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Grande Colisor de Hádrons começa a trabalhar em potência máxima

 

Por: Jamie Condliffe
3 de junho de 2015 às 18:28

Grande Colisor de Hádrons, ou LHC

A partir de hoje, o Grande Colisor de Hádrons funcionará em potência máxima, conforme cientistas estreiam novos experimentos que nos ajudarão a entender os segredos da física de partículas.

Depois de uma reinicialização feita em março, após um período de dois anos de reparos e atualizações, equipes de cientistas vêm testando as habilidades do Colisor para operá-lo em potências maiores do que nunca. Em maio, ele bateu o próprio recorde, misturando raios de prótons e uma energia equivalente a 13 TeV (tera-elétron-volts) — 5 TeV a mais que os padrões anteriores. Para se ter ideia desta potência, ela é o suficiente para derreter uma tonelada de cobre no impacto.

Agora, cientistas que trabalham no projeto acreditam que o Colisor pode funcionar em potências máximas por longos períodos de tempo. Desta forma, a partir de hoje, equipes começaram a regularmente colidir partículas nestas altas energias, na esperança de descobrir partículas ainda não detectadas que podem nos ajudar a explicar alguns dos mistérios da física.

“A energia maior significa mais chance de novas descobertas”, disse Alan Barr, professor de física de partículas na Universidade de Oxford que trabalha no experimento ATLAS no Grande Colisor de Hádrons, em entrevista cedida em março. “A energia maior do Colisor pode nos mostrar novas partículas ainda não descobertas”. Inclusive, pesquisadores esperam que os experimentos revelem as origens da matéria escura, partículas supersimétricas e outras. Você pode ler aqui como tudo isso pode acontecer, e o que isso significa para a física.

Em baixa energia, cientistas fizeram experiências quase impossíveis e encontraram o Bóson de Higgs. E agora eles podem achar algo ainda mais interessante. [CERN]

Postagem de referência para os alunos 1ºF–ETEC Júlio de Mesquita.

8 elementos químicos incríveis da tabela periódica

Redação Super 15 de maio de 2014

Por Mariana Cepeda

1789 foi o ano em que o químico Antoine Lavoisier ensaiou a primeira formação de uma tabela com 33 elementos químicos conhecidos, dividindo-a em categorias. A partir daí, a famosa tabela periódica só foi ficando mais sofisticada, organizada e maior. Atualmente, os 118 elementos químicos são sistematicamente ordenados de acordo com seus números atômicos, camadas eletrônicas, número de elétrons na camada de valência (camada mais externa) e propriedades físicas. Bom, entre os metais, semimetais, não metais e novos elementos que nem puderam ser bem classificados ainda, destacam-se alguns casos muito interessantes. Alguns deles pudemos estudar um pouco nas aulas de química, outros são tão recentes que só os mais novos puderam ver em seus livros escolares. Conheça os 8 elementos químicos mais bizarros da tabela periódica:

1-    Hidrogênio

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O elemento mais abundante do universo – compõe 75% de sua matéria – é o átomo mais simples existente, com número atômico 1 e massa atômica de aproximadamente 1,00 U. Apesar de sua abundância, o hidrogênio em seu estado natural é muito raro na atmosfera da Terra, por causa de sua baixa densidade (a menor entre todos os elementos conhecidos), a qual permite que ele facilmente escape do campo gravitacional do planeta.

Nas condições normais de temperatura e pressão da Terra, este elemento existe como gás diatômico, o H2, e na forma de compostos químicos como hidrocarbonetos e água. O hidrogênio não se enquadra perfeitamente em nenhum grupo da tabela periódica e seu isótopo de maior ocorrência é formado por um único próton, um elétron orbitando à sua volta e nenhum nêutron. O mais incrível em relação a este elemento talvez seja sua importância para a formação das estrelas e como principal combustível no ciclo de fusão nuclear das mesmas, sendo, portanto, primordial na fabricação de outros elementos, a começar pelo Hélio.

2-    Hélio

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Depois do hidrogênio, o hélio é o elemento de maior presença no universo e também na composição do Sol, constituindo 23,8% desse último (o hidrogênio representa 74,9%). O hélio é um gás nobre, ou seja, não reage com outros elementos, e tem o menor ponto de evaporação da tabela periódica. Esse gás só se torna líquido em condições extremas, de alta pressão e baixa temperatura, e também tem o ponto de solidificação mais baixo de todos os elementos químicos, sendo o único líquido que não se solidifica apenas com a diminuição de temperatura.

3-    Mercúrio

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O mercúrio é um dos poucos elementos que são encontrados em estado líquido à temperatura ambiente. Entre estes outros – césio, gálio, frâncio, rubídio e bromo -, apenas o bromo, além do mercúrio, são líquidos em condições normais de temperatura e pressão. Este elemento é um metal líquido prateado e inodoro, de alta densidade – tão alta que é possível fazer uma moeda boiar em sua superfície! O mercúrio é tóxico para os seres vivos e tem a capacidade de dissolver ouro, prata, metais alcalinos e até chumbo.

4-    Irídio

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O irídio é conhecido também por sua alta densidade, mas, por sua vez, é um metal sólido em temperatura e pressão padrões. Não só este elemento tem a maior densidade da tabela periódica, como também é o metal mais resistente à corrosão. Por causa disso, é muito usado em ligas de alta resistência que precisam suportar altas temperaturas.

5-    Tungstênio

Tungsten

Outro metal muito utilizado em objetos que precisam ser sujeitos a altas temperaturas é o Tungstênio, o elemento com o maior ponto de fusão (3422°C!) entre todos os metais e o segundo maior de toda a tabela periódica (o primeiro é o carbono). Tem também a menor pressão de vapor e requer temperaturas próximas da temperatura da superfície solar para tornar-se gasoso, ou seja, cerca de 5000 °C!

6-    Carbono

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Um mesmo elemento químico pode dar origem a substâncias simples diferentes, a partir de distintas modificações estruturais, em que os átomos do elemento estão ligados entre si de maneiras diferentes. Essas formas distintas de um elemento são chamadas de formas alotrópicas. No caso do carbono, tais alótropos variam tanto que ele é capaz de ser o grafite ou o diamante! Além disso, o carbono é a base para a vida, faz parte de todos os seres vivos e de cerca de 10 milhões de compostos orgânicos.

7-    Urânio

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O urânio é o último elemento químico natural da tabela periódica e o primeiro em que se descobriu a radioatividade. Seu átomo é composto por 92 prótons, 92 elétrons e de 135 a 148 nêutrons e tem o núcleo mais pesado a existir naturalmente no planeta. Seus isótopos têm uma meia-vida (intervalo de tempo em que uma amostra de um elemento radioativo se reduz à metade) muito longa, entre 700 milhões e 4,5 bilhões de anos. Pode ser encontrado em abundância na crosta terrestre, na forma de minerais, e é utilizado principalmente para a produção de energia, em usinas de energia nuclear. Com uma completa fissão nuclear, 1kg de urânio geraria 8×1013  Joules, uma quantidade de energia que necessitaria de 3 mil toneladas de carvão!

8-    Ununóctio

ununoctium

O mais interessante deste elemento é que pouquíssimo se sabe sobre ele. O ununóctio faz parte dos novos elementos da tabela periódica, criados recentemente de forma sintética. De 1994 para cá, foram adicionados 9 elementos à tabela, do número 110 ao 118, complicando ainda mais a difícil vida dos alunos de química. O Ununóctio foi descoberto em 2006 e até seu nome e símbolo químico são temporários. Ele foi detectado indiretamente e produzido através de colisões de átomos de califórnio e cálcio em laboratório, mas sua meia-vida é tão curta – 0,89 milissegundo – que não é possível descobrir muito sobre suas propriedades. Há debates sobre se ele seria gasoso ou não, e estima-se que ele será bem mais reativo que os outros elementos de seu grupo, mas as previsões não vão muito além.

O que são neutrinos?

O que são neutrinos?

Detector Super-Kamiokande, no Japão.

Traduzido de t2k-experiment.org.

Neutrinos são um tipo de partícula elementar – ou seja, eles são partículas subatômicas que não dão qualquer indicação de serem feitos de pedaços menores. Eles são semelhantes aos elétrons, exceto que os elétrons têm carga elétrica -1 (nas unidades que os físicos de partículas usam; em unidades do SI é -1.6×10-19 coulombs), enquanto que os neutrinos não têm carga elétrica. Neutrinos são também muito menos massivos que os elétrons – não mais de 4 milionésimos da massa do elétron (e o próprio elétron tem uma massa de apenas 1/1837 da massa de um átomo de hidrogênio).

No Modelo Padrão da física de partículas, a matéria é composta por dois tipos de partículas elementares: hádrons, que sentem a força forte que mantém os prótons juntos no núcleo, e quarks juntos no próton, e léptons, que não sentem a força forte. Neutrinos, como elétrons, são léptons. Eles são indicados pelo símbolo ν, que é a letra grega “nu” ou n (não é um V, embora possa ser difícil discernir em algumas fontes!).

Neutrinos não devem ser confundidos com nêutrons, um constituinte do núcleo atômico, ou com neutralinos, partículas hipotéticas que podem explicar o teor de matéria escura do Universo.

Como os neutrinos foram descobertos?

A existência de neutrinos foi suspeitada pela primeira vez como resultado das propriedades de um tipo de decaimento radioativo chamado decaimento beta, em que um elétron – ou sua antipartícula, um pósitron – é emitido. Verificou-se que o elétron não leva embora toda a energia que havia sido perdida pelo núcleo decadente. Em 1930, Wolfgang Pauli, um físico teórico austríaco, sugeriu que a energia faltante deveria ser explicada por uma partícula neutra não detectável também produzida no decaimento. Alguns anos mais tarde, o físico teórico ítalo-americano Enrico Fermi chamou um neutrino de partícula de Pauli, e o nome pegou.

Neutrinos interagem apenas muito fracamente com a matéria, e são, portanto, muito difíceis de detectar – na verdade, Pauli temia que nunca pudessem ser detectáveis. No entanto, o advento dos reatores nucleares após a Segunda Guerra Mundial forneceu uma fonte muito intensa de neutrinos para os físicos, e, em 1955, Fred Reines e Clyde Cowan conseguiram detectar neutrinos através do chamado decaimento beta inverso, onde um próton captura um antineutrino (em vez de emitir um neutrino): ν + p → n + e+. Reines e Cowan detectaram o pósitron quando ele se aniquilou com um elétron, e o nêutron quando foi capturado por um núcleo atômico. Este sinal duplo lhes permitiu dizer com certeza que eles estavam realmente vendo neutrinos e não os raios cósmicos ou alguma outra radiação de fundo.

Assim, 25 anos se passaram entre o primeiro palpite de que neutrinos deveriam existir e a primeira detecção experimental inequívoca. Essa é uma medida de quão difícil a física experimental realmente é!

De onde os neutrinos vêm?

Neutrinos são provavelmente a segunda partícula mais comum no Universo, depois dos fótons (dependendo exatamente o que é a matéria escura, eles podem ser os terceiros mais comuns, depois de fótons e partículas de matéria escura). Eles foram produzidos em grande número no período imediatamente após o Big Bang: cosmólogos calculam que deve haver mais de 300 neutrinos por centímetro cúbico em todos os lugares em todo o Universo vindos desta fonte (um centímetro cúbico é aproximadamente do tamanho de um cubo de açúcar). Estrelas também produzem um grande número de neutrinos: o Sol produz mais de 60 bilhões por centímetro quadrado por segundo a uma distância da Terra. Outros fenômenos astrofísicos, tais como supernovas (explosão de estrelas) e os raios cósmicos, também produzem neutrinos.

Na Terra, os neutrinos são produzidos naturalmente por alguns isótopos radioativos, como o carbono-14 (usado na datação por carbono de artefatos arqueológicos) e potássio-40, e também por raios cósmicos notáveis na atmosfera da Terra. Eles também podem ser produzidos artificialmente por reatores nucleares e por aceleradores de partículas. Os processos artificiais são muito semelhantes aos naturais: neutrinos de reatores chegam do decaimento beta radioativo, e os neutrinos do acelerador vêm exatamente do mesmo processo que os neutrinos de raios cósmicos, apenas em um ambiente mais controlado.

Felizmente, porque os neutrinos têm uma interação tão fraca, eles são completamente inofensivos: apesar de centenas de bilhões de neutrinos solares estarem passando através de você nesse exato momento (isso acontece até mesmo durante a noite – eles atravessam a Terra também, sem problemas), as chances de que um deles irá interagir com um átomo em seu corpo são realmente muito pequenas. Convencer um neutrino a interagir faz com que ganhar na loteria pareça ser uma aposta muito segura!

Como podemos detectar neutrinos?

Para que você detecte algo, tem que interagir com o detector. Você pode ver porque os fótons de luz são absorvidos pelas células bastonetes e cones da retina; o vidro é transparente porque os fótons de luz não são absorvidos pelo vidro (o Homem Invisível dos filmes seria cego: suas retinas são transparentes, então elas não absorvem fótons). Neutrinos interagem somente de forma muito fraca, por isso são muito difíceis de detectar: para estar razoavelmente seguro de ter uma interação típica do neutrino solar você teria que atravessa-lo numa parede de chumbo de pelo menos 1 ano-luz de espessura.

Felizmente as interações são aleatórias: você pode precisar de um ano-luz ou mais de chumbo para parar todos os seus neutrinos solares, mas alguns deles vão interagir nos primeiros centímetros (da mesma forma, é possível que você ganhe no primeiro bilhete de loteria que você compre em toda sua vida – apenas não é muito provável). Portanto, se você tem um detector grande o suficiente e um feixe de neutrinos suficientemente intenso, um número suficiente deles irá interagir para fazer a experiência valer a pena, apesar de que 99,99999999% deles vai passar em linha reta.

Neutrinos interagem de duas maneiras:

-eles podem simplesmente lançar para fora tudo o que eles atingirem (elétron ou núcleo atômico) – o neutrino continua a ser um neutrino, mas ele transfere força e energia para o objeto atingido;

-eles podem se converter em um lépton carregado (um elétron, múon ou tau, ou suas antipartículas, dependendo do tipo de neutrino). Isso exige que não só energia e momento, mas também a carga elétrica, sejam transferidos, uma vez que o neutrino é eletricamente neutro, mas o lépton em que ele se converte não é.

No primeiro caso, podemos detectar o objeto atingido, geralmente porque agora ele está se movendo, ocasionalmente, porque ele se quebrou. No segundo caso, normalmente detectamos o lépton carregado, mas às vezes detectamos a mudança na carga do objeto atingido. Há muitas maneiras de detectar uma partícula carregada em movimento: podemos rastreá-la, uma vez que ela ioniza o material através do qual atravessa, ou podemos detectar a luz que ela emite, se ela está viajando a uma velocidade > c / n, onde c é a velocidade da luz no vácuo, e n é o índice de refração do material (transparente), através do qual se move. Esta luz foi chamada de radiação de Cherenkov, após Pavel Cherenkov.

Aqui estão alguns exemplos de cada tipo de detecção:

Detecção de recuo do objeto atingido

Isto é usado para detectar neutrinos solares: um elétron é atingido pelo neutrino, recua e é detectado por sua radiação Cherenkov.
Exemplo: Super-Kamiokande.

Detecção por desmembramento do objeto atingido

Isso foi usado pelo experimento SNO. O objeto de colisão era um núcleo de deutério, o isótopo pesado e raro de hidrogênio, o qual contém um nêutron além do próton habitual. O núcleo de deutério se divide em seus prótons e nêutrons constituintes, e o nêutron é observado quando é capturado por um núcleo atômico (a energia que ele perde, uma vez que se liga ao núcleo, é emitida como um fóton de alta energia ou raios gama, que é então detectada).

Detecção da produção de lépton carregado

O lépton carregado detectado é normalmente um elétron, um múon, ou suas antipartículas: o tau é muito mais difícil de produzir, em primeiro lugar, porque é mais massivo, e muito mais difícil de detectar porque ele tem um tempo de vida muito curto. Um exemplo de uma experiência que acompanha a partícula carregada por sua ionização é o MINOS ou o T2K near detector ND280; um exemplo de um detector que detecta a partícula carregada perto da sua radiação de Cherenkov é o IceCube ou o T2K far detector Super-Kamiokande.

Detecção de mudança de carga no objeto atingido

Este tipo de experimento é capaz de detectar neutrinos com energia extremamente baixa. A ideia é que o neutrino interage com um núcleo atômico, e a alteração na carga altera o átomo em um átomo radioativo de um elemento diferente. Você, então, extrai quimicamente o elemento diferente, e conta o número de átomos que você fez, observando seus decaimentos radioativos. O método tem desvantagens severas – você não sabe de que direção o neutrino veio, que energia tinha, ou exatamente quando a interação ocorreu -, mas é a única maneira de detectar neutrinos com energias inferiores a 1 MeV (1.6×10-13J). Um exemplo desta técnica é o primeiro detector de todos os tempos para detectar neutrinos vindos do sol: o experimento Homestake criado por Ray Davis, onde o cloro-37 é convertido em argônio-37 radioativo.

Quantos tipos de neutrinos existem?

No Modelo Padrão da física de partículas, existem três tipos de lépton carregados: o elétron, o múon e o tau. Uma experiência feita em 1962 por Lederman, Schwartz e Steinberger mostrou que o neutrino produzido em associação com o múon não poderia se converter em um elétron, e medições de precisão da produção do bóson Z confirmou que havia três neutrinos de luz para combinar os três léptons carregados. Todos os léptons carregados têm antipartículas de carga oposta, e a incapacidade dos neutrinos de reatores (que deveriam ser de antineutrinos do tipo elétron) em converterem cloro para argônio – o que neutrinos solares, que são neutrinos do tipo elétron, podem fazer – sugere que os neutrinos e antineutrinos são diferentes, tanto que deveria haver seis tipos distintos de neutrinos.

O modelo atual da física do neutrino, no entanto, sugere que a diferença entre neutrinos e antineutrinos pode ser uma ilusão: eles podem interagir de forma diferente porque giram em direções opostas, não porque eles são fundamentalmente distintos. Isso reduziria o número novamente para três.

Por outro lado, alguns resultados experimentais atualmente inexplicáveis podem indicar a presença de neutrinos estéreis, que interagem apenas através da gravidade (uma força extremamente fraca na escala das partículas subatômicas) e, portanto, não podem ser diretamente observados por qualquer experimento. O júri ainda está aberto, mas é possível que um ou dois tipos de neutrinos estéreis pode vir a ser necessários para explicar os resultados experimentais, elevando o número total para quatro ou cinco. Neutrinos estéreis realmente seriam as partículas indetectáveis que preocupavam Pauli, embora seja possível que as medições cosmológicas, como as flutuações de temperatura na radiação cósmica de fundo, possam fornecer evidências indiretas.

O que é o Problema Do Neutrino Solar?

Quando Ray Davis começou a detecção de neutrinos solares com seu experimento Homestake, um tanque de fluido de limpeza (C2Cl4) em que neutrinos podiam converter átomos ocasionais de cloro em argônio, viu apenas 1/3 do número que ele esperava. O número esperado era baseado no Modelo Solar Padrão (SSM) calculado por John Bahcall e colegas de trabalho; o SSM descreve todas as outras características do Sol que conhecemos, inclusive as importantes, como a quantidade de energia que emite, então não havia nenhuma razão óbvia por que ele obteve um número de neutrinos tão errado – especialmente sendo os neutrinos um subproduto essencial de reações de geração de energia do Sol.

Enquanto era apenas um único experimento que observava os neutrinos solares, a possibilidade era que o problema poderia ser com o experimento: talvez o método de extração e contagem de átomos de argônio de Davis era muito menos eficiente do que ele acreditava. No entanto, nos anos 1980 e 1990 outras experiências, chamadas Kamiokande (antecessor do Super-Kamiokande), GALLEX/GNO e SAGE, também viram menos neutrinos solares do que o esperado. Estas experiências utilizaram técnicas diferentes e foram sensíveis a neutrinos de diferentes energias, tornando insustentável a ideia de que era tudo culpa de experimentos incompetentes. Este, então, era o Problema do Neutrino Solar: por que todas essas experiências veem menos neutrinos do que o esperado?

O Problema do Neutrino Solar não é mais um problema. Todos os experimentos acima podiam ver apenas neutrinos tipo elétron. O experimento SNO, que utilizou água pesada, D2O, em vez de água comum, podia ver outros tipos de neutrino também. Em 2002, o SNO produziu um trabalho mostrando que o número total de neutrinos de todos os tipos era consistente com a SSM: era exatamente isso, embora todos tenham sido produzidos como neutrinos do tipo elétron, no momento em que chegaram à Terra alguns deles tinham se transformado em algum outro tipo (o SNO não poderia dizer se o “outro tipo” era do tipo múon, do tipo tau ou uma mistura). Portanto, o Problema do Neutrino Solar está agora resolvido, e a resolução são as oscilações dos neutrinos.

Neutrinos têm massa?

Pauli pensava inicialmente que os neutrinos poderiam ter uma massa pequena, mas as experiências posteriores falharam em encontrar uma, e na década de 1960 foi geralmente assumido que os neutrinos tinham exatamente massa zero. A formulação original do Modelo Padrão da física de partículas assume explicitamente que os neutrinos não têm massa. No entanto, a resolução do Problema do Neutrino Solar – a transformação do neutrino do tipo em neutrinos de algum outro tipo – só funciona se neutrinos possuírem massa diferente de zero: neutrinos sem massa não podem mudar de identidade desta forma. Portanto, por causa dos neutrinos solares e um efeito similar chamado de anomalia de neutrino atmosférico – um déficit de neutrinos do tipo múon produzido pelos raios cósmicos na atmosfera da Terra – nós sabemos que os neutrinos devem ter massa. No entanto, não sabemos realmente quais são as suas massas.

Oscilações de neutrinos são apenas sensíveis às diferenças nas massas dos neutrinos (mais especificamente, as diferenças nos quadrados das massas). Eles não podem nos dizer a massa absoluta de qualquer tipo de neutrino. Para fazer isso, temos de olhar para decaimento beta radioativo, em que um átomo instável decai e emite um elétron e um antineutrino (ou um pósitron e um neutrino, dependendo do isótopo). O elétron e o neutrino compartilham a energia liberada pelo decaimento. Se o neutrino tem uma massa pequena, Einstein nos diz que a energia mínima possível que ele pode ter é a sua massa-energia, E = mνc2. Se ele tem massa zero, poderia em muitas raras ocasiões não levar nenhuma energia. Portanto, se olharmos para a distribuição de energias de elétrons muito próximos ao valor máximo, devemos ver uma ligeira mudança na forma esperada se o neutrino tiver massa.

Esta experiência normalmente é feita usando o isótopo pesado de hidrogênio instável conhecido como trítio, que tem dois nêutrons em adição ao seu próton. O trítio decai para o hélio-3 com uma meia-vida de 12,3 anos, e a diferença na massa entre o hélio-3 e trítio é bastante pequena, o que faz com que a pequena distorção provocada por um neutrino de massa diferente de zero seja ligeiramente mais fácil de ver. Ainda é um experimento muito difícil, e o melhor que temos sido capazes de fazer até agora é provar que o neutrino emitido no decaimento beta não pode ter uma massa maior que 2 eV (4 milionésimos de a massa do elétron). Um novo experimento de decaimento beta do trítio em construção na Alemanha, KATRIN, espera reduzir este número por um fator de 10.

Se o neutrino é de fato idêntico a sua antipartícula, como a maioria dos teóricos acredita, uma maior sensibilidade pode ser conseguida usando um tipo muito raro de decaimento radioativo conhecido como decaimento beta duplo. Neste processo, como o próprio nome sugere, o isótopo emite não só um elétron, mas dois, decaindo não para o seu vizinho mais próximo na Tabela Periódica, mas para o seu vizinho seguinte. Este é um processo extraordinariamente improvável, e as meias-vidas de isótopos que se decompõem desta forma são cerca de um bilhão de vezes maior do que a idade do Universo: para todos os efeitos do cotidiano eles são completamente estáveis, e é preciso uma experiência muito sensível para vê-los decaírem (funciona da mesma forma que a detecção de neutrinos: embora, em média, os átomos vivam por um bilhão de vezes a idade do universo, há uma pequena chance de que um decairá amanhã: se você tiver um detector grande o suficiente, e monitorá-lo com cuidado o suficiente, você vai ver alguns decaimentos).

O isótopo pode emitir dois antineutrinos junto com os dois elétrons – isso é um processo de decaimento perfeitamente normal e permitido (mesmo sendo extremamente raro), e tem sido medido. No entanto, se o neutrino e o antineutrino são realmente diferentes aspectos de uma mesma partícula, o neutrino produzido em associação com um elétron pode ser absorvido, uma vez em um milhão, na produção de outro (ele tem que ser um antineutrino na emissão e um neutrino na absorção, porque isso só funciona se as duas partículas realmente não forem diferentes). Este é o decaimento beta duplo sem neutrinos, e a taxa (minúscula) em que ocorre depende da massa do neutrino. Observar esses decaimentos permite aos pesquisadores medir neutrinos com massas de 0,1 eV ou menos – cerca de um fator de 20 abaixo do limite atual. Até o momento, não há nenhuma detecção convincente (um grupo afirma ter visto um sinal correspondente a um neutrino com uma massa de cerca de 0,4 eV, mas isso geralmente não é aceito pela comunidade – o que não significa necessariamente que ele está errado, isso significa apenas que a evidência não é convincente o suficiente), mas uma meia-dúzia de novos experimentos estão atualmente em construção ou em recolha de dados, de modo que essa situação pode mudar em poucos anos.

O que são as oscilações do neutrino?

Sabemos que existem três tipos de neutrinos, um para cada um dos três léptons carregados. No entanto, só medimos o tipo, ou sabor, de um neutrino, quando o vemos interagir, seja em associação com um lépton carregado, por exemplo, 14C → 14N + e + νe, ou se convertendo em um lépton carregado, por exemplo, νμ + n → p + μ. Quando estão apenas viajando juntos sem fazer nada, não temos evidência direta de seu tipo. Temos, no entanto, em princípio, conhecimento de como sua massa é: uma partícula livre obedece a relação E2 = p2c2 + m2c4 de Einstein, e, portanto, tem uma massa bem definida. Há neutrinos com três massas diferentes, assim como há neutrinos com três sabores diferentes.

Oscilações de neutrinos acontecem se a divisão dos neutrinos em diferentes sabores não se alinha com a sua divisão de massas. Na mecânica quântica, isso é perfeitamente possível: considere o infame gato de Schrödinger, que está 50% vivo e 50% morto até que você abra a caixa. Nós produzimos os neutrinos em algum estado de sabor definido (que é uma mistura de estados de massa), mas como eles viajam da produção para detecção, os três estados da massa ficam desalinhados, então, quando os detectamos eles já não estão perfeitamente alinhados no estado de sabor original.

Óculos de sol polarizados oferecem uma analogia para isso. A luz é uma onda transversal: as ondas elétricas e magnéticas sacodem em ângulo reto com a direção do movimento, como as ondas na água ou as ondas numa corda. Na luz normal, as ondas estão em todos os tipos de ângulos aleatórios, mas você pode descrever isso como uma soma de duas componentes, horizontal e vertical (assim como você pode descrever qualquer quadrado em um tabuleiro de xadrez por dois números, linha e coluna). É por isso que óculos polarizados cortam o brilho tão bem: a luz solar direta é quase uma mistura 50:50 dos dois estados de polarização, mas a luz refletida de uma superfície horizontal é mais polarizada horizontalmente. Portanto, se seus óculos de sol pegar luz polarizada verticalmente, eles vão cortar a intensidade da luz solar pela metade, mas a intensidade de luz refletida é cortada por muito mais do que a metade.

Se você pegar dois pares de óculos polarizados, e alinhá-los a 90 ° um do outro, você está cortando as duas polarizações. Como toda a luz pode ser decomposta em componentes horizontal e vertical, você corta toda a luz: as duas lentes cruzadas devem ser praticamente pretas.

Agora pegue um terceiro par de óculos de sol, e os insira entre os outros dois com um ângulo de 45 ° ou menos. Você verá que, surpreendentemente, a área onde todas as três lentes se cruzam é muito mais transparente do que era quando havia apenas duas lentes lá! Colocar algo que bloqueia metade da luz, de repente, deixa mais luz atravessar – o que aconteceu?

A resposta é que a luz polarizada verticalmente pode ser descrita como uma mistura 50:50 de duas polarizações de 45° dispostas em forma de X. Por outro lado, luz polarizada a 45° é uma mistura 50:50 de polarizações horizontais e verticais. Portanto, seus óculos inclinados pegam a luz polarizada verticalmente a partir do primeiro par de óculos de sol e escolhe apenas a polarização de 45° (e não a polarização de 135°). Mas isso agora é uma mistura de horizontal e vertical – assim o terceiro par de óculos pode escolher um componente horizontal que não estava lá na polarização vertical pura após o primeiro par de óculos. A intensidade é cortada um pouco, é claro – se você observar, você vai ver que estamos reduzidos a um oitavo do nível de luz original – mas é muito mais do que zero.

Na oscilação dos neutrinos, a distância entre a produção e a detecção atua um pouco como o terceiro polarizador: dividindo os neutrinos de acordo com a massa e não com o sabor, regenera um estado de mistura de sabores num estado de sabor puro produzido na interação original. A analogia não é perfeita: a força dos efeitos varia com a distância num formato sinusoidal (imagine girar o terceiro polarizador gradualmente a 360°), e você pode obter a conversão de mais de 50% entre os sabores. Mas apresenta a ideia geral.

Como as oscilações dos neutrinos são medidas?

Experimentos de desaparecimento

Você começa com um fluxo conhecido de neutrinos, e conta quantos você observa a uma certa distância da fonte. O sinal de oscilação é a redução do número observado em relação ao que seria de esperar. O Problema do Neutrino Solar é uma experiência de desaparecimento.

Experimentos de aparição

Você começa com um feixe puro de neutrinos de algum tipo X, e você tenta detectar neutrinos de tipo Y. O sinal de oscilação é a detecção bem sucedida do tipo Y. O T2K é um experimento de aparição.

Ambos os experimentos podem produzir resultados enganosos em algumas circunstâncias. Experimentos de desaparecimento podem dar um falso positivo se o fluxo de neutrinos é menor do que você acredita, ou se a eficiência do seu detector não é tão boa quanto você pensa que seja. Experimentos de aparição podem ser enganados se o feixe não for realmente 100% do tipo X, mas que já contenha uma pequena quantidade do tipo Y, ou se a experiência não tem exatamente 100% de precisão em distinguir X de Y. Por isso, é bom ter um detector próximo, perto de sua fonte, e um detector distante, perto da distância escolhida. O detector próximo ao feixe faz uma medição antes que os neutrinos tenham a oportunidade de sair da etapa, então ele diz como o fluxo original está e quantos neutrinos do tipo Y existem em seu suposto feixe do tipo X. Você, então, compara os resultados dos detectores próximos e distantes para extrair a mudança no fluxo ou o excesso de tipo Y, que é o sinal de oscilação. Você também precisa entender o seu detector extremamente bem, a fim de minimizar a chance de que as ineficiências ou erros de identificação estejam afetando o seu sinal.

O que é violação de CP?

Nós já sabemos que existem três tipos de neutrinos: o elétron, o múon e o tau. A partir dos experimentos de oscilações de neutrinos sabemos agora que existem três estados de massa dos netrinos, que – com incaracterística falta de capricho, para os físicos – nós simplesmente chamamos de 1, 2 e 3. De acordo com as regras básicas da mecânica quântica, cada estado de sabor pode ser considerado como uma mistura de todos os três estados de massa, e vice-versa. Portanto, em princípio, três tipos independentes de oscilação, ou mistura, entre os estados de massa são possíveis: 1 com 2, 2 com 3, e 3 com 1 (como mencionado antes, alguns físicos pensam que também possa haver um quarto sabor “estéril”de neutrinos, que não pode participar de oscilações – mas ele não entra nesta discussão). Cada variedade de oscilação tem duas quantidades associadas: a diferença de massa entre os dois estados envolvidos e o que chamado de ângulo de mistura θ (theta). Este último é apenas uma maneira conveniente de garantir que todas as probabilidades da mecânica quântica sejam adicionadas até 100% corretamente. Este requisito de “unitariedade” é automaticamente satisfeito se aproveitarmos a regra de trigonometria, sin2 θ + cos2 θ = 1 para qualquer ângulo θ. Não existe um “ângulo” físico envolvido em oscilações de neutrinos: θ é apenas um parâmetro que nos permite descrever a quantidade de mistura, garantindo que a unitariedade seja preservada. Se sin2 θ ou cos2 θ ~ 0, um estado de massa domina, se sin2 θ ~ cos2 θ, os dois estados de massa são quase igualmente representados na soma (“mistura máxima”).

Sabemos que os ângulos de mistura θ12 e θ23 são grandes, isto é, a mistura é quase máxima para esses pares de estados de massa. No entanto, até recentemente, as melhores medições do ângulo de mistura θ13 eram consistentes com zero – apenas um limite acima no seu valor pode ser determinado. O primeiro objetivo principal do T2K é determinar se θ13 na verdade não seja zero. A conseqüência fundamental de ter todos os três ângulos diferentes de zero é que isso permite violação CP no sistema de neutrinos, por meio de uma quantidade conhecida como δ (delta). Então o que é violação CP, e por que é importante?

Os símbolos C e P representam cada um uma operação matemática para ser levada a cabo na descrição de um processo físico. C, conjugação de carga, é a substituição de todas as partículas na interação por suas antipartículas: o nome refere-se ao fato de que na maioria dos casos o sinal mais evidente desta substituição é a reversão da carga – por exemplo, antielétrons (pósitrons) tem carga positiva, e antiprótons têm carga negativa (neutrinos são neutros, mas neutrinos e antineutrinos se distinguem pela sua configuração helicoidal, isto é, a direção da sua rotação). P, paridade, descreve espelhos de reflexão: as coordenadas (x, y, z) de todas as partículas na interação são invertidos para (-x, -y, -z), e as direções dos movimentos são invertidas também. Na teoria quântica, C e P, separadamente, são representado por um operador matemático que realiza essas trocas.

C (ou P) dizem serem conservados se as interações depois das aplicações de C (ou P) parecerem fisicamente válidas e corretas. Em nosso mundo, nós não temos que trocar partículas e antipartículas na maioria das vezes, mas a conservação de paridade parece ser um fato da natureza: se eu lhe mostrar um filme de um jogo de futebol, um jogo de sinuca, ou um concurso de arco e flecha, desde que haja slogans publicitários visíveis, você não seria capaz de dizer se o filme foi invertido da esquerda para a direita – o comportamento das bolas ou setas parece perfeitamente natural. E até a década de 1950 foi, de fato, assumido que a conservação da paridade seria uma lei da natureza. No entanto, foi então apontado por Chen Ning Yan e Tsung-Dao Lee que a paridade não pode ser conservada em interações fracas, que não são tão visíveis na vida cotidiana. Esta sugestão foi testada em 1956 por uma equipe liderada por Chien-Shiung Wu, e descobriu-se correta – a paridade não é conservada nas interações fracas. Na verdade, é maximamente violada: a interação fraca é sensível para partículas canhotas e antipartículas destras, e não para os seus primos com a paridade invertida, partículas destras e antipartículas canhotas (lateralidade em partículas refere-se à direção de rotação: “destra” significa que o sentido de rotação está alinhado com a direção do movimento, como na figura).

Configuração helicoidal. Partículas como o neutrino tem uma propriedade chamada spin, que é uma versão da mecânica quântica do que entendemos normalmente por giro ou rotação. O spin de uma partícula como um neutrino ou um elétron pode ser destro, como a imagem acima, ou canhoto, como na imagem abaixo. A interação fraca seleciona partículas canhotas e antipartículas destras. Observe que um observador que estivesse se movendo mais rápido do que a partícula iria vê-la.

Configuração helicoidal. Partículas como o neutrino tem uma propriedade chamada spin, que é uma versão da mecânica quântica do que entendemos normalmente por giro ou rotação. O spin de uma partícula como um neutrino ou um elétron pode ser destro, como a imagem acima, ou canhoto, como na imagem abaixo. A interação fraca seleciona partículas canhotas e antipartículas destras. Observe que um observador que estivesse se movendo mais rápido do que a partícula iria vê-la.

As mesmas interações fracas que violam P também violam C: antipartículas não se comportam da mesma maneira que as partículas (se nós somente mudarmos a identidade da partícula, um neutrino canhoto se tornaria um antineutrino canhoto, o que não se sentiria a interação fraca e por isso não iria se comportar como um “verdadeiro” antineutrino destro). No entanto, a combinação CP (mudança de partícula para antipartículas, e coordenadas de reflexão espelhadas) funciona muito melhor, e por um tempo se acreditou que a conservação CP fosse uma verdadeira lei da natureza.

No entanto, em 1964, James Cronin e Val Fitch mostraram que em algumas circunstâncias, a interação fraca também pode violar a simetria CP combinados. Este é um efeito muito mais fraco do que a violação de C e P separadamente: ela ocorre apenas em determinadas interações (Cronin e Fitch estavam olhando para kaons neutros, o efeito já foi observado em mésons B também), e inclusive lá somente no nível de 1%.

Violação CP é extremamente importante porque representa uma verdadeira diferença entre partículas e antipartículas. Um dos mistérios não resolvidos da cosmologia é que o nosso Universo parece ser feito einteiro de matéria, e não de uma mistura 50:50 de matéria e antimatéria, embora quando criamos partículas em laboratório elas sempre venham em pares partícula-antipartícula. As interações que violam CP são uma das três condições essenciais para a gerar um Universo só com matéria que foram propostas em 1967 por Andrei Sakharov (as outras duas são violações de conservação de número bariônico, que é obviamente necessário para gerar um entrelaçamento de números bariônicos diferentes de zero a partir do estado de simetria original, B = 0, e a partida de um equilíbrio térmico, que é necessária para garantir que na fabricação de bárions os processos voltados para o andamento não sejam balanceados pelos processos inversos, de destruição de bárions.

Do ponto de vista de um físico de neutrinos, a coisa mais interessante sobre violação CP em kaons e B-mésons é que parece ocorrer em um nível baixo demais para dar a quantidade de assimetria que observamos em nosso Universo com somente matéria. É por isso que a observação dos ângulos de mistura diferentes de zero, e, portanto, a possibilidade de violação CP em neutrinos, é tão importante: só ela pode ser a chave para um dos grandes mistérios não resolvidos do cosmos.

O que é δ?

O símbolo δ é usado na matemática das oscilações de neutrinos para descrever a parte da oscilação que é violada no CP: ele provoca uma alteração do sinal entre neutrinos e antineutrinos, e, por conseguinte, faz com que eles se comportem de maneira diferente nas oscilações. A violação CP observável exige a existência de três tipos distintos de oscilação, com três ângulos de mistura distintos e diferentes de zero. É por isso que a observação de um valor diferente de zero para o terceiro ângulo de mistura θ13 é uma descoberta tão importante.

Conheça 10 grandes mistérios das estrelas que os cientistas ainda não conseguiram explicar.

Foto: ESO. Acknowledgement: ESO Imaging Survey

Foto: NAOJ/Subaru

Foto: NASA / Hubble

 

 

Veja as imagens e os 10 mistérios das estrelas !!!

 

A ESTRELA QUE NÃO DEVERIA EXISTIR – A ‘SDSS J102915 +172927’ foi descoberta em 2011. Localizada na constelação de Leão, é uma estrela pequena (com aproximadamente 80% do tamanho do Sol) e muito antiga – tem 13 bilhões de anos – quase a idade do Universo! Mas por que ela não deveria existir? Porque sua composição é raríssima: 99,9993% de Hélio e Hidrogênio. Estes dois elementos são muito leves se condensarem e formarem uma estrela. Cientistas já fizeram testes em computadores, mas não chegaram nem perto de uma conclusão sobre o mistério.

MISTERIOSA POEIRA DE ESTRELAS – ‘PSR B1257 +12’ é o que restou da explosão de uma supernova. O interessante é que cientistas encontraram planetas orbitando a poeira. Como a explosão da supernova não mandou os planetas para longe (ou os destruiu) e como os gases e a poeira de ‘PSR B1257 +12’ conseguiram retornar a um ponto inicial, ninguém sabe explicar.

 

A ESTRANHA – ‘V838 Monocerotis’ é uma hipergigante vermelha, localizada na constelação de Monoceros, é uma das mais brilhantes da Via Láctea. No entanto, em 2002, o brilho da estrela desapareceu repentinamente. Os cientistas então a classificaram como uma simples ‘nova’ – uma designação par o núcleo restante de uma estrela morta, chamada de anã branca. Mas, um mês depois, a estrela voltou a brilhar! Na verdade, V838 não era uma anã branca. Ela só havia entrado em erupção por si mesma. Inclusive, outras erupções ocorreram nos próximos meses. Após este processo, o telescópio Hubble capturou esta imagem que mostra uma nuvem de gás e detritos em volta da estrela.

A POEIRA DESAPARECIDA – ‘TYC 8241 2652’ tem praticamente o mesmo tamanho do Sol e está localizada a 450 anos-luz da constelação de Centauro. Entre 1983 e 2008, cientistas estudaram o anel de poeira que circundava a estrela para compreender mais a respeito da formação de um sistema solar. Mas, em 2009, houve uma surpresa: o anel de poeira desapareceu! Não havia mais nenhum sinal da poeira! Nenhum cientista sabe explicar o fenômeno.

O ÓRFÃO – ‘CFBDSIR 2149’ é uma anã marrom, ou uma estrela fracassada, que não conseguiu iniciar o processo de fusão de hidrogênio em seu núcleo. Por possuir grande massa e volume, alguns cientistas, não a classificam como estrela, mas como um planeta gigante gasoso. Desta forma, ele seria um planeta errante, pois não orbita nenhuma estrela. Somente outros três corpos foram categorizados com este comportamento.

A ESTRELA QUE NÃO ENGOLIU O PLANETA – ‘Wasp 18’ está localizada há 330 anos-luz da constelação de Fênix e tem 25% mais massa do que o nosso Sol. Em 2009, cientistas da Universidade Keele descobriram que um planeta um pouco maior do que Júpiter orbita Wasp, mesmo estando a apenas 3 milhões de quilômetros de distância. O planeta está tão próximo da estrela que sua translação dura apenas 23 horas e sua temperatura chega a 2200 graus Celsius! Ainda não se sabe explicar porque o planeta não foi engolido por Wasp 18.

A ESTRELA RODEADA DE ESPIRAIS – Em 2011, astrônomos descobriram que existem espirais em volta de ‘ SAO 206462’. A estrela, localizada na constelação de Lupus, é única por causa desta formação peculiar. Ainda não existe uma explicação certeira sobre o fenômeno, mas cientistas afirmam que pode ser causado pela influência gravitacional de planetas próximos.

A ESTRELA ETERNAMENTE JOVEM – As estrelas do aglomerado ‘Messier 4’, localizadas na constelação de Escorpião, são muito antigas, com mais de 12,2 bilhões de anos. No entanto, lá está uma estrela composta basicamente de Lítio! O que há de estranho nisso? Bem, o Lítio geralmente desaparece nos primeiros bilhões de anos do ciclo de vida de uma estrela. De alguma forma, umas das estrelas conseguiu uma forma de repor o Lítio, mantendo-se eternamente jovem. Como isso aconteceu ainda é um mistério.

A ESTRELA AMBÍGUA – ‘Swift J1822.3-1606’, localizada na constelação de Ophiuchus, é uma estrela de nêutrons bastante peculiar. Geralmente, estrelas de nêutrons são magnetares (com alto campo gravitacional) ou pulsares (com alta velocidade de rotação). Já Swift apresenta ambos os comportamentos!

 

AS ESTRELAS SOBREVIVENTES – No centro da galáxia de Andrômeda, há um buraco negro supermaciço tão gigantesco que nem a luz pode escapar de sua força. Mas, em 2005, cientistas descobriram milhões de jovens estrelas azuis que estão vagando ao redor do buraco negro. Ninguém sabe explicar como elas não foram sugadas.

Cadê o aquífero Guarani ?

Que fim levou o Aquífero Guarani, o super reservatório de água brasileiro?

Curupira_vista_do_alto

“Onde foi parar o Aquífero Guarani quando a gente mais precisa dele?” Essa foi a pergunta que um amigo me mandou, um mês atrás, quando o Gizmodo publicou uma reportagem em parceria com o TAB UOL sobre a crise hídrica em São Paulo (se você não sabe do que estou falando, dê uma olhada aqui). Pois é. Há dois grupos de pessoas obcecadas com o Aquífero Guarani: os estudantes de ensino médio e as pessoas acima de 35 anos.

Os estudantes de ensino médio sabem que, uma hora, o Aquífero Guarani vai cair no vestibular. E o vestibular é feito, basicamente, por pessoas com mais de 35 anos que passaram os últimos anos da década de 90 e os primeiros dos anos 2000 ouvindo sobre as maravilhas do Aquífero Guarani. Ele seria mais uma prova de que o Brasil (e seus vizinhos) foram agraciados pela mãe natureza com aquele carinho de quem leva leite na cama para você dormir mais tranquilo toda noite (mesmo quando você é casado e tem filhos).

Mas… o que raios mesmo é o Aquífero Guarani e qual o papel dele na atual (e talvez nas futuras) crises de falta de água? Aos fatos, senhoras e senhores. Porque você que não é estudante de ensino médio e tem menos de 35 anos também vai gostar de saber algumas coisas.

O que é o Aquífero Guarani?

Ele é uma gigantesca caixa d’água subterrânea que se espalha por um milhão de quilômetros quadrados em quatro países: Argentina, Brasil, Paraguai e Uruguai. É grande, muito grande. O território que ele ocupa é equivalente a duas Franças (sem baguete, queijo e vinho – e você não o vê mesmo, já que ele escondidinho debaixo da terra).

Sua capacidade também é impressionante. Ele tem 37 mil quilômetros cúbicos de água. O quanto é isso em número de gente? Um quilômetro cúbico é equivalente a um trilhão de litros de água. Então, vem comigo. Respire fundo.

O Aquífero Guarani tem 37 mil vezes um trilhão de litros de água. Para um ser humano normal, é praticamente impossível captar a magnitude disso. Mas talvez ajude dizendo que o Aquífero Guarani tem (pausa dramática)…

… a capacidade de 40 mil sistemas cantareiras. Dá para abastecer a população mundial, com muitas sobras.

E por que ele não é usado QUANDO A GENTE MAIS PRECISA DELE?

É hora de derrubar algumas premissas. Ele é usado, sim. No Estado de São Paulo, por exemplo,  65% das cidades são abastecidas com águas subterrâneas (inclusive do Aquífero).  Várias cidades do interior de São Paulo, como Ribeirão Preto, já usam os recursos do Aquífero. É por isso que a seca nessas regiões, embora severa, não teve um impacto gigantesco.

Só que há alguns problemas em usar o aquífero. Primeiro que a água não pertence a apenas um país, mas a quatro. Tem de ter muita cautela. Se você tirar muito aqui, a Argentina vai reclamar (com razão). Afinal, a água não fica parada. Ela vai e vem, vai e vem, se movimentando com aquele balanço gostoso das profundezas da terra.

Por isso, a exploração do Aquífero precisa ser coordenada entre os quatro países, o que não é muito fácil. Houve avanços relevantes nos anos 2000, com acordos bem importantes assinados. Mas, você sabe, o acordo é só o começo de alguma coisa. O que pega é a aplicação.

São países com água, empresas que tiram água, empresas e pessoas que precisam de água. Além disso, em alguns países a água subterrânea não está sob administração nacional, mas dos Estados. É muita gente envolvida. Não estamos falando de biribinha, mas daquele líquido que nos permite viver de boas nesse planeta.

Aquiferoguarani

Olha o nosso Aquífero, que bonitinho, todo cheio de pixels

A segunda é que nem sempre é fácil tirar essa água. A imagem de caixa d’água ajuda a entender o que o Aquífero é, mas também engana.  O reservatório não é uma obra de engenharia, mas um buraco irregular cheio de água embaixo da terra. Como engenheiros, geógrafos e mais um monte de gente não se cansam de dizer, não basta ter o recurso: é preciso conseguir explorá-lo e saber usá-lo. Isso serve tanto para água quanto para petróleo (embora água seja muito mais importante que petróleo). Por isso que há projetos pilotos em andamento, nos países onde ele está, para pesquisar mais o aquífero e entender o quanto ele pode ser usado. São Paulo, de certa forma, faz parte dessa iniciativa.

Apesar desses obstáculos, o Aquífero já vem sendo utilizado – como eu falei, uma parte do interior de São Paulo já o usa legalmente. Atenção para o legalmente, porque isso tem a ver com o próximo ponto.

Posso abrir um poço de água e usar minha cota do Aquífero?

Não. Poço artesiano é coisa séria. Imagine se todo mundo sair por aí abrindo poço de água. Primeiro, nem toda a água do Aquífero tem a mesma qualidade. Segundo que um poço não é só um ponto de extração de água – também é mais um ponto em que a água debaixo da terra entra em contato com o mundão daqui de cima. E aí é que mora o perigo.

O Aquífero Guarani é abastecido por chuvas. Essa chuva entra por fendas na terra, por fendas em lagos, por rios. Ele tem vários pontos de entrada — por isso que ficou tão grande (tem a ver com tipos de rochas também, mas isso é papo de geólogo e, confesso, ainda não cheguei naquele nível de admirar a beleza de uma rocha. Mas eu chego lá um dia, espero).

Em algumas regiões do interior de São Paulo, já há suspeitas de contaminação em trechos do aquífero por defensivos agrícolas. Nada sério — mas pode ficar sério. Afinal, são muitos pontos de entrada.

Por isso que os governos entram no jogo. Eu sei, eu sei. A gente anda de bode com TODO E QUALQUER GOVERNO (com alguma razão). Mas algumas coisas não tem jeito mesmo. O governo precisa regular a exploração para que esse enorme potencial não se esvaia por ai.

Você pode falar com a empresa de água que abastece sua cidade e se informar sobre como abrir um poço. Há várias por aí – e a Sabesp, a mais famosa, é apenas uma delas. Ribeirão Preto, por exemplo, tem sua própria companhia de abastecimento de água. Campinas também.

Se quiser abrir um poço, faça a coisa certa. Se informe sobre como fazer e deixe tudo regularizado. E, se os governos aprontarem, coloque a boca no mundo. Governos não podem brincar com água. Se tem um lado bom dessa crise é, que finalmente, estamos levando a menina água a sério.

Imagem de capa: Parque Curupira, em Ribeirão Preto (Leandro Maranghetti Lourenço/Wikipedia)

O Paradoxo de Fermi: onde é que estão as outras Terras?

Por: Tim Urban

The Fermi Paradox (1)

Quando você está em algum lugar propício para admirar as estrelas, e se a noite estiver especialmente boa para vê-las, é incrível olhar para cima e se deparar com algo semelhante à imagem acima.

Algumas pessoas ficam impressionadas pela beleza do céu, ou se deslumbram com a vastidão do universo. No meu caso, eu passo por uma leve crise existencial, e depois ajo bem estranhamente por meia hora. Cada um reage de um jeito diferente.

O físico Enrico Fermi também reagia diferente, e se perguntou: “cadê todo mundo?”

Os números

Um céu estrelado parece imenso, mas tudo o que estamos vendo é a nossa vizinhança. Nas melhores noites estreladas, nós podemos ver até 2.500 estrelas (mais ou menos um centésimo de milionésimo do total de estrelas em nossa galáxia). Quase todas estão a menos de mil anos-luz de nós (ou 1% do diâmetro da Via Láctea). Então, na verdade estamos olhando para isto:

Divulgação

Nosso céu noturno é formado por uma pequena parte das estrelas próximas e mais brilhantes dentro do círculo vermelho.

Quando somos confrontados com o assunto de estrelas e galáxias, uma questão que atormenta a maior parte dos humanos é: “há vida inteligente lá fora?” Vamos colocar alguns números nessa questão; se você não gosta de números, pode ler só o negrito.

Nossa galáxia tem entre 100 bilhões e 400 bilhões de estrelas; no entanto, este é quase o mesmo número de galáxias no universo observável. Então, para cada estrela da imensa Via Láctea, há uma galáxia inteira lá fora. No total, existem entre 10^22 e 10^24 estrelas no universo. Isso significa que para cada grão de areia na Terra, há 10.000 estrelas no universo.

O mundo da ciência não está em total acordo sobre qual porcentagem dessas estrelas são parecidas com o Sol (similares em tamanho, temperatura e luminosidade). As opiniões tipicamente vão de 5% a 20%. Indo pela mais conservadora (5%) e o número mais baixo na estimativa total de estrelas (10^22), isso nos dá 500 quintilhões, ou 500 bilhões de bilhões de estrelas similares ao Sol.

Também há um debate sobre qual porcentagem dessas estrelas similares ao Sol poderiam ser orbitadas por planetas similares a Terra (com condições parecidas de temperatura, que poderiam ter água líquida e que poderia sustentar vida similar à da Terra). Alguns dizem que é até 50%, mas vamos ficar com os conservadores 22% que apareceram em um recente estudo no PNAS. Isso sugere que há um planeta similar à Terra, potencialmente habitável, orbitando pelo menos 1% do total de estrelas do universo: um total de 100 bilhões de bilhões de planetas similares à Terra.

Então existem 100 planetas parecidos com a Terra para cada grão de areia do mundo. Pense nisso na próxima vez que for à praia.

Daqui para a frente, nós não temos outra escolha senão sermos especulativos. Vamos imaginar que, depois de bilhões de anos de existência, 1% dos planetas parecidos com a Terra tenham desenvolvido vida (se isso for verdade, cada grão de areia representaria um planeta com vida). E imagine que em 1% desses planetas avance até o nível da vida inteligente, como aconteceu na Terra. Isso significaria que teríamos 10 quatrilhões, ou 10 milhões de bilhões de civilizações inteligentes no universo observável.

Voltando para a nossa galáxia e fazendo as mesmas contas usando a estimativa mais baixa de estrelas na Via Láctea, estimamos que existem 1 bilhão de planetas similares à Terra, e 100 mil civilizações inteligentes na nossa galáxia. (A Equação de Drake traz um método formal para esse processo limitado que estamos fazendo).

A SETI (Busca por Inteligência Extraterrestre, na sigla em inglês) é uma organização dedicada a ouvir sinais de outras vidas inteligentes. Se nós estivermos certos e houver 100 mil ou mais civilizações inteligentes na nossa galáxia, uma fração delas estaria emitindo ondas de rádio, ou raios laser, ou qualquer coisa para realizar contato. Então os satélites da SETI deveria estar recebendo sinais de todo tipo, certo?

Mas não está. Nunca recebeu.

Cadê todo mundo?

Tipos de civilização

E tudo fica mais estranho. Nosso Sol é relativamente jovem em relação ao universo. Há estrelas muito mais velhas, com planetas muito mais velhos e semelhantes à Terra, o que em teoria representaria civilizações muito mais avançadas que a nossa. Por exemplo, vamos comparar nossa Terra de 4,54 bilhões de anos com um hipotético planeta X, com seus 8 bilhões de anos.

Divulgação

Se o planeta X tiver uma história similar a da Terra, vamos olhar para onde sua civilização estaria hoje:

DivulgaçãoHoje, o Planeta X estaria a 3,46 bilhões de anos de desenvolvimento além do que temos hoje.

A tecnologia e o conhecimento de uma civilização mil anos à nossa frente poderia ser tão chocante quanto nosso mundo seria para uma pessoa medieval. Uma civilização um milhão de anos à frente poderia ser tão incompreensível para nós quanto a cultura humana é para chimpanzés. E o planeta X está a 3.4 bilhões de anos à frente de nós…

Existe algo chamado de Escala Kardashev, que nos ajuda a agrupar civilizações inteligentes em três grandes categorias, de acordo com a quantidade de energia que usam:

  • uma Civilização Tipo I tem a habilidade de usar toda a energia de seu planeta. Nós não somos exatamente uma Civilização Tipo I, mas estamos perto (Carl Sagan criou uma fórmula para essa escala que nos coloca como uma Civilização Tipo 0,7);
  • uma Civilização Tipo II pode colher toda a energia de seu sistema solar. Nosso débil cérebro Tipo I mal consegue imaginar como alguém faria isso, mas nós tentamos nosso melhor, imaginando coisas como a Esfera de Dyson.
  • uma Civilização Tipo III ultrapassa fácil as outras duas, acessando poder comparável ao da Via Láctea inteira.

Se esse nível de avanço parece difícil de acreditar, lembre-se do planeta X e de seus 3,4 bilhões de anos de desenvolvimento além do nosso (cerca de meio milhão de vezes mais do que o tempo que a raça humana existe). Se uma civilização no planeta X for similar à nossa e foi capaz de sobreviver até chegar no Tipo III, é natural pensar que a essa altura eles provavelmente já dominaram a viagem interestelar, possivelmente até mesmo colonizando a galáxia inteira.

Como essa colonização galáctica teria acontecido? Uma hipótese: cria-se um maquinário que pode viajar para outros planetas, passam-se uns 500 anos se auto-replicando usando os materiais que encontrarem no novo planeta, e então enviam-se duas réplicas para fazerem a mesma coisa.

Mesmo sem alcançar nada perto da velocidade da luz, esse processo colonizaria a galáxia inteira em 3,75 milhões de anos, relativamente um piscar de olhos quando estamos falando de uma escala de bilhões de anos:

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Nesta evolução exponencial, a galáxia estaria completamente colonizada em 3,75 milhões de anos. Fonte: J. Schombert, U. Oregon

Continuando a especular, se 1% da vida inteligente sobreviver tempo suficiente para se tornar uma colonizadora de galáxias Civilização Tipo III em potencial, nossos cálculos acima sugerem que haveriam mil Civilizações Tipo III só em nossa galáxia. Dado o poder de tal civilização, sua presença provavelmente seria fácil de se notar. E, ainda assim, nós não vemos nada, não ouvimos nada e não fomos visitados por ninguém.

Então cadê todo mundo?

Sejam bem-vindos ao Paradoxo de Fermi.

Ainda não há uma resposta para o Paradoxo de Fermi. O melhor que podemos fazer é conseguir “explicações possíveis”. E se você perguntar a dez cientistas diferentes qual o palpite deles sobre a explicação correta, você terá dez respostas diferentes. Sabe quando humanos de antigamente discutiam se a Terra era redonda, ou se o Sol girava em torno da Terra, ou achavam que os raios aconteciam por causa de Zeus? Por isso, hoje eles parecem primitivos e ignorantes; no entanto, esse é mais ou menos o ponto em que estamos neste assunto.

Ao analisar as hipóteses mais discutidas sobre o Paradoxo de Fermi, vamos dividi-las em duas grandes categorias: as explicações que supõem que não há sinal de Civilizações Tipo II e III porque elas não existem; e as explicações que sugerem que elas estão lá, só que não estamos vendo ou ouvindo nada por outros motivos.

Grupo 1 de Explicações: não há sinais de civilizações superiores (Tipos II e III) porque elas não existem.

Aqueles que acreditam em explicações do Grupo 1 recusam qualquer teoria do tipo “existem civilizações maiores, mas nenhuma delas fez qualquer tipo de contato conosco porque todas _____”. O pessoal do Grupo 1 vê os números, entende que deveria haver milhares (ou milhões) de civilizações superiores, e intui que pelo menos uma delas deveria ser a exceção à regra. Mesmo se uma teoria abarcasse 99,99% das civilizações superiores, o 0,001% restante se comportaria de alguma outra forma e nós perceberíamos sua existência.

Por isso, dizem as explicações do Grupo 1, não entramos em contato com civilizações superavançadas porque porque não existem. Como a matemática sugere que existem milhares delas só na nossa galáxia, alguma outra coisa deve estar acontecendo.

Essa “outra coisa” é o Grande Filtro.

A teoria do Grande Filtro diz que, em algum ponto entre o início da vida e a inteligência Tipo III, há uma barreira. Há algum estágio naquele longo processo evolucionário que é improvável ou impossível de ser atravessado pela vida. Esse estágio é chamado de O Grande Filtro.

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As linhas amarelas mostram saltos evolucionários comuns de serem alcançados. A linha vermelha é o Grande Filtro. A linha verde representa uma espécie que, passando por eventos extraordinários, consegue ultrapassar o Grande Filtro.

Se essa teoria for real, a grande questão é: quando acontece o Grande Filtro na linha do tempo?

Acontece que, quando o assunto é o destino da humanidade, essa questão é muito importante. Dependendo de quando O Grande Filtro ocorre, sobram para nós três possíveis realidades: nós somos raros; nós somos os primeiros; ou nós estamos ferrados.

1. Nós somos raros (já passamos do Grande Filtro)

Uma esperança é que já tenhamos passado do Grande Filtro. Nós conseguimos atravessá-lo, portanto é extremamente raro que a vida alcance nosso nível de inteligência. O diagrama abaixo mostra apenas duas espécies passando por ele; nós somos uma delas.

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Esse cenário explicaria por que não existem Civilizações Tipo III… mas isso também poderia significar que nós podemos ser uma das exceções, já que chegamos até aqui. Isso significaria que há esperança para nós. Superficialmente, isso parece com as pessoas de meio século atrás, sugerindo que a Terra é o centro do universo. Sugere que nós somos especiais.

Mas se nós somos especiais, quando exatamente nos tornamos especiais? Isto é, qual passo nós superamos, apesar de quase todo mundo ficar preso nele?

Uma possibilidade: o Grande Filtro pode estar no comecinho de tudo; pode ser incrivelmente raro que a vida comece. Esse é um candidato porque demorou um bilhão de anos para a vida na Terra finalmente acontecer, e porque nós tentamos exaustivamente replicar esse evento em laboratórios e jamais conseguimos. Se este é mesmo o Grande Filtro, isso significaria que não deve existir vida inteligente lá fora – pode simplesmente não haver vida.

Outra possibilidade: o Grande Filtro pode ser o salto de células procariontes simples para células eucariontes complexas. Após o surgimento das procariontes, elas permaneceram dessa forma por quase dois milhões de anos antes de darem o salto evolucionário para se tornarem complexas e ganharem um núcleo. Se esse é o Grande Filtro, isso significaria que o universo está repleto de células procariontes simples e quase nada além disso.

Há outras possibilidades. Alguns acham até que nosso salto evolucionário mais recente, alcançando nossa inteligência atual, é um candidato a Grande Filtro. Ainda que o salto de vida semi-inteligente (chimpanzés) até a vida inteligente (humanos) a princípio não pareça um passo miraculoso, Steven Pinker rejeita a ideia de que a “escalada ascendente” da evolução seja inevitável:

Uma vez que a evolução apenas acontece, sem ter um objetivo, ela usa a adaptação mais útil para um certo nicho ecológico. O fato que, na Terra, até hoje isso levou a inteligência tecnológica apenas uma vez, pode sugerir que essa consequência da seleção natural é rara e, consequentemente, não é um desenvolvimento infalível da evolução de uma árvore da vida.

A maioria dos saltos não se qualifica como candidatos a Grande Filtro. Qualquer Grande Filtro possível deve ser algo que só acontece uma vez em um bilhão, onde uma ou mais anomalias devem ocorrer para proporcionar uma enorme exceção.

Por esse motivo, algo como pular de uma vida unicelular para uma multicelular está fora de questão como filtro, porque isso aconteceu pelo menos 46 vezes em incidentes isolados, só no nosso planeta. Pela mesma razão, se nós encontrarmos uma célula eucarionte fossilizada em Marte, ela iria tirar o salto “de-célula-simples-para-complexa” da lista de possíveis Grandes Filtros (assim como qualquer outra coisa que esteja antes desse ponto na cadeia evolucionária). Se isso aconteceu tanto na Terra quanto em Marte, claramente não é uma anomalia.

Se nós formos mesmo raros, isso pode ser por causa de um acidente biológico, mas isso também pode ser atribuído ao que se chama de Hipótese da Terra Rara. Ela sugere que, ainda que existam muitos planetas similares a Terra, as condições particulares do nosso planeta o tornam tão conveniente à vida — sejam as relacionadas a seu sistema solar, seu relacionamento com a Lua (uma lua tão grande é incomum para um planeta tão pequeno, contribuindo para as condições peculiares de nosso clima e nosso oceano), ou algo sobre o planeta em si.

2. Nós somos os primeiros

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A civilização humana é representada pela linha laranja.

Para pensadores do Grupo 1, se já não tivermos passado pelo Grande Filtro, nossa única esperança é que, do Big Bang até hoje, as condições no universo estão alcançando um nível que permita o desenvolvimento de vida inteligente. Nesse caso, nós podemos estar a caminho da super inteligência, mas isso ainda não aconteceu. Por acaso, nós estaríamos na hora certa para nos tornarmos uma das primeiras civilizações super inteligentes.

Um exemplo de um fenômeno que poderia tornar isso realístico é o predomínio de explosões de raios gama, detonações absurdamente imensas que observamos em galáxias distantes. Levou algumas centenas de milhões de anos para que os asteróides e vulcões se acalmassem e a vida se tornasse possível.

Da mesma forma, pode ser que o começo das existências no universo esteja cheio de eventos cataclísmicos, como explosões de raios gama que incinerariam tudo à sua volta de tempos em tempos, evitando que qualquer vida se desenvolva a partir de um certo estágio. Talvez estejamos agora no meio de uma fase de transição astrobiológica, e essa seja a primeira vez que qualquer vida tenha sido capaz de se desenvolver ininterruptamente por tanto tempo.

3. Nós estamos ferrados (o Grande Filtro está chegando)

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O Grande Filtro é representado pela linha vermelha.

Se nós não somos nem raros nem pioneiros, os pensadores do Grupo 1 concluem que O Grande Filtro deve estar no nosso futuro. Isso implicaria que a vida frequentemente evolui até onde estamos, mas alguma coisa impede, em quase todos os casos, que a vida vá muito adiante e alcance a inteligência avançada — e dificilmente nós seremos uma exceção.

Um possível Grande Filtro seria algum evento cataclísmico que ocorra regularmente, como as já mencionadas explosões de raio gama. Só que ela ainda não teria ocorrido e, infelizmente, é uma questão de tempo até que ela acabe com toda a vida na Terra. Outra candidata é a destruição possivelmente inevitável que quase todas as civilizações inteligentes acabariam trazendo para si mesmas, uma vez atingido certo nível de tecnologia.

É por isso que o filósofo Nock Bostrom, da Universidade de Oxford, diz que “boa novidade é não haver novidade“. Se descobrirem vida em Marte, mesmo que simples, isso seria devastador, porque eliminaria diversos potenciais Grandes Filtros no passado. E se encontrarmos fósseis de vida complexa em Marte, Bostrom diz que “seria a pior notícia já impressa em uma primeira página de jornal”, porque significaria que o Grande Filtro está quase que definitivamente à nossa frente, condenando toda nossa espécie de uma vez. Bostrom acredita que, quando se trata do Paradoxo de Fermi, “o silêncio do céu noturno é ouro”.

Grupo 2 de Explicações: civilizações inteligentes dos Tipos I e II existem, mas há razões lógicas para que não tenhamos ouvido falar delas.

As explicações do Grupo 2 abandonam qualquer ideia de que nós somos raros, especiais ou qualquer coisa parecida. Pelo contrário, elas acreditam no Princípio da Mediocridade: ou seja, até que se prove o contrário, não há nada de especial ou incomum em nossa galáxia, sistema solar, planeta ou nível de inteligência. Além disso, elas são mais cautelosas antes de assumir que, se não há evidências de uma inteligência superior, ela não existe. Elas enfatizam o fato de nossas buscas por sinais só alcançarem mais ou menos até 100 anos-luz de nós (0,1% da galáxia) e só terem ocorrido há menos de uma década, o que é pouquíssimo tempo.

Pensadores do Grupo 2 têm uma ampla gama de possíveis explicações para o Paradoxo de Fermi. A seguir, eis as nove mais discutidas:

Possibilidade 1: a vida superinteligente pode ter visitado a Terra antes de estarmos aqui. Humanos sencientes só estão por aí há uns 50 mil anos, um piscar de olhos se comparado à existência do universo. Se o contato ocorreu antes disso, deve ter assustado alguns patos e só. Além disso, nossa história documentada só vai até uns 5.500 anos atrás. Por isso, talvez tribos humanas de caçadores-coletores pode ter passado por algumas experiências loucas com aliens, mas não tinham como contá-las para as pessoas do futuro.

Possibilidade 2: a galáxia foi colonizada, mas nós moramos em uma área despovoada. As Américas podem ter sido colonizadas pelos europeus muito antes de qualquer um daquela pequena tribo Inuit ao norte do Canadá ter percebido o ocorrido. Pode haver um elemento de urbanização nas moradias estelares das espécies mais avançadas: todos os sistemas solares de uma certa área são colonizados e estão em comunicação, mas seria pouco prático e inútil pra qualquer um deles vir até o canto distante e aleatório em que vivemos.

Possibilidade 3: todo o conceito de colonização física é comicamente atrasado para uma espécie mais avançada. Uma Civilização Tipo II consegue usar toda a energia de sua estrela. Com toda essa energia, eles podem ter criado um ambiente perfeito para eles, satisfazendo todas as suas necessidades. Eles podem ter meios hiperavançados de reduzir a necessidade de recursos, e interesse zero em deixar sua utopia feliz para explorar um universo frio, vazio e pouco desenvolvido.

Uma civilização ainda mais avançada poderia ver todo o mundo físico como um lugar horrivelmente primitivo, tendo há muito dominado sua própria biologia e feito upload de seus cérebros para uma realidade virtual, um paraíso da vida eterna. Viver em um mundo físico de biologia, morte, desejos e necessidades pode soar para eles da mesma forma como nos soam as espécies primitivas vivendo no oceano escuro e gelado.

Possibilidade 4: há civilizações predatórias e assustadoras lá fora, e as formas de vida mais inteligentes sabem que não devem transmitir sinais e divulgar sua localização. Essa é uma ideia desagradável, mas que ajudaria explicar a falta de sinais recebidos pelos satélites SETI. Ela também significaria que, ao transmitir nossos sinais lá pra fora, estamos sendo novatos inocentes e descuidados. Há um debate envolvendo METI (Mensagem às Inteligências Extraterrestes na sigla em inglês; o inverso de SETI, que só escuta). Basicamente, deveríamos mesmo enviar mensagens para o universo? A maioria das pessoas diz que não.

Stephen Hawking adverte: “se aliens nos visitarem, o resultado pode ser parecido com a chegada de Colombo nas Américas, que não terminou bem para os nativos”. Mesmo Carl Sagan, que geralmente acredita que qualquer civilização avançada o bastante para viagens interestelares seria altruísta, não hostil, diz que a prática de METI é “profundamente imprudente e imatura“, e recomendou que “as crianças mais novas de um cosmo estranho e incerto deveriam ouvir em silêncio por um longo tempo, aprendendo pacientemente e tomando notas sobre o universo, antes de gritar para uma selva desconhecida que não conseguimos compreender”. Assustador.

Possibilidade 5: existe apenas uma única inteligência superior, uma civilização “superpredadora” (mais ou menos como os humanos aqui na Terra) que é muito mais avançada que todas as outras e mantém as coisas assim, exterminando qualquer civilização que ultrapasse um certo nível de inteligência. Isso seria um saco. Poderia funcionar se o extermínio de todas as inteligências emergentes fosse um desperdício de recursos, já que a maioria se mata sozinha. Mas, ultrapassado um certo ponto, esses super seres agiriam porque, para eles, uma espécie inteligente emergente se tornaria um vírus, conforme começasse a crescer e se expandir. Essa teoria sugere que a vitória é de quem foi o primeiro a alcançar a inteligência superior. Ninguém mais tem chance. Isso explicaria a falta de atividade lá fora, porque o número de civilizações superinteligentes seria 1.

Possibilidade 6: há muito barulho e atividade lá fora, mas nossas tecnologias são muito primitivas e nós estamos procurando pelas coisas erradas. É como entrar em um prédio de escritórios, ligar um walkie-talkie (que ninguém mais usa) e, ao não ouvir nada, concluir que o prédio está vazio. Ou talvez, como apontou Carl Sagan, pode ser que nossas mentes trabalhem exponencialmente mais rápido ou mais lentamente do que a de qualquer outra forma de vida lá fora. Ou seja, eles levam 12 anos pra dizer “oi” e, quando nós ouvimos essa comunicação, isso parece apenas ruído.

Possibilidade 7: civilizações mais avançadas sabem sobre nós e estão nos observando, mas se ocultam de nós (a “Hipótese do Zoológico”). Até onde sabemos, civilizações super inteligentes existem em uma galáxia controlada rigidamente, e nossa Terra é tratada como parte de um safári amplo e protegido, e planetas como o nosso estão sob uma estrita regra de “olhe, mas não toque”. Nós não estamos cientes deles porque, se uma espécie muito mais inteligente quisesse nos observar, ela saberia como fazer isso sem nos deixar saber. Talvez haja uma regra similar à “Primeira Diretriz” de Jornada nas Estrelas, que proíbe seres super inteligentes de fazerem qualquer contato aberto com espécies inferiores como a nossa, ou de se revelarem de qualquer forma, até que a espécie inferior alcance um certo nível de inteligência.

Possibilidade 8: civilizações superiores existem à nossa volta, mas somos primitivos demais para percebê-las. Michio Kaku resumiu isso assim:

Digamos que há um formigueiro no meio da floresta. Ao lado do formigueiro, estão construindo uma super autoestrada de dez faixas. E a questão é, “as formigas seriam capazes de entender o que é uma super autoestrada de dez faixas? Elas seriam capazes de entender a tecnologia e as intenções dos seres construindo a autoestrada a seu lado?”

Então não é que, usando nossa tecnologia, não sejamos capazes de receber os sinais do planeta X. É que nós não conseguimos sequer entender o que são os seres do planeta X, ou o que eles estão tentando fazer. É tão além de nós que mesmo se eles quisessem nos esclarecer, seria como tentar ensinar às formigas sobre a internet.

Seguindo essa linha, essa pode ser uma resposta para “se existem tantas exuberantes Civilizações Tipo III, por que ainda não entraram em contato conosco?”. Para responder isso, vamos nos perguntar: quando Pizarro chegou ao Peru, ele parou um tempo em um formigueiro e tentou se comunicar com ele? Ele foi magnânimo, tentando ajudar as formigas? Ele foi hostil e atrasou sua missão original só para esmagar e destruir o formigueiro? Ou, para Pizarro, o formigueiro era completa e absoluta e eternamente irrelevante? Essa pode ser a nossa situação nesse caso.

Possibilidade 9: nós estamos completamente enganados sobre nossa realidade. Há muitas maneiras pelas quais nós podemos estar totalmente iludidos em tudo que pensamos. O universo pode parecer ser de um jeito e ser de outro completamente diferente, como um holograma. Ou talvez nós sejamos os alienígenas e fomos plantados aqui como um experimento. Há até mesmo a chance de que sejamos parte de uma simulação de computador de algum pesquisador de outro mundo, e outras formas de vida simplesmente não foram programadas na simulação.

Conclusão

Conforme continuamos em nossa possivelmente inútil busca por inteligência extraterrestre, eu não tenho certeza o que queremos encontrar. Francamente, tanto faz saber se estamos oficialmente sozinhos no universo ou se estamos oficialmente na companhia de outros, ambas são opções assustadoras. É um tema recorrente em todos os enredos surreais acima: qualquer que seja a verdade, ela é de enlouquecer.

Além de seu chocante ingrediente de ficção científica, o Paradoxo de Fermi também me deixa profundamente humilde. Não só lembra que sou microscópico e minha existência dura uns três segundos, algo que me vem à cabeça sempre que penso sobre o universo. O Paradoxo de Fermi traz à tona uma humildade mais mordaz, mais pessoal, do tipo que só acontece depois de passar horas de pesquisa ouvindo os mais renomados cientistas de nossa espécie apresentando as teorias mais insanas, mudando de ideia e contradizendo um ao outro freneticamente. Ele nos faz lembrar que as futuras gerações olharão para nós da mesma forma que nós olhamos para os antigos, que tinham certeza que as estrelas estavam sob o domo do céu; no futuro, lembrarão de nós dizendo “uau, eles não tinham ideia nenhuma do que estava acontecendo”.

E ainda temos mais outro golpe à autoestima com todo esse assunto de Civilizações Tipos II e III. Aqui na Terra, nós somos os reis de nosso pequeno castelo, comandando os rumos do planeta mais do que qualquer outra espécie. Nessa bolha, sem competição e sem ninguém para nos julgar, é raro que sejamos confrontados com a ideia de sermos uma espécie inferior a qualquer outra. Mas não somos nem uma Civilização Tipo I!

Dito isso, toda essa discussão é maravilhosa para mim. Sim, tenho minha perspectiva de que a humanidade é uma órfã solitária em uma pequena rocha no meio de um universo solitário. Mas as hipóteses apontam que provavelmente não somos tão espertos como pensamos. Além disso, muito do que temos certeza pode estar errado. Tudo isso me deixa esperançoso em conhecer e descobrir mais, nem que seja um pouquinho, porque existem muito mais coisas do que nós temos consciência.


Este artigo foi republicado com permissão do site WaitButWhy.com. Siga-os no Facebook e no Twitter, e assine a newsletter para receber os posts semanais às terças-feiras.

Foto inicial por Andreas Schönfeld

Aquecimento global antigo foi similar ao atual

Redação do Site Inovação Tecnológica – 22/12/2014

Aquecimento global antigo foi similar ao atual

Testemunhos de sondagem revelam o que aconteceu na Terra durante o Máximo Termal do Paleoceno-Eoceno.[Imagem: Bianca Maibauer/Universidade de Uath]

Notícias boas e ruins

A taxa de emissões de carbono que aqueceu o clima da Terra quase 56 milhões de anos atrás foi muito mais parecida com o aquecimento global verificado agora do que os cientistas calculavam.

Segundo Gabe Bowen e seus colegas da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, o aquecimento global do período Paleoceno-Eoceno envolveu dois “pulsos de carbono” lançados na atmosfera.

E os dois pulsos parecem ter acontecido por eventos “endógenos”, ou seja, de processos do próprio planeta, não envolvendo a queda de asteroides ou cometas.

As causas mais prováveis incluem o derretimento do gelo de metano aprisionado no fundo oceânico – os chamados clatratos – ou a liberação também de metano por um vulcanismo intenso.

Segundo a equipe, isto traz notícias boas e ruins. A boa notícia é que a Terra e a maioria das espécies vivas na época sobreviveu. A má notícia é que levou milênios para que a Terra voltasse ao nível climático anterior.

“Há uma observação positiva na medida que o mundo persistiu, ele não acabou em chamas, ele tem um mecanismo de autocorreção e voltou ao normal sozinho,” disse Bowen. “No entanto, neste caso levou quase 200 mil anos antes que as coisas voltassem ao normal.”

Clima diferente

Porém, Bowen ressalta que, naquela época, o clima global já era muito mais quente do que o atual – não havia, por exemplo, coberturas de gelo nos polos. “Assim, isso aconteceu em um campo de jogo diferente do que temos hoje,” afirmou.

Foi nesta época, por exemplo, que surgiu a maior parte dos mamíferos e que os oceanos adquiriram a acidez que apresentam hoje.

E as coisas parecem ter sido muito mais dramáticas: no chamado Máximo Termal do Paleoceno-Eoceno as temperaturas subiram entre 5 e 8 graus Celsius – atualmente os ambientalistas lutam para limitar o aquecimento global a 2º C.

Aquele aquecimento parece ter sido gerado por duas liberações de carbono, com durações de até 1.500 anos, o que, segundo a equipe, descarta explicações anteriores do impacto de um asteroide ou cometa para justificar o evento.

Regulação natural e intromissão não natural

A equipe chegou a estas conclusões monitorando o registro geológico deixado em nódulos sedimentares de calcário e rochas carbonáticas no estado de Wyoming, nos EUA. Agora os dados precisarão ser confirmados mediante a análise de amostras de mesma idade recolhidas em outras partes do mundo.

Mas a capacidade de recuperação natural do planeta em uma época de mudanças muito mais dramáticas acentua o risco das manipulações climáticas defendidas pela geoengenharia – estudos apontam que essas manipulações podem transformar o aquecimento global em seca global e que, no final das contas, a geoengenharia pode amplificar os efeitos do aquecimento global.

Bibliografia:
Two massive, rapid releases of carbon during the onset of the Palaeocene-Eocene thermal maximum
Gabriel J. Bowen, Bianca J. Maibauer, Mary J. Kraus, Ursula Röhl, Thomas Westerhold, Amy Steimke, Philip D. Gingerich, Scott L. Wing, William C. Clyde
Nature Geoscience
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/ngeo2316

Pentagrafeno: Descoberta nova variante do carbono

Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/02/2015

Pentagrafeno: Descoberta nova variante do carbono

A simulação computacional garante que é possível sintetizar uma camada de átomos de carbono com estruturas de cinco lados. [Imagem: Virginia Commonwealth University]

Pentagrafeno

Uma equipe internacional acaba de descobrir uma variante estrutural do grafeno, batizada por eles de pentagrafeno.

Trata-se de uma folha monoatômica de carbono puro que apresenta uma estrutura pentagonal (5 lados) – o grafeno possui uma estrutura hexagonal (6 lados).

“As três últimas formas de carbono que foram descobertas foram os fulerenos, os nanotubos e o grafeno. O pentagrafeno vai pertencer a esta categoria,” avalia Puru Jena, da Universidade da Virgínia, nos Estados Unidos, que fez a descoberta em conjunto com colegas do Japão e da China.

A equipe simulou em computador a síntese do alótropo do carbono formado apenas por hexágonos. Os resultados sugerem que o material poderá rivalizar com o grafeno, sendo mecanicamente estável, muito forte e termicamente estável até cerca de 1.000º C.

Melhor que o grafeno

A grande vantagem da nova forma de carbono é que o pentagrafeno parece ser semicondutor, considerada a grande deficiência do grafeno para sua aplicação na eletrônica.

Para aplicações estruturais – fibras ultrafortes, por exemplo – o pentagrafeno parece ser melhor, já que, se for esticado, ele se expande nos dois planos, enquanto o grafeno expande-se na direção em que é puxado mas se contrai na perpendicular.

O próximo passo será sintetizar o pentagrafeno na prática e ver se ele realmente se comporta como nas simulações de computador.

“Uma vez que você o fabrique, ele será muito estável. Então a questão se torna, Como fazê-lo? Em nosso artigo nós damos algumas ideias. Neste momento o projeto é teórico, é baseado em modelagem computacional, mas nós acreditamos muito fortemente nessas previsões,” disse Shunhong Zhang, dono do momento eureca da síntese do pentagrafeno.

“E, uma vez que você o tenha fabricado, ele abrirá um ramo totalmente novo na ciência do carbono. Carbono bidimensional feito completamente de pentágonos era totalmente desconhecido até agora,” finalizou ele.

Bibliografia:
Penta-graphene: A new carbon allotrope
Shunhong Zhang, Jian Zhou, Qian Wang, Xiaoshuang Chen, Yoshiyuki Kawazoe, Puru Jena
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: Early Edition
DOI: 10.1073/pnas.1416591112

Espaço: Função de onde, a matemática que virou realidade …

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.

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