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Espaço

Função de onda: A matemática que virou realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica – 13/02/2015

Função de onda é uma realidade objetiva

Procurando por uma realidade subjacente à função de onda – representada pela letra grega psi (Ψ).[Imagem: Martin Ringbauer/Benjamin Duffus]

Realidade objetiva

Em 2011, um trio de físicos publicou uma demonstração teórica que chocou não apenas seus colegas, mas também os filósofos da ciência.

Eles mostraram que a função de onda é uma entidade real, e não apenas uma ferramenta matemática.

A função de onda é uma descrição matemática de uma onda que descreve as partículas atômicas e subatômicas – lembre-se que as partículas nessa escala podem ser interpretadas como partículas ou como ondas.

Agora, uma equipe australiana fez um experimento que parece comprovar a realidade objetiva da função de onda, dando sustentação prática ao argumento teórico.

“Nossos resultados sugerem que, se existe uma realidade objetiva, a função de onda faz parte dessa realidade,” disse Martin Ringbauer, idealizador do experimento.

Isto tem inúmeras implicações não apenas para a física quântica, mas também para a própria interpretação da realidade.

Função de onda é uma realidade objetiva

E se vivermos em um Universo Holográfico e a realidade não for nada do que interpretamos que ela seja? [Imagem: Fermilab]

Interpretações da realidade

Há uma discussão entre os cientistas – uma discussão que já dura quase um século – sobre se existe uma descrição objetiva do mundo ou se a descrição que obtemos depende do observador.

Lembre-se, por exemplo, do gato de Schrodinger, que pode estar vivo e morto ao mesmo tempo, até que alguém abra a caixa, olhe para ele e decida seu destino. Isso corresponde a medir uma partícula quântica (o gato) para conhecer suas propriedades (vivo ou morto), o que causa o colapso da função de onda – ela é resolvida – dando então “realidade objetiva” à situação da partícula (ou do gato). Por outro lado, o gato pode já estar ou vivo ou morto e apenas ficamos sabendo sua situação quando abrimos a caixa.

Aqueles que sentem necessidade de uma descrição objetiva do mundo, independente do observador, ficam com a segunda opção, o que significa que a função de onda é meramente uma ferramenta matemática que expressa nossa ignorância da realidade, e só sabemos seu valor quando medimos o fenômeno – Einstein, por exemplo, que preferia essa chamada “interpretação sistêmica”, disse uma vez: “Você realmente acredita que a lua só existe quando olhamos para ela?”

Mas a lua talvez não seja um bom exemplo, porque, quando usaram fótons – estes sim, corpos sujeitos às leis da mecânica quântica – os pesquisadores australianos demonstraram que a função de onda é uma entidade real.

Usando fótons em quatro estados diferentes, e submetendo-os a medições muito precisas, eles descartaram a visão mais popular entre os físicos de que a descrição do gato como morto e vivo é apenas devido a uma falta de conhecimento sobre o seu estado real. Em vez disso, é um fato objetivo que será decidido pela medição, pela ação do observador.

Função de onda é uma realidade objetiva

O experimento pode não capturar influências escondidas além do espaço-tempo. [Imagem: Timothy Yeo/CQT/National University of Singapore]

Outras realidades

Ringbauer afirma que o resultado do experimento pode explicar por que não podemos descrever estados quânticos com certeza total, o que é uma característica central da mecânica quântica – descrita pelo Teorema da Incerteza de Heisenberg.

Segundo a equipe, conforme as técnicas de medições forem sendo aprimoradas ainda mais, os físicos vão ficar com duas interpretações possíveis da função de onda: ou a função de onda é completamente real, ou nada é real, não existindo nada como uma “realidade objetiva”.

De acordo com o grupo, optar pela interpretação sistêmica levaria a coisas que eles consideram “estranhas” como múltiplos mundos influenciando-se mutuamente ou o futuro influenciando o passado.

Mas talvez não seja o caso de se assustar com essas possibilidades, porque outros experimentos de fato já questionaram o tradicional esquema de causa e efeito e não faltam propostas para descrever multiversos interagindo uns com os outros.

De fato, talvez seja cedo demais para tomar qualquer uma das interpretações como definitiva.

Por exemplo, recentemente um experimento lançou dúvidas sobre a influência do observador e a Incerteza de Heisenberg. O experimento foi feito usando uma nova técnica chamada “medição fraca“, que não altera o estado da partícula que está sendo medida. Contudo, logo depois, a própria técnica de medição fraca foi posta em dúvida, com outros físicos alegando que tudo o que ela faz pode ser replicado pela mecânica clássica e, portanto, a medição fraca não mediria efeito quântico nenhum.

Além disso, podem existir fenômenos subjacentes à “realidade” medida pelo novo experimento que o próprio experimento não é capaz de detectar – por exemplo, influências escondidas além do espaço-tempo.

Bibliografia:
Measurements on the reality of the wavefunction
Martin Ringbauer, Benjamin Duffus, Cyril Branciard, Eric G. Cavalcanti, Andrew G. White, Alessandro Fedrizzi
Nature Physics
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphys3233
http://arxiv.org/abs/1412.6213

Nasce a evolução biológica

 

Por Salvador Nogueira

02/02/15 05:59

Mais um dos mistérios que cercam a origem da vida parece ter sido decifrado por um quarteto de cientistas na Alemanha. Eles basicamente descobriram como a evolução pode ter recebido o pontapé inicial da natureza, sem nenhuma ajuda externa.

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A vida pode ter começado aí, entre o oceano e a lava vulcânica. (Crédito: NOAA)

Talvez surpreenda, sobretudo para aqueles que se apegam a expressões “curinga” como “complexidade irredutível” para se esquivar do problema científico do surgimento da vida, o fato de a solução encontrada pelos pesquisadores — e testada em laboratório — ser de uma simplicidade franciscana.

Comece com microporos numa pedra aquecida, imersa em água. Nada diferente do que já se esperaria encontrar em rochas vulcânicas submersas nos oceanos da Terra, quatro bilhões de anos atrás. O único fator importante é que exista um gradiente de temperatura dentro do microporo — ou seja, que ele seja mais quente numa ponta e mais frio noutra. Algo que já aconteceria mesmo, naturalmente. Aí a “mágica” já está feita.

Os microporos assumem praticamente a função de protocélulas, promovendo a replicação de moléculas portadoras de informação genética, como RNA ou DNA. Com um detalhe adicional: o sistema favorece a replicação de moléculas cada vez mais longas, capazes de armazenar quantidade crescente de informações genéticas. Isso resolve um dos principais dilemas apresentados pelos estudos sobre a origem da vida: como isso pode ter acontecido se, ao serem deixadas ao sabor do mar aberto, as moléculas de DNA e RNA nunca cresceriam para ter sequências maiores, simplesmente porque é mais fácil replicar as moléculas curtas do que as compridas? O resultado mais esperado disso seria uma “seleção natural às avessas”, empurrando sempre na direção da redução da complexidade. A vida nunca apareceria desse jeito. Eis o problema.

Contudo, o esforço de Dieter Braun e seus colegas da Ludwig-Maximilians-Universität, em Munique, vira esse jogo espetacularmente. Como? A descrição completa saiu em artigo publicado na semana passada na revista “Nature Chemistry”. O trabalho mostra que o gradiente de temperatura, combinado a um processo chamado de convecção laminar, promove a entrada e saída de material dos poros e também encoraja o acúmulo e a multiplicação de DNA longo, desprezando as moléculas mais curtas. “Moléculas de 75 nucleotídeos sobrevivem, enquanto moléculas com a metade desse tamanho morrem, o que inverte o dilema da sobrevivência do mais curto”, escrevem os autores do trabalho.

Um sistema que empurra naturalmente as moléculas de DNA e RNA a ficarem maiores é a rota certeira para o surgimento da vida como a conhecemos. Afinal, quanto mais compridas as moléculas, mais sequências de letrinhas químicas (os chamados nucleotídeos) cabem nelas. Em suma, cabe mais informação genética, com preservação natural daquelas que, pelas mutações aleatórias que contêm, se replicam com mais facilidade e eficiência. Imagine esse processo avançando por muito, muito tempo, até que uma molécula tropece numa receita para produzir uma camada protetora ao seu redor. No interior dessa cápsula, a molécula genética complexa poderia finalmente deixar o microporo e ganhar o oceano, sem correr o risco de ser literalmente “diluída”. O resto, como dizem por aí, é história.

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A molécula de DNA não tem comprimento definido; quanto maior, mais informação cabe nele. (Crédito: NIH)

DESAFIOS PELA FRENTE
Por que esse trabalho não está sendo celebrado como a solução definitiva da origem da vida? Bem, porque ele de fato não é exatamente isso. Ele mostra o que pode ter sido a origem dos processos evolutivos, ainda puramente químicos, que antecederam as primeiras formas de vida. Mas faltam aí dois passos cruciais iniciais que antecedem essa etapa. Como se produzem as primeiras moléculas capazes de portar informação genética (RNA e DNA) e como elas primeiro “aprendem” a promover sua própria replicação? (No experimento, a replicação é promovida por uma proteína de origem biológica, que obviamente estava ausente na origem da vida.)

Essas são perguntas que ainda seguem sem solução. A síntese de RNA e DNA em um ambiente úmido permanece como um desafio porque a criação da molécula exige muitos passos químicos. Até aí, nada demais. O problema é que eles costumam ser perturbados pela água antes que cheguem ao seu desejado desfecho. A água desmancha os compostos antes que eles virem RNA ou DNA.

Alguns pesquisadores buscam chegar lá trabalhando em ambientes desérticos (talvez até em outros planetas). Outros procuram soluções ainda oceânicas, mostrando que reações hoje típicas de metabolismo biológico (que incluem as que são capazes de sintetizar coisas como RNA ou DNA) poderiam ser impulsionadas a partir de química mais simples. Se você seguir os links acima, verá que eles estão bem perto, mas ainda não chegaram exatamente lá.

Uma vez que se produzem as moléculas portadoras de informação, sobretudo no caso do RNA, a auto-replicação já é um problema mais bem encaminhado. Sabemos que o RNA é uma molécula versátil, que pode não só codificar informação como promover sua própria cópia, sem a necessidade de proteínas adicionais. Ele seria o ponto de partida para a evolução biológica, como a entendemos hoje.

No frigir dos ovos, o que os resultados já sugerem é que as barreiras remanescentes não são intransponíveis. Pouco a pouco, cada um dos passos envolvidos na origem da vida é recriado em laboratório, conforme as técnicas e a compreensão dos problemas evoluem. E tudo leva a crer que nenhuma condição extraordinária foi necessária para a aparição de formas de vida. Muito pelo contrário. O que os experimentos mostram é que tudo pode ter sido bem simples. Uma pequena variação de temperatura, a presença de ferro diluído no oceano e outras coisas assim, nada complicadas ou incomuns. O único requerimento realmente crítico para cobrir todas as etapas do processo sem ajuda artificial é o tempo — alguns milhões de anos, para ser preciso. Por isso não devemos esperar que os pesquisadores consigam, num único experimento, partir de química simples e terminar com um ser vivo. Mas eles já conseguem reencenar as diversas etapas cruciais separadamente. Falta muito pouco para entendermos a coisa toda. Estamos quase lá.

Há 56 milhões de anos, uma intensificação no nível de carbono causou elevação na temperatura do planeta

Ponto de ebulição

Fonte: NATIONAL GEOGRAPHIC BRASIL   |   Por: Robert Kunzig

       

Foto: Ira Block


                Faixas avermelhadas de ferrugem na região de Bighorn

Na árida região de Bighorn, faixas avermelhadas de ferrugem em solo oxidado assinalam o abrupto aquecimento ocorrido há 56 milhões de anos, que secou os pântanos que abrigavam répteis parecidos com o aligátor do Okefenokee da foto.

« Outubro de 2011 – Edição 139

A Terra já passou por isso antes. Não por este estado febril de âmbito planetário, pois o mundo era bem diferente da última vez, 56 milhões de anos atrás. O Atlântico ainda não estava todo formado, e os animais, incluindo os nossos ancestrais primatas, podiam ir por terra firme da Ásia, cruzando a Europa e a Groenlândia, até a América do Norte. Pelo caminho, não teriam encontrado nem uma única partícula de gelo. Além disso, mesmo antes dos eventos de que estamos falando, a Terra já era bem mais quente que agora. Quando a época paleocena foi dando lugar à eocena, contudo, as temperaturas subiram de modo brusco e acelerado.

A causa foi uma maciça e repentina, em termos geológicos, liberação de carbono. Não se sabe a quantidade de carbono introduzida na atmosfera durante o Evento Máximo Termal do Paleoceno-Eoceno (PETM, na sigla em inglês), como os cientistas denominam esse período febril. No entanto, estima-se que tenha sido a mesma quantidade que seria lançada se queimássemos hoje todas as reservas de carvão, petróleo e gás natural do planeta. O PETM durou mais de 150 mil anos até que o excesso de carbono fosse reabsorvido. Provocou secas, inundações, pragas de insetos e extinções de espécies. A fauna terrestre sobreviveu – na verdade, prosperou –, mas tornou-se diferente. As consequências evolucionárias desse auge do carbono podem ser vistas ainda ao nosso redor – elas também nos incluem. E estamos prestes a repetir esse experimento.

“O PETM é um modelo para o que temos diante de nós, do que estamos fazendo ao brincar com a atmosfera”, diz o paleontólogo Philip Gingerich, especialista em vertebrados da Universidade de Michigan. “É a ideia de desencadear um processo que foge ao controle e depois requer 100 mil anos para recuperar o equilíbrio.”

Gingerich e outros cientistas constataram a mudança evolucionária no fim do Paleoceno bem antes de sua causa ser atribuída ao carbono. Há quatro décadas Gingerich busca fósseis desse período na bacia Bighorn, um árido planalto que se estende por 160 quilômetros a leste do Parque Nacional de Yellowstone, no norte do estado americano do Wyoming. A maioria das escavações foi feita nas encostas de uma meseta comprida e estreita, denominada Polecat. O cientista é dono de um sítio do qual dá para avistar a elevação.

Em uma tarde de verão, Gingerich e eu vamos em sua caminhonete Suburban azul-celeste, modelo 1978, por uma estradinha de terra até o topo da meseta, e depois seguimos rumo a sua extremidade sul, de onde se descortina uma bela vista das plantações irrigadas e dos poços de petróleo dispersos ao redor. Durante as eras glaciais mais recentes, explica ele, a Polecat era o leito do rio Shoshone, que a recobriu de calhaus arredondados. Em algum momento, o rio desviou-se para leste e começou a abrir caminho para baixo através dos sedimentos mais macios e antigos que haviam preenchido a bacia Bighorn. Ao longo dos milênios, as vertentes da meseta foram esculpidas por ventanias no inverno e chuvas no verão, adquirindo uma aparência agreste e deixando expostas diversas camadas de sedimentos. E os sedimentos da época do PETM podem ser vistos bem na extremidade sul da formação.

É ali que Gingerich recolheu indícios documentais de um grande surto entre os mamíferos. À meia altura da encosta, uma faixa de sedimentos avermelhados, com 30 metros de espessura, acompanha as dobras e reentrâncias e destaca-se com nitidez. Nessa faixa, Gingerich encontrou fósseis dos mais antigos mamíferos perissodátilos (com dedos ímpares nos cascos), artiodátilos (com dedos pares) e legítimos primatas: em outras palavras, os primeiros exemplares das ordens que hoje incluem, respectivamente, cavalos, bois e seres humanos. Desde então, fósseis semelhantes foram achados na Ásia e na Europa. Eles são encontrados por toda parte, como se tivessem surgido do nada. Nove milhões de anos depois de um asteroide se chocar contra a península de Yucatán, desencadeando o cataclismo que aniquilou os dinossauros, a Terra parece ter sido sacudida por outra mudança global.

No decorrer das primeiras duas décadas em que Gingerich se dedicou a registrar a transição do Paleoceno ao Eoceno, a maioria dos cientistas considerava o período uma transição em que um conjunto de fósseis deu lugar a outro. Essa concepção começou a mudar em 1991, quando dois oceanógrafos, James Kennett e Lowell Stott, analisaram isótopos de carbono – átomos de carbono diferenciados – em um núcleo de sedimento extraído do fundo do Atlântico nas proximidades da Antártica. Bem na divisa entre o Paleoceno e o Eoceno, uma dramática mudança na proporção dos isótopos presentes em fósseis de organismos unicelulares conhecidos como foraminíferos indicava que uma enorme quantidade de carbono “novo” havia inundado os oceanos durante um breve período de poucos séculos. Esse carbono teria se difundido pela atmosfera, o que, sob a forma de gás carbônico, impediria a dispersão do calor solar e aqueceria o planeta. Os isótopos de carbono nos foraminíferos sugerem que o oceano todo ficou mais quente, da superfície até o leito marinho.

No princípio dos anos 1990, os mesmos sinais de convulsão planetária começaram a ser localizados na meseta Polecat. Dois jovens cientistas, Paul Koch e James Zachos, coletaram amostras de alguns centímetros de solo rico em carbonatos em cada uma das camadas sedimentares. Também recolheram dentes de um mamífero primitivo, o Phenacodus. Quando analisaram as proporções de isótopos nas amostras de solo e no esmalte dos dentes, constataram o mesmo surto de carbono indicado nos foraminíferos. Com isso, começou a ficar evidente que o PETM fora um episódio de aquecimento global que havia afetado não só obscuros organismos marinhos como animais terrestres de maior porte. Os cientistas concluíram então que poderiam usar a elevação no teor de carbono – a marca indubitável do acúmulo de gases de efeito estufa – para identificar o PETM em rochas do mundo todo.

Mas de onde saiu aquele carbono? Sabemos a fonte do excesso que está sendo lançado agora mesmo na atmosfera: nós mesmos. Porém, não havia nenhum ser humano há 56 milhões de anos – muito menos carros e usinas termelétricas. O mais provável é que tenha havido mais de uma origem. No fim do Paleoceno, a Europa e a Groenlândia estavam se separando e abrindo espaço para o Atlântico Norte, o que resultou em maciças erupções vulcânicas que poderiam ter gerado CO2 dos sedimentos orgânicos no fundo do mar – embora sem a rapidez necessária para explicar os picos de isótopos. Incêndios podem ter consumido os depósitos de turfa durante o Paleoceno, mas a fuligem resultante dessa combustão ainda não apareceu nos sedimentos. Um cometa chocando-se contra rochas carbonatadas também poderia ter liberado muito carbono.

Segundo a hipótese mais antiga, e até hoje a mais aceita, muito desse carbono veio de imensos depósitos de hidrato de metano, um composto peculiar e parecido com gelo, que consiste em moléculas de água que formam uma gaiola em torno de uma única molécula de metano. Os hidratos são estáveis apenas em uma estreita faixa de temperatura baixa e pressão alta – hoje existem grandes depósitos sob a tundra ártica e o leito oceânico, nas vertentes entre as plataformas continentais e as profundas planícies abissais. Durante o PETM, um aquecimento inicial ocorrido em alguma parte – talvez por atividade vulcânica, talvez por pequenas oscilações na órbita terrestre que expuseram mais certas regiões aos raios solares – poderia ter derretido os hidratos e permitido que as moléculas de metano escapassem de suas gaiolas e chegassem à atmosfera.

Tal hipótese é alarmante. O metano disperso na atmosfera provoca o aquecimento do planeta em uma proporção 20 vezes maior, por molécula, que o dióxido de carbono. Depois de uma ou duas décadas, ele passa por um processo de oxidação e vira CO2, que continua aquecendo ainda por muito tempo. É esse tipo de cenário que poderia ocorrer agora: o aquecimento causado pela queima de combustíveis fósseis tende a desencadear uma liberação descontrolada do metano armazenado no mar e no gelo setentrional.

Com base em seus dados, Koch e Zachos concluíram que o PETM fez com que a temperatura média anual na bacia Bighorn aumentasse por volta de 5ºC. Isso é mais que todo o aquecimento ali registrado desde a última Era Glacial. Mas é menos que as previsões para os séculos vindouros caso prossiga inalterada a queima de combustíveis fósseis pelos seres humanos. Tais simulações também anunciam alterações significativas no regime das chuvas ao redor do mundo, já neste século, e, sobretudo, em regiões subtropicais. No entanto, como verificar a exatidão desses modelos? “Não podemos esperar 100 ou 200 anos para ver o que aconteceu”, diz o geólogo sueco Birger Schmitz. “Por isso temos de entender o PETM. Ali é possível ver o resultado.”

E o que aconteceu na bacia Bighorn foi um rearranjo completo das formas de vida. O paleobotânico Scott Wing, do Museu Nacional de História Natural do Instituto Smithsonian, vem coletando folhas fossilizadas em Bighorn há 36 verões. “Procurei durante dez anos por um depósito de fósseis como este”, conta Wing. Estamos sentados em uma encosta entre Ten Sleep e Worland, a oeste dos montes Bighorn, martelando rochas em uma trincheira aberta pelos assistentes de Wing. Em escarpas mais distantes consigo ver as faixas avermelhadas, entremeadas de cinza e amarelo, que identificam a camada como sendo da época do PETM. Nos silêncios da conversa, o único som é a música dos martelos – golpes abafados e ressonantes como de um diapasão. Basta bater as pedras com persistência e elas se abrem ao longo de um plano que separa duas camadas de argila, e às vezes ali se vê uma folha tão bem preservada que, com a ajuda da lupa de Wing, é possível distinguir até mesmo as trilhas abertas por insetos esfomeados há 56 milhões de anos.

Os fósseis que Wing havia coletado mostravam que, antes e depois do aquecimento, a bacia Bighorn estava coberta por uma densa floresta de bétulas, plátanos, metassequoias, palmeiras e árvores similares a magnólias. O solo devia ser macio, e algumas áreas, pantanosas. No Paleoceno e no Eoceno, a bacia Bighorn era parecida com o atual norte da Flórida.

No entanto, Wing descobriu que, no ápice do PETM, essa paisagem se transformou. Ela se tornou mais rala e árida, como as florestas da América Central. À medida que o planeta ficava mais quente, espécies vegetais migraram para a bacia, vindas do sul e da costa do golfo a mais de 1,5 mil quilômetros. Muitas eram leguminosas. E outras haviam sido infestadas por insetos.

Das centenas de folhas fossilizadas examinadas por Wing e por sua colega Ellen Currano, quase 60% das folhas apresentam orifícios ou canais sinuosos abertos pela mastigação de insetos. O calor pode ter acelerado o metabolismo deles, fazendo com que comessem e se reproduzissem mais. Ou talvez o dióxido de carbono adicional tenha transformado as plantas (quando se introduz CO2 em estufas, os vegetais crescem mais, mas seu conteúdo proteico é menor, tornando as folhas menos nutritivas). O mesmo pode ter ocorrido na estufa global do PETM – os insetos tiveram de comer muitas folhas para sobreviver.

Além disso, as folhas mastigadas por insetos do PETM eram menores que suas ancestrais do Paleoceno, e o motivo é que, segundo Wing, as precipitações haviam diminuído em 40%. (Quando há escassez de água, as plantas compensam essa falta com o encolhimento das folhas.) A queda nas precipitações também fez com que o solo secasse, e o ferro nele presente se oxidasse e adquirisse um tom de ferrugem. Tais solos ressecados de acordo com a estação viraram as faixas largas que hoje formam as listras nas encostas. Então, no auge do PETM, os leitos avermelhados desapareceram – não porque o clima em geral ficasse mais úmido, mas devido à concentração maior das chuvas. Os rios da bacia transbordavam sempre e inundavam as áreas próximas, carregando o solo antes que pudesse se consolidar.

Enquanto as árvores de leguminosas floresciam na bacia Bighorn, em todos os oceanos proliferava o Apectodinium. Essa espécie é uma forma extinta dos dinoflagelados – um grupo de plânctons unicelulares, alguns dos quais hoje dão origem a proliferações tóxicas conhecidas como marés vermelhas. No inverno, os Apectodinium se recolhiam em cistos rígidos que afundavam até o leito do mar. Na primavera seguinte, uma aba em cada cisto se abria como alçapão. Os organismos unicelulares então se arrastavam para fora e subiam à superfície, deixando para trás os cistos vazios que, 56 milhões de anos depois, seriam identificados por Henk Brinkhuis, da Universidade de Utrecht, e seu colega Appy Sluijs em amostras de sedimentos – as abas abertas sendo as únicas pistas para a história de uma forma de vida quase alienígena.

No período anterior ao PETM, Brinkhuis e Sluijs só encontraram o Apectodinium em regiões subtropicais. Mas, nos sedimentos da época do PETM, esses organismos estão em todo o mundo – uma confirmação de que todos os oceanos estavam mais quentes. No Paleoceno, a temperatura da água durante o verão no oceano Ártico já estava em torno dos 18ºC; durante o PETM, ela subiu para cerca de 23ºC. Nadar ali seria como nadar no Caribe. Hoje, a água nas profundezas mantém-se pouco acima do ponto de congelamento; no PETM, ela estava entre 13ºC e 19ºC.

À medida que os oceanos absorviam o dióxido de carbono que aquecia o planeta, a água deles foi se tornando mais ácida. Isso se comprova em sedimentos coletados nas profundezas oceânicas, nos quais o PETM é tão evidente quanto as listras nas encostas da bacia Bighorn. No decorrer do PETM, o oceano acidificado acabou dissolvendo o carbonato de cálcio. A acidificação dos oceanos leva à extinção de miríades de formas de vida, dissolvendo conchas, mariscos e foraminídeos – o cenário que tantos cientistas anunciam para o século 21. No entanto, o PETM é ainda mais desconcertante. Embora os recifes de coral no oceano Tétis, um ancestral do mar Mediterrâneo que atravessava o Oriente Médio, pareçam ter seu impacto, a única extinção em massa comprovada do PETM é inesperada: ela eliminou metade das espécies de foraminídeos que vivia no fundo lodoso dos mares. Eram cosmopolitas, adaptadas a ampla variedade de condições, capazes, portanto, de superar qualquer obstáculo.

Em função do nível de acidificação nos oceanos, James Zachos e seus colegas estimam que logo de início cerca de 3 trilhões de toneladas de carbono foram lançadas de uma só vez na atmosfera e, em seguida, mais 1,5 trilhão de toneladas foram sendo liberadas pouco a pouco. O total de 4,5 trilhões de toneladas é mais ou menos todo o carbono que hoje se avalia haver nas reservas de combustíveis fósseis; e os 3 trilhões iniciais equivalem a três séculos de emissões humanas, mantidos os níveis atuais. Embora os dados não sejam conclusivos, a maioria dos pesquisadores supõe que a liberação do PETM tenha sido mais demorada, estendendo-se por milhares de anos.

Seja qual for a rapidez com que se difundiu o carbono, seria necessário um tempo bem maior para que fosse removido pelos processos geológicos. Enquanto os carbonatos no fundo do mar se dissolviam, contrabalançando a acidificação, o oceano continuou a absorver mais CO2, e, depois de alguns séculos ou milênios após o evento inicial, por fim o auge do gás carbônico atmosférico ficou para trás. Entretanto, o CO2 estava se dissolvendo nas gotas de chuva, as quais lixiviavam o cálcio das rochas e o levavam ao mar, no qual se combinava com os íons de carbonato, resultando em mais carbonato de cálcio. Esse processo erosivo acontece o tempo todo, mas foi acelerado durante o PETM, pois o clima estava mais quente, e as chuvas, mais ácidas. Pouco a pouco as águas removeram da atmosfera o CO2 adicional, que acabou em formações calcárias no fundo do mar. E o clima aos poucos voltou a seu estado anterior. “É o que vem ocorrendo hoje com os combustíveis fósseis”, diz Zachos. “Aquilo que levou milhões de anos para se acumular nós estamos, em termos geológicos, liberando de uma só vez. No fim, o sistema acaba por reabsorver o excesso nas rochas, mas vai levar centenas de milhares de anos.”

Matt Huber, um especialista em simulações climáticas, arriscou-se a prever o que aconteceria se os seres humanos decidissem consumir todas as reservas de combustíveis fósseis. Os resultados que obtém são infernais. No que considera como o seu “palpite mais favorável de um cenário ruim” (para ele, o pior cenário de todos é o de “conflagração global”), o clima de regiões agora habitadas por metade da população humana se tornaria quase insuportável. Em grande parte da China, da Índia, do sul da Europa e dos Estados Unidos, as temperaturas chegariam no verão a médias de 37ºC, de dia e de noite, ano após ano.

Os climatologistas não costumam mencionar essas previsões sinistras de longo prazo, argumenta Huber, em parte porque estão sempre sendo acusados pelos céticos de alarmismo e de extrapolar dados científicos incertos. “O que acabamos fazendo é nos censurar”, comenta. “Toda vez em que topamos com algo muito preocupante, tendemos a dar um desconto. Mas, nesse caso, mesmo a posição equilibrada é, na verdade, bem pior do que as pessoas imaginam.”

Por fim, decreta: “Se continuarmos no caminho atual, não resta dúvida. Vamos acabar voltando ao Eoceno. E já sabemos como vai ser.”

No PETM, o calor fez com que espécies tropicais migrassem para os polos. Animais e vegetais podiam transpor pontes de terra entre todos os continentes e se miscigenar. Animais ungulados corredores, os ancestrais dos cavalos e dos cervos, chegaram à bacia Bighorn. Um pouco mais tarde, talvez devido ao fato de o clima ter ficado mais úmido, e a cobertura florestal avançado sobre os campos propícios a esses animais, surgiram os primatas verdadeiros.

Os seres humanos, e todos os outros primatas, descendem de um primata do PETM – assim como os perissodátilos, entre eles cavalos e rinocerontes, descendem de outro ancestral do PETM, e os ruminantes artiodátilos, como cervos, bois, camelos e ovelhas, de um terceiro ancestral da mesma época. As espécies que apareceram de repente na bacia Bighorn podem ter migrado da Ásia, onde foram achados espécimes fósseis mais antigos que os de Bighorn. Essas espécies asiáticas, por sua vez, descendem de ancestrais que remontam ainda antes, no Paleoceno. Mas até agora não se achou nenhum fóssil do Paleoceno que pudesse ser reconhecido como sendo algum primata ou equídeo.

Durante o próprio PETM, ocorreu algo estranho com os mamíferos: eles encolheram. Na bacia Bighorn, os cavalos eram tão pequenos quanto gatos siameses, mas, à medida que o carbono foi sendo eliminado da atmosfera, eles voltaram a crescer. Não se sabe ainda se isso aconteceu devido ao calor ou ao próprio CO2. Mas o que isso mostra, diz Philip Gingerich, é que os animais podem evoluir rapidamente em função de mudanças ambientais. Quando ele foi pela primeira vez a Bighorn, quatro décadas atrás, era para saber como haviam surgido os cavalos e os primatas. Hoje o cientista está convencido de que esse dois grupos, assim como os artiodátilos, surgiram no PETM – ou seja, que essas três ordens de mamíferos modernos adquiriram as características próprias naquela época, em um surto evolutivo desencadeado pelo repentino aumento de CO2 na atmosfera.

Depois de 56 milhões de anos, os primatas, que tinham o tamanho de camundongos ou coelhos, agora dominam a cadeia alimentar. Eles domesticaram os outros descendentes do PETM – cavalos, bois, porcos, ovelhas – e se dispersaram por todo o planeta. Avançaram além do cultivo da terra e estabeleceram um modo de vida que, embora variado, depende demais de combustíveis fósseis. Enquanto Gingerich e eu sacolejamos em sua caminhonete no topo da meseta Polecat, avistamos as bombas de extração de petróleo subindo e descendo sem parar, trazendo o petróleo do Cretáceo para a superfície, como ocorre em toda a bacia Bighorn.

Desde o século 18, a queima de combustíveis fósseis já lançou na atmosfera mais de 300 bilhões de toneladas de carbono – provavelmente menos de um décimo das reservas existentes ou do que foi liberado por ocasião do PETM. Esse evento não nos diz o que vai acontecer com a vida no planeta se decidirmos esgotar essas reservas. (Em 2010, as emissões globais de carbono atingiram novo recorde.) Talvez ocorra um surto de inovação evolutiva como aquele que deu origem aos primatas dos quais descendemos. Ou talvez desta vez, com todas as outras pressões sobre as espécies, aconteçam extinções maciças. O que o PETM faz é apenas fornecer contexto mais amplo para as nossas escolhas. Daqui a dezenas de milhões de anos, seja qual for o destino da humanidade, todo o padrão de vida na Terra pode ser radicalmente diverso daquilo que poderia ter sido – apenas em função do tipo de energia que adotamos durante alguns séculos.

Carta Aberta sobre a crise hídrica.

Cientistas lançam carta aberta sobre crise hídrica no Sudeste

Suzana Camargo – 16/12/2014 às 17:52

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Grandes nomes das mais diversas áreas da ciência brasileira divulgaram hoje (16/10) o documento “Carta de São Paulo”, que faz uma séria e minuciosa análise da grave crise hídrica que atinge o Sudeste do Brasil. Os cientistas que assinam a carta sugerem ainda um plano estratégico para que a região possa gerir de forma mais eficiente e sustentável seus recursos hídricos.

O documento, que foi publicado com o aval da Academia Brasileira de Ciências (ABC), teve como signatários Carlos Nobre, climatologista do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, José Marengo, pesquisador do INPE, Eduardo Assad, engenheiro agrícola, entre outros. A coordenação geral da iniciativa foi do biólogo e oceanógrafo José Tundisi e contou com a contribuição de promotores do Ministério Público do Estado de São Paulo e outros acadêmicos.

No texto divulgado, os cientistas afirmam que há uma ameaça real à segurança hídrica no Sudeste – especialmente para a região metropolitana de São Paulo. O problema não é pontual e está sendo agravado pelas mudanças climáticas que atingem o planeta como um todo. De acordo com a “Carta de São Paulo”, a escassez de água no estado paulista já compromete a economia, saúde pública e produção de alimentos e energia.

Outra constatação apontada pelo grupo é que a poluição do ar, água e solo agravam ainda mais a atual crise. Segundo dados obtidos com o Ministério da Saúde e IBGE, houve maior investimento nos últimos anos na implantação de redes elétricas e de telefonia do que na ampliação da redes coletoras de esgotos (diferenças de mais de 30%).

A “Carta de São Paulo” sugere uma série de recomendações e ações a serem tomadas pelas autoridades municipais, estaduais e federais:

– Modificações imediatas no sistema de governança de recursos hídricos;
– Implementação de planos de contingência;
– Drástica redução do consumo de água e outras medidas emergenciais para 2015;
– Investimento imediato em medidas de longo prazo;
– Projetos de saneamento básico e tratamento de esgotos em nível nacional, estadual e municipal;
– Monitoramento de quantidade e qualidade da água;
– Proteção, conservação e recuperação da biodiversidade;
– Reconhecimento público e conscientização social da amplitude da crise;
– Ações de divulgação e informação de amplo espectro e
– Capacitação de gestores com visão sistêmica e interdisciplinar

Você pode ler a “Carta de São Paulo” na íntegra neste link.

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Foto: Fernanda Carvalho/Fotos Públicas

Água no cometa !!!! Faz mal ?

O mistério da água

A descoberta de que a água do cometa 67P, orbitado pela sonda Rosetta, é bem diferente da existente na Terra enfraqueceu a teoria de que o líquido do nosso planeta tem origem extraterrestre. Ao site de VEJA, astrofísicos e químicos explicam o que aconteceria se alguém bebesse a água do cometa, quais são os tipos de água existentes na natureza e qual pode ser, afinal, a origem desse elemento essencial à vida

Juliana Santos e Rita Loiola

  • Imagem do cometa 67P feita por Philae durante a descida, a 3 quilômetros da superfície

    ESA/Rosetta/Philae/ROLIS/DLR

  • A câmera OSIRIS, da Rosetta, captura o trageto do módulo Philae após a separação

    ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

  • Primeira imagem enviada por Philae à Terra, mostra parte da sonda Rosetta, apenas 50 segundos após a separação

    ESA/Rosetta/Philae/CIVA

  • Imagem divulgada pela ESA no twitter da missão Rosetta

    ESA/Rosetta/Divulgação

  • Detalhe da superfície do cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. A imagem, do dia 6 de agosto, foi feita pela sonda Rosetta a 130 quilômetros de distância

    ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

  • Cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko a 285 quilômetros de distância, no dia 3 de agosto

    ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

  • Cometa 67/P Churyumov-Gerasimenko

    ESA/Rosetta/NAVCAM

  • Cometa 67/P Churyumov-Gerasimenko

    ESA/Rosetta/NAVCAM

  • Cometa 67/P Churyumov-Gerasimenko

    ESA/Rosetta/NAVCAM

  • O cometa no dia 2 de agosto, a 550 quilômetros

    ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA

  • Sonda Rosetta

    ESA/Atg Medialab

  • Sonda Rosetta

    ESA/Atg Medialab

  • Cometa 67P Churyumov-Gerasimenko e a sonda Rosetta

    ESA

  • Perspectiva artística da sonda Rosetta

    ESA/AFP

  • Sonda Rosetta

    Divulgação

  • Perspectiva artística com Marte ao fundo

    ESA/AFP

  • Sonda Rosetta com o planeta Terra ao fundo

    ESA/AFP

  • Perspectiva artística da sonda Rosetta

    ESA/AFP

Imagem do cometa 67P feita por Philae durante a descida, a 3 quilômetros da superfície

Imagem do cometa 67P feita por Philae durante a descida, a 3 quilômetros da superfície – ESA/Rosetta/Philae/ROLIS/DLR/Divulgação

No século VI a.C., o filósofo grego Tales de Mileto afirmava que a água “está na origem de todas as coisas”. Mas foi somente no século XVIII que Lavoisier desvendou a composição desse elemento: duas partes de hidrogênio para uma de oxigênio. A química como conhecemos hoje, com a tabela periódica e a descoberta do átomo, só se desenvolveu depois da segunda metade do século XIX. Desde então, cientistas decodificaram as propriedades da água e seu papel essencial para a existência de vida. A origem desse líquido, no entanto, ainda é uma incógnita para a ciência.
Pelas crateras na Lua, os cientistas sabem que nosso planeta foi intensamente bombardeado por corpos menores há 3,8 bilhões de anos, 800 milhões de anos após sua formação. Como a Terra era provavelmente muito quente no início, uma das teorias é de a água tenha sido trazida pela colisão de pequenos corpos celestes. A dúvida é quais foram esses corpos: cometas ou asteroides?

Os cometas, formados por 80% de água, eram a aposta preferida dos astrônomos. Já os asteroides pareciam candidatos menos prováveis, uma vez que são essencialmente rochosos, embora possuam água congelada, hidrogênio e oxigênio.
Uma das principais razões pelas quais a sonda Rosetta foi enviada em uma cinematográfica missão ao cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko era verificar se a água desse corpo celeste era a mesma da Terra. Um resultado positivo reforçaria a teoria de que a água foi trazida até aqui pelos cometas. A teoria, no entanto, perdeu força na última quarta-feira, quando um estudo publicado na revista Science mostrou que a água do 67P é diferente da existente no planeta azul.

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Composição da água — Toda molécula de água é composta por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, a H2O como conhecemos, mas a composição química desses átomos pode variar. O hidrogênio comum, mais abundante na Terra, é formado por apenas um próton, com duas variações, chamadas de isótopos (átomos de um mesmo elemento químico que diferem em massa). Uma delas, o deutério, possui um próton e um nêutron, e a outra, mais rara, possui um próton e dois nêutrons e é conhecida como trítio.
O mesmo acontece com o oxigênio. O mais comum, chamado oxigênio 16, tem oito prótons e oito nêutrons, mas existem também o oxigênio 17 (com nove nêutrons) e o oxigênio 18 (com dez nêutrons). Todos eles podem se combinar em 18 composições químicas diferentes para a água, que existem misturadas na Terra. “Quando tomamos um copo de água, estamos tomando cada uma dessas misturas de isótopos”, diz Fabio Rodrigues, professor do Instituto de Química e coordenador de química do Laboratório de Astrobiologia da Universidade de São Paulo (USP).
Para determinar se a água de um corpo celeste é ou não parecida com a do nosso planeta, os cientistas usam como base o deutério. Ele é um bom marcador porque sua quantidade permanece estável mesmo ao longo de bilhões de anos. Assim como se fazem testes de carbono 14 para determinar a idade de um fóssil, analisa-se o deutério para saber de onde a água da Terra pode ter vindo.
Deutério — Medições do instrumento Rosina, da sonda Rosetta, composto por dois espectrômetros de massa e um sensor de pressão, mostraram que a H2O do cometa possui três vezes a quantidade de deutério da água da Terra.

Os cientistas estimam que a água do nosso planeta contenha 0,017% de deutério. No 67P, esse valor é de 0,053%. A diferença é grande o suficiente para que os pesquisadores tenham certeza de que os líquidos não têm a mesma origem, mas pequena para que pudesse fazer mal a um humano essa água fosse consumida. “Se, por exemplo, esse cometa caísse no reservatório Cantareira, em São Paulo, sua água poderia ser consumida, pois a quantidade de deutério é ínfima para alterar as propriedades da nossa água”, afirma Eduardo Janot Pacheco, coordenador geral do Laboratório de Astrobiologia da Universidade de São Paulo.
O problema é que outras substâncias foram encontradas no 67P. “A água poderia ser consumida do ponto de vista do deutério. Você nem sentiria gosto algum, porque deutério e hidrogênio são quimicamente idênticos, com apenas um nêutron a mais no primeiro. No entanto, o cometa contém cianeto, amônia e outros elementos não saudáveis. Então, pode não ser uma boa ideia beber essa água ou refrescar o seu drink com suas pedrinhas de gelo”, diz Kathrin Altwegg, pesquisadora da Universidade de Berna, na Suíça, e principal autora do estudo publicado na Science.

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Em laboratório, é possível fazer água em que todos os hidrogênios sejam do tipo deutério. Trata-se da chamada água pesada, usada em reatores nucleares. Ainda assim, para nos fazer mal, ela teria que ser ingerida em grande quantidade. “Para a água composta apenas com deutério prejudicar o organismo, uma pessoa de 70 quilos precisaria ingerir de 13 e 26 litros desse líquido, de modo que intoxicasse de 25% a 50% da água do organismo”, explica Fabio Rodrigues.
Outros cometas — O 67P não foi o primeiro cometa a ter sua água analisada. Outras duas “famílias” de cometas, as da Nuvem de Oort, mais distantes do Sol, e da família de Júpiter, mais próximas do astro, também foram estudadas pelos cientistas. Os corpos celestes da Nuvem de Oort mostraram uma quantidade de deutério muito alta. Na família de Júpiter, o Hartley 2 possui água semelhante à da Terra na quantidade de deutério. Curiosamente, a água do 67P, que também faz parte dessa família, revelou-se mais parecida com os cometas da Nuvem de Oort.
“Seriam necessários diversos milhões de cometas para trazer água para a Terra, e é pouco provável que a média de deutério dos cometas da família de Júpiter seja parecida com a do nosso planeta, a não ser que o 67P seja uma exceção e todos os outros tenham água parecida com a nossa”, afima Kathrin Altwegg.
Agora, a missão dos cientistas é investigar se a água veio de um asteroide. Há uma semana, a agência espacial japonesa, Jaxa, lançou a sonda Hayabusa 2, que percorrerá 300 milhões de quilômetros para chegar, em 2018, ao asteroide 1999 JU3, com objetivo de recolher amostras dele. Paralelamente, a Nasa planeja para o ano que vem o lançamento da OSIRIS-REX, com destino ao asteroide Bennu, para coletar amostras em 2019.

Se a teoria do asteroide não se confirmar, ganharia corpo uma terceira hipótese: de que a água teria se originado na formação da Terra. Nosso sistema planetário se formou a partir de uma imensa nuvem de gás e poeira cósmica, que produziu estrelas, planetas, asteroides, cometas e outros corpos celestes. “Pode ser que nesse gás primordial a água já estivesse presente e, por isso, ela aparece também em vários outros planetas do Sistema Solar. O mais provável é que uma mistura dessas três teorias indique a fonte da água terrestre. O planeta foi formado com água e também bombardeado por cometas e asteroides”, afirma Eduardo Janot Pacheco. “Hoje se sabe que todas as reações que criaram a vida ocorreram na água. Mas até hoje sua origem é um mistério para a ciência.”

O campo magnético da Terra pode se inverter dentro de 100 anos

 

Por: Kelsey Campbell-Dollaghan
17 de outubro de 2014 às 15:50

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O campo magnético da Terra muda constantemente, e a cada 200.000 ou 300.000 anos, o norte e o sul invertem completamente. Atualmente estamos atrasados para uma dessas alterações – e cientistas agora dizem que ela pode acontecer em questão de 100 anos, mudando completamente a vida no nosso planeta de maneiras inesperadas.

Por muito tempo imaginou-se que essas inversões demoravam até 7.000 anos para se completarem, como diz um estudo de 2004 financiado pela National Science Foundation. Mas ao longo dos últimos anos outros cientistas sugeriram que as mudanças ocorrem a velocidades anteriormente não imaginadas. E um novo estudo publicado no Geophysical Journal International por uma equipe de cientistas da Europa e dos EUA dá mais detalhes sobre essas mudanças rápidas – sugerindo que a última alteração em 180 graus demorou apenas 100 anos.

Como eles percebem as mudanças no campo magnético que datam de centenas de milhares de anos atrás? Ao testar camadas de cinzas depositadas por erupções vulcânicas ao longo de 10.000 anos, encontradas em um leito de lago próximo a Roma. De acordo com um release da Universidade de Berkeley, as direções do campo magnético estão “congeladas” nessas camadas de cinzas, o que pode ser datado de forma confiável para saber quando as conversões ocorreram e quanto tempo levou para elas completarem. “Não sabemos se a próxima inversão vai ocorrer de repente, como foi esta, mas também não sabemos se ela não vai” disse Paul Renne, um dos autores do estudo.

Esse mapa mostra como, começando a cerca de 789.000 anos atrás, o polo norte que vagava ao redor da Antártida havia milhares de anos mudou para a orientação que conhecemos hoje, com o polo em algum lugar do Ártico. Via Berkeley.

Esse mapa mostra como, começando a cerca de 789.000 anos atrás, o polo norte que vagava ao redor da Antártida havia milhares de anos mudou para a orientação que conhecemos hoje, com o polo em algum lugar do Ártico. Via Berkeley.

Sabemos há bastante tempo que o campo magnético da Terra está mudando. Sabemos, por exemplo, que o Polo Norte se moveu quase 900 quilômetros nos últimos 200 anos. Também sabemos que, como observado por três satélites da Agência Espacial Europeia, o campo magnético da Terra está ficando mais fraco em alguns pontos e mais forte em outros. Também sabemos que as correntes de mudanças já forçaram algumas alterações no mundo humano: aeroportos que nomeiam suas pistas de acordo com direções de bússolas foram obrigados a alterar o nome por causa disso.

Então não é surpreendente que a alteração completa seja iminente. O estudo sugere como isso pode afetar a forma como vivemos na Terra. Um campo enfraquecido pode, por exemplo, significar menos proteção para humanos contra raios perigosos que causam câncer, o que significa que a taxa de câncer pode crescer. E o impacto infraestrutural de um campo alterado pode também causar problemas no grid de eletricidade e em outros sistemas sensíveis.

Para nós, humanos de vida curta, essas mudanças são normalmente impensáveis geologicamente. É fascinante aprender que, apesar de provavelmente não testemunharmos uma alteração dessa magnitude, outros da nossa espécie poderão passar por ela. [Berkeley]

Imagem: daulon.

Núcleo atômico em forma de pêra …

Investigadores descobrem núcleo de átomo em forma de pêra

2013-05-09

 

Representação gráfica do núcleo em forma de pêra (Imagem: Liam Gaffney e Peter Butler/University of Liverpool)

Representação gráfica do núcleo em forma de pêra (Imagem: Liam Gaffney e Peter Butler/University of Liverpool)

Um grupo de investigadores da Universidade de Liverpool (Reino Unido), descobriu um núcleo de átomo com o formato de uma pêra – forma já prevista na teoria, mas nunca avistada – no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN).
Com o acelerador de partículas Isolde para medir os padrões da radiação eletromagnética conseguiram identificar o formato. O estudo vem publicado na revista «Nature».

Até à data, apenas eram conhecidos os núcleos esféricos ou ovalados. Segundo a equipa liderada por Liam Gaffney e Peter Butler, o formato é determinado pela interação entre as partículas que o compõem, os prótons e os nêutrons. Quando a relação entre essas partículas é bem equilibrada, o núcleo assume formas mais típicas e já conhecidas.
A teoria diz que quando os átomos ficam pesados e instáveis, tal como é o caso de alguns elementos radioativos, este resultado pode ocorrer naturalmente. O átomo e os elementos isótopos de radónio-220 e de rádio-224 foram os objetos do estudo.
Os cientistas afirmam que a descoberta é importante para a física teórica porque melhora a compreensão da ciência sobre a estrutura dos átomos.

Partícula nova é tanto matéria quanto antimatéria

 

Pesquisadores veem assinatura de “partículas de Majorana” em ferro supercondutor

Yazdani Lab, Princeton University

Físicos usaram um microscópio de tunelamento por varredura para produzir imagens de uma fina cadeia de átomos de ferro disposta sobre a superfície de um supercondutor de chumbo (barra amarela). As cores da imagem representam a probabilidade quântica de qualquer local conter uma partícula de Majorana, que é tanto matéria quanto antimatéria. A porção ampliada mostra que a probabilidade de encontrar uma partícula de Majorana aumenta muito nas extremidades do fio, como previsto em teoria.

Por Clara Moskowitz
Desde a década de 30, cientistas procuram partículas que sejam ao mesmo tempo matéria e antimatéria. Agora físicos encontraram fortes evidências de uma entidade desse tipo dentro de um material supercondutor. A descoberta poderia representar a primeira “partícula de Majorana”, e poderia ajudar pesquisadores a codificar informações para computadores quânticos.
Físicos acreditam que todas as partículas de matéria tenham uma contraparte de antimatéria com massa igual, mas carga diferente. Quando a matéria encontra seu equivalente de antimatéria, as duas se aniquilam.
De acordo com uma previsão realizada em 1937 pelo físico italiano Ettore Majorana, porém, algumas partículas podem ser suas próprias parceiras de antimatéria. Pela primeira vez pesquisadores declararam ter produzido imagens de uma dessas partículas de Majorana, relatando suas descobertas em 3 de outubro, na Science.
A nova partícula de Majorana apareceu em supercondutor, material em que o livre movimento de elétrons permite que a eletricidade flua sem resistência.
A equipe de pesquisa, conduzida por Ali Yazdani da Princeton University, posicionou uma longa cadeia de átomos de ferro, magnetizável, sobre a superfície de um supercondutor feito de chumbo.
O magnetismo normalmente prejudica supercondutores, que dependem da ausência de campos magnéticos para que seus elétrons fluam livremente. Nesse caso, porém, o campo magnético se transformou em um tipo especial de supercondutor, em que elétrons próximos uns dos outros coordenavam seus spins para satisfazer simultaneamente as exigências de magnetismo e supercondutividade.
Cada um desses pares pode ser entendido como um elétron e um antielétron, com carga negativa e positiva, respectivamente. Mas esse arranjo deixa um elétron em cada ponta da cadeia sem par, fazendo com que assumam as propriedades tanto de elétrons quanto de antielétrons – em outras palavras, de partículas de Majorana. 
Assim como partículas no vácuo, sem contato com outros tipos de matéria, essas entidades são chamadas de “partículas emergentes”. Elas emergem das propriedades coletivas da matéria adjacente e não poderiam existir fora do supercondutor.
O novo estudo mostra uma assinatura convincente de partículas de Majorana, declara Leo Kouwenhoven da Universidade de Tecnologia Delft, na Holanda, que não se envolveu na pesquisa mas que encontrou sinais de partículas de Majorana em um arranjo supercondutor diferente. “Mas para realmente falarmos sobre provas completas e evidências sem ambiguidade, precisaríamos de um teste”.
Esse teste, explica ele, deve mostrar que as partículas não obedecem às leis normais das duas classes de partículas conhecidas na natureza – férmions (prótons, elétrons e a maioria das partículas com que estamos acostumados) e bósons (fótons e outras partículas que carregam forças, incluindo o bóson de Higgs). “A melhor coisa das Majoranas é que elas podem ser uma nova classe de partícula”, adiciona Kouwenhoven. “Se for encontrada uma nova classe de partículas, adiciona-se um novo capítulo à física”.
O físico Jason Alicea do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que também não participou da pesquisa, declara que o estudo oferece “evidências convincentes” de partículas de Majorana, mas que “nós deveríamos manter explicações alternativas em mente – mesmo se não houverem candidatos imediatamente óbvios”.
Ele elogiou a configuração experimental por sua aparente capacidade de produzir as elusivas partículas de Majorana com facilidade. “Uma das maiores virtudes de sua plataforma em relação a trabalhos anteriores é permitir que pesquisadores apliquem um novo tipo de microscópio para analisar a anatomia detalhada da física”.
A descoberta poderia ter implicações para a procura de partículas de Majorana livres fora de materiais supercondutores. Muitos físicos suspeitam que neutrinos – partículas extremamente leves com a estranha capacidade de alterar suas identidades, ou “sabores” – sejam partículas de Majorana, e experimentos estão sendo realizados para investigar essa hipótese.
Yazdani aponta que, agora que sabemos que partículas de Majorana podem existir dentro de supercondutores, pode não ser surpreendente encontrá-las na natureza. “Uma vez que o conceito esteja correto, é muito provável que ele apareça em outra camada da física. Isso é empolgante”.
A descoberta também poderia ser útil para construir computadores quânticos que façam uso das leis da mecânica quântica para realizar cálculos muitas vezes mais rapidamente que computadores convencionais.
Um dos principais problemas na construção de um computador quântico é a suscetibilidade de propriedades quânticas, como o emaranhamento (uma conexão tal entre duas partículas, que agir sobre uma delas afeta a outra), a colapsar devido à interferência externa.
Uma cadeia de partículas com Majoranas em cada extremidade seria quase imune a esse risco, porque seria necessário danificar as duas extremidades simultaneamente para destruir quaisquer informações codificadas nela. “Poderíamos construir um bit quântico com base nessas partículas de Majorana”, declara Yazdani. “A ideia é que esse bit seja muito mais robusto para o ambiente que os tipos de bits que já foram tentados até agora”.

Mais próximos da matéria escura.

Joshua Frieman conta sua estratégia para obter indícios da misteriosa substância

Reidar Hahn/DES

Republicado da RevistaQuanta
Assim como a maioria dos cosmólogos teóricos, Joshua Frieman ficou empolgado quando, em 1998, astrônomos anunciaram que a expansão do Universo parecia estar acelerando, conduzida por um agente invisível que eles batizaram de “energia escura”.
Frieman e seus colegas teóricos imaginaram duas possíveis causas para a aceleração cósmica: a energia escura poderia ser a oscilação quântica do espaço vazio – uma “constante cosmológica” que continua a aumentar conforme o espaço expande, empurrando-o com força cada vez maior.
Por outro lado, um campo de força ainda não detectado poderia permear o Cosmos, semelhante ao campo que cientistas acreditam ter alimentado a exponencial expansão do Universo durante o Big Bang.
Mas os cientistas também perceberam que as duas opções teriam consequências observacionais quase idênticas, e qualquer uma das teorias poderia corresponder adequar a medidas atuais imprecisas.
Para diferenciar uma da outra, Frieman, professor de astronomia e astrofísica da University of Chicago e cientista sênior do Fermilab perto de Batavia, no estado de Illinois, cofundou a Dark Energy Survey (DES, ou “Pesquisa de Energia Escura”), um experimento de 300 pessoas e US$50 milhões.
A peça central do projeto é a Câmera de Energia Escura, ou DECam, um detector ótico de infravermelho próximo e CCD com 570 megapixels, construído no Fermilab e instalado no Telescópio Blanco, no Chile, há dois anos.
Ao observar 300 milhões de galáxias espalhadas por 10 bilhões de anos-luz, a DES pretende rastrear a aceleração cósmica com mais precisão que nunca, esperando apoiar uma das duas hipóteses.
Frieman e sua equipe agora estão mostrando seus primeiros resultados.
A Revista Quanta se entrevistou Frieman no final de agosto durante a COSMO 2014, conferência que ele ajudou a organizar. Com sua curta barba branca, óculos de tartaruga e camisa de algodão orgânico, o cientista desaparecia entre clientes que almoçavam no restaurante italiano da esquina. Entre porções de tagliatelle, ele explicou exatamente o que sabemos e não sabemos sobre a energia escura, e como a DES ajudará a levar teóricos até uma ou outra das descrições de sua natureza. Segue uma versão editada e condensada da entrevista.
QUANTA MAGAZINE: Por que o senhor começou a Pesquisa de Energia Escura?
JOSHUA FRIEMAN: Como teórico trabalhando nos anos 90 com ideias sobre o que poderia fazer com que o Universo acelerasse, eu cheguei à conclusão de que poderíamos produzir modelos diferentes e fazer muita especulação, mas que não saberíamos qual desses caminhos seguir até que tivéssemos dados muito melhores.
Assim, nós começamos a discutir como obter esses dados. Por volta daquela época, o Observatório Nacional de Astronomia Ótica anunciou uma oportunidade que dizia, mais ou menos, “Se você conseguir construir um instrumento bem legal para o telescópio que operamos no Chile, você vai ganhar muito tempo no telescópio”. Foi então que formamos a colaboração da Pesquisa de Energia Escura e criamos o projeto de nossa câmera. 
Não é incomum que um teórico conduza um grande experimento de astrofísica?
É um pouco incomum, mas as fronteiras entre teoria e observação na cosmologia estão se tornando difusas, o que eu acredito ser uma evolução saudável. No passado, teóricos como eu trabalhavam com papel e caneta, e então observadores obtinham e analisavam dados. Mas agora temos um modelo baseado em que equipes treinadas para analisar e interpretar grandes conjuntos de dados, e isso não é teoria pura ou observação pura, mas uma combinação dos dois.
Como o senhor visualiza algo invisível e desconhecido como a energia escura?
Uma maneira de pensar sobre a energia escura é como um fluído, no sentido de que ela pode ser descrita por sua densidade e pressão. Essas duas propriedades nos informam seus efeitos sobre a expansão do Universo. Quanto mais energia escura existir – isto é, quanto maior sua densidade – maiores são seus efeitos. Mas o que é realmente crucial sobre a energia escura é que, ao contrário de todas as outras coisas que conhecemos, ela tem pressão negativa, e isso a torna gravitacionalmente repulsiva.
Por que a pressão negativa a torna repulsiva?
A teoria de Einstein afirma que a força da gravidade é proporcional à densidade energética mais três vezes a pressão então, na prática, a própria pressão gravita. Isso é algo a que não estamos acostumados porque, com a matéria comum, a pressão é apenas uma pequena fração da densidade. Mas se algo tiver pressão como uma fração considerável da densidade energética, e se essa pressão for negativa, então podemos mudar o sinal da gravidade. Assim a gravidade não é mais atrativa – é repulsiva.
O principal candidato para a energia escura é, de longe, a “constante cosmológica”. O que é isso?
Albert Einstein introduziu a constante cosmológica em 1917 como um termo adicional nas equações da gravidade. Na teoria de Einstein, a gravidade é a curvatura do espaço-tempo: você tem alguma fonte de energia e pressão que curva o espaço-tempo, e então outra matéria se move dentro desse espaço curvado. As equações de Einstein se relacionam à curvatura do espaço-tempo para a energia e pressão de qualquer coisa que estiver no espaço.
Einstein originalmente inseriu a constante cosmológica no lado da equação que continha a curvatura porque queria obter uma solução específica, que acabou se provando errada. Logo depois, porém, o físico belga Georges Lemaître percebeu que a constante cosmológica se relacionava naturalmente com as pressões e densidades energéticas, e que isso poderia ser interpretado como densidade energética e pressão de algo. O lado da densidade e pressão na equação já continha tudo no Universo: matéria escura, átomos, qualquer coisa. Se removermos tudo isso, então a constante cosmológica deve ser a densidade energética e a pressão do espaço vazio.
Como o espaço vazio pode possuir energia e pressão?
Na física clássica, o espaço vazio não tinha energia ou pressão.
Mas efeitos quânticos podem criar energia e pressão mesmo se não existirem partículas por lá. Na teoria quântica podemos imaginar partículas virtuais voando pelo vácuo, e essas partículas virtuais – que estão sempre sendo produzidas e aniquiladas – têm energia.
Assim, se a energia escura for a constante cosmológica, ela poderia ser a energia associada a essas partículas virtuais.
Como se mede a energia escura?
Estamos tentando fazer duas coisas que nos deem os limites para a energia escura: a primeira é medir distâncias, o que nos conta a história da expansão cósmica. A segunda é medir o crescimento de estrutura no Universo.
Para esse último, estamos usando uma técnica chamada de “lente gravitacional fraca”, que envolve medir, com muita precisão, os formatos de centenas de milhões de galáxias, e então inferir como esses formatos foram distorcidos, porque os raios de luz dessas galáxias ficam curvados com a gravidade enquanto eles viajam até nós.
Esse efeito de lente é minúsculo; assim, em 99 de cada 100 casos, você não consegue saber se o efeito incidiu sobre uma galáxia só de olhar para ela. Então temos que analisar o sinal estatisticamente.
Se compararmos os formatos de galáxias que não ficam tão distantes com o formato das que ficam, parte da diferença se deverá ao fato de que a luz passou por quantidades diferentes de estruturas aglomeradas.
Analisar o sinal das lentes nos dará uma medida de como a aglomeração do Universo evoluiu no tempo cósmico, e essa aglomeração é afetada pela energia escura.
A gravidade puxa as coisas para dentro, fazendo o Universo se tornar cada vez mais aglomerado com o tempo, mas a energia escura faz o oposto. Ela faz com que as coisas se afastem umas das outras.
Então, se pudermos medir como a aglomeração do Universo mudou ao longo do tempo cósmico, podemos inferir algo sobre a energia escura: quanto dela existia, e quais eram suas propriedades em momentos diferentes do tempo.
A DES tentará calcular o parâmetro w da “equação de estado” da energia escura. O que o w representa?
O parâmetro w informa a razão da pressão da energia escura por sua densidade. Se a energia escura for a constante cosmológica, então poderemos mostrar que o único w consistente para o espaço vazio é aquele em que a pressão é exatamente igual a menos a densidade energética. Então o w tem um valor muito específico: menos um.
Se a energia escura não for a constante cosmológica, o que mais ela pode ser?
As alternativas mais simples, e aquelas em que trabalhei nos anos 90, são inspiradas pela “inflação”. Antes de sabermos que a expansão do Universo está acelerando, acreditávamos que o Universo havia acelerado na menor fração de um segundo após o Big Bang. A ideia de aceleração cósmica inicial é chamada de inflação.
Assim, o mais simples a fazer era assumir a teoria que explica essa outra época de expansão acelerada e que envolve campos escalares.
Um campo escalar é uma entidade que tem um valor em todos os locais do espaço.
Conforme o campo evolui, ele pode agir como a energia escura: se evoluir lentamente, terá pressão negativa, o que fará o Universo acelerar.
Os modelos mais simples de inflação primordial sugerem que, durante certo período, o Universo foi dominado por um desses campos escalares, e ele eventualmente decaiu e desapareceu. E se essa é nossa melhor ideia a respeito do que aconteceu quando [a expansão do] Universo estava se acelerando há quase 14 bilhões de anos, deveríamos considerar que talvez algo semelhante esteja acontecendo agora.
Se observarmos esses modelos, veremos que eles tendem a prever que o w, a razão entre a pressão e densidade energética, será levemente diferente de menos um. Gostaríamos de testar essa ideia.
No futuro, a DES também tentará determinar se o w está mudando com o passar do tempo. O que isso nos dirá?
Em quase todos os modelos de energia escura distinta de constante cosmológica, o w tende a evoluir no tempo.
O w poderia, por exemplo, começar como menos um no passado distante e, conforme o campo escalar evolui cada vez mais rápido, o w se afasta cada vez mais de menos um.
Mas, de acordo com outras teorias, pode ocorrer o oposto.
Assim, se pudermos medir não apenas o w, mas também uma quantidade que chamamos de wa – a velocidade com que o w muda no tempo – poderemos dizer “Vivemos em um tipo de Universo, ou em outro?”.
O que os dados atuais nos dizem sobre o wa?
Eles são consistentes com a não-evolução – wa igual a zero – mas os erros são tão grandes que não temos informações significativas.
Assim, o que queremos fazer com a DES é produzir medidas suficientes para realmente começar a limitar o wa.
Se observarmos os valores atualmente permitidos de w0 e wa em um plano, veremos uma área aproximadamente limitada por uma elipse. Nossa esperança é conseguirmos reduzir a área da elipse no plano w0-versus-wa por um fator de três a cinco se comparado à sua posição nos últimos anos.
No momento, os dados ainda são consistentes com uma constante cosmológica. Mas esperamos que, quando começarmos a reduzir a elipse, ela possa ser reduzida a algo incompatível com a constante cosmológica.
Não podemos dizer se isso vai acontecer mas, se conseguirmos, será muito empolgante.
Por que o senhor prefere um campo escalar à constante cosmológica?
Porque isso revelaria que existe uma física nova em uma área em que não a esperávamos. E também, se o w for diferente de menos um, teríamos esperança de aprender algo sobre a física da energia escura.
Por outro lado, se tivermos apenas a constante cosmológica, isso será interessante, mas dificilmente nos indicará para onde ir.
Os primeiros artigos da DES foram publicados nos últimos meses. Que resultados foram relatados?
Esses resultados são de um período que chamamos de “verificação científica”, em que conduzimos uma mini versão de nossa pesquisa logo após instalar a câmera no telescópio para testar a qualidade dos dados que ela estava produzindo.
Em um estudo, por exemplo, nós medimos as massas de quatro aglomerados galácticos por meio de seu efeito de lentes gravitacionais. Em outro estudo, usamos as cores de galáxias para estimar seus desvios para o vermelho, o que efetivamente nos informa suas distâncias.
Quase todos os nossos resultados em energia escura vão depender fundamentalmente dessa técnica de cor.
Queríamos convencer a nós mesmos de que poderíamos medir esses desvios com precisão suficiente para realizar as medidas da matéria escura, e conseguimos demonstrar isso.
Qual é a sensação de operar o telescópio no Chile?
O observatório fica em uma montanha, Cerro Tololo, a uma elevação de aproximadamente sete mil pés (2,13 quilômetros). É muito seco, então não existe muita vegetação, mas eu acho lindo.
O sistema não é completamente automático, mas até um teórico como eu consegue operar a câmera. Nós temos um programa de computador que diz “Certo, com base no que observamos até agora, com base na posição da lua, com base no clima atual, aponte o telescópio para lá durante os próximos minutos”.
Assim, na maior parte do tempo você simplesmente fica sentado no console, garantindo que tudo esteja funcionando e observando imagens maravilhosas do Universo aparecendo na tela. É divertido.
Republicado com permissão de Quanta Magazine, uma divisão editorialmente independente da SimonsFoundation.com, que tem a missão de aumentar a compreensão pública da ciência cobrindo desenvolvimentos e tendências de pesquisa em matemática e nas ciências físicas e da vida.
Scientific American 1 de outubro de 2014

Os minerais mais perigosos …

Minerais preciosos movem o mundo moderno: eles são usados ​​em tudo, de talheres a placas de circuito. No entanto, eles – e os minérios de onde vêm – são alguns dos materiais mais tóxicos conhecidos pela ciência, e escavá-los é tão perigoso que alguns deles foram totalmente retirados da produção industrial. Acima, listamos os nove minerais mais tóxicos que já foram extraídos da Terra. >>> O alto preço do cobre, metal onipresente nos gadgets >>> O mundo está ficando sem ouro Crédito das imagens: JJ Harrison/Wikimedia; CarlesMillan/Wikimedia; CarlesMillan/Wikimedia; JJ Harrison/Wikimedia; Rob Lavinsky/Wikimedia; Rob Lavinsky/Wikimedia; Matteo Chinellato/Wikimedia; Museu Americano de História Natural; Raimond Spekking/Wikimedia

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1 Cinábrio/cinabre (HgS): esta fonte de mercúrio, quando oxidada, produz dois compostos tóxicos que causam danos irreparáveis ​​ao sistema nervoso de crianças. E o mercúrio é fatal em pequenas concentrações, podendo ser absorvido pela respiração, intestinos ou pele. Por isso, as indústrias já eliminaram ou estão eliminando seu uso.

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2 Pirita (FeS2): a pirita era a única fonte de enxofre e ácido sulfúrico, usados em toda a indústria. Isso levou a danos ambientais devastadores, tornando ácidas as águas subterrâneas e córregos próximos. A pirita não é mais minerada comercialmente: o enxofre pode ser coletado como um subproduto do gás natural e petróleo.

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3 Fluorita (CaF2): esta bela pedra verde pode ser muito perigosa. Ela contém flúor, um mineral solúvel que se concentra em águas subterrâneas e que pode se espalhar pelo ar. Em excesso, ele causa fluorose, enfraquecendo ossos e articulações. Muitas comunidades rurais na Índia, China e sudeste asiático sofreram com surtos da doença.

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4 Quartzo (SiO2): este é o segundo mineral mais comum na crosta da Terra, e o mineral mais usado pela humanidade. Mas ao inalá-lo, ele causa silicose, doença que incha os pulmões e gânglios linfáticos e dificulta a respiração. Ele também pode causar câncer de pulmão, doença associada às indústrias de mineração e fabricação de vidro.

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5 Galena (PbS): deste mineral, obtemos o chumbo. Ele não é tão ruim quanto o mercúrio, que pode matar você imediatamente, mas o chumbo não sai do seu corpo: ele se acumula ao longo dos anos até atingir níveis tóxicos. Ele contribui para o surgimento de câncer, e causa defeitos congênitos graves em fetos.

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6 Fenaquita (BeSiO4): ela é extraída por ser uma pedra preciosa, e pelo seu teor de berílio. Este elemento químico já foi um precursor para muitos materiais cerâmicos, até descobrirem que inalar pó de berílio causa beriliose – é como a silicose, porém muito mais grave. Ela causa uma reação alérgica nos pulmões, e não pode ser curada.

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7 Erionita: este é um zeólito, um tipo de silicato chamado de peneira molecular, por reter certas moléculas de acordo com seu tamanho. A erionita se parece muito com minerais de amianto, e causa danos a humanos da mesma forma: através de mesoteliomas, um tipo de câncer. Ele não é mais minerado desde o final dos anos 80.

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8 Hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2): o fósforo do seu fertilizante e o flúor na sua água da torneira muito provavelmente vieram de uma pedra como esta. No entanto, a exposição à hidroxiapatita (seja na sua mineração ou processamento) deposita esses mesmos minerais em suas válvulas cardíacas, petrificando-as.

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9 Crocidolite: diga olá para o material mais perigoso do mundo. Mais conhecido como amianto azul, o crocidolite já foi amplamente utilizado por ser forte, flexível e resistente ao fogo. Mas, em 1964, descobriu-se que o amianto causa mesotelioma – um tipo de câncer – e o mineral parou de ser usado após algum tempo.

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