Colisões de matéria escura com o ser humano

           Recentemente em um site considerado um "depositário de artigos científicos" foi inserido um novo artigo que diz sobre um estudo que conclui que em média, um ser humano é atingido por uma partícula de matéria escura por minuto. Obviamente, existem muitas especulações e aproximações nos cálculos realizados para se chegar a este valor. Entretanto, quando vi tal artigo, achei interessante escrever uma coluna dizendo algo sobre matéria escura e sobre a modelação da matéria escura para se poder considerar uma "partícula de matéria escura"

 Em cosmologia, é comum considerar os constituintes básicos do universo como sendo: fótons, matéria bariônica, matéria escura, neutrinos e energia escura. Fótons são pequenos pacotes de energia, ou as partículas de interação da força eletromagnética. Por matéria bariônica entendemos todo tipo de coisa formada por prótons, nêutrons e elétrons, como estrelas, planetas e os seres humanos. Os neutrinos são considerados como partículas necessárias quando se impõe algumas simetrias às leis físicas. Neutrinos são geralmente considerados como partículas de massa nula, porém alguns estudos recentes mostram que aos neutrinos pode ser atribuído um pequeno valor de massa. Todos estes elementos citados até aqui e os seus papéis na evolução do universo são praticamente bem entendidos na física e cosmologia. Devemos ressaltar, antes de ir em frente, que a designação "escura" deve-se ao fato de os físicos não saberem do que é constituído tais elementos. 

Porcentagem dos constituintes do universo. Tudo que conhecemos, como estrelas, planetas e nós, estamos incluídos em Átomos.

 Existem fortes evidências para supor a existência de algo chamado "matéria escura" no universo. Definimos aqui matéria escura como sendo matéria não bariônica, ou seja, matéria não formada por prótons, nêutrons e elétrons. Além disso, não há interação entre matéria escura e matéria bariônica, ou simplesmente matéria. A explicação para o fato de não haver interações entre esses dois tipos de matéria é que se houvesse qualquer tipo de interação, os astrofísicos ou astrônomos já teriam detectado algum tipo de radiação resultante. A mais simples explicação para supor a existência de matéria escura no universo é devido ao fato de que com o valor da densidade de matéria bariônica hoje bem conhecido observacionalmente em nosso universo, ele deveria ser bem diferente do que o é. Então, como é comum em cosmologia ou qualquer outra área da física de altas energias, suposições são feitas de modo a preencher os vazios nas teorias existentes de forma a ficarem coerentes com os dados observacionais. Vale a pena ressaltar que matéria escura nada tem a ver com anti-matéria. Anti-partículas, como o pósitron, já foram detectados e são muito bem entendidos. 

Bom, supondo então a existência de algo denominado matéria escura, os físicos precisam construir modelos teóricos, ou melhor dizendo, modelos efetivos, que possam dar conta de explicar a dinâmica de interação dessa matéria escura e de sua dinâmica ao longo da evolução do universo. Existem muitos modelos para matéria escura. Os próprios neutrinos, devido a sua interação com outras partículas ser extremamente fraca, já foi um candidato bombástico nos meios teóricos. Entretanto, no modelo de matéria escura usado no artigo que me referi acima e um dos candidatos mais fortes atualmente são as WIMP's (Weakly interacting massive particles ou partículas massivas fracamente interagentes). Quando se diz aqui "fracamente interagentes", devemos supor uma interação realmente muito, mas muito fraca, incapaz de ser detectada atualmente com os melhores aparelhos. A designação fraca dessa interação serve tanto para interações entre matéria escura e matéria bariônica quanto para interações entre as próprias partículas escuras. 

 Sendo um assunto ainda teórico, as considerações e caminhos a se seguir teoricamente são imensos. Uma família de partículas escuras pode ser suposta de modo a dar conta de todas as interações que elas venham a sofrer. Portanto, devemos ter em mente que, para o cálculo realizado no artigo para quantificar a taxa de colisão de uma partícula de matéria escura com nosso corpo foram utilizadas as seguintes considerações básicas:

1)  A matéria escura, algo que não sabemos ainda o que de fato é, foi modulada efetivamente como sendo WIMP's;

2) Essas partículas, sendo seus valores de massa de repouso extremamente pequenos, interagiram normalmente com matéria bariônica nos primeiros estágios do universo. Hoje, entretanto, elas viajam pelo universo "free-streaming", ou melhor, viajam livremente sem interagirem praticamente com nada;

3) Dessa viagem sem interação, elas ocasionalmente cruzam a Terra e, mais ocasionalmente ainda, chocam-se com um ser humano;

4) Dado o fato de que 23% de toda energia do universo é composta por matéria escura, podemos supor a existência de muitas partículas wimp's, de modo que, depois de muitos e muitos cálculos, concluiu-se que a média de choques de uma partícula wimp com um ser humano é aproximadamente uma por minuto.

          O fato é que tais colisões e muitas outras que estão neste momento ocorrendo entre as mais diversas partículas e nosso corpo não causam nenhum dano ao nosso organismo. Moléculas de CO₂ sim nos prejudicam.

Nota: O elétron não é um bárion. Entretanto, em cosmologia, costuma-se chamar de bárions tanto prótons e nêutrons como também elétrons. É meramente uma questão de nomeclatura.

O artigo, ainda em processo de avaliação, pode ser visto na íntegra em pdf no site do arxiv: http://arxiv.org/pdf/1204.1339v1.pdf.

Construção ou Descoberta?

Teoria da relatividade especial e geral, teoria eletrofraca, teoria eletromagnética, teoria dos quarks e, finalizando, GDU (teoria da grande unificação). Essas teorias foram descobertas ou construídas, por uma ou várias pessoas?

Alguns cientistas renomados, autores de livros de física usam a palavra "descoberta" de uma teoria física. Outros, também conhecidos, preferem usar o termo "construção" de uma teoria física. Embora sejam apenas duas palavras, quando as procuramos no dicionário, vemos logo que tais palavras possuem significados totalmente diferentes. "Descobrir" significa algo como você descobrir uma teoria que já estava de fato pronta, feita por alguma entidade em alguma época do universo, esperando unicamente poder se tornar conhecida por alguma pessoa. Já a palavra "construir" tem outro significado, sendo a construção de algo que necessariamente não existe nos moldes que pretendemos construir. Vemos, portanto, que tais significados representam duas coisas mais importantes, que são de fato diferentes.

O papel da física é descrever a natureza, isso não se pode negar. Mas existe toda uma discussão quanto à questão de se as leis da natureza são de fato verdadeiras ou meramente criações do ser humano. O físico americano Steven Weinberg diz em seu livro Sonhos de uma teoria final que acredita de fato que estamos chegando cada vez mais perto das verdadeiras leis que regem a natureza e todo o universo. Isso implica que tais leis já existam, e que por algum motivo o homem ainda não teve capacidade de encontrá-las, seja por não ter energia suficiente nos aceleradores de partículas ou qualquer outro. O fato de as leis já existirem, claramente também implica que alguma entidade as criou, seja lá qual for tal entidade. Esse desencadeamento de consequências leva, na minha opinião, a uma ideia não tão verdadeira quanto aos objetivos reais da física, e mais importante, a uma ideia intrínseca de um ser criador de tais teorias.

Por outro lado, alguns físicos usam o termo "construir". Na física, poderíamos pensar nisso como: não sabemos e de fato nunca saberemos por que o universo e a natureza são como são; a única coisa que fazemos é descrever a natureza e o universo, com nossas melhores ferramentas, através de teorias. Isso implica, obviamente, a não existência de teorias e leis verdadeiras; isso implica, sim, em um aperfeiçoamento de nossas ideias e teorias para explicar melhor fenômenos que já conhecemos e outros que iremos conhecer.

Na versão "descobrir" uma teoria, poderíamos imaginar algo como: temos uma caixa fechada com um conjunto de leis e teorias que regem o universo. Nós, seres que estamos fora da caixa, tentamos incansadamente obter teorias que cheguem o mais perto e um dia sejam exatamente como o conjunto de leis e teorias dentro da caixa. Mesmo que não conseguirmos, sabemos que as leis verdadeiras do universo estão lá, ou seja, elas existem. Já na versão "construir" não existe tal caixa, nem leis e teorias pré existentes. Tudo que fazemos é representar o universo da melhor maneira que podemos.

Essa discussão é muito mais profunda do que abordei aqui, por isso espero poder discutir através de comentários e debater ideias e opiniões de outras pessoas. No meu simples ponto de vista, prefiro a versão "construir" teorias. Acredito que seja mais real e que com essa versão fugimos um pouco da necessidade de recorrer a uma entidade criadora das leis e teorias já existentes no universo muito antes dele próprio ter sido criado.

Apenas alguns pensamentos

Seriam os seres humanos realmente diferentes dos outros animais? Não sou biólogo nem especialista em nenhum assunto ligado ao tema desta coluna. No entanto, venho pensando sobre tal assunto e gostaria de compartilhar com os leitores.

Desde a antiguidade, o homem de um modo ou de outro se considera colocado em um lugar diferenciado no universo. As ideias principais que evidenciam isso foram a teoria criacionista (na qual surge a ideia de um ou mais deuses), a teoria de que a Terra estava no centro do Universo (com todos os planetas conhecidos na época, Lua e Sol orbitando em sua volta). Existe uma outra ideia, que acredito estar implícita em todos os seres humanos (inclusive em mim): a de que o ser humano ocupada um status superior em relação à todos os outros animais. Isso de fato é verdade (a ideia estar implícita), pois se assim não fosse, não capturaríamos animais de seus habitats naturais para trancá-los em zoológicos visando apenas nosso próprio prazer.

Muitas pessoas afirmam tal superioridade dos humanos alegando que nós somos a única espécie que possui a capacidade de alterar o meio em que vivemos. O homo sapiens era o homem que sabia. Nós, como homo sapiens sapiens, somos seres que sabemos que sabemos e por isso temos tal habilidade. O que me pergunto é: será que essa habilidade de modificar o meio não é somente uma característica que faz do ser humano diferente assim como a capacidade da coruja de ter uma visão de quase 360 graus?

É fato que cada tipo de animal possui uma característica que o torna singular, como voar, se camuflar, ser o mais veloz, resistir a temperaturas muito elevadas ou muito mais baixas, resistir a pressões extremas, e muitas outras. Então, por que não podemos ter nossa própria característica que nos torna singular, e assim nos colocar no mesmo status dos outros animais?

Obviamente, o ego do ser humano jamais permitirá isso. De fato, este próprio ego diferencia até mesmo os próprios animais: pise e destrua um formigueiro inteiro e apenas chute um cachorro. A reação das pessoas certamente será muito diferente em relação aos dois eventos. Esse fato se deve apenas à diferença de carinho que o ser humano sente pelos dois tipos de animais. Mas isso não significa necessariamente que são animais de status diferentes.

A conclusão que eu mesmo tiro disso tudo é: por mais que existam pessoas que vangloriem Copérnico por ter “tirado”  a Terra do centro do Universo, por mais que existam pessoas a favor da teoria evolucionista (ou teorias evolucionistas), o ser humano sempre terá um ego que o coloque, muitas vezes até injustamente, em um nível superior em relação aos outros animais. Talvez, pensando agora, não seja a capacidade de modificar o meio a característica singular do ser humano em relação aos outros animais, mas sim seu próprio ego.

Simetrias e Física - Parte 2

Vimos que existem dois tipos de simetrias essenciais para os físicos, a simetria de translação e temporal, que nos permitem realizar experimentos e estabelecer valores para constantes fundamentais da natureza que permanecem invariantes independentes da época ou lugar em que fazemos o experimento. Neste texto, iremos continuar nossa discussão sobre simetrias em física, mostrando que uma das consequências de se impor leis de simetria à física foi a construção da Teoria da Relatividade Especial.

Antes de 1905, existiam duas importantes teorias sobre fenômenos físicos: a teoria gravitacional desenvolvida por Isaac Newton, que explicava os movimentos dos corpos, podendo ser aplicada à todo universo e, a teoria eletromagnética desenvolvida por James Clark Maxwell, que explica fenômenos relacionados ao magnetismo e eletricidade, incluindo correntes elétricas, a interação de um imã com algum material metálico, e a velocidade da luz. Em relação à teoria gravitacional, sabia-se que as leis da mecânica eram mantidas inalteradas quando era realizada uma mudança de um referencial inercial para outro. (Por referencial inercial entendemos um observador em repouso ou com velocidade constante em relação a um outro. Essa transformação de coordenadas recebe o nome de Transformação de Galileo). Entretanto, na teoria eletromagnética, suas leis eram alteradas quando a mesma mudança de referencial era feita. Por exemplo, se a velocidade da luz é c em um referencial O, ela não o será em um referencial O' que se move em relação a O. 

A mudança de referencial, então, funcionava apenas para a mecânica. Vale lembrar que a termodinâmica era outra parte da física, mas suas leis eram fundamentadas basicamente em observação experimental, de modo que não eram alteradas por modificações do tipo como estamos discutindo. Maxwell e outros tentaram resolver o problema da teoria eletromagnética. Entretanto, nenhuma solução era análoga ao caso da mecânica.

Uma solução apenas pôde ser obtida através de argumentos de simetria. Einstein impôs que não somente as leis da mecânica, mas as leis de toda a física deveriam se manter inalteradas quando uma mudança de um referencial inercial para outro era feito. Com isso, alguns problemas na física da época foram solucionados, como o conceito de éter. Esse modo de raciocinar levou a consequências graves em alguns conceitos da física, como tempo e espaço. Além disso, foi descoberto que as transformações de Galileo não são exatamente corretas, e sim existe um conjunto de equações, denominadas Transformações de Lorentz, na qual tanto as leis da mecânica quanto do eletromagnetismo se mantém inalterada. As transformações de Galileo são na verdade um caso limite das transformações de Lorentz.

De fato, quando pensamos em  teorias que possam unir várias partes aparentemente desconexas da física, a aplicação de conceitos de simetria pode nos ser muito útil, como foi no caso descrito. Uma vez, vi um artigo dizendo que pessoas com maior nível de simetria em relação às partes direita e esquerda do rosto são mais atraentes. Não sei se minha simetria é alta ou baixa, mas sei que os conceitos de simetria são muito importantes, não apenas para os físicos, mas para quase todas as coisas.

Nota: Apenas como um exercício tente mostrar que a segunda lei de Newton se mantém inalterada quando passamos de um observador O para um observador O' com velocidade v em relação à O.

Simetrias e Física – Parte 1

Atualmente, o público em geral tem ouvido muito falar de teorias físicas supersimétricas, que tais teorias são o caminho para uma teoria unificada das forças em física e muito mais coisas. De fato, este é o tema do momento em física teórica e o que mais chama atenção em revistas de divulgação cientifica. Sendo assim, iremos ver nesta coluna alguns conceitos básicos sobre simetrias. Não sou especialista e nem trabalho na área, motivo pelo qual não irei me aprofundar em detalhes de teorias modernas que se dizem supersimétricas.

            O conceito de simetria é muito utilizado em física desde seus primórdios. Sem tal conceito, certamente não teríamos avançado tanto quanto avançamos no desenvolvimento da física e da ciência em geral. O exemplo mais simples para se entender tal conceito é uma esfera sem nenhum desenho na superfície. Olhando de qualquer direção, de qualquer ângulo, ou em qualquer parte da esfera, veremos sempre as mesmas características deste objeto. Por isso dizemos que uma bola possui uma simetria perfeita, ou simetria esférica.

            As simetrias da física, entretanto, dizem respeito às suas leis e suas aplicações em nosso mundo. As mais simples de todas e também as duas mais importantes são as simetrias de translação e temporal. A característica fundamental da física é poder reproduzir seus experimentos em qualquer lugar do universo ou em qualquer época de sua história. Imagine como seria se fizéssemos um experimento em 1500 e então em 2000 o mesmo experimento mostrasse resultados totalmente diferentes daquele primeiro. Ou se um experimento na Rússia fornecesse resultados distintos do mesmo experimento realizado nos Estados unidos. A física deveria nestes casos reproduzir experimentos constantemente, além de modificar as mesmas leis para descrever os mesmos fenômenos. De fato, se assim fosse, nunca iriamos avançar na ciência, pois constantes físicas fundamentais seriam periodicamente modificadas.

            Por isso as simetrias no espaço e no tempo são tão importantes para os físicos. Isso nem sempre foi assim. Como sabemos, Galileo e Newton foram os primeiros a inferir que as leis da física eram as mesmas na Terra e no espaço. Galileo qualificou, enquanto Newton quantificou tais leis. Isso nos garante, por exemplo, que a carga do elétron tenha o mesmo valor aqui na Terra e na galáxia mais distante, pois o mesmo experimento realizado aqui para medir a carga do elétron pode, em princípio, ser realizado em tal galáxia.

            Os princípios de simetria são realmente muito importantes na física. Eles não só mostram como devemos atacar determinados problemas, mas sim ditam como a ciência física deve evoluir. Além disso, para resolver determinados problemas de física, podemos usar argumentos de simetria para simplificar em muito o problema matematicamente. Iremos ver na próxima coluna que a própria relatividade especial surgiu da necessidade de se impor simetria às leis da física. Talvez isto seja um dos resultados mais relevantes na física quanto ao uso de princípios de simetria no século passado.

Contato por e-mail

Olá,

Peço a todos que entrarem no blog e tiverem interesse em receber as colunas por e-mail, que deixem seus e-mails como comentários neste texto que irei enviar periodicamente. Para quem não é possível ver as colunas no facebook, orkut ou algo parecido, mas por algum motivo acessou o blog e se interessou, por favor deixe o e-mail que irei enviar sempre que publicar um novo texto.

Acredito que seja uma maneira mais pratica das pessoas terem acesso e paralelamente de eu publicar meus textos.

Muito obrigado a todos e um grande abraço!

Dia da Mulher

Olá!!!

Gostaria de escrever um post especial para todas as mulheres que de uma forma ou outra dão suas contribuições à todas as ciências, em especial a física. Como um nome que me vem na cabeça neste momento, cito Emmy Noether, uma grande matemática que deu uma enorme contribuição no cálculo variacional em matemática e também na física. 

Parabéns também à todas as mulheres que fazem desse país ser um lugar melhor, educando todas as crianças, adolescentes e adultos desse Brasil. Parabéns para todas as mulheres que fazem a física avançar neste país onde "ensinar" e "pesquisar" são coisas tão difíceis e complicadas.

Em especial, parabéns à minha namorada, que me atura e que sempre mostra otimismo quanto ao futuro da educação desse país.

Parabéns à todas as mulheres que se esforçam em fazer deste país um lugar melhor e com perspectivas futuras!!!