O Balão e o 11/9

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O que faz com que a água mantenha o formato do balão, mesmo após o balão ter estourado? É a inércia, a resistência de qualquer objeto físico à alteração de seu estado de movimento ou repouso. Nos rápidos instantes após o estouro do balão elástico, a água já começa a cair, mas além da gravidade não há nenhuma força significativa que altere sua forma. Tudo acontece tão rápido que sempre passa despercebido de nossos olhos, enxergar a inércia só se torna mais claro em câmera lenta.

Mas nem sempre. Uma das demonstrações mais claras da inércia é também uma das mais famosas e trágicas imagens históricas do século 21: a queda das Torres Gêmeas do World Trade Center, no atentado de 11 de setembro. As torres ruíram tão perfeitamente para baixo, que as teorias de conspiração sobre uma “demolição controlada” voaram nos instantes seguintes aos escombros, reverberando até hoje.

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Pois cada uma das torres do WTC pesava aproximadamente 500.000 toneladas. “Não havia nenhuma possibilidade de que qualquer torre caísse para os lados, uma vez que um edifício de 500.000 toneladas possui muita inércia para cair de qualquer outro modo exceto virtualmente direto para baixo”, informam os 20 fatos sobre a queda do World Trade Center. É a inércia. Remova a integridade estrutural de um edifício de 500.000 toneladas, e ele vai cair diretamente para baixo, algo como a água do balão. Apenas, dada sua escala muito fora de nossa experiência cotidiana, a queda levará até dez segundos e poderá ser acompanhada por olhos assombrados.

Demolições controladas nem sempre lembram a queda das Torres Gêmeas, muitos devem lembrar de prédios gigantescos ou grandes chaminés tombando para os lados. A ironia aqui é que fazer com que essas milhares de toneladas tombem para os lados é que é o feito de engenharia! A estrutura do edifício é desintegrada de forma controlada, em uma sequência planejada, aproveitando ainda a força da gravidade, direcionada pelo que resta da estrutura, para que os escombros sejam direcionados para um lado determinado.

Vídeos de demolições foram nos fornecendo uma noção distante de como um grande edifício rui “naturalmente”. Gravidade e inércia são os principais elementos em ação.

Claro, nada impede que a incompetência gere resultados ainda mais inesperados, como nesta demolição mal-controlada:

Carro atravessa explosão em câmera lenta

É um carrinho de brinquedo, mas são 3.000 quadros por segundo. Atenção na forma como ao estourar, o balão força um jato de hidrogênio contra a chama que afeta a forma como a combustão se espalha por todo o gás enquanto se mistura com o ar.

Deus Morreu. Viva o Higgs!

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“E que vilão! O maior de todos os tempos! Há, acreditamos, uma presença nebulosa em todo o universo que dificulta nossa compreensão da verdadeira natureza da matéria. É como se algo, ou alguém, quisesse nos impedir de alcançar o conhecimento último. Essa barreira invisível que nos distancia da verdade é o campo de Higgs. Seus tentáculos gélidos alcançam todos os cantos do universo, e suas implicações científicas e filosóficas dão intensos calafrios aos físicos. E o campo de Higgs opera sua magia negra através de – o que mais? – uma partícula. Essa partícula é chamada de bóson de Higgs. (…) Ele é tão central ao estado da física hoje, tão crucial à nossa compreensão final da estrutura da matéria, e no entanto tão furtivo, que eu lhe apelidei de “God Particle” [Partícula de Deus, em inglês]. (…) O editor [deste livro] não deixou que nós a chamássemos de “Goddamn Particle” [Maldita Partícula], embora esse fosse um título mais apropriado, dada sua natureza maliciosa e o trabalho que está dando”. – Leon Lederman, “A Partícula de Deus” (1993)

O próprio Peter Higgs, um ateu, é bem mais cauteloso e manifestou reprovação ao apelido do bóson que recebe seu nome pela possibilidade de que ofenda pessoas religiosas.

Se o apelido infame foi um tino publicitário da editora interessada em vender livros, e se explicar toda a origem e impropriedade de chamar o bóson de Higgs de partícula de deus ocupar muito espaço, podemos ficar com a sacada do físico Sean Carroll:

“Podemos parar de chamá-la de partícula de Deus agora que há prova de que ela existe”.

Brincadeiras à parte, Lederman não cometeu um sacrilégio tão grande ao conceder aos desejos de sua editora e publicar um livro com o título de “partícula de deus”. Como o jornal Sensacionalista bem noticia, “Cientistas descobrem algo muito importante, mas ninguém consegue explicar o que é”.

“Milhões de jornais do mundo inteiro publicaram a notícia, embora os jornalistas não tenham entendido rigorosamente nada. Os repórteres apenas digitaram o que foi dito pelos cientistas, que por sua vez se mostraram incapazes de explicar ao homem comum para que servia a experiência.”

Isso é rigorosamente verdade, e continuará simplesmente impossível que o homem comum tenha uma noção básica do que a descoberta significa e para quê pode servir sem que o homem comum tenha uma compreensão elementar do que seja a ciência e de que forma ela explica o mundo em que vivemos.

Há quase meio século pisamos na Lua, e o homem comum pouco compreendeu o que aconteceu. Ele sentiu o que aconteceu – homens pisando no grande círculo que sobe ao céu – mas sem a compreensão, apenas o sentimento permaneceu e deu margem para a dúvida, principalmente quando grandes filmes também são capazes de despertar fortes emoções. Não são poucos que pensam hoje que o projeto Apollo foi apenas um grande filme.

Hoje, a descoberta do bóson de Higgs – ou pelo menos o primeiro passo sólido do estudo do campo de Higgs – é um marco científico e tecnológico tão grande quanto a ida à Lua, mas não só a compreensão falta ao homem comum, como o sentimento. É algo muito importante, mas ninguém consegue explicar ao homem comum o que é.

Sem essa compreensão, o bóson de Higgs bem pode ser a partícula de deus. O deus das lacunas, o que é gravíssimo quando as lacunas são de conhecimento que já foi alcançado, mas permanece nas mentes de muito poucos.

“Acabei de explicar o bóson de Higgs ao meu amigo apesar de não entender o que ele é. Ele ficou bem convencido. Aposto que é assim que as religiões começam”. @RobDenBleyker

Veja tudo que já foi publicado no ScienceBlogs Brasil sobre Higgs.

Arte em Ondas Estacionárias

Uma corda, dois motores. Girando em sentidos contrários, a instalação de arte de Daniel Palacios cria ondas estacionárias que variam de acordo com o movimento do público ao redor. A arte cria tanto formas tridimensionais quanto sons cortando o ar.

Entender algo da arte envolvendo ondas estacionárias revela um tanto do segredo desse outro vídeo:

Aqui, o truque principal está na câmera, que captura imagens em vários quadros por segundo – a olho nu não se vêem as gotas imóveis no ar, exceto se todo o conjunto fosse iluminado por luz piscante, estroboscópica. Mas se poderia sim ver os fios de água dobrados pelo som, em ondas estacionárias no ar.

A Inteligência é uma Força Fundamental da Natureza

Existem quatro forças fundamentais na natureza. Tudo que conhecemos interage fundamentalmente através destas quatro forças: gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. Cada uma se comporta e é modelada de forma diferente, e depois que Albert Einstein unificou massa e energia, seu grande sonho passou a ser unificar todas as forças fundamentais em um só modelo, de forma a atingir uma Teoria de Tudo. Todo o Universo modelado fundamentalmente por um conjunto único de equações.

Que as forças nucleares forte e fraca fossem descobertas – Einstein iniciou seu projeto apenas com a gravidade e eletromagnetismo – e a física quântica demonstrasse que em escala subatômica tudo se comportava de forma, digamos, quântica, significou que seus sonhos permaneceram inacabados. A fotografia de como deixou seu escritório em Princeton para a posteridade de certa forma reflete sua obra sem fim.

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Desde então, não descobrimos mais forças fundamentais na natureza, e de fato conseguimos unificar duas delas: a força nuclear fraca e o eletromagnetismo podem ser modelados como formas diferentes da mesma interação fundamental, a força eletrofraca. Já há alguns anos a teoria de Supercordas promete terminar o serviço, mas a Teoria de Tudo permanece ainda assim um sonho.

Quando se ouve falar de uma “Teoria de Tudo”, um dos pensamentos mais naturais é imaginar quão estranho ou mesmo insano seria que tudo que conhecemos, que tudo que existe, seja modelado por um conjunto único de equações. Compreenderíamos instantaneamente todo o Universo? Onde estariam nossos sonhos, seriam eles reduzidos a simples equações?

O espetáculo de uma revoada de estorninhos deve nos ajudar a entender melhor o que exatamente o sonho de uma Teoria de Tudo representa.

Em uma revoada de estorninhos, mais de mil indivíduos podem voar em conjunto. Cada um deles interage apenas com aqueles próximos a si e reage de acordo com regras simples, porém coletivamente exibem um comportamento emergente hipnotizante. A simplicidade de cada agente individual, e a complexidade emergente do conjunto, foi modelada e demonstrada inicialmente no campo da Inteligência Artificial com os “Boids” de Craig Reynolds.

Inteligência Artificial modelando o comportamento da inteligência natural de estorninhos é algo fascinante com resultados como o que você vê acima.

Talvez ainda mais fascinante é a abordagem tomada por físicos da Universidade de Roma: eles modelaram o comportamento de revoadas de estorninhos baseados no magnetismo. A forma como estorninhos mudam de direção em revoada pode ser modelada exatamente com as mesmas ferramentas matemáticas que descrevem partículas de metal mudando seu spin em reação a campos eletromagnéticos.

O que os físicos italianos indicaram é que estorninhos podem se comportar como partículas e sua interação pode ser modelada como uma das forças fundamentais. Mas é a inteligência de tais estorninhos que reproduz a interação fundamental, não há realmente nenhum campo de força à distância entre um e outro estorninho. Não além daqueles que existem também entre duas pedras, que sem inteligência podem colidir livremente se lançadas ao ar.

Se por um lado o estudo dos físicos italianos demonstra a aplicação de um modelo matemático simples a um comportamento complexo, ele deve ressaltar como a metáfora também funcionaria no sentido inverso. Há muitos outros comportamentos complexos que não são modelados matematicamente. A forma como a inteligência pode reger o comportamento de um sem número de seres poderia ser interpretada como um universo de diferentes “forças fundamentais” que dificilmente seriam unificadas. Se a inteligência é uma força fundamental da natureza, há infinitas forças fundamentais na natureza.

Além das forças fundamentais, há uma infinidade de epifenômenos que emergem a partir daí, adicionando e multiplicando a complexidade do Universo em todas as formas que conhecemos – e a infinitude de outras que ainda iremos descobrir.

Engrenagens Paradoxais

Repare bem: as engrenagens adjacentes estão girando no mesmo sentido!

Engrenagens comuns de rodas dentadas sempre irão girar em sentidos contrários, um fato que não é universalmente apreciado e responde por confusões em logotipos como o abaixo:

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Estas três engrenagens que deveriam representar inovação estão em verdade travadas e jamais irão girar. Em resposta às críticas, e depois do vexame, o logo com engrenagens travadas foi abandonado.

As engrenagens paradoxais patenteadas pelo engenheiro da Renault Jean Mercier desafiam essa lógica. Para entender como funcionam, o vídeo abaixo deve ser esclarecedor:

Devido à forma como o torque é transmitido por partes deslizantes, sua eficiência não é muito alta, o que limita muito sua aplicação. Mas se você pode apreciar engrenagens adjacentes girando no mesmo sentido – e no vídeo inicial, contando mesmo com multiplicadores de torque – perguntar para que servem é um pequeno detalhe.

Science Nation Army

O já clássico “Seven Nation Army” do White Stripes, recriado inteiramente com sons de instrumentos do laboratório de explosões no Imperial College em Londres.

Como se trabalhar em um laboratório onde se exploram os efeitos das explosões já não fosse interessante, ainda passaram uma tarde fazendo rock.

No lado sério, essa repetição de explosões para “extrair uma história coerente de biomecânica” a partir de uma montanha de dados não é muito diferente do trabalho de um músico afinando instrumentos e repetindo performances até obter um resultado consistente.

A equipe responsável pela obra expressa melhor do que ninguém a mensagem:

“O resultado final de uma investigação científica, como uma música, é inevitavelmente o resultado de dias de prática, experimentação e colaboração. Um cientista pode ter uma ideia de como quer que sua investigação soe ao final, mas o processo científico irá expor desafios, testar a criatividade e de vez em quando revelar melodias completamente novas”.

O curioso é que o videoclipe original de “Seven Nation Army” também tem seu lado de curiosidade científica.

Não fiz os cálculos (alguém se dispõe?), mas de vídeos similares explorando fractais em zooms infinitos, aposto que ao final o zoom foi tão grande que a imagem inicial do clipe tem um tamanho maior do que o Universo observável. [via BB]

Neil Meme

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Neil DeGrasse Tyson, yeah.

“Se um taco e um burrito viajando próximos da velocidade da luz colidirem, o resultado será delicioso?”

R.: O resultado seria uma explosão grande o bastante para destruir um pequeno vilarejo. Colisões de alta velocidade fazem isso, quer sejam feitas de comida mexicana ou não.

Inércia e atrito em um vídeo fabuloso

Em uma estupenda demonstração, a companhia Mille Migilia acabou por exibir melhor algumas leis básicas de física ao invés de seus carros esportivos.

É algo muito parecido com o truque de puxar o pano de mesa, neste caso o carro com enorme momento freou rapidamente, com boa aderência e atrito entre seus pneus e o forro do piso, levando-o junto.

As pessoas continuaram no mesmo lugar, por inércia, mas o “tapete” foi puxado de seus pés. Física, funciona. [via Amazing.es]

De onde vem o Mol?

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“Juro lealdade ao mol, à União Internacional de Química Pura e Aplicada e à massa atômica que representa, um número, bem divisível, com átomos e moléculas para todos” – Sylvia Cooper, estudante secundária de West Virginia, EUA

Hoje, dia 23/10, precisamente das 6h02 da manhã às 6h02 da noite estará sendo celebrado o Dia do Mol, a unidade básica da química representado na constante de Avogadro, 6,02 x 10^23.

Renato Russo já expressou seu ódio à química, e o mol, como uma de suas unidades básicas serve bem para entender por que a matéria é tão pouco apreciada.

É fácil encontrar a definição dada pelos livros-texto do mol. É “a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares quanto são os átomos contidos em 12 gramas de carbono-12”. Todos recitamos isso como robôs, mas por quê?

Você sabe de onde vem o mol?

A resposta fundamental está não no carbono-12, mas no hidrogênio-1. Composto de um próton positivo e um elétron negativo, é o átomo mais simples e em um mundo ideal, 1 grama de hidrogênio-1 teria 1 mol de átomos. Seria tão mais simples entender o mol!

Basta pegar uma balança ultra-precisa e medir a massa de 1 próton e 1 elétron para chegar à massa de 1 átomo de hidrogênio, e então calcular quantos átomos desses são necessários para chegar a 1 grama. Vamos fazer isso?

A massa do próton é de 1,67 x 10^-24 gramas. A massa do elétron é 9,11 x 10^-28 gramas, mais de 1.800 vezes menor e para nossos cálculos de verso de envelope, vamos ignorá-la.

Agora, façamos a conta muito complexa da regra de três e vamos dividir:

1 g / (1,67 x 10^-24 g)

Para obter o número aproximado de átomos de hidrogênio-1 contidos em 1 g.

O resultado?

5,99 x 10^23

Parece familiar? É praticamente a constante de Avogadro que celebramos hoje, 6,02×10^23, ou seiscentos e dois quintilhões. Isso não é coincidência, em um mundo “ideal” o valor seria exatamente igual, e seria muito mais fácil entender de onde vem o mol. 1 grama de hidrogênio-1 possuiria exatamente 1 mol de átomos.

De onde vem a diferença? Pode-se pensar que a diferença vem da massa do elétron que desprezamos, mas este é apenas parte do problema. A resposta “porque sim” é porque não se usa o hidrogênio-1 como padrão, e sim o carbono-12. Mas por quê? Por que definimos o mol como o número de átomos em 12 gramas de carbono-12?

Bem, pesar um único átomo é muito complicado. Historicamente, nem o hidrogênio nem o carbono foram usados inicialmente: usava-se o oxigênio, porque ele se combina com quase todos os outros átomos, formando desde o dióxido de carbono no ar ao óxido de ferro da ferrugem, facilitando muito a análise. Mas mesmo nisso havia uma complicação: físicos mediam apenas o isótopo puro de oxigênio-16, porque seus espectrômetros permitiam essa precisão, enquanto químicos lidavam com a mistura de isótopos de oxigênio 16, 17 e 18 que ocorre naturalmente no ar que respiramos – e é extremamente difícil separar isótopos quimicamente. Não vivemos em um mundo “ideal”.

Em 1961 após uma sangrenta batalha, ou melhor, uma pacífica convenção, físicos e químicos chegaram a um acordo e passaram a usar o carbono-12 como referência, que é o que usamos até hoje. Essa nova referência significou que tanto físicos quanto químicos precisaram ajustar suas tabelas apenas um pouco para que houvesse finalmente um padrão unificado.

Mas por que não se usou o hidrogênio-1? E afinal, por que, se a massa de prótons e nêutrons é praticamente idêntica, o peso atômico do carbono-12, com seis prótons e seis nêutrons, não é exatamente 12 vezes maior que o do hidrogênio-1, com um próton?

A resposta é uma bomba. É a energia nuclear que mantém o núcleo unido, e como Einstein formalizou na famosa fórmula, E = mc^2, essa energia equivale a massa. É uma massa muito pequena, a diferença entre usar como referência o hidrogênio, o carbono ou o oxigênio é menor que 1%, mas ela existe e multiplicada pelos quintilhões que existem em apenas 1 grama de hidrogênio, é uma das mais poderosas forças que já dominamos.

É devido a essa energia nuclear, equivalente a massa, que não podemos simplesmente somar a massa individual de prótons e nêutrons para chegar à massa de todos os átomos. É devido a essa, e algumas outras histórias, que não usamos o hidrogênio como referência para o mol, e é por isso que precisamos decorar, arbitrariamente, que o mol é definido por 12 gramas de carbono-12.

Entender de onde vem o mol é entender desde a ideia básica por trás da constante, que dificilmente é ensinada, até os detalhes tanto históricos quanto da própria natureza que fizeram com que tenhamos chegado a essa definição. É um tanto mais complicado, mas uma vez que você compreenda, deve entender a lógica por trás de tudo isso, indo desde a massa de um único próton à energia nuclear que o une a outras partículas para formar átomos mais pesados.

Entender por que o mol é tão importante, e a definição de mol envolvendo 22,4L, bem, essa fica para o Dia do Mol do ano que vem!

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