A importância dos pequenos e médios cientistas

O grande Isaac Newton disse uma vez, modestamente, que conseguiu ir tão além de seus predecessores porque apoiava-se sobre “ombros de gigantes”. Mas as coisas mudaram de lá para cá. Hoje, grandes cientistas apóiam-se não só nos ombros dos colossos, mas também sobre altas pirâmides feitas de inúmeros pequenos e médios pesquisadores. Grandes descobertas só são possíveis porque são consequência de uma vasta massa de módicas contribuições. Eis abaixo três exemplos diferentes.


Só sei que 73% nada sei

Eis uma descoberta grande: em 1998, um grupo liderado por Adam Riess descobriu que a expansão do Universo – o inexorável afastamento dos grupos de galáxias uns dos outros, como estilhaços de uma explosão – está se acelerando. Isso foi muito esquisito, porque esperava-se que a gravidade a desacelerasse. Riess baseou-se na observação de supernovas longínquas (supernovas são colossais e raras explosões estelares que adquirem durante alguns dias o brilho equivalente ao de uma galáxia inteira). A consequência imediata foi a descoberta de que 73% da massa de todo o Universo é feito de uma entidade de natureza inteiramente desconhecida que permeia todo oe espaço, chamada, por falta de nome melhor, de “energia escura” (a responsável pela aceleração).

Impressionante, não? Sim, com toda a certeza, tanto que Riess ganhou pelo menos quatro prêmios por causa disso. Acontece que o artigo publicado cita 131 artigos anteriores (contei nesta versão em PDF), cada um delas contendo outras dezenas e assim por diante. O grupo de Riess só pôde alcançar seu grande feito porque na década anterior as técnicas de detecção de supernovas muito distantes haviam sido aprimoradas por uma porção de cientistas ao redor do mundo. Teorias sobre como interpretar os dados foram testadas, abandonadas e aperfeiçoadas em textos herméticos cheios de equações; estudos estatísticos sobre a distribuição de supernovas nas galáxias produziram longos artigos de dezenas de páginas de leitura extraordinariamente chata. E ninguém pensava em revolucionar nada. Sem isso, Riess não teria ganho nenhum desses prêmios.


Davis ajudam Golias no sonho da energia inesgotável

Agora, vejam este interessante contraste. Na Unicamp, um grupo de pesquisa possui uma máquina chamada tokamak, com a qual pretendem contribuir para um grande sonho da humanidade: energia inestogável, limpa e sem perigo de acidentes, usando a fusão nuclear. Um “anti-Fukushima”.

Enquanto isso, em Caldarach, no sul da França, está sendo construída outra máquina semelhante, o Iter, que promete encostar no sonho por volta do fim da década de 2030 ou depois (dinheiro para construir mais delas é outra história). Só que, para o conseguirem, precisaram de uma versão gigantesca, que necessitará de 50 megawatts para funcionar e 15 bilhões de euros para existir. A máquina em Campinas tem apenas 30 centímetros de diâmetro (e não exigiu um centavo, foi doada pela Universidade de Quioto, do Japão).

Pergunta: se foi necessário um projeto faraônico para produzir energia controlável da fusão nuclear, por que os unicampestres acreditam que podem fazer alguma diferença com seu modesto dispositivo?

Resposta: porque, para fazer o Iter, foi usado know-how teórico e experimental produzido por uma miríade de cientistas nos últimos mais de 60 anos, incluindo o pessoal da Unicamp. Até com vantagens: como o tokamak de Campinas é muito menor, pode-se fazer muitos experimentos nele e aumentar o conhecimento numa velocidade que o Iter, um “Elefantástico” que levará decênios para ficar pronto, não permite. O mesmo com todos os muitos pesquisadores ao redor do mundo que colocam sua gotinha no copo que um dia pode transbordar energia limpa.


Rumo ao futuro: esta formiguinha tem lugar garantido

Tudo isso foi dito em retrospecto, sobre coisas que aconteceram ou estão em vias de acontecer. Mas às vezes dá para perceber que uma pequena contribuição certamente estará na sopa de onde um dia virão beber grandes soluções. Escolhendo meio aleatoriamente, caiu-me em mãos recentemente um artigo de 2010 de um físico da UFPR e três do Laboratório Síncrotron de Campinas, sobre cristalização de celulose. Celulose com alto grau de cristalização seve para engenharia de tecidos e produção de materiais biológicos artificiais, coisas com potencial de salvarem vidas. Mas os atuais métodos para aumentar cristalização são agressivos e degradam a celulose. Na busca de uma solução para essa limitação, os cientistas conseguiram mostrar como a cristalização acontece num dos métodos, que usa ultrassom. Até fizeram um desenho em 3D.

Isso não resolve o problema, e dificilmente alguém se lembrará dessa pequena contribuição se no futuro inventarem um novo órgão artificial salvador de vidas. Mas é bem provável que a densa teia de contribuições que leve a essa inovação inclua a dos paranaenses e campineiros.

E assim caminha a pesquisa científica na sua vida “feijão-com-arroz”, base invisível das grandes descobertas que ressoam pelos jornais.

A consciência e os limites da ciência

Estava neste fim de semana pensando sobre os limites da ciência e sobre o problema da consciência humana, que os ilustra muito bem. Há vários estudos sobre as bases físicas da consciência, voltados à anatomia e à fisiologia do cérebro. No entanto, existe também a percepção pessoal que temos de nossas consciências, uma "autopercepção do eu". Por melhor que seja a abordagem científica, os modelos sobre as bases neurofísicas da consciência não se parecem em nada com essa autopercepção - pelo menos, com a minha.

A autopercepção parece ser algo integrado - no máximo, podemos identificar algumas instâncias nela -, e não algo constituído de bilhões de impulsos nervosos eletroquímicos. Mas não é só por isso. Se fosse, não seria problema: a água líquida também vista a olho nu não "parece" composta de moléculas. No entanto, a "cor", o "jeitão" dessa "coisa" que sentimos pela autopercepção parece não ter nada a ver com as descrições de suas bases neurofísicas. Se é que me entendem - a natureza da autopercepção do eu parece ser algo tão irredutível à análise que é quase impossível explicá-la com palavras.

Talvez isso tem a ver com a necessidade de definições operacionais em ciência. A ciência não trata da essência dos objetos, das coisas-em-si - isso é assunto da metafísica, quando muito. A ciência trata apenas do que pode ser observado pelos métodos científicos. Assim, quando a ciência tenta definir algum objeto de estudo, o que se faz é enumerar características que podem ser observadas por seus métodos (e/ou remeter a outros conceitos definidos anteriormente). Assim, definimos um elétron dizendo que ele tem massa de 9,11 x 10^-31 kg e carga elétrica positiva de 1,602 x 10^-19 coulombs. Não se diz o que ele é, mas como é. Sabe-se hoje que não é um corpúsculo no sentido tradicional, nem uma onda, nem nada que se conheça. O que é, então? Não se pode saber; pode-se apenas descrever suas características.

Essa restrição pode tornar intrinsecamente irredutíveis as duas abordagens - a científica e a pela introspecção, pela autopercepção. Também porque esta última é pessoal - não sei sequer se as outras pessoas compartilham do que sinto a respeito -, enquanto a ciência é baseada no conceito de compartilhamento das experiências (senão, suas teorias não seriam verificáveis!).

Essa e outras são questões que desnudam os limites da ciência. A ciência usa métodos rigorosos, mas o preço que temos a pagar é a limitação do que pode ser abordado por esses métodos. Há questões que não podem. E nunca vamos saber com precisão científica a resposta a elas. Pode-se abordá-las de outros modos - uma vez conversei com um cientista da computação que tentava investigar a autopercepção do eu por meio da poesia -, até com religião, se alguém quiser. Mas a ciência não as alcança, por sua própria natureza.

Elegância científica: a estética das teorias físicas

Muito entusiasmo existe ao redor da teoria das supercordas, que pretende unificar a mecânica quântica e a relatividade geral, duas teorias em que a física atual está inconciliavelmente cindida. A coisa interessante é que essa teoria unificadora não foi feita a partir de dados experimentais novos, como geralmente acontece. É um construto teórico puro. Então por que seus entusiastas têm tanta convicção de que ela esteja correta? Por que acham que ela sobreviverá quando for possível testá-la com experimentos?

O motivo está no conceito de elegância de teorias físicas. Certas teorias e demonstrações matemáticas contêm um tipo específico de beleza capaz de extasiar um espírito que as saiba contemplar. E modelos científicos que não partilham dos elementos dessa peculiar estética chegam a ser desprezados pelos cientistas (apesar de o argumento último ser sempre a concordância com os resultados de experimentos).

Não é o mesmo tipo de beleza visual que encontramos, digamos, em uma paisagem natural. Mas pode ter algo em comum com a "beleza conceitual" de uma obra de arte abstrata, ou com o prazer intelectual que um expert em pintura ou em música pode sentir ao perceber os artifícios que o autor usou com maestria para chegar àquele resultado.

No entanto, há na elegância na física também uma dimensão prática que permite aos cientistas usarem-na para selecionar suas teorias. O conceito foi popularizado entre os leigos pelo livro de Brian Greene, "O Universo elegante". Vou tentar transmitir ao leitor uma percepção do que seja isso por meio do exemplo da teoria da relatividade especial, feita por Einstein em 1905.


A elegância absoluta da relatividade especial

A teoria da relatividade especial é aquela do E = mc², a equação que exprime a equivalência entre matéria e energia. Note que é uma equação bem compacta. Primeiro, vamos apreciar a disparidade entre a simplicidade dessa equação e a quantidade de conceitos que ela embute.

A equivalência entre massa e energia por si só já é uma consequência surpreendente da relatividade. A equação implica em que energia tem inércia e também peso. E também que matéria pode ser transformada em energia e vice-versa. Tudo isso sintetizado em três letrinhas e um número. Esse tipo de grande poder de síntese é um elemento importante na estética das teorias físicas.

Além disso, com ela pode-se explicar vários fenômenos aparentemente distintos. Com a relatividade, mostrou-se que os princípios físicos que explicam a fonte de energia que mantém as estrelas e o Sol brilhando por bilhões de anos são os mesmos que governam o fenômeno da radioatividade, que são os mesmos que governam os reatores de usinas nucleares.

Há mais. Uma teoria possui algumas premissas, a partir das quais se demonstra o restante. Teorias elegantes possuem premissas simples e ao mesmo tempo profícuas. Teorias "feias" introduzem premissas ex-machina a todo instante para poderem salvar-se (em geral, estas são descartadas). Bem, as premissas da relatividade especial são extraordinariamente simples:

• As leis da física independem da velocidade do observador
• A velocidade da luz no vácuo é sempre a mesma para qualquer observador

A primeira parece óbvia; a segunda é bem menos intuitiva. Mas o importante aqui é que é possível extrair todo o conteúdo da relatividade especial daí, tais como a própria equação E = mc² e a relatividade do tempo (observadores diferentes vêem o fluxo do tempo passar diferentemente). No caso das supercordas, uma de suas características mais elegantes é que existência da força da gravidade não precisa ser postulada, ela emerge naturalmente de seu formalismo matemático.

A relatividade especial possui também uma incrível elegância matemática: é possível fazer tudo isso - extrair todas essas consequências daquelas premissas simples - com cálculos curtos com apenas a matemática do ensino médio! Quando eu vi essa demonstração pela primeira vez, tanta coisa emergindo de repente de tão pouco, tive uma de meus mais inesquecíveis momentos de prazer estético-intelectual.

Não que a matemática de uma teoria elegante tenha que ser tão básica: em geral, é bastante sofisticada, mas, se for possível escrevê-la de forma simples e que proporcione demonstrações poderosas e diretas, isso já é mais que suficiente.

Finalmente, a relatividade possuía um enorme poder preditivo. Quando foi formulada, nenhum desses fenômenos - inércia e peso da energia, relatividade do tempo, possibilidade de transformar energia em matéria - nada disso era conhecido. Todos foram previstos. Uma teoria elegante é capaz de prever muitos fenômenos diferentes novos.

No entanto, é importante lembrar que a teoria da relatividade não é considerada correta porque é elegante, mas sim porque suas previsões concordam com as observações feitas em laboratório. Esse é (ou deveria ser) o tira-teima definitivo de uma teoria física.

O poder do zero: experimentos que não encontram nada podem nos ensinar muito

Quando físicos encontram algo diferente em seus experimentos, pode dar notícia de jornal. Quando não encontram nada, bem... Também pode! Esta postagem do Igor Zolnerkevic no seu blog Universo Físico dá três exemplos recentes, um dos quais mereceu até menção no New York Times.

Resultados nulos podem causar revoluções - O caso mais famoso de resultado nulo para um experimento talvez seja o da experiência de Michelson-Morley, na década de 1880, que produziu nada menos que uma das principais bases empíricas da teoria da relatividade. Acreditava-se então que a luz era uma onda que se propagava em um meio material a que chamavam éter e que permearia todo o espaço em todos os seus interstícios. O experimento procurou detectar qual a velocidade da Terra em relação ao éter. O pano de fundo era uma incompatibilidade aparentemente insolúvel entre a mecânica e o eletromagnetismo. Um dos dois tinha que estar errado.

Para medir a velocidade da Terra em relação ao éter, observaram diferenças na velocidade da luz vindas de diferentes direções. Se a velocidade fosse maior numa direção, é que a Terra estaria se deslocando para lá - assim como a velocidade de um carro na estrada é maior em relação aos automóveis que vêm em sentido contrário. Mas... não encontraram diferença alguma para qualquer direção! Como poderia ser isso? Após excluírem algumas possibilidades, o resultado sustentou o "vencedor" para a queda-de-braço entre mecânica e eletromagnetismo: este último estava certo e a velha mecânica newtoniana teve que ser alterada, sendo substituída pela relatividade quando velocidades são muito grandes, próximas à da luz.

Claro que resultados nulos que desafiem teorias vigenetes podem ser apenas uma ilusão, um erro de experimento, uma coincidência. O terceiro exemplo do texto do Universo Físico trata disso, na área da astrofísica. O contrário também pode ser verdadeiro: achados extraordinários podem revelar-se, após uma análise mais cuidadosa, serem apenas variações estatísticas normais sem maiores significados. Disso trata o primeiro exemplo, sobre aparentes indícios de uma força física desconhecida. Ambas precisam de mais investigações para se tornarem conclusivas.

Para evitar essas armadilhas, foram desenvolvidas técnicas estatísticas sofisticadas de análise dos dados e também a necessidade de posturas muito cuidadosas. Não poucos cientistas que se entusiasmaram demais antes do tempo tiveram que aceitar calados um desmonte fulminante de suas esperanças. Isso pode ter acontecido recentemente na área da cosmologia com um dos maiores físicos da atualidade, Roger Penrose (vide os dois últimos parágrafos deste post). Outra controvérsia do tipo, sobre o efeito do acesso livre a artigos científicos sobre o número de citações dos mesmos, é comentada nos dois últimos parágrafos da primeira seção desta outra postagem. Mesmo nesses casos, os resultados aparentemente nulos nos ensinam sobre como aperfeiçoar os métodos científicos.

Resultados nulos podem aumentar o conhecimento - Resultados nulos podem também, paradoxalmente, nos fornecer informações a mais. Desse tipo é o segundo exemplo comentado no texto do Universo Físico, sobre a matéria escura. Já em outra postagem no Ciências e Adjacências, no final do texto, falo sobre um experimento para detectar os bósons de Higgs, partículas previstas pelo modelo teórico atual mas ainda nunca observadas. A teoria não diz qual deva ser sua massa, só sabemos que é grande demais para serem produzidos pelos aparelhos atuais. Pois eis que o dito experimento detectou... nada.

Não significa, porém, que o Higgs não exista. Ao invés, com esse experimento pôde-se prever sua massa de forma mais precisa. Como não se sabe sua massa, são feitos vários experimentos, supondo diferentes valores para ela. Cada vez que o bóson não é encontrado, aprendemos que, se existirem, eles não terão aquela massa procurada. Por exemplo, antes achava-se que a sua massa deveria estar entre 123 e 198 vezes a massa de um próton. O novo experimento conseguiu excluir a faixa entre 160 e 170 "prótons". E assim os resultados nulos vão aumentando nosso conhecimento que a teoria não é capaz de fornecer - pelo menos, o "conhecimento hipotético". Vai-se "fechando o cerco" ao bóson de Higgs.

P.S. - Os resultados nulos ou "negativos" de experimentos são tão importantes que o Roberto Takata me enviou os links de três periódicos científicos inteiramente dedicados a resultados negativos em Biologia e Ciências da Saúde:

• Journal of Negative Results in Biomedicine
• Journal of Negative Results (Ecology & Evolutionary Biology)
• Journal of Pharmaceutical Negative Results

Os raios-X como você nunca viu

Você sabia que a estrutura do DNA foi descoberta com raios-X? Se você achava que esses raios só serviam para fazer imagens do interior do corpo para diagnósticos médicos, deve estar surpreso. Bom, eu já sabia, mas mesmo assim fiquei surpreso nos últimos meses, quando vi que o seu potencial vai ainda muito além disso.

O modo pelo qual James Watson e Francis Crick conseguiram vislumbrar a estrutura em hélice do DNA é bem diferente de tirar uma chapa de radiografia. Ao invés de ver os raios-X atravessarem o DNA, eles viram-no refletir nele. Quando raios-X refletem em alguma coisa, eles passam a carregar consigo informações sobre a estrutura íntima da matéria em que refletiram. É só saber interpretar. Esse método chama-se difração de raios-X. Em certas condições, é possível com ele identificar a própria posição de cada átomo.

Poderoso, não? Há mais. Outras técnicas com raios-X podem revelar informações do interior dos átomos e moléculas: as energias dos seus elétrons, ou então quantos átomos estão na vizinhança de um certo átomo, ou com que átomos ele está ligado, ou então o campo magnético de seus elétrons...

Cada método explora um jeito de os raios-X interagirem com a matéria: passando rasante, ou então arrancando elétrons, ou então interagindo com os campos magnéticos, ou sendo polarizados (sim, como a luz polarizada). Eles atendem por siglas "com X", como EXAFS, XANES, XPS, SAXS, XMCD etc... Boa parte do que se faz em laboratórios de física é esse tipo de estudo.

A utilidade de tudo isso vai muito além de estudar a estrutura de átomos e moléculas. Em certas condições, dá para descobrir a composição química de uma substância sem precisar fazer nenhuma reação química para isso. Mas o mais interessante é que, com essas informações, os cientistas podem montar um verdadeiro quebra-cabeças e descobrir novos fenômenos físicos desconhecidos, procurar explicações para fenômenos ainda misteriosos, construir novos materiais com propriedades inéditas (novos supercondutores, por exemplo!), fabricar nano-objetos (ou seja, objetos com apenas algumas poucas dezeanas de átomos de diâmetro - e a nova e efervescente área da nanociência) etc...

E, como se não bastasse, há também a astronomia de raios-X! Agora, ao invés de pesquisar o muito pequeno, vai-se para o muito grande. Nossos telescópios "a olho" mostram apenas o que a luz visível pode mostrar. Mas os astros emitem de tudo, inclusive raios-X. Muita coisa invisível pode se tornar visível com raios-X, incluindo buracos negros (não ele em si, mas a matéria que cai nele, que emite raios-X como num "canto do cisne" antes de mergulhar no seu destino fatal).

Bem, escrevi isto porque recentemente tive que fazer algumas entrevistas e ler alguns trabalhos científicos cheios de tais métodos (comentei um deles aqui; e outro neste texto mais técnico), o que me deixou deveras impressionado com a extensão das possibilidades desses raios-X. E quis dividir um pouco essa sensação com quem não é físico. Até a próxima...