Combinação explosiva

Publicado em 21/04/2010

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Tags: Cosmologia, Mecânica quântica, Física

O que acontece quando juntamos a fraqueza da gravidade com a estranheza do vácuo? A resposta é um novo efeito físico descrito por dois brasileiros na ‘Physical Review Letters’.

Dom Quixote e Sancho Pança retratados por Pablo Picasso (1881-1973). Assim como os paladinos imortalizados por Miguel de Cervantes (1547-1616), a gravidade e o vácuo no mundo quântico são fracos separados, mas sua combinação tem efeito surpreendente.

Terça, 20 de abril, véspera de feriado. Final da tarde. Meu programa de correio eletrônico indica nova mensagem, com arquivo PDF anexo. Leio o breve resumo. Percebo de saída ser coisa grande na área de física. Ligo imediatamente para a pessoa que me enviou a dica. Ele corrobora minha impressão inicial.

Sim, é importante. Sérá publicado na prestigiosa Physical Review Letters.

O estudo brasileiro é talvez um dos melhores resultados das últimas décadas na área de gravitação

São dois autores. Dois brasileiros: Daniel A. T. Vanzella e William C. C. Lima, ambos do Instituto de Física de São Carlos, da Universidade de São Paulo. O artigo sai depois de amanhã.

Vanzella e Lima perceberam as consequências (inusitadas) de se juntar a fraqueza da gravidade com a estranheza do vácuo. Na opinião de especialistas, é um dos melhores resultados dos últimos tempos na interface entre gravitação e física quântica.

As quatro forças da natureza

Há quatro forças na natureza: forte, que mantém o núcleo atômico coeso; fraca, envolvida em certos tipos de radioatividade; eletromagnética, responsável pelo atrito e por você, leitor, não atravessar o local em que está sentado ao ler este texto; e a gravidade, que nos mantém ‘colados’ à superfície de nosso planeta ou faz os planetas girarem em torno do Sol, por exemplo.

Em nosso dia a dia, sentimos a eletromagnética e a gravidade. Esta tem papel fundamental nos fenômenos cosmológicos, na física do gigantesco, na física que envolve ou massas inimaginavelmente imensas e densas (estrelas de nêutrons, buracos negros, galáxias, aglomerados de galáxias etc.), ou velocidades próximas à da luz no vácuo (300 mil km/s). Nesse cardápio de fenômenos cósmicos e cosmológicos, a gravidade domina.

Mas no diminuto universo dos fragmentos de matéria, a gravidade tem outro papel.

A força forte e a fraca têm atuação restrita a distâncias da ordem de 10^-15 m (0,000000000000001 m), ou seja, ao núcleo atômico. Nessas dimensões liliputianas, denominadas quânticas (daí, o nome física quântica), a gravidade é tida como insignificante. É 0,00000000000000000000000000000000000001 (10^-38 vezes) mais fraca que a força forte. Ou seja, no domínio quântico, o da arena das entidades atômicas e subatômicas, a força gravitacional é para lá de desprezível.

Nos buracos negros, a gravidade reina absoluta. As massas desses populares objetos cósmicos são tão grandes que o puxão gravitacional que eles exercem em tudo o que está ao redor deles os transforma em sugadores insaciáveis de matéria e até mesmo de luz. Ao bancarem esses ralos cósmicos, ocorre um fenômeno em que a gravidade tem importância no mundo quântico: a criação de matéria e antimatéria nas ‘bordas’ do buraco negro, naquele limite que, se ultrapassado, leva a matéria a ser sugada, sem chance de voltar ao nosso mundo.

Será que o papel da gravidade em dimensões quânticas é mesmo desprezível?

Porém, mesmo esse fenômeno, resultante da interação da gravidade com o mundo quântico, tem consequências ‘pífias’: é impossível de ser observado em situações realísticas, dada a baixa taxa com que matéria e antimatéria são criadas. Ou seja, é ator coadjuvante.

Resumo: o papel da gravidade em dimensões quânticas é desprezível.

Será?

Dom Quixote e Sancho Pança

Agora, nossa história começa a ficar interessante. E o enredo segue mais ou menos o surrado dito ‘a união faz a força’. No caso, a insignificância da gravidade encontra um aliado igualmente sem papel quântico importante, o vácuo. É o conto dos anti-heróis, à la Dom Quixote e Sancho Pança. Separados, fracos; juntos, combinação explosiva, na definição do colega que me enviou a mensagem.

Advertência: sempre imaginamos que o vácuo é algo ‘vazio’. Bem, sinto informar que Aristóteles estava correto: a natureza abomina o vácuo. Este, no sentido clássico da palavra, não existe.

Experimento mental: saque toda a matéria de um recipiente. Mesmo assim, diz a física quântica, ficará lá um resto de energia, a chamada energia do vácuo. E, desse resíduo energético, pulularão, a todo instante, pares de matéria e antimatéria. O vácuo quântico é uma tormenta de criação e aniquilação. Está mais para fúria que para tranquilidade.

A dupla descobriu um efeito no qual um campo gravitacional bem comportado pode amplificar a energia do vácuo

Vanzella e Lima descobriram um efeito no qual um campo gravitacional bem comportado, como os inumeráveis que permeiam o cosmo, pode amplificar exponencialmente aquele ‘restinho’ de energia do vácuo. Amplificada, a energia do vácuo cria seu próprio campo gravitacional – lembre-se de que matéria e energia são equivalentes, como mostra a famosa equação E = mc², de Einstein. Tudo se dá como se o vácuo estivesse devolvendo o favor àquele que o ajudou a se livrar de sua insignificância, a gravidade.

Como a massa de um bolo, a energia do vácuo cresce e passa a dominar a evolução do sistema em que ele está implicado. E aí, para usar linguagem do cotidiano, não tem pra ninguém!

A gravidade amplifica o vácuo, e a energia deste cria gravidade. Juntos, eles dominam, como os dois paladinos de Cervantes.

Vanzella e seu aluno de doutorado William Lima acreditam que esse novo fenômeno – que aqui ouso batizar efeito Vanzella-Lima – pode atuar em objetos cósmicos compactos, como estrelas de nêutrons, ou estruturas gigantescas, como aglomerados de galáxias.

Pausa.

Uma única pergunta

É feriado. E o bom jornalismo diz que eu deveria passar a mão no telefone e ligar para Vanzella. Mas imagino que ele deva estar exercendo o merecido sono dos justos...

“Alô, Vanzella, aqui é o Cássio, da Ciência Hoje...” (certo, parte do salário dos jornalistas é para incomodar gente nos feriados e depois das 22h em seus lares).

Digo que farei apenas uma pergunta: “Como um campo gravitacional bem comportado pode amplificar, de modo tão intenso, a energia do vácuo?”

Pergunta errada (para uma entrevista curta).

Vanzella me diz que a resposta vale um prêmio. E acrescenta que ele e Lima chegaram a essa conclusão depois de olhar os cálculos, analisar as equações.

Como o fenômeno ocorre ainda é um mistério

Portanto, como o fenômeno ocorre ainda é um mistério. Mas isso não significa que eles ainda não tenham uma hipótese para explicar a descoberta – leia mais sobre isso em breve neste blogue.

A conversa ganha corpo. Vanzella me diz que a energia do vácuo cresce tão rapidamente que, em questão de milissegundos, caso tomemos como exemplo uma estrela de nêutrons, ela já é maior que a do campo gravitacional (inicial) daquele objeto.

Por que milissegundos?

Essa escala de tempo tem a ver com o tempo que a luz levaria para atravessar o próprio sistema. Como uma estrela de nêutrons é muito compacta (tem diâmetro, se me lembro bem, na casa de poucos quilômetros), o tempo de travessia – e, consequentemente, de dominância do vácuo – é irrisório.

Minha curiosidade: “E depois de a energia do vácuo dominar o sistema, o que acontece com este último?”.

Vanzella diz que esse é o tópico do próximo artigo sobre as consequências do efeito Vanzella-Lima. O fato é que a energia do vácuo, em função do novo efeito, dobraria a cada 10^-5 segundo em uma estrela de nêutrons. E não pararia de crescer.

Mas e o destino da estrela?

Vanzella arrisca dois cenários: i) o sistema explode e retoma a estabilidade (a energia do vácuo voltaria à sua insignificância); ii) a energia cresce, cresce, cresce... e a estrela se torna um buraco negro.

Em tempo

Vanzella já escreveu para a Ciência Hoje artigo em coautoria com Geroge Matsas, do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista, sobre buracos negros. Quanto ao jovem Lima, começa a carreira emplacando um Physical Review Letters de peso. E, se a ousadia desta coluna vingar, dando nome a um novo efeito.

Estou curioso com os desdobramentos dessa história. Prometo segui-la.

Bom feriado a todos.

Cássio Leite Vieira
Ciência Hoje / RJ

http://www.youtube.com/watch?v=G0oImVekJzg

À procura do passado perdido

Em sua coluna de março, o geneticista Sergio Pena recorre ao conceito de entropia e à Segunda Lei da Termodinâmica para refletir sobre o alcance da genética para reconstituir o passado evolutivo humano.

Por: Sergio Danilo Pena

Publicado em 12/03/2010 | Atualizado em 12/03/2010

A Segunda Lei da Termodinâmica dá direção à 'seta do tempo'. Por causa dela, é impossível 'desfritar' um ovo (foto: David Benbennick).

Em sua famosa conferência de 1959, “As duas culturas”, o físico e novelista inglês C. P. Snow (1905-1980) relatou o seguinte:

“Muitas vezes eu já estive presente em reuniões de pessoas que, pelos padrões tradicionais da cultura, são consideradas educadas e que expressam com deleite sua incredulidade com relação à falta de erudição literária dos cientistas. Uma ou duas vezes eu me senti provocado e perguntei quantos deles podiam me descrever a Segunda Lei da Termodinâmica, a lei da entropia. A resposta era sempre fria e negativa. Entretanto, eu estava perguntando algo que seria equivalente a: ’Você já leu Shakesperare?’”

Que raios vem a ser essa tal de “Segunda Lei da Termodinâmica” que C.P. Snow achava tão importante e que vamos abordar nesta coluna? É bastante simples na versão ‘sergiana’, muito mais informal que a dos livros-texto . A Primeira Lei da Termodinâmica diz que, em um sistema fechado, a quantidade de energia se conserva. A Segunda Lei da Termodinâmica diz que, em um sistema fechado, a qualidade da energia decai. Sistema fechado, naturalmente, é aquele em que energia não entra nem sai; a qualidade da energia se refere à sua capacidade de realizar trabalho.

Se a qualidade da energia diminui, algo tem de aumentar. Esse ’algo‘recebeu o nome de entropia, uma das entidades mais misteriosas e controversas da física.

A importância da Segunda Lei da Termodinâmica vem da sua natureza primordial e fundamental, pois é ela que faz o tempo fluir como um rio, irreversivelmente!

Sem a Segunda Lei da Termodinâmica, ovos se desfritariam e cacos de vidro se reuniriam para fazer copos

Sem ela, tudo seria reversível. Ovos se desfritariam e cacos de vidro se reuniriam para fazer copos. Nossos quartos e salas, em vez de terem temperaturas uniformes, seriam um mosaico de porções quentes e frias.

É a Segunda Lei da Termodinâmica que prevê a lenta morte energética de sistemas fechados, como famosamente colocado pelo grande poeta americano T. S. Eliot (1888-1965) no verso final do seu poema “Os homens ocos”: “Assim expira o mundo, Não com uma explosão, mas com um suspiro.” No estágio final, quando o sistema atinge o equilíbrio termodinâmico, ele está ‘morto’.

Alguém poderia perguntar: mas como os seres vivos fazem para manter sua estrutura e funcionamento ao longo dos anos? Como eles conseguem resistir à ditadura da Segunda Lei da Termodinâmica?

Vale lembrar que os seres vivos não são sistemas fechados – com a ingestão dos alimentos, eles recebem um influxo de energia transformada a partir da luz solar. Assim conseguimos impedir por algum tempo que caminhemos rumo ao equilíbrio, que é a morte. Mas o decaimento é inevitável, pois os próprios processos do metabolismo são escravos da Segunda Lei e ineficientes – assim todo sistema vivo se degrada, envelhece e finalmente morre.

O famoso quadro ‘Persistência da memória’, de Salvador Dalí (1904-1989), da coleção do Museu de Arte Moderna de Nova York. Embora não seja possível atribuir intenções ao “método crítico-paranoico” de Dalí, o quadro ilustra vários dos temas discutidos na coluna de hoje, especialmente os relógios “moles” e as formigas, dentro da estrutura de um relógio “duro”. À medida que uma pessoa avança no tempo, a Segunda Lei da Termodinâmica prediz que a entropia de um sistema isolado irá crescer. Assim, é a entropia que dá direção à ’seta do tempo’ e seu aumento age como um tipo de relógio. Sistemas vivos (por exemplo, as formigas) são capazes de reduzir a entropia localmente, graças a um influxo de energia (alimento), desde que a entropia total do sistema aumente progressivamente.

Entropia e informação

Da mesma forma como a capacidade de fazer trabalho de um sistema fechado decai progressivamente, a quantidade de informação de uma mensagem também diminui. Há sempre algum ruído nas linhas de comunicação, degradando a qualidade da mensagem transmitida. Além disso, há sempre a possibilidade de erro de compreensão daquele que recebeu a mensagem e que pode passá-la adiante de forma incorreta ou truncada.

É impossível então recapturar o passado, já que a informação do que aconteceu se dissipa com o tempo?

A homologia entre energia e informação é óbvia – de fato, o físico francês Léon Brillouin (1889-1969) cunhou o termo negentropia (entropia negativa) para denominar informação. Assim, podemos redescrever a Segunda Lei da Termodinâmica em termos informacionais e dizer que, “em um sistema fechado, a informação se degrada”.

Isso significa, então, que é impossível recapturar o passado, já que a informação do que aconteceu vai se dissipando com o tempo? Creio que sim – esse é um problema seriíssimo...

Cartaz da peça ‘Arcádia’, de Tom Stoppard, encenada em Nova York pela Phare Play Productions.

Tom Stoppard (1937-), o brilhante dramaturgo inglês (meu favorito dentre os atuais), lidou exatamente com isso em sua maravilhosa e premiada peça teatral Arcádia, de 1993. Foi uma experiência inesquecível ver a peça, com a direção de Trevor Nunn, no Lincoln Center Theater de Nova Iorque em 1995. O enredo se passa em uma mansão rural inglesa em dois planos temporais.

O primeiro é 1812, quando uma adolescente genial, Thomasina, tem contato com as ideias recém publicadas por Sadi Carnot (1796-1832) sobre termodinâmica e deduz ela mesmo, com ajuda de seu tutor, Septimus, amigo de Lord Byron, aspectos da Segunda Lei da Termodinâmica.

O segundo plano temporal é 1993, quando dois historiadores ingleses, trabalhando in loco na mesma mansão, tentam reconstruir os eventos que se passaram naquela propriedade 181 anos antes. É hilariante ver como um dos historiadores, Bernard, de maneira totalmente metódica, lógica e racional, desenvolve uma teoria convincente de que ali ocorreu um duelo envolvendo Lord Byron, quando testemunhamos no outro plano temporal da peça fatos completamente diferentes – foi Septimus quem participou do duelo.

Por que tudo isso me preocupa?

Genética evolucionária humana

Uma de minhas linhas de pesquisa, a genética evolucionária humana, tem uma importante vertente histórica. Basicamente, eu e muitos outros cientistas queremos entender o processo migratório pelo qual a humanidade saiu da África mãe e se dispersou até ocupar todos os rincões da Terra. Em especial, queremos entender como as Américas foram povoadas e como se formou, muito mais tarde, a população brasileira de hoje.

Para atingir estes ambiciosos objetivos, nossa estratégia é usar como ponto de partida a caracterização da atual diversidade genética no Brasil e em outras regiões do globo. Pode-se dizer que a nossa pesquisa é uma viagem ao passado, usando o DNA como máquina do tempo. Recorremos também à genética arqueológica, ou seja, a caracterização molecular de restos mortais de humanos que viveram no passado.

Nosso grupo de pesquisa foi o primeiro a caracterizar, na década de 1990, a existência de um mesmo haplótipo de cromossomo Y em populações ameríndias de todas as três Américas, desde a Patagônia até a América do Norte. Demonstramos, assim, a existência de um forte efeito fundador em ameríndios e inferimos a ocorrência de uma única onda migratória principal no povoamento das Américas.

Posteriormente, Fabrício Santos, meu ex-aluno e atual professor na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), demonstrou que um precursor imediato do Y característico que havíamos detectado nos nativos americanos era abundante na Sibéria Central, que então foi identificada como o berço dos ameríndios. Essa história é lógica, racional e bem fundamentada, mas como podemos ter certeza de que não estamos incorrendo em um erro de inferência como o de Bernard na peça Arcádia?

Quanta certeza podemos ter sobre os cenários que construímos do passado evolucionário humano?

Quanta certeza podemos ter sobre os cenários que construímos do passado evolucionário humano? De acordo com o influente filósofo austríaco Karl Popper (1902-1994), o teste ácido de uma hipótese científica é a sua ’falsificabilidade’. Nossos modelos de genética evolucionária são falsificáveis? Alguns talvez o sejam; muitos não são e nunca serão. A Segunda Lei da Termodinâmica é nossa carrasca – ela estabelece em termos teóricos absolutos que é impossível fazer uma reconstrução precisa do passado.

Os idos de março

Esta coluna será publicada em 12 de março, três dias antes do dia 15, que os romanos chamavam de “idos de março” (no antigo calendário romano, idos designava o dia 15 nos meses de março, maio, julho e outubro e o dia 13 nos demais meses). Foi esse o dia em que Júlio César foi assassinado, 2.054 anos atrás, por senadores liderados por seu filho adotivo Bruto.

O fim de Júlio César – desenho de John Leech, publicado no livro ‘A história cômica de Roma’, de 1850 (imagem: Wikimedia Commons).

O que sabemos do que se passou naquele dia fatídico se baseia nos escritos de Plutarco (que viveu muito depois, de 46 a 120 da nossa era), Suetônio (mais tarde ainda, 69/75-130) e Shakespeare (quase 1500 anos depois: 1564-1616). O que realmente aconteceu naquele dia? Era Júlio César um herói de Roma ou um ditador, como achava Bruto? Quem foi o vilão dessa história? Nunca saberemos com certeza. A Segunda Lei da Termodinâmica é implacável: o passado está entropicamente perdido...

Imagino que esta coluna possa incomodar um pouco os físicos, que a julgarão demasiadamente informal, e os historiadores, que poderão discordar do meu ceticismo científico. Comentários de ambos segmentos e de todos os outros leitores serão, como sempre, bem-vindos!

Sergio Danilo Pena
Departamento de Bioquímica e Imunologia
Universidade Federal de Minas Gerais