A Ciência ao Alcance todos. Relatividades

Hoje, terça feira decorreu a última sessão desta oficina.

Desde a última viagem aqui referida fizemos outras.

Mais uma viagem panorâmica, desta vez à Sala Eureka, no Departamento de Física e da Universidade do Porto, na rua do Campo Alegre. Ali pudemos interagir com a ciência através de experiências em diversas áreas da Física. Aqui fica uma imagem. Outras poderão ser vistas aqui
Uma das experiências serviu de porta de entrada a uma nova viagem agora por “terras da relatividade”.

Numa calha horizontal com atrito reduzido, é lançado um “carro” que dispõe de uma espécie de funil onde está depositada uma pequena. A meio da calha há um túnel e à entrada um sistema electromagnético faz disparar a esfera . A esfera eleva-se e quando o carro sai do túnel a esfera cai no “funil”

Nós, observadores exteriores ao carro, vemos a bola descrever uma trajectória parabólica, mas se, quais liliputianos, viajássemos dentro do carro teríamos visto uma trajectória vertical.
Quando leccionava, sentia que muitos alunos tinham dificuldade em aceitar que, para um observador dentro do carro, a esfera cairia no mesmo lugar . E como S. Tomé, só acreditavam depois de ver. No entanto não nos causa estranheza que lançando ao ar uma bola, dentro de um avião ou de um comboio, a mesma regresse às nossas mãos (desde que comboio ou avião se desloquem a velocidade constante). Também já todos nós, experimentámos a estranha sensação de estar num veículo parado ao lado de outro que se desloca e pensar que é o nosso veículo que se está a deslocar em sentido contrário. Ou também a sensação de dúvida que temos dentro de um elevador quando em movimento uniforme. Estamos parados ou estamos a deslocar-nos?

Esta relatividade nos conceitos de repouso e movimento e a sua interpretação vem já de Galileu, por isso se designa por relatividade galileana nada tem a ver com a relatividade de Einstein.

Lagrange que morreu no início do século XIX dizia que a ciência do nosso mundo só podia ser criada uma vez e fora Newton que a criara.
Anos mais tarde, Lorde Kelvin, respeitado por importantes contribuições na Física, chegou a sugerir que a Física havia atingido o seu limite.
Estavam muito enganados.

Nos finais do século XIX, a necessidade de explicar alguns fenómenos no âmbito do electromagnetismo, nomeadamente o comportamento da luz como onda electromagnética tinham conduzido a uma ruptura com a Física clássica. Um dos problemas residia na interpretação da velocidade da luz com base na relatividade galileana. Por exemplo, a velocidade da luz deveria ser diferente, quando a terra está em duas posições diametralmente opostas em relação ao sol. Ora foram totalmente infrutíferas todas as experiências levadas a cabo para mostrar que a velocidade da luz, dependia da velocidade do observador.
Num golpe de génio, Einstein postula que a velocidade da luz não é relativa mas absoluta, e é inatingível. Nada se move à velocidade da luz.
E, de passagem, a velocidade da luz no vazio e aproximadamente no ar é de 300.000 km por segundo. É fácil ter uma ideia da distância a que estão de nós o Sol e a Lua. A luz do primeiro demora 8 minutos a chegar à terra e a luz difundida pela lua demora 1, 2 segundos. Há estrelas cuja luz demora milhões de anos a chegar….

Mas regressemos a Einstein. Quando falamos de relatividade einsteiniana, temos que distinguir entre relatividade restrita e relatividade geral

Comcemos pela primeira.  Com base no que  postulou para a velocidade da luz,  Einstein  iria mostrar que o tempo corre mais devagar para um observador em movimento, o que já é comprovado todos os dias no CERN, com partículas elementares, mas também o foi na situação que podem ver neste vídeo. Em 1971 os físicos Joe Hafele e Richard Keating colocaram relógios atómicos precisos em aviões, viajaram com eles em volta do mundo e compararam as suas indicações com as de relógios idênticos deixados em terra. Os resultados foram conclusivos: o tempo passava mais devagar no avião do que no laboratório e, assim, quando terminou a experiência, os relógios voadores estavam 59 nanossegundos atrasados relativamente aos que tinham ficado em terra — exactamente o valor previsto pela teoria de Einstein.
O espaço e o tempo deixam de ser absolutos e independentes e temos uma nova dimensão espaço-tempo

Mas se a velocidade da luz é inatingível, nada se pode propagar instantaneamente. Então há que repensar a gravidade que se pensava actuar de forma instantânea.
E assim surgiu mais tarde a teoria da relatividade geral, na qual Einstein trabalhou arduamente durante dez anos, que passa a explicar a gravidade por uma deformação no espaço tempo, provocada por qualquer corpo massivo. Einstein admitiu que uma grande massa, como o Sol, deveria "deformar" a estrutura do espaço-tempo em sua volta. Como consequência, um objecto que, no espaço vazio percorre uma linha recta, perto de uma grande massa "percebe" a deformação do espaço-tempo e muda de trajectória.

Assim, a luz ao passar perto do sol é desviada como foi provado em 1919, durante um eclipse solar
O astrónomo inglês Arthur Eddington, entusiasta das ideias de Einstein, convenceu as autoridades britânicas a financiar duas expedições para observar um eclipse do Sol em 1919. Uma delas, liderada pelo próprio Eddington, foi para a ilha de Príncipe, então colónia portuguesa, e outra foi a Sobral, no Ceará A tarefa era fotografar e medir a posição relativa das estrelas em redor do Sol, tornadas visíveis quando o disco solar fosse encoberto pela Lua. Comparando essas posições com as posições normais das mesmas estrelas, em fotografias obtidas à noite, longe do Sol, seria possível, em tese, medir a deflexão da luz.

O nome de Einstein é associado geralmente à gravidade mas o prémio Nobel foi-lhe atribuído pela sua explicação do efeito fotoeléctrico, explicação que abriu as portas à Física Quântica.
A luz ao interactuar com a matéria tem comportamento corpuscular ( não os corpúsculos da teoria corpuscular de Newton a que já nos referimos mas corpúsculos de energia , designados por quanta) embora se comporte como onda enquanto se propaga.
Este comportamento dual da luz é também o comportamento da matéria, que assume ao nível do “infinitamennte” pequeno aspectos muito bizarros e difíceis de explicar

 O próprio Niels Bohr, por muitos considerado o pai da mecânica quântica, defendia que esta é quase totalmente incompreensível, e chegou ao ponto de dizer que, para abordar o mundo quântico, a linguagem da razão e da lógica já não é apropriada, e que convém ir buscar a linguagem da psicologia ou da arte; por exemplo a linguagem dos poetas que não procuram representar os factos de forma precisa, mas apenas criar criar imagens e estabelecer conexões no plano das ideias .
In D´Espagnat B. e Klein E., Olhares sobre a matéria, (pp 20,21)

Deixo aqui um filme de animação muito interessante que pretende mostrar essas bizarrias…

Aqui fica também Gilberto Gil com a canção quanta,  de sua autoria. Ficam ainda alguns versos do texto

Quanta do latim Plural de quantum

Quando quase não há Quantidade que se medir

Qualidade que se expressar Sei que a arte é irmã da ciência

Ambas filhas de um Deus fugaz Que faz num momento

E no mesmo momento desfaz


A terminar esta viagem,  um filme e um poema



Fascinou-o uma bússola que lhe deram em menino


Talvez apontasse, bem cedo, o seu destino


cujos indícios não eram evidentes.


Como imaginar que um funcionário do registo de patentes,


com o estigma da época -era judeu -


pudesse vir a ombrear um dia com Newton e Galileu?


Espírito inquieto, infatigável,


havia de empreender uma aventura notável


pelos trilhos da ciência.


Para a luz, sublime, etérea, com audaz clarividência,


previu a curvatura face à gravitação.


Os dados colhidos num eclipse solar deram-lhe razão.


Nobel da Física, ganhou o galardão


pelos estudos da interacção luz e matéria.


Tolerante, livre, com a maior dignidade


caminhou sempre em busca da verdade


o que originou na ciência, uma revolução -


a relatividade, com novas relações espaço –tempo,


que ainda não cabem no vulgar entendimento.


Talvez qualquer mortal ouse afirmar


que a velocidade provoca no tempo uma dilatação


enquanto que no espaço provoca contracção.


(provavelmente não sabe é o porquê),


e com idêntica ousadia falará na relação massa-energia,


E = mc2 que, por ironia, iria contribuir para a chacina


em Nagasaqui e também em Hiroshima.


Entristeceu-o tão bárbara imprudência,


tanta estupidez no uso da ciência.


“Com armas podem vencer-se guerras, mas a paz não se conquista”


era o seu lema de empenhado pacifista


Um dia deixou de bater o coração


mas a inteligência deixou-a, como legado, para a ciência.


O seu espírito, liberto agora das pressões do mundo,


talvez vagueie num espaço- tempo mais profundo


a uma velocidade, quiçá maior que c.

Regina Gouveia

A última viagem foi uma viagem muito breve ao mundo da radioactividade

Fez-se referência à descoberta um pouco casual dos raios X por Rontgen. A investigação que levou a cabo após a descoberta da radiação e os resultados da mesma foram apresentados a 28 de Novembro de 1895, sete semanas depois da descoberta, em comunicação no Instituto de Física e Medicina de Wurzburg.
Da comunicação constava a imagem dos ossos da mão da sua mulher, Bertha.
As potencialidades que se deixavam adivinhar pela aplicação revelada desencadearam uma mediatização que, de certo era, no final do séc. XIX, pouco comum. “Uma nova luz vê os ossos através da pele” e “Através da nova luz, revelam-se objectos escondidos” são exemplos de manchetes de jornais norte-americanos, logo em meados de Janeiro de 1896.
A opinião pública estava fascinada com os raios X (até poemas lhes foram dedicados!) e o mundo médico imediatamente reconheceu o extraordinário potencial da descoberta.

A revista "Life", em Fevereiro de 1896, publicou a seguinte poesia, de autoria de Lawrence K. Russel.

"Ela é tão alta, tão esbelta; e seus ossos,

aqueles débeis fosfatos e aqueles carbonatos

tornam-se magníficos aos raios catódicos

pelas oscilações, ampères e ohms;

suas vértebras não se ocultam sob a pele,

mas tornam-se inteiramente visíveis.

Por sobre suas formosas costelas

em número de vinte e quatro

desenha-se um ténue halo de sua carne;

sua face sem nariz e sem olhos volta-se para mim

e eu sussurro: "querida eu te adoro";

seus dentes brancos e brilhantes sorriem.

Ah! doce, cruel, adorável catografia".


Por sua vez, a revista "Photography", na mesma época, contribuiu com esta outra poesia


"Os raios Roentgen, que viraram mania

e excitam a cidade com a nova fase

de rumos futuros, deixam-me aturdido,

pois agora eu percebo que se pode ver e mirar

através dos vestidos com estes travessos raios,

malvados raios Roentgen".


Henri Becquerel, professor na Escola Politécnica de Paris encetou um estudo sobre a eventual relação entre a nova radiação e o fenómeno de fosforescência natural estudo a que se dedicava, entre outros.
Ao trabalhar com sais de urânio, verificou que, expostos à luz solar, eles tinham a capacidade de impressionar uma chapa fotográfica coberta por papel opaco. Em Fevereiro de 1896, e também um pouco por acaso, descobriu que esta capacidade é independente da exposição à luz solar o que levou à admissão de que o mesmo tinha origem no próprio sal de urânio. Foi a descoberta da radioactividade natural!
Os raios de Becquerel, como inicialmente foram designados, foram por ele estudados exaustivamente.
Demonstrou que, tal como os raios X, podiam causar ionização em gases, mas contrariamente ao que acontecia com eles, podiam sofrer deflexão por um campo magnético.

Marie Curie encetou, em finais de 1897, um estudo sistemático (que viria a ser a sua tese de doutoramento na Sorbonne) sobre os “raios de Becquerel”. Juntamente com o seu marido Pierre Curie propôs-se procurar outros materiais com as mesmas propriedades. Propôs o uso do termo radioactividade, para a emissão desses raios pelas substâncias como o urânio e o tório, aos quais chamou “radioelementos”.
Continuando as suas pesquisas, descobriram dois novos elementos radioactivos a que deram o nome de polónio (em homenagem á Polónia de onde era natural Maria Curie) e rádio.
Marie Curie, a primeira mulher a ter um lugar no corpo docente da Sorbonne (sucedendo a seu marido, tragicamente desaparecido), foi ela própria uma das promotoras da utilização do rádio no tratamento do cancro.
Em 1934, já depois da identificação e caracterização das partículas nucleares, o casal Joliot-Curie, formado por Irène Curie(filha de Marie Curie) e por Fréderic Joliot produziu, pela primeira vez, um elemento radioactivo em laboratório.
Estas três aquisições da ciência
• descoberta dos raios X
• descoberta da radioactividade natural,
• produção de elementos radioactivos artificiais 

juntamente com o conhecimento aprofundado da estrutura atómica e nuclear, onde os nomes de Niels Bohr  e Ernest Rutherford são incontornáveis, determinaram a evolução da radioterapia ao longo do século XX e até aos dias de hoje

(M.C. Lopes in gazeta de Física, nº 30, fasc 1, pp 14-29)

A radioactividade não é um fenómeno recente. Com efeito,a Terra sempre esteve sujeita à radiação cósmica e da sua constituição sempre fizeram parte elementos radioactivos, pelo que a espécie humana tem vivido, desde a sua origem, num ambiente naturalmente radioactivo.
A radioactividade no ambiente pode ter origem natural ou artificial e resulta, basicamente: da interacção da radiação cósmica com gases atmosféricos, da utilização industrial de matérias que contêm radionuclidos,
radionuclidos resultantes de testes nucleares, produção de energia eléctrica por via nuclear, produção de radioisótopos, acidentes, e exalação para a atmosfera de elementos radioactivos com origem em constituintes naturais de solos e rochas
A utilização da radioactividade em medicina, nomeadamente na radioterapia, explica-se porque a radiação causa danos ( substituições, falhas, trocas, roturas) à estrutura do DNA de uma célula podendo inviabilizar a sua reprodução, ou seja, conduzir à sua morte. Do ponto de vista terapêutico é esse o objectivo. Por outro lado pretende-se que sobrevivam as células dos tecidos sãos circundantes. É pois este balanço custo-benefício, que determina o resultado de um tratamento