Física na Veia!

Arquivo : Einstein

Entenda as ideias de Einstein de uma vez por todas
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

“Einstein – para entender de uma vez” (capa)

 

No primeiro semestre de 2017, o jornalista científico Salvador Nogueira — da Folha de São Paulo e do Mensageiro Sideral (blog e canal no Youtube) — me fez um convite delicioso: fazer, em primeira mão, leitura crítica do seu mais novo (e futuro) livro de divulgação científica que abordaria ninguém menos do que Albert Einstein.

Aceitei de pronto! (Precisa desenhar?!) Por conta da vida corrida de professor, acabei pegando o original em cima da hora. Com pouco tempo, virei um final de semana inteiro debruçado sobre a deliciosa tarefa de ler um texto fluido e sem ‘calculeira’ alguma abordando as ideias de Einstein de uma maneira direta e divertida tal que qualquer pessoa, especialmente as não iniciadas em Física, possa entender de Física sem estresse. Foquei na primeira metade da obra que aborda a Física, mais a minha praia, e já sabendo, segundo o autor, que cosmólogos de respeito estavam fazendo a leitura crítica da segunda parte do livro.

A obra ficou no forno ainda por uns meses. E foi lançada só no final de outubro sob selo da revista Superinteressante da Editora Abril. Portanto, para alegria de quem gosta de divulgação científica, o livro deveria ser encontrado facilmente até mesmo nas pequenas bancas de jornal de esquina. Mas, para a minha frustração, pelo menos por aqui no interior de São Paulo, não a encontrei nem em livrarias maiores!

No final de dezembro, já sem muita esperança de ter um exemplar em mãos, arrisquei e encomendei o livro pela Amazon (www.amazon.com.br) que o vendia  sem prazo definido de entrega, ratificando ser a obra uma mosca branca. Confesso que entrou janeiro de 2018 e até me esqueci da encomenda…

Na semana passada recebi via e-mail alerta da Amazon informando que o livro estava a caminho. E ontem, finalmente, o “Einstein – para entender de uma vez” chegou em casa!

Como já estou em pleno ano letivo, ainda não tive tempo de fazer a tão desejada leitura atenta. Só dei aquela curiosa folheada. A degustação pra valer vai ficar para a semana de Carnaval que para mim será recesso escolar. Portanto, nem sei dizer quantos dos meus tantos pitacos chatos de professor e físico foram aproveitados pelo Salvador. Mas, pelo que vi/li nos originais, recomento a obra sem medo de errar! Vale muito a pena!

Segundo palavras do próprio autor, “o livro busca explicar de forma simples e clara as principais contribuições do grande físico alemão para a ciência, basicamente sedimentando os dois alicerces sobre os quais podemos compreender o Universo: a teoria da relatividade geral e a mecânica quântica”.

 

Abertura do capítulo 6

 

A obra, com 312 páginas e preço de capa de pouco menos de R$ 35,00 (uma bagatela!), está assim organizada:

Introdução: Bem-vindo à mente de Einstein
Capítulo 1: A existência dos átomos
Capítulo 2: A realidade do mundo quântico
Capítulo 3: O espaço e o tempo
Capítulo 4: A equação mais famosa do mundo
Capítulo 5: A gravidade
Capítulo 6: Revoluções tecnológicas
Capítulo 7: A origem do Universo
Capítulo 8: O erro que se revelou um grande acerto
Capítulo 9: Buracos negros
Capítulo 10: Lentes de aumento cósmicas
Capítulo 11: Ondas gravitacionais
Capítulo 12: Mais rápido que a luz
Capítulo 13: Viagens no tempo
Capítulo 14: Um novo estado da matéria
Capítulo 15: Teletransporte quântico
Capítulo 16: A teoria final

Contracapa da obra

 

Fica a dica: diversão garantida, com qualidade de informação e preço justo! Se passar por uma banca de jornais, revistaria ou livraria, já sabe: olho no “Einstein”! Ou então faça como eu e compre pela web. Um dia chega.

Fica também um pedido especial deste velho professor aos editores da Super/Abril: podem rodar pelo menos mais 20.000 exemplares e espalhar Einstein pelo Brasil. Garanto que não sobra nas bancas. E a boa divulgação científica, desde já, agradece!


Para saber mais

  • Texto do próprio Salvador Nogueira sobre o livro (no blog “Mensageiro Sideral”)

 

 


Quer entender o que são ondas gravitacionais?
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

LIGO_Caltech_OG

Concepção artística de ondas gravitacionais geradas pela dança cósmica de dois buracos negros
prestes a se fundirem. Crédito: Caltech

 

Se você mora no planeta Terra e presta um mínimo de atenção em notícias veiculadas na web, no rádio, na TV e até mesmo na mídia impressa,  certamente ficou sabendo que ontem (11/02/2016) foi oficialmente divulgada notícia sobre experimento científico que parece ter comprovado  a existência das tão esperadas ondas gravitacionais. E talvez tenha visto imagens parecidas com essa logo acima.

No entanto, se você não é físico ou não tem pelo menos uma mínima formação na área das exatas, talvez não tenha a menor ideia do que são as tais ondas gravitacionais e porque a sua comprovação já era tão esperada pela comunidade científica.

Por conta disso, pensando na maioria das pessoas que ficaram literalmente “boiando” diante da relevante notícia científica, resolvi cumprir o meu papel de professor/divulgador científico escrevendo sobre o tema de uma forma mais light, ou seja, tentando explicar tudo sem complicações e a assustadora “calculeira”.

 

O que são ondas?

No ensino médio, onde  atuo como professor e autor de material didático, de forma simples (mas sem perder o rigor conceitual), definimos onda mais ou menos da seguinte maneira:

Onda_def

Toda onda, enquanto se propaga, oscila. Logo, tem dois movimentos intrínsecos: o de propagação (movimento de translação que faz a onda se espalhar e se afastar da fonte) e o de oscilação (movimento repetitivo, um quase incessante “vai e vem”).

Também ensinamos para os jovens estudantes que, do ponto de vista da natureza das ondas, dentro da Física Clássica¹, há dois tipos bem diferentes de onda: onda mecânica e onda eletromagnética.

Onda_Mec_def

Onda_EM_def

Nas ondas mecânicas, como sugere o nome, a oscilação ocorre no próprio meio. São as partículas do meio que “sacodem” (ou oscilam, num “vai e vem”) enquanto a onda passa. Já nas ondas eletromagnéticas, quem oscila são dois campos: um elétrico e outro magnético. Não é o meio quem “sacode” mas os campos, grandezas vetoriais que ficam oscilando numa dada direção, mudando periodicamente de intensidade e de sentido.

Sendo assim, uma onda mecânica não pode existir sem o meio que lhe dê suporte, ou seja, sem as partículas que oscilam. Mas as ondas eletromagnéticas podem sobreviver à ausência do meio material pois a oscilação não está no próprio meio e sim nos campos elétrico e magnético que existem sem necessidade do meio material².

O som é um excelente exemplo de onda mecânica. Ao se propagar, uma onda sonora ondula o meio material sem o qual não poderia existir. Você sabe que não existem ondas sonoras no vácuo, ou seja, sem partículas materiais que ficam “sacudindo” enquanto a onda passa.  Já a luz é típico exemplo de onda eletromagnética. A luz não depende do meio para existir porque quem oscila enquanto a onda luminosa passa não são as partículas do meio mas os dois campos, o elétrico e o magnético. Por isso mesmo não há problema algum para uma onda eletromagnética encarar o vácuo, ou seja, a ausência de matéria.

Na Física Clássica, que compreende todo o conhecimento de Física até o final do século XIX, é assim que tratamos e classificamos as ondas.

Mas, graças a Albert Einstein e sua Teoria da Relatividade Geral, que pertence à Física Moderna, a Física do século XX, podemos ter ainda um outro tipo de ondas: as gravitacionais.

A Teoria da Relatividade Geral começou a ser desenhada em 1907 e ficou pronta em 1916, há cem anos.

Mas, antes de falarmos de ondas gravitacionais, vamos dar uma passadinha rápida pela Relatividade Geral.

Uma pitada de Relatividade Geral

Pensando diferente de Isaac Newton, que tratava a gravidade em sua Lei da Gravitação Universal como uma força atrativa mútua entre dois corpos dotados de massa, Einstein, com Teoria da Relatividade Geral, geometrizou a gravidade.

Para Einstein, vivemos num espaço de quatro dimensões: três espaciais (x, y, z) e uma temporal (t). Estamos, portanto, imersos num espaço quadridimensional (x, y, z, t). Essa ideia nasceu da Relatividade Restrita (1905). Mas, a partir de 1907, Einstein começou a pensar diferente quando, num insight, teve o que ele mesmo chamou de ideia mais importante da sua vida, o que ficou conhecido na Física como Princípio da Equivalência e que diz:

Princ_Equivalencia

De uma forma resumida, podemos dizer que os efeitos da gravidade e da aceleração são indistinguíveis. Se você estiver dentro de um elevador, dependendo da situação, poderá sentir-se mais pesado. De dentro do elevador não há como saber se você ficou mais pesado porque a gravidade local (g) aumentou de valor ou foi mero efeito da aceleração (a) do elevador que muda constantemente de velocidade.

A partir dessa ideia simples e bem conhecida por todos nós, especialmente pensando no efeito da aceleração ou da gravidade sobre um raio de luz, Einstein vislumbrou uma nova maneira de tratar a gravidade. Para ele, a gravidade não é uma força atrativa mas sim o efeito da deformação no tecido espaço-temporal (x, y, z, t) que um corpo dotado de massa (m) provoca ao seu redor.

Einstein literalmente “entortou” o Universo ao repensar uma nova concepção para a gravidade!  E abandonou o espaço imutável e bem comportado de Newton, bem-descrito pela geometria euclidiana, onde a menor distância entre dois pontos é uma reta. As novas ideias de Einstein para a gravidade requerem uma geometria não euclidiana para dar conta de um espaço curvo, literalmente deformado, onde a menor distância dentre dois pontos pode não ser mais uma reta e sim uma curva.

Mas nesse texto não queremos “calculeira” nem complicações. Certo? Como é bastante complicado (e quase impossível) raciocinar em quatro dimensões sem ter o domínio de ferramentas matemáticas avançadas, vamos simplificar a ideia imaginando um tecido espaço-temporal de apenas duas dimensões. Para ficar mais fácil ainda, e até palpável, imagine que você, com a ajuda de alguém, esticou um lençol na horizontal. Mais do que imaginar, se quiser, você pode agora pegar um lençol na gaveta do armário e, com a ajuda de outra pessoa, esticá-lo na horizontal. Esse é o nosso modelo (simplificado) de Universo local de duas dimensões!

OG_Lencol_01

Agora precisamos deformar o espaço-tempo (no nosso experimento representado pelo lençol). Imagine (ou faça!) o seguinte: coloque um corpo massivo no centro do lençol. Você sabe: um corpo massivo, qualquer corpo que tenha massa, de preferência bastante massa, como uma bola de basquete ou, quem sabe, uma melancia! Algo que consiga deformar o lençol de maneira bem perceptível. A concavidade que o lençol, nosso tecido espaço-temporal, assume, provoca a gravidade. Segundo Einstein, a gravidade não é mais uma força e sim o “efeito colateral” de uma deformação no tecido do espaço e do tempo provocado por um corpo massivo.

OG_Lencol_02

Agora imagine: se você lançar um limão sobre o lençol deformado, tentando tangenciar a concavidade, certamente o limão vai realizar uma trajetória curva e que acompanha a deformação do tecido. Para Newton, o limão teria sido atraído pelo corpo central por uma força centrípeta que curva a sua trajetória. Para Einstein, no entanto, o limão apenas segue a curvatura do espaço-tempo. No final das contas, em qualquer um dos casos, o limão vai “orbitar” a melancia. Concorda? Mas são duas concepções bem diferentes de gravidade.

OG_Lencol_03

Troque a melancia pelo Sol e o limão pela Terra e temos um modelo gravitacional relativístico para explicar porque a Terra orbita o Sol. O Sol, com grande massa, deforma o espaço-tempo ao seu redor. E a Terra, ao orbitar o Sol, simplesmente está acompanhando essa deformação.

Antes, segundo Newton, a massa central “informava” para a gravidade como exercer uma força na outra massa. E a força “informava” para a outra massa como ela deveria acelerar. Depois de Einstein a coisa é bem diferente. A massa central “informa” para o espaço-tempo como se curvar. E o espaço-tempo, uma vez deformado (ou curvado) “informa” para a outra massa como e por onde ela deve se mover.

Deu para entender o espírito da coisa?


 

Antes de prosseguir, aproveitando o momento, abro parênteses para três observações importantes:

1) O que é um buraco negro?
Um buraco negro nada mais é que um corpo tão massivo que a deformação que provoca no tecido do espaço-tempo é tão grande que forma verdadeiramente um “buraco profundo”. Nesse caso, a velocidade de escape do corpo supera a velocidade (c) da luz no vácuo. Sendo assim, a partir de determinado limite, chamado de horizonte de eventos, nada escapa da gravidade desse corpo, nem mesmo a luz. Daí dizermos que o buraco é negro. Buracos negros são “filhos” da Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

2) Luz faz curva?
Esse talvez seja o efeito mais incrível e imediato da Teoria da Relatividade Geral. Imagine um raio raio de luz propagando-se pelo espaço e que encontre em seu caminho um corpo bastante massivo e, portanto, capaz de deformar de maneira perceptível o espaço-tempo ao seu redor. O raio de luz tentará prosseguir o seu caminho em linha reta mas será obrigado a acompanhar a curvatura do espaço-tempo, fazendo (sim!) uma curva.
Einstein, além de imaginar esse efeito, também imaginou como observá-lo e como tirar medidas dele. Bastava medir a posição relativa de estrelas por trás do Sol durante um eclipse solar total, durante o dia, e depois, noutro dia, no período da noite, medir novamente a posição relativa das mesmas estrelas sem a presença do Sol. Se houvesse diferença nas posições estelares (com Sol e sem Sol), isso seria uma evidência direta da presença da grande massa do Sol capaz de desviar a luz mudando a posição aparente das estrelas! Incrível, não? Na minha opinião, uma das ideias mais impressionantes na história da Física, tanto pela teoria quanto pela possível experimentação!
Em 1919, durante um eclipse solar total, usando a ideia acima, cientistas mediram a curvatura dos raios de luz que passavam perto da nossa estrela, o Sol. E sabe onde as observações astronômicas que levaram a essas medidas foram feitas? Na cidade de Sobral, no Ceará, Brasil³! Esse foi o primeiro grande passo para confirmar a Teoria da Relatividade Geral e colocar Einstein em evidência no mundo. Confira mais sobre o eclipse de Sobral nesse post de 2006 aqui no Física na Veia!, ainda na plataforma antiga do blog.

3) Lentes gravitacionais
Assim como uma lente convencional de vidro ou outro material qualquer transparente desvia a luz e forma imagens, um corpo suficientemente massivo, segundo Einstein, também poderia desviar a luz e conjugar imagens, tal como uma lente. Esse efeito ficou conhecido como lente gravitacional. A ilustração a seguir dá uma ideia de como ele opera na prática.

Lente_Gravitacional

Reprodução de ilustração pertencente ao material de Óptica da primeira série do ensino médio da coleção Novo Ensino Médio do Sistema Integral de Ensino, de minha autoria.

A figura acima é, obviamente, uma montagem. Mas ilustra bem o conceito de lente gravitacional. Nela vemos suposta galáxia G1 desviando a luz proveniente de outra galáxia G2, mais afastada do observador. Daqui da Terra, usando telescópios potentes e técnicas apuradas de observação astronômica, podemos observar G2 diretamente e também uma segunda imagem da mesma galáxia G2 criada pelo efeito de lente gravitacional gerado pela grande massa de G1.

No final dos anos 90 do século passado o telescópio espacial Hubble conseguiu os primeiros registros de lentes gravitacionais. Depois do Eclipse e da comprovação do desvio sofrido pela luz ao passar perto de um objeto bastante massivo, esse foi o segundo grande passo para validar a Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Provas de fogo! Mas a teoria resistiu bravamente!

Fecha parênteses. E vamos voltar ao texto principal.


Ainda falta o terceiro e último grande passo: a comprovação experimental da existência das ondas gravitacionais. Mas ainda nem falamos o que são ondas gravitacionais, não é mesmo? Vamos a elas!

 

Ondas gravitacionais? O que são?

Volte ao experimento do lençol esticado e deformado pela melancia (ou qualquer outro corpo massivo colocado no seu centro). Imagine que algo consiga perturbar de forma contundente o corpo central, a melancia, fazendo-a oscilar. Você mesmo pode interagir com o corpo central dando-lhe pancadas. Imediatamente verá que o tecido do lençol será portador de ondulações que vão se afastar do corpo central, rumo as bordas.  Claro que, no lençol, o que criamos são perturbações típicas de uma onda mecânica. Mas, nesse nosso modelo, essas oscilações equivalem à ondulações no tecido do espaço-tempo, ou seja, equivalem à ondas gravitacionais! Onda gravitacionais são oscilações no tecido quadridimensional do espaço-tempo (no nosso modelo, simplificado para duas dimensões). Incrível, não?

Pela Teoria da Relatividade Geral é possível (e natural) intuir que perturbações na massa que provoca a deformação no espaço-tempo geram ondulações que se propagam na forma de ondas pelo tecido espaço-temporal. Pela concepção de gravidade de Newton, isso jamais seria sequer imaginável! Confira a ideia na ilustração abaixo.

OG_Lencol_04

Ondas gravitacionais, originadas em diversos eventos espalhados pelo Universo, devem estar se propagando por todo o espaço agora. E nós, na Terra, como o limão no lençol, podemos ser atingidos por elas. Ondulando o espaço-tempo, as ondas gravitacionais que nos atingem fazem o nosso planeta (e todos nós nele embarcados) oscilarmos. Sim, esticamos e encolhemos enquanto somos atingidos pelas ondas gravitacionais! A animação a seguir mostra esse efeito propositalmente exagerado.

Se as oscilações no espaço-tempo fossem tão exageradas quanto vemos na animação acima, não deveria ser muito complicado detectar as ondas gravitacionais. No entanto, como as ondas gravitacionais vêm de muito longe, até chegarem até nós certamente estão bastante “enfraquecidas”. Esse efeito oscilatório de esticar/encolher é muitíssimo sutil, o que dificulta a sua medição experimental. Mas, uma possível medida desse efeito seria contundente prova da existência das ondas gravitacionais.

Tente imaginar um experimento que possa medir essa oscilação que envolve comprimentos muito menores do que as menores partículas constituintes dos átomos. Que régua poderíamos usar para tal? Pensando bem, e piorando as coisas, será que a régua, ao oscilar em ressonância com a chegada das ondas gravitacionais, não iria mascarar esse efeito estica/encolhe, complicando e até impossibilitando a sua medição?

Como dizia Einstein, ” a imaginação é mais importante que o conhecimento (…). Cientistas, imaginativos, bolaram um método para medir a possível passagem de ondas gravitacionais pela Terra. Confira detalhes a seguir.

 

O delicado LIGO

LIGO

Um dos dois experimentos gêmeos do LIGO, localizado na Louisiana, EUA. Note os dois
braços perpendiculares, cada qual com cerca de 4 km, que partem do prédio central onde
fica a fonte laser que emite feixe que, depois de dividido, percorre cada um dos dois
braços para, então, se juntarem novamente no ponto de partida.

 

O LIGO – Laser Inteferometer Gravitational-Wave Observatory fica nos Estados Unidos e foi desenhando para tentar medir o efeito estica/encolhe provocado pela chegada e passagem de ondas gravitacionais aqui na Terra.

Ele se baseia na conhecida técnica de interferometria na qual um feixe laser único inicial é dividido em dois. Cada um dos dois feixes viaja por diferentes caminhos e, depois de refletidos por espelhos, voltam a se encontrar, sobrepondo-se, dando origem ao que conhecemos em Física como interferência.

Como os dois feixes têm origem numa só fonte, estão em concordância de fase. Mas é possível ajustar os comprimentos dos dois caminhos diferentes seguidos pelos dois feixes para que, quando se encontrarem, ocorra interferência destrutiva. Assim, crista de um se sobrepõe a vale do outro e vice-versa. E o que vemos, como produto final, é um sinal plano na tela do computador, ratificando que as oscilações dois feixes se anularam mutuamente. Essa ausência de sinal é um padrão importante. Enquanto ela existir significa que os dois caminhos permaneceram exatamente do mesmo tamanho, garantindo a condição de interferência destrutiva e sinal zero.

No entanto, se o efeito estica/encolhe provocado pela passagem de ondas gravitacionais na Terra alterar ainda que sutilmente qualquer um dos dois caminhos percorridos pelos dois feixes laser, ao se reencontrarem, não mais ocorrerá interferência destrutiva e um sinal não nulo vai “brotar” na tela do equipamento denunciando a passagem das ondas gravitacionais. Lindo demais! E ainda tem gente que não gosta de Física! Pode?

Confira na ilustração abaixo, por mim traduzida a partir de matéria na revista Scientific American, como funciona o “truque” de interferometria.

LIGO_JC_sciam

O princípio básico da interferometria.

 

As ondas gravitacionais podem vir, em tese, de todas as direções do espaço. Logo, os dois feixes laser do interferômetro devem ser dispostos em braços perpendiculares. Nesse arranjo, pelo menos um componente (ou projeção) do efeito estica/encolhe na direção de qualquer um dos dois braços já é suficiente para gerar um sinal não nulo na tela do equipamento e denunciar a passagem de possíveis ondas gravitacionais. Em outras palavras, se ondas gravitacionais passarem por ali e o equipamento for suficientemente sensível, elas (ondas) não escaparão do detector.

Mas, com tanta sensibilidade, a simples passagem de um trem próximo ao equipamento já seria suficiente para produzir sinal não nulo no equipamento, criando um falso positivo.  Para evitar medidas falsas, detectores gêmeos, bastante separados entre si (um fica em Livingston, Lousiana, e o outro em Hanford, Washington), operam em conjunto. Se apenas um deles detectar algo, trata-se de um evento local. Mas se ambos detectarem sinal idêntico e simultâneo, então o fenômeno deixa de ser local para assumir escala planetária. E aí, então, a medida torna-se confiável. Genial, não?

Em sua primeira versão o LIGO não obteve sucesso. Melhorado, agora muito mais sensível, chamado de Advanced LIGO, em setembro de 2015 fez medidas que se mostram confiáveis e denotam possível existência das ondas gravitacionais. Sim, todo cuidado em afirmar qualquer coisa ainda é pouco. Mas as evidências são contundentes.

A origem das ondas gravitacionais foi um incrível evento cosmológico distante pouco mais de 1 bilhão de anos-luz da Terra: o encontro de dois buracos negros que se fundiram dando origem a um único buraco negro maior e mais massivo. O evento aconteceu num passado distante e só chegou à Terra na segunda metade do ano passado!

Há, ainda, um outro detalhe importantíssimo: somando as massas individuais dos dois buracos negros envolvidos na dança cósmica que culminou numa fusão colossal, não encontramos o valor da massa total do buraco negro final. Um dos buracos negros tinha massa equivalente a 36 massas solares e o outro massa de 29 massas solares. Deveríamos ter, como resultado final óbvio, 36 + 29 = 65 massas solares. Certo? No entanto, o buraco negro resultante tem 62 massas solares, 3 massas solares a menos do que se poderia imaginar. Onde foi parar essa diferença de massa? Afinal, massa, assim como energia, não podem ser criadas nem destruídas. E aí entra outra obra prima de Einstein: E = m.c²! A diferença de massa m = 3 x Msol foi convertida em energia (E) obedecendo a famosa equivalência massa-energia expressa naquela que talvez seja a equação mais pop da Física, E = m.c², onde c é a velocidade da luz no vácuo, algo próximo de 300000 km/s (ou 300000000 m/s). A massa do Sol, uma estrela, é enorme. A velocidade da luz no vácuo também é gigante. Elevada ao quadrado, fica ainda maior. Multiplique três massas solares por c³ e terá gigantesca quantidade de energia (E)! É essa energia brutal que provocou o abalo inicial que originou às ondas gravitacionais que viajaram por pouco mais de 1 bilhão de anos para chegar na Terra no ano passado, bastante “enfraquecidas”, “diluídas”, é claro. Mas dentro da sensibilidade projetada do Advanced LIGO.

Vou deixar o cálculo de E =m.c² para outro post. Você pode, se quiser, tentar fazê-lo. Vale a pena. É divertido!

Mas vou parando por aqui, para não esticar ainda mais o post. Fico com a sensação de missão cumprida. Expliquei o que são onda gravitacionais sem “calculeira”, tentando ser didático para que qualquer pessoa, especialmente as não iniciadas em Física, pudessem entender. Será que consegui? Deixe seu comentário!

Ah… sim… a descoberta, se confirmada, dá Nobel de Física. Quer apostar?!


1 – Física Clássica é todo o conhecimento da Física acumulado até o final do século XIX. Física Moderna é a Física do século XX.
2 – Vale observar que na virada do século XIX para o século XX havia a crença na existência de um meio material que desse suporte às ondas eletromagnéticas. Esse meio, muito sutil, ficou conhecido como Éter Lumnífero ou, simplesmente, Éter. Muito se tentou detectar o Éter. Mas sem sucesso. Einstein, nos primeiros passos da Teoria da Relatividade Restrita (1905), ignorando a existência do Éter, postulou que a velocidade da luz é absoluta. E o Éter, nunca detectado, foi esquecido. E, como nunca mais fez falta alguma, ignorado. Talvez ele exista. E tenha alguma função ainda desconhecida.
3 – Medidas também foram feitas por um segundo grupo de cientistas na Ilha do Príncipe, África. Mas prefiro privilegiar a presença marcante do Brasil nesse incrível acontecimento científico.

Para saber mais

  • O artigo original: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger (PDF, em inglês)

Vídeos

“Mensageiro Sideral’, de Salvador Nogueira [português, 2min52s | 2016]

Palestra “Gravitational wave astronomy – opening a new window on the Universe” | Martin Hendry | TED x Glasgow [Em inglês, 15min07s | 2014)

Matérias


Passeio virtual pelos experimentos do LIGO


Luz: onda ou partícula?
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

vermelho_ao_violeta

Do vermelho ao violeta, as sete faixas de cores do espectro visível

 

Luz é onda ou partícula?

Se eu disser que luz pode ser as duas coisas, quem não conhece Física Moderna, a Física do século 20, certamente vai achar tudo muito estranho e até mesmo contraditório.

É que na Física Quântica, um dos pilares da Física Moderna, algumas coisas podem se comportar tanto como onda como partícula. É claro que, num primeiro momento, isso é minimamente bizarro. E por isso mesmo esse comportamento dual não foi bem aceito de pronto pelos cientistas. Estamos acostumados com o nosso mundo macroscópico, muito bem descrito pelas Leis da Mecânica newtoniana, onde onda e partícula são coisas bem distintas. Mas no mundo microscópico, onde a Física Quântica funciona muito bem, os objetos estão de acordo com a bem conhecida e aceita Dualidade Onda-Partícula que afirma que uma entidade quântica pode se comportar como onda num experimento e como partícula noutro, sem nenhum problema. A natureza quântica é assim. E pronto.

Então, se alguém perguntar para você se luz é onda ou partícula, responda:

Luz_dualidade_onda-particula_01

Leia, a seguir, um pouco dessa história que deixou alguns cientistas de cabelo em pé mas que hoje é bem aceita e faz parte do repertório de conhecimento da Física Moderna e Contemporânea.

 

Maxwell e o Eletromagnetismo (1865)

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James Clerk Maxwell

Em 1865, portanto há 150 anos, James Clerk Maxwell (1831-1879) estava aprofundando seus estudos sobre o Eletromagnetismo. Ele juntou todas as ideias e leis a respeito da eletricidade e do magnetismo que existiam na época e percebeu que havia redundâncias. Talvez fosse possível reduzir toda a Eletricidade e o Magnetismo, agora vistos como uma coisa só e unificada no Eletromagnetismo, em poucas equações.

O trabalho de Maxwell no levou mais adiante a entender que apenas quatro equações (leis) propostas por outros cientistas davam conta de descrever todos os fenômenos elétricos e magnéticos. Essas equações ficaram conhecidas como Equações de Maxwell. Exatamente como na imagem abaixo, é comum apresentá-las como equações diferenciais parciais.

Luz_dualidade_onda-particula_Eqs_Maxwell1

Nas Equações de Maxwell:

  • E e B são, respectivamente, o campo elétrico e o campo magnético.
  • ρ é a densidade de carga elétrica.
  • j é a densidade de corrente elétrica.
  • μ e ε são, respectivamente, a permeabilidade magnética e a permissividade elétrica, constantes bastantes conhecidas no Eletromagnetismo.

No vácuo, na ausência de cargas (ρ = 0) e de correntes elétricas (j = 0), as Equações de Maxwell ficam mais simples. Confira.

Luz_dualidade_onda-particula_Eqs_Maxwell2

Uma possível solução das Equações de Maxwell para o vácuo, usando Cálculo Diferencial e Integral, nos leva a concluir que o campo elétrico E e o campo magnético B obedecem às expressões abaixo.

Luz_dualidade_onda-particula_Eqs_Maxwell_sol

Quem conhece bem o Cálculo Diferencial e Integral e tem bom conhecimento de Física Básica em nível universitário percebe de cara que as possíveis soluções das Equações de Maxwell dadas acima para E e B correspondem à ondas. Se não é o seu caso, relaxe. Entenda o “espírito da coisa”, sem se preocupar com a “calculeira”.

Sabemos que se uma grandeza física u se propaga como uma onda na direção x oscilando no tempo t, ela sempre obedecerá a uma equação diferencial do tipo

Luz_dualidade_onda-particula_Eq_de_onda1

onde v é a velocidade de propagação da onda.

Repare bem que, pela solução das Equações de Maxwell que apresentei logo acima, tanto E quanto B propagam-se exatamente dessa forma. Portanto, fazem parte de uma onda que, por ter um componente elétrico (E) e outro magnético (B) passamos a chamar de onda eletromagnética.

Note ainda que, na solução das Equações de Maxwell, a velocidade v de propagação dos campos E e B pode ser expressa em função das constantes μ e ε no vácuo:

Luz_dualidade_onda-particula_Eq_de_onda2

Ficou curioso em saber quanto dá o valor acima? Qualquer um ficaria!

Sabemos, do Eletromagnetismo, que os valores da permeabilidade magnética (μ) e da permissividade elétrica (ε) no vácuo, em unidades do Sistema Internacional (S.I.), são:

Luz_dualidade_onda-particula_CTEs

Com esses valores fica fácil obter o valor da velocidade v da onda eletromagnética:

Luz_dualidade_onda-particula_velocidade_calc

Conhece esse valor? É o valor da velocidade c da luz no vácuo! Incrível! Os campos E e B propagam-se com a velocidade da luz no vácuo. Logo, está provado que a luz é onda eletromagnética!

Essa descoberta unificou a Óptica Clássica bem como a Ondulatória com o Eletromagnetismo, constituindo-se num grande avanço para a Física!

Mais adiante descobriu-se que existem outras ondas eletromagnéticas além e aquém do espectro visível (que vai do vermelho ao violeta). A luz (visível) passou a ser tratada como uma estreita faixa dentro do amplo espectro eletromagnético que contém todas as ondas eletromagnéticas. Em outras palavras, a luz passou a ser considerada um “caso particular” de onda eletromagnética, as únicas ondas capazes de sensibilizar as células da retina dos nossos olhos.

 

Einstein e o Efeito Fotoelétrico (1905)

Albert_Einstein

Albert Einstein

Em 1905, quarenta anos depois de Maxwell e, portanto, há 110 anos, o jovem Albert Einstein (1859-1955), num ano extremamente produtivo da sua vida científica, escreveu cinco artigos. Todos os cinco foram relevantes para a Física.

Um deles, o que nos interessa agora, explicava de forma original e radicalmente diferente o EFE – Efeito Fotoelétrico.

Já se sabia, antes de Einstein, que luz era capaz de descarregar um eletroscópio. Logo, era conhecido o fato de que a luz poderia agir sobre cargas elétricas. O fenômeno era bem conhecido experimentalmente. Em condições controladas de laboratório, era possível arrancar elétrons de um metal usando luz. Os físicos sabiam, inclusive, que o EFE só acontecia a partir de uma determinada cor (a rigor, depois que a luz foi tratada como onda, a partir de uma determinada frequência). Mas não havia como explicar classicamente, seja pela Ondulatória ou pelo Eletromagnetismo, como a luz conseguia agir sobre as cargas elétricas!

Einstein, perspicaz e atento às novidades da Física da época, sabia que em dezembro de 1900 Max Planck (1858-1947) havia feito uma proposta ousada de que a radiação térmica, aquela que se desprende de qualquer corpo aquecido acima de 0K (Zero Absoluto), seria composta por “pacotinhos” de energia, cada qual chamado de quantum de energia. A teoria de Planck, numa tentativa desesperada para explicar a distribuição de energia da Radiação Térmica, também conhecida como Radiação de Corpo Negro, previa que os átomos, em constante agitação térmica, agiam como osciladores harmônicos. Por conterem cargas elétricas, átomos oscilando emitiam radiação, como se fossem antenas microscópicas. No equilíbrio térmico, a quantidade de energia absorvida e a quantidade de energia emitida por unidade de tempo pelos átomos oscilantes deveria ser igual. E, tanto na absorção quanto na emissão, essa energia não poderia ser contínua mas deveria ser feita em quantidades discretas E, cada qual proporcionais à frequência da radiação.

Luz_dualidade_onda-particula_Planck

Einstein gostou do conceito de quantum de Plank e imaginou que a luz, assim como a Radiação Térmica, também poderia ser “granulada”, ou seja, feita de “pacotinhos” de energia que obedeciam à mesmas regra da quantização de Planck. Em outras palavras, Einstein estava entendendo que a luz poderia ser encarada como sendo feita de partículas. Bem mais adiante, as partículas de luz foram batizadas de fótons, termo consagrado e usado atualmente.

Segundo Einstein, cada partícula de luz carregaria energia E = h.f. Ao encontrar um elétron da superfície metálica, haveria colisão. Se a energia E = h.f fosse suficiente para libertar o elétron do metal, então o EFE era disparado. Caso a partícula de luz não tivesse energia suficiente, ou seja, baixa frequência, o fenômeno simplesmente não acontecia. E, se a partícula de luz tivesse energia a mais, ou seja, com “sobra”, o excedente de energia era dado para o próprio elétron ser ejetado do metal com energia cinética, ou seja, com velocidade.

Ideia sensacional! E que descrevia com rigor todos os detalhes experimentais já bastante conhecidos do EFE.

A equação a seguir resume a concepção einsteniana do EFE.

Luz_dualidade_onda-particula_EFE

Na expressão acima, Φ é uma grandeza física conhecida como Função Trabalho e que corresponde à energia mínima para liberar os elétrons mais fracamente ligados ao metal.

Como a teoria de einstein para o EFE funcionava perfeitamente bem, os físicos tiveram que “engolir” o fato de que a luz, até então muito bem descrita como onda, também poderia se comportar como partícula!

Planck, com a Quantização da Energia da Radiação Térmica, inaugurou a Física Quântica, a Física do quantum. Einstein embarcou na ideia e fortaleceu as bases da Física Quântica apresentando uma aplicação imediata da Quantização de Planck para explicar de forma brilhante e original o EFE. Não é por acaso que, em 1921, Einstein recebeu o Nobel de Física pela sua descrição do EFE.

Mais adiante, outros trabalhos, como o de 1926 do francês Louis de Broglie (1892 -1987), fortaleceram o estranho comportamento dual das entidades quânticas.

Uma curiosidade  histórica e que merece destaque refere-se ao elétron, descoberto em 1897 como partícula pelo inglês John J. Thomson (1856-1940). Posteriormente, em 1927, George P. Thomson (1892-1975), filho de John J. Thomson, verificou padrões típicos de difração ao fazer elétrons atravessarem um filme fino de metal. No mesmo ano, acidentalmente, os americanos Clinton Joseph Davisson (1881-1958) e Lester Germer (1896-1971), nos Laboratórios Bell, obtiveram difração de elétrons em cristais. Mas difração é fenômeno típico de ondas e não de partículas! J.J. Thomson, o pai, comprovou que o elétron é partícula. E G. P. Thomson, o filho, que o elétron é onda! Graças à Física Quântica e à Dualidade Onda-Partícula, não tivemos nenhum problema familiar. E ambos, pai e filho, se destacaram no mundo da Física e foram laureados com Nobel: J. J Thomson em 1906 pelos estudos na condução elétrica em gases e G. P. Thomson em 1937, junto com  Davisson, pela comprovação experimental da difração de elétrons.

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A Física Quântica evoluiu e atravessou o século 20, mais madura do que nunca. A Dualidade Onda-Partícula passou a ser considerada um fato inquestionável no mundo quântico. Para encerrar meu texto, ratificando o que eu já disse lá no começo, a luz é uma entidade quântica. Logo, segundo a Dualidade Onda-Partícula, a luz pode ter comportamento tanto de onda quanto de partícula. E isso não tem nada de contraditório. No mundo quântico é exatamente assim. Ok?


Esse post faz parte das comemorações do Ano Internacional da Luz. E faz parte da blogagem coletiva da Semana Nacional de Ciência e Tecnologia 2015 organizada pelo amigo e blogueiro Roberto Takata.

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O futuro chegou. E é hoje!
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Prof. Dulcidio Braz Júnior

 

No segundo episódio da trilogia Back To The Future, Marty McFly, personagem principal da trama, sua namorada Jennifer Parker e o cientista “maluco” Dr. Emmett Brown que vivem em 1985 viajam 30 anos para o futuro. Eles usam a máquina do tempo inventada pelo Dr Brown e que funcionava em um Delorean, carro que naquela época era sinônimo de modernidade. E chegam ao futuro exatamente no dia 21 de outubro de 2015, ou seja, hoje!

A Bia Souza, jornalista do UOL Ciência, em parceria com a TV UOL, elaborou matéria em vídeo sobre o tema. Dei uns pitacos no roteiro. O resultado está logo acima.

Aproveito o vídeo e a data especial para convidar você leitor do Física na Veia! para uma reflexão: do ponto de vista da Física, é possível viajar no tempo?

E a resposta, ancorada na Ciência, é um sonoro SIM!

Pela Teoria da Relatividade Restrita

A Teoria da Relatividade Restrita (1905) de Albert Einstein nos mostra que, se viajamos com velocidade não desprezível em relação à velocidade c da luz no vácuo (300 000 km/s, aproximadamente), o tempo no nosso referencial fluirá mais lentamente. Quanto mais próximo estivermos de c, mais devagar o tempo vai passar em nosso referencial. Mas no referencial de quem não viajou o tempo continua o seu fluxo normal. Em outras palavras, o tempo flui mais depressa para quem fica e mais devagar para quem vai. Dessa forma, quando retornamos da viagem, chegamos no futuro porque o tempo na Terra, referencial de quem não viajou, passou mais depressa do que o tempo dentro da nave.

Estranho? Com certeza. É que não experimentamos efeitos relativísticos pois não temos veículos capazes de viajar tão rápido.

Mas a relatividade do tempo não tem nada de ficção científica. É Física comprovada e já bastante testada nos aceleradores de partículas, por exemplo.

Mas tem um detalhe importantes: esse mecanismo só permite viajar para frente no tempo, ou seja, para o futuro.

Pela Teoria da Relatividade Geral

A Teoria da Relatividade Geral de Einstein (1915), uma espécie de upgrade na primeira teoria, trata a gravidade não como uma força atrativa mas como uma deformação no espaço-tempo, um espaço geométrico com três dimensões espaciais e uma dimensão temporal. Nela o tempo e o espaço estão irremediavelmente entrelaçados numa complexa geometria nada trivial.

A Relatividade Geral prevê que corpos dotados de bastante gravidade podem distorcer esse “tecido” espaço temporal, alterando o fluxo do tempo. Abre-se assim a possibilidade, em casos extremos, de uma distorção espaço-temporal tão grande a ponto de criar um atalho dimensional chamado de Ponte de Einstein-Rosen mas bem mais conhecido como Worm Hole (em português, Buraco de Minhoca).

Por um Buraco de Minhoca, hipoteticamente, poderíamos pegar um atalho para viajar tanto no espaço quanto no tempo, em qualquer direção e sentido. Em outras palavras, daria para ir muito longe e para o passado ou para o futuro. Mas nunca nenhum Worm Hole foi observado. E não temos a menor ideia de como criar um atalho desse que, pra complicar, certamente exigiria uma quantidade brutal de energia. E tem mais: não sabemos que efeitos negativos poderiam existir sobre a nossa própria saúde se tentássemos atravessar um túnel dimensional.

Correções Relativísticas já são realidade

Se você ainda não se convenceu de que velocidade alta e/ou gravidade intensa podem afetar o fluxo temporal, dou um exemplo importante. O sistema de geolocalização que conhecemos como GPS, tão presente em nossas vidas e que funciona incorporado na maioria dos dispositivos móveis, só funciona com bastante precisão porque faz correções relativísticas tanto pela velocidade dos satélites (Relatividade Restrita) quanto pela gravidade do nosso planeta (Relatividade Geral).

Os 24 satélites do sistema GPS

Os 24 satélites do sistema GPS. Fonte: astronoo.com

É fato que os satélites do sistema GPS viajam com velocidade muito menor do a velocidade da luz no vácuo. Também sabemos que a Terra não tem uma gravidade gigante. Mas o efeito cumulativo poderia tirar de sincronia os relógios dos satélites e os relógios terrestres, fazendo o sistema de geolocalização fortemente ancorado no tempo de viagem de sinais eletromagnéticos “errar” cada vez mais. Para você ter uma ideia, não fossem as correções relativísticas, teríamos um erro de geolocalização da ordem de até 10 km por dia! Mas nossos aparelhos de GPS funcionam bem e erram apenas em distâncias da ordem de poucos metros. Prova experimental irrefutável que as duas Relatividades de Einstein funcionam muito bem na prática! E, se viagens no tempo dependem dessas teorias, então viagens no tempo são fisicamente possíveis.

Conclusão: já temos base científica para viajar no tempo. Falta-nos, principalmente, tecnologia.

Mas tecnologia é questão de tempo (sem trocadilhos, por favor!). Basta olhar os avanços tecnológicos do mundo atual. Muita coisa que já foi ficção científica, hoje é realidade.

Se quiser um pouco mais sobre Relatividade bem como sobre Quântica e Cosmologia num nível acessível, ou seja, sem exageros matemáticos, procure pelo Tópicos de Física Moderna, livro de minha autoria editado em 2002 pela Companhia da Escola. Trata-se de um trabalho pioneiro no Brasil de ensino de Física Moderna para jovens ao final do ensino médio e início do ensino superior.


Para saber mais


 

Já publicado no Física na Veia! 

  • [21/11/2009]  Acelera LHC! (exemplo de aplicação de correção relativística num acelerador de partículas)

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