O caso dos neutrinos mais velozes que a luz

A essa altura, a maioria dos leitores já ouviu falar da suposta descoberta de partículas mais velozes que a luz, em um laboratório em Gran Sasso, na Itália, há pouco mais de uma semana. São neutrinos, partículas centenas de milhares de vezes mais leves que um elétron e que interagem muito fracamente com a matéria. A velocidade determinada pela Colaboração OPERA com os enormes detetores da figura ao lado foi de apenas 0,00248% acima da velocidade da luz. No entanto, a precisão do experimento foi grande e esse resultado parece contradizer frontalmente a teoria da relatividade especial.

Vários desdobramentos aconteceram nesta última semana. A maior parte dos cientistas está cética, mas as reações variam muito. A essa altura, muita gente já conhece sua reação por meio de entrevistas e matérias de jornais. Mas outra coisa é ver o que dizem em suas publicações científicas. O blog do ArXiv publicou no sábado uma lista de nove artigos que representam o que a comunidade científica anda pensando de tudo isso. Abaixo, falo um pouco sobre eles, mas este post no blog A Física se Move dá muito mais detalhes.

Basicamente, há três tipos de interpretação para os resultados:

a) A anomalia é devida a algum erro dos autores;
b) A anomalia é real e indica uma violação da teoria da relatividade especial;
c) A anomalia é real, os neutrinos viajam mais rapidamente que a luz, mas a teoria da relatividade não é violada (sim, isso é possível).

Além disso, há os cientistas que preferem esperar que outros grupos verifiquem se conseguem reproduzir os dados - como é o caso dos próprios autores, como declararam no seu artigo.

Por que não crêem os que não crêem - Sendon Glashow, prêmio Nobel de física de 1979, é um dos céticos da categoria (a). "Refutamos a interpretação superluminal dos resultados do OPERA", disparou no resumo do seu artigo, escrito junto com Andrew G. Cohen. Seu argumento é que, pelos seus cálculos, os neutrinos perderiam energia pelo caminho, que seria convertida em matéria por meio da produção de elétrons e pósitrons, e eles não poderiam de forma alguma alcançar o detector do OPERA com velocidade acima da luz, vindos de onde foram produzidos, no CERN, em Genebra, a 730 km de distância.

As tentativas de explicação variam enormemente pela lista do ArXiv. Susan Gardner, da Universidade do Kentucky, nos EUA, acha que o pessoal do OPERA foi ludibriado por efeitos cosmológicos devidos à matéria escura. Carlo Contaldi, do Imperial College de Londres, também acha que eles se enganaram, e o vilão teria sido a interpretação do conceito de simultaneidade adotada - o tempo se comporta de forma bem diferente do que estamos acostumados no cotidiano pode nos pregar peças. Há quem ache que o grupo foi vítima de meras interpretações estatísticas equivocadas, como Robert Alicki, da Universidade de Gdánsk, na Polônia. É que os dados, colhidos durante três anos a fio, são em número imenso e devem sofrer análise estatística, uma tarefa melindrosa e cheia de sutilezas conceituais.

Convivência difícil, mas possível - O problema em supor enganos dessas espécies é que os cientistas do OPERA parecem ter feito um excelente trabalho. No entanto, a teoria da relatividade também vem fazendo um trabalho espetacular - suas previsões vêm sendo confirmada por inúmeros experimenetos já faz quase um século. Assim, há cientistas que apostam que tanto os resultados quanto a relatividade estão corretos. Isso é possível, mas há um preço conceitual nada baixo a se pagar.

Por exemplo, Steven Gubser, da Universidade de Princeton, nos EUA, pretende resolver o paradoxo por meio de dimensões espaciais a mais além das três a que conseguimos perceber. O neutrino teria viajado por dimensões extras, produzindo a ilusão de uma velocidade muito grande. Já Alex Kehagias, da Universidade de Atenas, imagina que a Terra produza um campo de forças ainda desconhecido, além do conhecido campo gravitacional e do seu campo magnético. Surpreendentemente, ele conseguiu escrever a fórmula de um campo que consegue ao mesmo tempo ser compatível com a relatividade e produzir neutrinos mais rápidos que a luz.

Ao fim e ao cabo, a conclusão é a mesma que os próprios autores advertiram desde o primeiro momento: uma conclusão precisa terá que esperar que outros grupos de pesquisa verifiquem se conseguem reproduzir os resultados do OPERA. Isso pode levar uns anos. Enquanto isso, podemos especular à vontade: já há teóricos dando os primeiros passos para construir uma teoria alternativa à relatividade especial. Um dos artigos da lista do blog do ArXiv é justamente sobre isso.

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.

Desenvolvimento e culturas tradicionais

De uns anos para cá, alguma coisa começou a me incomodar nas manifestações culturais para consumo turístico que vemos por aí - procissões, batuques, artesanatos. São muito bonitas, mas muitas me deixam um sutil e acre retrogosto de artificalidade, de "verniz".

Lembrei-me dessa impressão depois que li esse artigo que me caiu em mãos: "A patrimonialização da cultural como forma de desenvolvimento" (em PDF aqui), de Sandra Siqueira Silva, mestranda da Unimontes, que apareceu na última revista Aurora, uma publicação para pós-graduandos editada pela Universidade de Marília. Surpreendeu-me pela forma de expor e articular de modo simples e claro noções em geral difíceis de explicar. Não entendo muito desses assuntos, de modo que talvez seja interessante também para outras pessoas como eu.

Primeiro, ela expõe brevemente alguns conceitos sobre desenvolvimento, até culminar com o de Armartya Sen (prêmio Nobel de Economia), segundo o qual ele não deveria ser definido em termos de prosperidade econômica, mas sim de bem-estar, com ênfase na liberdade. O resto seria consequência. Qual a diferença? É que, além do bem-estar "econômico", existem outros, como o mental e o social – e um não decorre necessariamente do outro.

Como isso se articula com cultura? Esse é o tema da seção 2, em particular a partir do final da página 111. Ali, a autora tece uma crítica a certas estratégias de valorização de patrimônios culturais que enveredam pela espetacularização e pela industrialização dos mesmos. Afinal, há outras formas de riqueza além do poder aquisitivo, e o patrimônio cultural tem outros valores além da possibilidade de produzir dinheiro (e do mero entretenimento, eu acrescentaria). Especialmente importantes são os seus valores simbólicos para a própria comunidade que detém esses patrimônios.

Não só. A cultura é fundamental para o próprio desenvolvimento, no sentido de Amartya Sen. Diz a Sandra:

"A forma de inserção dos excluídos é via cultura e nas alternativas governamentais voltadas para este fim. A cultura é a mola propulsora para que a comunidade local tome posse da sua identidade, se reconheça nela, e através dela se organize socialmente. Com a valorização da cultura torna-se possível o funcionamento de toda a engrenagem social local."

Eis a razão do meu “incômodo de fundo”. Acho que o escopo do artigo é mais amplo, mas várias comunidades que realizam as manifestações para turistas que tenho visto podem, sim, estar ganhando dinheiro (pelo menos, as pessoas em cujos bolsos ele cai), mas parecem ter perdido algo: o significado original dessas manifestações, do seu antigo papel na vida da comunidade. Não se trata apenas de querermos preservar algo bonitinho. O esvaziamento do significado original é sintoma de que aquela comunidade sofreu destruição de seus valores, perda de identidade e mudanças drásticas nas suas atividades normais – enfim, teve sua “engrenagem social local” estourada. Com todo o sofrimento que decorre disso. Isso não combinam com “desenvolvimento”.

As pessoas não deveriam ser forçadas, pelas circunstâncias ou por outras pessoas, a adotar um modelo sócio-econômico e uma cultura diferentes dos que vêm partilhando há séculos.

Exercícios simples de alongamento e abdominais

A vida pode ficar bem melhor com alguns exercícios físicos simples que podem ser feitos em casa. Mas é necessário um pouco de orientação. Circulou pela Internet ontem um vídeo preparado pelo Portal Vital com o personal trainer Marcelo Lucon, da Academia Ativa, de São Paulo, ensinando como fazer abdominais (clique na figura ao lado).

Confesso que só conhecia a versão "cruel", dolorida e extraordinariamente cansativa desses exercícios, que aprendi em aulas de educação física no colégio. As mostradas pelo Lucon parecem agradáveis e simples.

Isso me fez lembrar de um conjunto de exercícios de alongamento que um amigo meu, professor de Educação Física, me passou em imagens há uns dez anos e me pediu para colocar no meu antigo site. Como o meu site já foi para o beleléu, que Deus haja, então posto novamente aqui.

A mensagem original do Marcão foi:

"Estou deixando uma sequência de alongamentos para o pessoal saber pelo menos que existe alguma coisa para nos deixar mais relaxados e dispostos nas apresentações. Alongamento não deve ser usado apenas para preparar para algo e sim devemos nos manter alongados. Se você estiver andando e torcer o pé, um dos motivos de a lesão ser feia é ter os músculos muito rígidos. É apenas um dos itens da boa disposição. Mas espero que ajude. Uma dica: se não tiver tempo para nada, faça pelo menos o que fica com as pernas para cima (90 graus) - no mínimo, antes de dormir - e, se possível, dê uma boa espreguiçada antes de se levantar."

Atenção: não exagere. Não é para doer muito. Não é treinamento para tropas de elite, é para ser simples e agradável. Se o corpo reagir de modo muito estranho, pare. Apesar de terem sido projetados para se fazer em casa, orientação em uma academia ou de um especialista só fará bem.

O Homem e o Universo (A. Koestler)

Uma narrativa deliciosa da história da astronomia ocidental, desde os gregos antigos até Isaac Newton, com ênfase nas biografias de Nicolau Copérnico, Johannes Kepler e Galileu Galilei. O título das primeiras edições brasileiras, que seguiram o título original, dá uma ideia da proposta da obra: "Os sonâmbulos" ("The sleepwalkers"). Não é apenas mais uma "demonstração" dos avanços consistentes da ciência astronômica desde seus pais ao longo do tempo. Pois seus primeiros protagonistas não eram cientistas no sentido moderno. Pelo contrário, viviam numa época em que não havia fronteira entre ciência e misticismo. A tônica do livro é a passagem dessa era para a moderna, a da "separação dos caminhos", por trajetórias muitas vezes erráticas.

Kepler é um exemplo cabal dessa época de transição. Procurava explicar o movimento dos planetas com métodos que hoje soariam no mínimo exóticos. Acreditava que esses astros emitiam sons harmônicos inaudíveis por ouvidos mortais. Assim, em seu livro "Harmonia dos Mundos", tentou encaixar regularidades nos movimentos planetários em uma sofisticada teoria musical. Seu livro está cheio de pautas com escalas musicais. Em certo ponto (no parágrafo 8), ele se pergunta - e responde: "Quais planetas cantam soprano, quais contralto, quais tenor e quais baixo?"

No entanto, Kepler pode ser também considerado um dos primeiros cientistas modernos, pois, quando uma teoria não se encaixava perfeitamente no que observava nos céus, ele tentava outra. E procurava acesso aos dados mais precisos disponíveis para testar seus modelos. Isso é uma atitude perfeitamente moderna.

Assim, ele chegou a abandonar a música das esferas para tentar encaixar os cinco sólidos regulares nas órbitas dos planetas. Também não deu certo. O detalhe é que essa atitude levou Kepler a abandonar também descobertas que hoje fazem parte do conhecimento científico e são ensinadas nas escolas. No seu esforço em procurar regularidades, que em certos momentos Koestler pinta com cores de desespero e loucura, consumindo o próprio ser de Kepler, o astrônomo acabou topando com suas famosas leis que descrevem o movimento dos planetas.

Essas leis arrebentavam com a cosmologia da época, pois rejeitavam que os planetas descrevessem círculos (a forma perfeita, bem adequada ao céu, morada divina), mas elipses (espécies de ovais). Na época, pode ter sido algo tão ou mais louco do que a harmonia das esferas parece hoje. Mas foram usadas por Newton quase cem anos depois para demonstrar sua lei da gravidade, por muito tempo um símbolo do sucesso da ciência moderna. Em seguida, Kepler a trocou pelo movimento das esferas, pela teoria dos sólidos regulares e outras.

O livro de Koestler é, assim, também uma narrativa da passagem hesitante e tateante de uma época em que não se fazia distinção entre ciência, religião, misticismo e esoterismo para outra em que uma fronteira estanque foi erguida entre a ciência e o resto (na verdade, isso aconteceu também com a religião ocidental). O capítulo final, "A separação dos caminhos", é dedicado àquele que pode ter sido o primeiro grande cientista no sentido moderno, e também o que simboliza o divórcio entre ciência e religião: Galileu Galilei. Foi dada ênfase no seu conflito com a Igreja. Cartas trocadas entre ele e a Santa Sé estão reproduzidas nas notas no final do volume. Vê-se que muitas vezes Galileu não facilitou muito as coisas para os que queriam botar as coisas em panos quentes no Vaticano.

Arthur Koestler (1905-1983), ensaísta húngaro, crítico feroz do stalinismo, era um escritor estiloso. A narrativa é de prender a atenção. E consegue combinar detalhes biográficos e científicos com um texto fluente, gostoso. Dá cor, espírito e emoção às buscas visionárias dos "sonâmbulos" pelos princípios fundamentais do cosmo. Para gente curiosa, o resultado é explosivo. Lembro-me de ficar agarrado com esse volume enquanto esperava ônibus na rodoviária, de pé, há 20 anos. Por pouco não perdi alguns.

A vida depende de uma coincidência cósmica

Acabo de colocar uma postagem no blog A Física se Move sobre algo que me causou muita impressão. Ao que parece, a vida na Terra só pôde acontecer por causa de uma coincidência ainda não explicada envolvendo as energias dos núcleos atômicos de hélio, berílio e carbono. O carbono, como se sabe, é a base da vida na Terra. Sua origem está no interior das estrelas: assim como quase todos os outros elementos químicos, ele é formado por reações nucleares no núcleo estelar (os núcleos mais pesados são formados nas supernovas). Sem estrelas, só haveria hidrogênio e hélio. Nessas fornalhas cósmicas, núcleos de átomos de hélio e de berílio são fundidos para formar núcleos de carbono.

Acontece que a energia do núcleo de carbono é muito menor que a do hélio e a do berílio somadas. Pelas leis que regem as reações nucleares, isso torna extremamente improvável que a reação ocorra. E o carbono seria raríssimo.

A salvação está numa peculiar coincidência. O carbono, assim como qualquer outro núcleo atômico, possui um conjunto de outros estados com energias mais altas. Ele não pode ter qualquer energia, mas apenas algumas específicas. Uma dessas é - bingo! - quase igual à necessária para a reação ocorrer!

Por causa dessa coincidência, o carbono se forma abundantemente junto com oxigênio no interior das estrelas, e a vida na Terra (e sabe-se lá onde mais) pôde surgir.

Não há nenhuma lei da física conhecida que obrigue isso a acontecer. Na verdade, seria uma surpresa se tal lei existisse: pois pareceria uma lei física "construída" especificamente para que a vida pudesse surgir. O buraco é bem mais embaixo...

Falo mais detalhes no A Física se Move.

Post-scriptum: Há uma explicação possível. Talvez os parâmetros físicos de que dependem as energias do núcleo de carbono (constante de Planck, velocidade da luz no vácuo, massas das partículas elementares) sejam diferentes em regiões muito distantes do cosmo (muito mais distantes do que até onde os telescópios conseguem enxergar), de modo que necessariamente só poderíamos ter nascido onde ela tivesse a energia "certa". Ou então pode ser que elas variem no tempo. Só poderíamos então ter nascido numa época específica em que a energia seria a "correta" (como parece que os parâmetros não variaram muito desde perto do Big-Bang até hoje, isso só faria sentido em teorias alternativas de universos cíclicos, pulsantes, com vários Big-Bangs sucessivos). Essas hipóteses fazem parte de um tipo de raciocínio conhecido como "princípio antrópico".

Revoluções na Cosmologia nos últimos 20 anos

O conhecimento científico está sempre se transformando e a cosmologia, incluindo os modelos sobre o Big-Bang, não é exceção. Nos últimos 20 anos, houve uma verdadeira revolução na área. E pode ser que o melhor ainda esteja por vir.

Ao contrário do que muitos possam imaginar, a teoria do Big-Bang original tinha muitas inconsistências teóricas que só foram resolvidas nos anos 90. Apesar de suas previsões concordarem quantitativamente com as observações, havia problemas qualitativos imensos. Por exemplo, parecia implicar em que um de seus parâmetros tivesse valor 1 com uma precisão de 1 em 10⁶² - sem razão aparente nenhuma para isso. E isso era só um dos problemas.

Em 1980, um aperfeiçoamento na teoria feito por Alan Guth, chamada teoria inflacionária, resolveu esses problemas com uma tacada só. Segundo ele, o Universo teria se expandido muito rapidamente logo no início - esticou-se 10⁷⁸ vezes em 10^-32 segundos (!). Essa "esticada" radical eliminaria as inconsistências. O preço foi postular um campo de forças (chamado "inflaton") que produzisse essa inflação.

A partir de 1992, as previsões dessa teoria começaram a ser confirmadas por observações. Rapidamente, a teoria inflacionária foi levada ao nível da ortodoxia, povoou os livros-textos de cosmologia e tornou-se o paradigma dominante na área.

Mas essas mesmas observações que corroboraram a inflação também levaram a outra descoberta sensacional: que a quantidade de energia e de matéria "comum" no Universo, que forma planetas, estrelas etc. (a chamada "matéria bariônica") constitui apenas 4% de toda a massa do cosmo! Ninguém sabe o que é o resto. Chamou-se-a de "matéria escura".

Nos anos 1990, o advento dos telescópios em satélites artificiais como Hubble, livres da interferência da atmosfera terrestre, e dos detectores de precisão neles instalados, produziu uma mudança tão grande nas possibilidades de observação que os astrofísicos falam no advento de uma "era da cosmologia de precisão". Um novo "instrumento" foi descoberto, as supernovas distantes. Por causa da uniformidade da sua luminosidade, elas mostraram-se o mais preciso "detector de distâncias" conhecido.

Com as supernovas, em 1999 houve outra descoberta espetacular: que a expansão do Universo está se acelerando. Surpresa total, pois imaginava-se que a força gravitacional dos astros do cosmo a faria desacelerar. Ninguém sabe por que há a aceleração. Por falta de nome melhor, chamam o agente misterioso de "energia escura". Sabe-se hoje que a energia escura perfaz 73% da massa do Universo, enquanto a matéria escura 23% e a matéria e energia ordinárias apenas 4%.

Apesar de a natureza da matéria escura e da energia escura serem desconhecidas, não foi difícil adaptar o modelo cosmológico inflacionário para incluir parâmetros que representassem ambas. O modelo atual mais aceito é chamado "Λ-CDM" (Lambda-Cold Dark Matter), onde lambda (Λ) é a constante cosmológica, o parâmetro que representa a energia escura (há vários outros modelos alternativos, porém).

A revolução ainda não terminou. O modelo inflacionário atual pode fazer previsões quantitativas que concordam excelentemente com as observações, mas também sofre de problemas qualitativos grandes, como o Big-Bang original. Um é que ele supõe um momento inicial de densidade de matária e energia infinitas. Há dezenas de modelos alternativos tentando evitar essa "singularidade inicial" - vários dos quais incluem uma era pré-Big-Bang.

Na última Scientific American Brasil (de maio), apareceu um artigo de Paul Steinhardt no qual ele mostra outras inconsistências aparentemente graves. Comento esse artigo no último post do blog A Física se Move. Vários físicos dizem que elas serão solucionadas com algum aperfeiçoamento do modelo, mas sem abdicar da ideia central da inflação, tal como aconteceu com o Big-Bang original em 1980. Outros acham que a teoria deve ser substituída. Por enquanto, é esperar que observações mais precisas façam o tira-teima entre as diversas possibilidades.