Ganhadores do premio Nobel de Física de 2011, os norte-americanos Saul Permutter, Adam Riess e Brian Schmidt
No dia 22 de agosto publiquei um post que mencionava que cientistas brasileiros estavam questionando o modelo cosmológico mais aceito, o da energia escura:
Nesse post tentei explicar que isso não significa que o modelo está errado, argumentei que a ciência não é algo pronto e acabado e que a todo tempo, teorias rivais convivem juntas, uma tentando superar a outra. Só o tempo e os dados experimentais podem dizer qual sairá vencedora, se é que existe um vencedor.
Apesar da contestação dos cientistas brasileiros, o modelo que descobriu a energia escura foi premiada nesse ano com a maior condecoração da física, o premio Nobel. Os cientistas americanos: Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess foram informados em outubro que vão dividir o premio pela descoberta feita em 1998 de que o universo está em expansão em um ritmo acelerado.
Entender o que é a expansão acelerada do universo não é uma tarefa fácil. A começar da complexidade do que é o espaço. Os alunos sempre me perguntam: “mas está se expandindo pra onde? Se o universo é o todo que conhecemos, o que está além dele?”
Mas não precisamos entrar em uma questão tão filosófica como essa da natureza do espaço, a dificuldade está até mesmo em entender o que é aceleração.
A maioria das pessoas confunde aceleração com velocidade. Costumeiramente usamos a apalavra acelerar para dizer que estamos aumentando a velocidade, isso está correto, mas se digo aos meus alunos que estou diminuindo a aceleração, a maioria pensa em diminuição de velocidade, o que não é verdade. Enquanto houver aceleração, agindo no mesmo sentido da velocidade, ela sempre provocará aumento dessa velocidade. Diminuir a aceleração nesse caso, é diminuir a taxa de aumento. Por exemplo, se você tem uma divida de 1000 reais a uma taxa de juros de 1%, ao mês significa que sua divida aumentará 10 reais no primeiro mês; 10 reais e 10 centavos no segundo, 10 reais e 20 centavos no terceiro e assim por diante. Se a taxa de juros diminuir para 0,5% ao mês, a divida continuará a AUMENTAR mas por um fator menor, supondo uma divida de 1000 reais, teremos 5 reais a mais no primeiro mês; 5 reais e 2,5 centavos no segundo e assim por diante, sempre aumentando a divida. Esse exemplo econômico não foi da área da física, mas a ideia é a mesma. A taxa de juros é comparada a velocidade, e a mudança da taxa de juros seria a aceleração.
O “maior erro” de Einstein
O modelo do Big Bang é o modelo científico mais aceito para a explicação de como o universo se formou. Baseia-se nas equações da Teoria da Relatividade de Albert Einstein e conta com diversas provas experimentais. A expansão do universo é uma predição da teoria, mas o próprio Einstein acreditava que o universo era estático e por isso alterou suas equações acrescentando um termo, que ele chamou de constante cosmológica. O papel dessa constante era o de proporcionar uma força de repulsão, para contrabalançar a atração gravitacional.
Em 1929 o astrônomo Edwin Hubble observou que quase todas as galáxias estão se afastando umas das outras e mais que isso, a velocidade de afastamento é maior, quanto mais distante uma galáxia está da outra. Resumindo, o universo estaria se expandindo. Ao saber disso, Einstein disse que cometeu o maior erro de sua vida, pois poderia ter previsto essa expansão com base apenas em sua teoria. Assim ele retirou a constante cosmológica das equações.
Ironicamente, com o trabalho de 1998, os americanos que agora ganharam o premio Nobel, descobriram também através de observações astronômicas, que a aceleração do universo não está diminuindo como seria o previsto, ao contrário, está aumentando. Mas o que estaria provocando esta aceleração? Os cientistas então se valeram da constante cosmológica de Einstein, considerada por ele seu maior erro, para incluir um termo de anti-gravidade, responsável por essa expansão. Nascia assim o conceito de energia escura, algo que não sabemos o que é, mas que além de ser responsável pela expansão acelerada do universo, compreende mais de 70% do universo.
A premiação máxima recebida pelos americanos não significa que a energia escura realmente exista. No outro post, procurei explicar como a ciência funciona, que ela não trabalha com verdades absolutas, mas sim com modelos explicativos. A premiação vem coroar um modelo que está funcionando por mais de 13 anos. Não se trata de uma explicação simples, trata-se de um dos maiores enigmas da ciência atual. Afinal dar um nome, energia escura, não explica muita coisa. De onde vem essa energia? Porque ela existe? O que aconteceria se ela não existisse? Se mais de 70% do universo é formado por ela, porque sabemos tão pouco a seu respeito?
Como sempre acontece na história da ciência a descoberta da expansão acelerada do universo, trouxe muito mais questões do que certezas. Essa é a graça da ciência. A felicidade de uma descoberta dura muito pouco, só o tempo de fecundação da curiosidade das novas questões levantadas.
O modelo do Big Bang é o modelo que tenta explicar a formação do universo. Este modelo foi desenvolvido a partir das equações da Teoria da Relatividade Geral de Einstein.
A idéia básica do modelo é de 1927, mas a base matemática do modelo atual foi desenvolvida pelo grupo do físico russo George Gamow, nos idos de 1940.
Como todo modelo científico, o Big Bang, não é uma “verdade absoluta”, mas sim uma tentativa de entender como o universo se formou a partir de observações feitas hoje, mesmo que muitas delas correspondam a eventos que aconteceram há muito tempo.
Através da primeira versão do modelo foi possível calcular a idade do universo. O valor encontrado estava na casa de milhões de anos. Nessa época, já se conhecia a idade da Terra com boa precisão (graças à datação radioativa), e a mesma se encontrava em torno de 4 bilhões e meio de anos. Como a Terra poderia ser mais velha que o universo?
A estimativa para a idade do universo estava errada, óbvio! Isso aconteceu porque o modelo não estava pronto. Precisou ser aprimorado. Foi então desenvolvida uma correção para o modelo, o chamado modelo inflacionário, que afirma que o universo sofreu uma brutal expansão em um tempo muito pequeno. Após essa correção, um novo cálculo foi realizado e a idade do universo ficou entre 13 e 15 bilhões de anos. Bem mais coerente.
Esse exemplo mostra o que estou querendo dizer, um modelo científico vai sendo aperfeiçoado à medida que novas observações, experiências, ou modelos matemáticos são feitos.
Existem várias evidências que comprovam o modelo do Big Bang, dentre eles destaca-se a expansão do universo, observada pela primeira vez pelo astrônomo Edwin Hubble, em 1929. Há cerca de 11 anos medidas astronômicas indicaram que a taxa de expansão do universo é positiva isto é, sua aceleração está aumentando ao invés de diminuir. O que poderia estar acelerando o universo?
Postulou-se a existência de uma energia escura que seria a responsável por essa aceleração. Desde então a maioria das teorias cosmológicas fazem uso da energia escura em seus modelos.
É a existência dessa aceleração positiva que está sendo questionada por dois brasileiros, Antônio Cândido de Camargo Guimarães e José Ademir Sales de Lima, ambos pertencente ao Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP). Os pesquisadores brasileiros analisaram vários dados utilizando um modelo que não faz uso do modelo tradicional da energia escura. O resultado desse trabalho indica que realmente houve uma expansão acelerada, mas que atualmente ela é incerta, pode até estar acelerada, mas diminuindo.
É assim que se faz ciência, colhendo dados e aperfeiçoando os modelos. Isso não significa que tudo que foi feito nesses últimos dez anos estava errado.
Para uma explicação mais didática podemos comparar a precisão de uma teoria científica com a precisão de uma arma. Vejam as imagens abaixo:
As figuras representam alvos e os pontos amarelos os locais onde os tiros (ou flechas) acertaram. A analogia com um modelo científico pode ser feito da seguinte forma. O ponto central (vermelho) representaria o valor verdadeiro, ou “verdade absoluta” (a existência ou não dessa verdade dá uma discussão filosófica interessante, mas fica para outra vez). Os pontos amarelos são os dados experimentais, usados para testar o modelo.
Na figura 1 temos um exemplo do que seria um modelo científico sem muita precisão. Vejam que há diferença entre precisão e acuidade. Há acuidade, pois alguns dados acertam o alvo (no caso do modelo científico, isso significa que o modelo permite interpretar corretamente alguns fenômenos, e fazer boas previsões. Mas alguns dados estão bem longe do alvo, mostrando que o modelo não é muito preciso, precisando ser melhorado. Alguns modelos podem parecer bons no começo, mas depois de várias medidas, ou de dados mais precisos, mostram falhas.
Melhorando-se o modelo, chegamos a uma teoria científica mais precisa, representada pela figura 2, Os dados se encaixam mais próximo do alvo, mas não é possível garantir que todos sejam certeiros (principalmente porque diferentemente de um alvo, no caso de uma teoria científica não sabemos qual é a verdade).
Na figura 3 temos o exemplo de um modelo que é preciso, mas que está baseado em premissas erradas, dessa forma leva a previsões falhas. Esse sim seria exemplo de uma teoria científica errada.
Espero que com essa analogia tenha deixado mais ou menos claro como a ciência trabalha.
É por isso que não ficamos decepcionados quando uma teoria científica é questionada, ou derrubada. Faz parte do processo. Newton reinou soberano por quase 300 anos, mas no começo do século XX, seu modelo apresentou falhas e teve que ser substituído por outros dois: A teoria da relatividade e a mecânica quântica. Assim como uma arma não tão precisa pode ser usada, se não desejamos uma medalha olímpica, a teoria de Newton continua válida para muitos casos.
Os cientistas brasileiros citados acima fizeram uso de outro modelo, que não incluía a energia escura. Resta aguardarmos novos dados para sabermos se eles descobriram um modelo mais preciso, ou se foi apenas um “tiro certeiro” conseguido na sorte.
Could the cosmic acceleration be transient? A cosmographic evaluation.
Antonio Guimarães, José Ademir Sales de Lima
Classical and Quantum Gravity
27 Maio 2011
Vol.: 28, Number 12, p. 125026
DOI: 10.1088/0264-9381/28/12/125026
Seguem algumas sugestões de leitura na área de ciência e tecnologia. A maioria é não ficção, mas indico também alguns de ficção ou romance que gostei bastante dentro dessa área. Coloquei um tema geral sobre os principais assuntos do livro. Em seguida temos o título, autor e editora. Pretendo ir atualizando a lista à medida que for lembrando de outros livros que li. Obs: Os que estão em vermelho são os que considero que não podemos morrer sem ter lido.
Tema: A importância da ciência, o perigo do analfabetismo científico, Discussão sobre pseudociência.
– O Mundo Assombrado pelos demônios – A ciência vista como uma vela no escuro. (Carl Sagan, Cia das Letras)
– Desvendando o arco-íris – (Richard Dawkins – Cia das letras)
Obs.: Este livro do Sagan é quase obrigatório para todos aqueles que trabalham com ciências ou com o ensino de ciências. Além de ser extremamente claro faz uma defesa apaixonada da ciência. São vários artigos independentes, que podem ser lidos fora da ordem. Pretendo em breve fazer um post sobre Carl Sagan, mas se quiser conhecer um pouco mais sobre seu legado procure no youtube (ou na locadora) a série cosmos, apresentada por ele. Apenas uma pequena demonstração nesse vídeo de 3,57 minutos:
Tema: Charlatanismo e erros na ciência
– A impostura científica em 10 lições (Michel de Pracontal, Unesp) – Os cientistas também erram, as vezes sem querer, as vezes por conveniência. Discute vários casos famosos ou não. Se não dispõe de muito tempo, leia pelo menos o caso da disputa da descoberta do vírus da Aids. Uma briga pela patente foi responsável por milhares de contaminações que poderiam ter sido evitadas.
Tema: Divulgação de conhecimentos científicos e concepções de ciência.
– Viagens no tempo e o cachimbo do vovô Joe (Alan Lightman, Cia das Letras).
– As coisas são assim, um pequeno repertório científico das coisas que nos cercam (John Brokman e Katinka Matson, Cia das Letras). Este é um pequeno livro muito agradável de ler, que traz ensaios curtos e super didáticos sobre teoria da relatividade, teoria da evolução, cérebro e mente, matemática. Escrito por grandes nomes da ciência como: Stephen Jay Gould, Lee Smolin, LynnMargulis, Richard Dawkins e outros. Cada ensaio não tem mais de 4 páginas.
Tema: história da ciência, evolucionismo e conhecimentos científicos em geral.
– A dança do universo – Dos mitos de criação ao big bang ( Marcelo Gleiser – Cia das letras) – traz um relato muito interessante sobre a vida de vários cientistas, ressaltando principalmente o lado humano.
– O sorriso do Flamingo(Stephen Jay Gould – Matins Fontes) – No mesmo nível de Carl Sagan como divulgador de ciência e ainda paleontólogo, biólogo evolucionista e historiador da ciência, Jay Gould traz uma escrita fluente e riquíssima. Possui diversos livros maravilhosos. Este é uma coletânea de ensaios.
– O gene egoísta (Richard Dawkins – Cia das letras) – O Neodarwinismo descrito de forma clara e surpreendente.
– A Tripla Hélice – Gene – Organismo – Ambiente ( Richard C. Lewontin – Edições 70) de forma extremamente didática Lewontin vai questionar profundamente o determinismo genético (defendido ferrenhamente por Dawkins). Difícil é tomar uma posição depois de ler esses dois.
– Grandes debates da ciência (Hal Hellman, Unesp) – Para aqueles que ainda acham que existe “a visão da ciência” como se sempre houvesse um consenso, este livro traz debates históricos sempre entre dois cientistas eminentes com visões opostas.
– Uma breve história do infinito – Dos paradoxos de Zenão ao universo quântico (Richard Morris – Jorge Zahar)
– A Ciência Através dos Tempos ( Attico Chassot – Moderna) – é um pouco curto demais, mas por outro lado rápido de ler.
– Além do bem e do mal (Friedrich Nietzsche – Cia das Letras) – Apesar de ser um livro de filosofia, Nietzsche faz uma crítica aguda da ciência e tecnologia da época.
– Retalhos Cósmicos (Marcelo Gleiser – Cia das letras) – Uma coletânea de sua coluna do caderno mais da folha de São Paulo.
Tema: O poder e a beleza da quantificação (matemática) conservação ambiental, aborto, religião
– Bilhões e bilhões reflexões e morte na virada do milênio ( Carl Sagan – Cia das Letras)
– Tio Tungstênio – Memórias de uma infância química (Oliver Sacks – Cia das Letras)
Tema: Formação da vida, uma ligação interessante entre biologia, física e química.
– O quinto milagre – Em busca da origem da vida ( Paul Davies – Cia da letras)
– Entre o cristal e a fumaça – Ensaio sobre a organização do ser vivo ( Henri Atlan – Jorge Zahar).
Tema: Física moderna: Relatividade, Física quântica, espaço tempo, origem e fim do universo, bombas nucleares e energia atômica.
– O tecido do cosmo – O espaço, o tempo e a textura da realidade(Brian Greene – cia das letras)
– O universo elegante – (Brian Greene – Cia das letras)
Obs: Em minha opinião esses dois são os melhores livros sobre a teoria da relatividade que já li. Brian Greene consegue a façanha de simplificar usando analogias muito criativas e engraçadas, mas sempre tomando o cuidado de mostrar as falhas que o excesso de simplificação traz.
– O incrível mundo da física moderna – George Gamow – Ibrasa (fora de catálogo, mas possível de encontrar na livraria do instituto de física, ou em sebos). Este é outro especialista em conseguir simplificar de forma didática e engraçada, mas com um bom rigor científico. Gamow foi um dos físicos que criaram o modelo do Big Bang.
– ABC da relatividade ( Bertrand Russell – Jorge Zahar) O grande filósofo e matemático Bertrand Russel divulgando ciência, um clássico.
– O futuro do espaço-tempo ( Stephen Hawking; kip S. Thorne; Igor Novikov; Timothy Ferris; Alan Lightman; Richard Price – Cia das Letras). Seis artigos muito interessantes, cada um escrito por um dos pesquisadores acima. Finalmente li algo interessante do Hawking, minha dica para os não iniciados em física é: fujam do Stephen Hawking e de seus Best Sellers: “Uma breve história sobre o tempo” e “O universo em uma casca de noz” não são livros para leigos. Em minha opinião ele não consegue explicar um conceito físico de forma clara e vários conceitos são simplismente introduzidos sem explicação alguma.
– Conversas sobre o invisível – Especulações sobre o universo ( Jean Audouze – Michel Casse e Jean Claude Carrière editora brasiliense). – Um bate papo sobre física moderna (relatividade, quântica e nuclear) entre dois físicos e um roteirista dos filmes de Luis Buñel (Jean Claude Carrièrre) escrito na forma de diálogos mesmo.
– O enigma do tempo ( Paul Davies – Ediouro)
– A face oculta da natureza – O novo mundo da física quântica – (Anton Zeilinger – Globo Editora) – Um livro fantástico e atual sobre quântica, escrito por um pesquisador importante desta ciência intrigante.
– A evolução da física – (Albert Einstein e Leopold Infild- Jorge Zahar) – Que tal aprender relatividade com quem criou a teoria? Claro que não se trata do artigo original da teoria da relatividade, mas de um livro de divulgação científica que explica não só relatividade mas outras áreas importantes da física.
– Física em seis lições (Richard P. Feynman – Ediouro) – Outro livro escrito por um grande físico (o mais famoso dos EUA), é uma versão resumida de uma coleção bem maior.
– Física e filosofia (Werner Heisenberg – Editora: UNB) – Ler teorias descritas pelos próprios autores é outra história.
– SCHRÖDINGER & HEISENBERG A física além do senso comum – (Antônio F.R. de Toledo Piza – Odysseus ) A história de dois jovens pesquisadores que criaram o formalismo matemático da mais incompreensível teoria física de todos os tempos, a física quântica. De forma completamente independente, e usando cada um, seu próprio formalismo matemático, chegaram quase ao mesmo tempo, em duas teorias perfeitamente equivalentes.
– Conceitos de física quântica vol 1 – ( Osvaldo Pessoa Junior – editora livraria da física) Um livro mais rico em detalhes sobre os experimentos quânticos e que discute os conceitos apresentando diferentes interpretações, porém não é um livro propriamente para leigos, exige um certo conhecimento inicial.
– O Tao da física – (Fritjof Capra – Cultrix) – Um paralelo entre a física moderna e a filosofia oriental, feito bem antes de “Quem somos nós?” e “ o segredo” deturparem completamente essas idéias. Trata-se de um bom livro de divulgação da quântica e totalmente despretensioso, traçando paralelos bem interessantes entre as visões científicas e filosóficas e até religiosas do oriente.
– Espaço-tempo e além (Bob Toben Fred Alan Wolf – Cultrix) – Esse livro é muito maluco e exagerado, mas no final dele há uma explicação detalhada sobre conceitos quânticos de forma precisa.
– O que é a teoria da relatividade ( L. Landau e Y. Rumer – Hemus) – Escrito pelo maior físico teórico da Rússia e premio Nobel de física. Landau ficou famoso por sua coleção completa sobre física adotada por várias universidades no mundo todo. Esse é um livro popularização da relatividade, escrita para um público leigo.
– O estranho caso do gato da Sra. Hudson – E outros mistérios da ciência resolvidos por Sherlock Holmes ( Colin Bruce – gradiva) – Usando como personagem o famoso detetive criado por Conan Doyle, Colin Bruce procura explicar fenômenos da física moderna.
Tema: Cérebro, mente, neurologia
– Como a mente funciona – Steven Pinker (Cia das letras) – Uma livro enorme, não só no tamanho mas também no conteúdo, discute o funcionamento do cérebro humano comparando-o com o funcionamento de um computador.
– Os dragões do éden (Carl Sagan – Gradiva) – Discute a evolução do cérebro humano e põe por terra mitos como dizer que o ser humano usa menos de 10% da capacidade cerebral.
– O erro de Descartes ( Antônio Damásio – Cia das letras) – O neurologista discute doenças neurológicas e a importância dos sentimentos na cognição.
– O homem que confundiu sua mulher com um chapéu – Oliver Sacks – O também neurologista Oliver Sacks possui vários Best Sellers, neste discorre por vários casos curiosos de doenças neurológicas.
Tema: Tecnologia futura
– Infinito em todas direções (Freeman Dyson – Cia das Letras)
– Mundos Imaginados (Freeman Dyson – Cia das Letras)
– O terceiro Planeta (Arthur C. Clarke – Humus) O escritor do conto que se transformou no famoso filme “2001 uma odisséia no espaço”, dirigido e escrito conjuntamente por Stanley Kubrick, faz previsões futuristas para o ano 2000, em meados da década de sessenta. Muito interessante verificar se Clarke conseguiu prever com exatidão alguma coisa que para nós é presente hoje e quais previsões não se concretizaram.
Tema: Ficção científica, romances, contos
– O jardim dos caminhos que se bifurcam
– Ficções
– Aleph
( Jorge Luis Borges ) Na verdade são três livros. Cada um deles é um livro de contos e cada titulo é o titulo de um conto do mesmo nome, dependendo da editora os contos podem se repetir. Quem gosta de contos fantásticos e paradoxos, relações com o tempo e o espaço não pode deixar de ler Borges, nem Cortázar.
– Todos os fogos o fogo ( Julio Cortázar) – Assim como Borges, é imperdível.
– Contato( Carl Sagan – Cia das Letras) – Um romance cheio de ciência e discussões sobre ceticismo e fé.
– Os robôs
– O homem bicentenário
– Fim da eternidade
(Isaac Asimov) três livros, cada um melhor que o outro. Os dois primeiros a respeito de robótica e o último uma ficção incrível sobre como seria viajar no tempo e a teoria do caos.
– Sonhos de Einstein (Alan Ligthman – Cia das Letras) – O físico e poeta Alan Ligthman escreve de forma poética vários universos possíveis imaginados por Eisntein em sonhos.
Bom por enquanto é isso, a medida que for lembrando de outros importantes livros da área que mereçam um destaque criarei um novo post “os 60 mais”, “os 70 mais….”
Nos dias 4 e 5 de março entrei nas salas dos nonos anos para uma palestra sobre o modelo científico de criação do universo mais conhecido como Big Bang.
Essa palestra já vem sendo ministrada por mim há vários anos e foi um pedido da ex professora de ciências Magda para que as oitavas séries tivessem uma visão científica de como a física tenta explicar a criação do universo. O atual professor de Ciências, Murilo, deu continuidade ao projeto e mais uma vez a palestra aconteceu no início do ano.
A idéia não era apenas falar sobre o Big Bang, e sim sobre como a nossa visão de mundo veio mudando ao longo da história, desde os gregos antigos até hoje, passando pela visão geocêntrica e heliocêntrica.
Claro que falar sobre Aristóteles, Ptolomeu, Copérnico, Galileu, Kepler, Newton, Kant, Laplace, Einstein e Gamow em menos de uma hora é uma tarefa quase que impossível, trata-se, portanto de uma noção bem geral de como os modelos foram concebidos, de qual a diferença entre um mito, um modelo filosófico e um modelo científico.
A participação dos alunos sempre foi muito boa, mas neste ano em especial foi surpreendente. Nas duas salas não foi possível terminar a palestra dado a imensa quantidade de perguntas. As questões versavam sobre os mais variados temas e tinham ligação com o que estava sendo exposto. Claro que lidar com a ansiedade de alunos de 14 anos não é fácil, mas uma classe assim é o que todo professor deseja, era nítido o interesse deles pelo assunto. Perguntas como: “ Mas o universo está se expandindo pra onde?” “O que tem depois do universo?” “O que tem no centro da galáxia?” foram algumas das perguntas que mais instigaram os alunos. A falta de uma certeza para as respostas, deixava-os ainda mais intrigados (e tenho que confessar, deixava-os também decepcionados). Mesmo quando uma resposta era dada o prazer durava pouco, pois outras dúvidas surgiam junto com a resposta, deixando claro que a ciência não é um compartimento onde se vai buscar uma resposta pronta. Trata-se de uma construção cheia de percalços e tropeços.
Os slides da palestra estão disponíveis aqui: big bang
Espero que assim um canal para mais perguntas e sugestões esteja aberto.
Formado em Física pela Universidade Mackenzie com mestrado em Ciências e Tecnologia Nuclear pelo IPEN/USP. Professor de física e tecnologia moderna do Colégio Oswald de Andrade. Professor Adjunto da Unip nos cursos de engenharia.
12a Dimensão 
