poderia ser. Desta forma haveria evidências da existência de tal consciência não apenas para Moisés como para todo homem do século 21. No entanto, não há uma única mensagem matemática ou código sobre o universo escrito na Bíblia, e as poucas passagens literais sobre a planura da Terra e a origem da vida se provaram equívocas. Por que Deus não deixou prova clara de sua existência dessa forma ou por que ele cometeu erros tão grosseiros sobre a organização do cosmos?
Eu gostaria de enfatizar que o argumento precedente se aplica não apenas ao Deus das escrituras sagradas, mas igualmente a alegações sobre a existência de espíritos e outras formas sobrenaturais. Há uma ampla gama de idéias que parecem apelar para nós como evidências das religiões mas que são construídas de forma a serem deliberadamente impossíveis de serem experimentadas por todos os humanos. Portanto é legítimo e bastante honesto perguntar: se esses entes tem os poderes alegados, a importância alegada para a organização da vida humana, por que se provam escusos para quase todos nós? Por que não deixam claro a sua existência?

Mais um blog da internet

2008-01-07T20:38:00.001-05:00

Bom, estou criando mais um blog pessoal. Aqui pretendo falar de física, às vezes outros tópicos de ciência, e debate racional sobre religião, misticismo e pseudociência. Pelo que vi ainda há poucos blogs em português sobre física e ainda menos sobre a interface com as crenças e mitos.

Espero criar um espaço para compreensão pública da física e do pensamento científico.

[...]