O que a evolução de espécies, as rotas de transporte de mercadorias e a eleição democrática de representantes têm em comum? Do ponto de vista da física (e da matemática), tudo!

O último Papos de Física de 2019 aconteceu no dia 7 de novembro e, para fechar o ano, abordamos uma temática inusitada: Sistemas Complexos e o olhar da Física. Sistemas complexos formam uma área de estudo relativamente nova, naturalmente interdisciplinar, que tem reunido físicos, matemáticos, biólogos, sociólogos e até mesmo economistas, para resolver questões em comum. O professor Daniel Stariolo, da Universidade Federal Fluminense (UFF), foi ao Tubaína Bar falar um pouco sobre o assunto e a perspectiva da física dentro desta área.

O professor Daniel Stariolo conversou sobre Sistemas Complexos e como a física ajuda a entendê-los.

Stariolo começou a apresentação ilustrando a natureza interdisciplinar dos sistemas complexos e sua ocorrência nas mais diversas áreas de ciências e fora dela, desde os ecossistemas do planeta, planejamento de transporte e estradas, organizações sociais, evolução… O ponto em comum entre todos eles é o fato de funcionarem em redes e serem, de alguma forma, internamente conectados entre si. Os sistemas complexos podem ser naturais, que evoluíram para serem da forma como são hoje (como os ecossistemas, os organismos, o clima) ou podem ser artificiais, criados pelo homem para funcionarem do modo que conhecemos atualmente (a economia, as redes de distribuição de energia, o sistema de transporte e as redes sociais).

Alguns elementos são essenciais e caracterizam os sistemas complexos. Os principais são a existência de muitos agentes, a conectividade (relação entre os agentes) e a existência de vínculos conflitantes (ou seja, relações competitivas). Porém, não basta que esses elementos existam. Algumas propriedades do sistema surgem como consequência das características individuais dos agentes: são as chamadas propriedades emergentes.

As interações entre as partes de um sistema complexo criam padrões complexos de funcionamento coletivo. Em outras palavras, propriedades emergentes são criadas por conta da interação entre os agentes do sistemas, mas não estão presentes individualmente em cada uma das partes. Por exemplo, a interação entre os neurônios no seu cérebro permitem que você leia e entenda esse texto. Porém, um único neurônio não seria capaz de realizar a mesma atividade. Uma pessoa levantar e abaixar os braços não implica em nada; porém milhares de pessoas fazendo isso (organizadamente) nas arquibancadas de um estádio cria uma “ola”.

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Dentre as inúmeras propriedades emergentes de um sistema complexo, Stariolo destacou auto organização, múltiplas escalas e complexidade.

A auto organização é inerente ao sistema e é o conjunto de regras internas que faz ele funcionar. Essa rede de relações e regras gera um fluxo de informações entre os indivíduos do sistema e, em geral, é bastante complexa para entender, e, principalmente, modelar. Quando inserido em um sistema, o indivíduo fica sujeito a essas leis de funcionamento. Por exemplo, quando começamos num trabalho novo, temos que entender (e nos adequar) a dinâmica do ambiente e suas regras, sejam elas de comportamento ou vestimenta; quando viajamos a países estrangeiros, devemos atender às leis daquele lugar e estamos sujeitos à sua constituição (via de regra… Em geral, Direito é bem mais complexo do que isso!).

As múltiplas escalas também são muito presentes nos sistemas complexos. Os próprios sistemas em geral são compostos de subsistemas, mas podem interagir com outros sistemas maiores, gerando redes de relação em escalas diferentes. Embora cada escala tenha suas regras próprias, elas se relacionam umas com as outras e também podem interferir umas nas outras.

Para entender as escalas diferentes, imagine seu corpo. Ele é formado por órgãos – pulmão, coração, rins, etc. Alguns órgãos atuam juntos e formam sistemas – respiratório, digestório, cardiovascular – e todos eles juntos formam você, que é também um sistema complexo. Se diminuirmos a escala, cada órgão é formado por tecidos diferentes – muscular, nervoso, epitelial – e cada tecido é formado por tipos específicos de célula. Ou seja, a medida que aumentamos ou diminuímos a escala, observam-se padrões e a ocorrência de sistemas complexos, com organização e regras próprios, mas que interferem uns nos outros.

O conceito de Complexidade é estudado e utilizado em diversas áreas de conhecimento, em ciências humanas, da vida e exatas, e a própria definição é controversa. No Papos de Física, Stariolo definiu a complexidade dos sistemas complexos pela possibilidade de existirem múltiplos equilíbrios possíveis para o sistema em questão. E usou a evolução de espécies para ilustrar isso. 

A evolução a partir da seleção natural envolve inúmeros indivíduos (são 8,7 milhões de formas de vida hoje, sem considerar as já extintas!), explora as relações entre eles (sejam harmônicas ou desarmônicas, onde nenhuma ou alguma das partes sai prejudicada) e certamente apresenta vínculos conflitantes (sobrevivência do “mais apto”). Mas não só isso, as propriedades emergentes, citadas por Stariolo, também estão presentes: a evolução cria e modifica seus próprios padrões não-lineares e portanto é auto organizada; ela ocorre em múltiplas escalas, sejam elas temporais ou espaciais; e apresentam grande complexidade, ou seja existem muitos equilíbrios (ou espécies) possíveis – é bem provável que outras combinações de espécies estariam presentes no mundo hoje, caso alguma coisa tivesse acontecido diferente no passado. Entender em detalhe quais as relações e as regras da evolução têm sido o desafio dos biólogos (e físicos!) nos últimos anos.

Árvore da vida. A evolução não é um processo linear como normalmente imaginado pelo senso comum. Trata-se de um exemplo de sistema complexo com diversos agentes atuantes. (Fonte: ZernLiew)

O problema do caixeiro viajante

Um dos exemplos clássicos que o professor trouxe foi o conhecido “Problema do Caixeiro Viajante”. O problema é, conceitualmente, simples: qual a menor rota possível para o caixeiro passar (somente uma vez) por todas as cidades de um determinado grupo de cidades e voltar para o ponto inicial.

A princípio, pode parecer uma pergunta boba ou sem sentido, mas, na verdade, soluções desse problema têm aplicações diretas e indiretas em diversas áreas, desde planejamento e logística no transporte de mercadorias, até produção de microchips, sequenciamento de DNA e astronomia.

A origem do problema é relativamente incerta: existem registros de que esse problema tenha sido proposto no século 19, mas foi considerado matematicamente apenas na década de 30. Já nessa época, Karl Menger, um dos matemáticos que teria estudado o problema, concluiu a necessidade de um algoritmo potente para resolvê-lo e postulou que a solução “óbvia”, que comumente vem primeiro à mente, geralmente não é a resposta certa. Ele se referia a regra “do ponto mais próximo” em que, partindo de uma cidade, a rota deveria seguir sempre para a cidade seguinte mais próxima. Embora essa solução pareça razoável, nem sempre a soma total dos deslocamentos será a menor possível – e portanto, não responde ao problema original.

Stariolo mostrou um vídeo durante sua apresentação, e vamos fazer o mesmo aqui. Basicamente, o vídeo apresenta quatro respostas usando, cada um, uma abordagem diferente, para o problema: qual a menor rota possível para ligar as 200 cidades do vídeo.

O primeiro método é selecionar aleatoriamente as cidades até que todas tenham sido visitadas. Ou seja, é “deixar a vida te levar”. Essa abordagem que pode funcionar muito bem quando você está viajando a lazer e resultou no percurso de 327452.4 km percorrido entre as cidades.

O segundo método é o de escolher sempre a cidade mais próxima – a solução “óbvia” que vêm à mente, como falado nos parágrafos anteriores. Provavelmente seria a solução que um turista um pouco mais preparado teria escolhido. No caso do vídeo, a distância total percorrida seria 36226.2km.

A terceira abordagem utiliza o método inicial, criando uma rede aleatória, mas o otimiza, sempre selecionando 2 pontas para trocar. A não ser que seu problema a resolver seja trivial, escolher quais pontas trocar é complicado. Assim, a solução é que o algoritmo faça trocas aleatórias até que encontre a menor rota. O problema dessa abordagem é que, por conta do caminho inicial escolhido, o algoritmo empaca numa solução que não é a melhor possível – e pode ser um “mínimo local”, que não necessariamente é o mínimo global do seu sistema. Nesse caso, o viajante teria percorrido 31887.0 km

Para entender o mínimo local, imagine um vale com montanhas bem altas, mas que também tem montanhas menores ao redor. Pode ser que, procurando o ponto mais baixo entre as montanhas, você caia num vale entre uma montanha grande e uma pequena, mas não necessariamente no ponto mais baixo de todas as montanhas ali (Fonte:i2tutorials)

Como melhorar isso? Utilizando uma técnica probabilística chamada recozimento simulado (simulated annealing), que tem suas origens na termodinâmica.

Para resolver o problema do caixeiro viajante, usar o recozimento simulado permite aceitar probabilisticamente soluções ruins no início da busca. Quanto tempo a busca pelo menor caminho vai durar é medida de acordo com uma temperatura hipotética para o sistema. No início da busca, a temperatura é alta e a chance de aceitar resultados ruins é maior. Com a diminuição da temperatura, também diminui a probabilidade de que a resposta obtida não seja a ideal. No caso do vídeo, o caminho ideal entre as 200 cidades é encontrado quanto a “temperatura do sistema” é 0.4, encontrando uma solução de 30944.3 km.

Recapitulando… a abordagem completamente aleatória percorreria 327 mil quilômetros; ligando sempre o ponto mais próximo, a segunda, 36,2 mil km; a terceira, usando otimização, 31,9 mil km; e, por fim, a quarta, que usa otimização e recozimento simulado, 31,0 mil km.

Claramente, o método do turista “deixa a vida me levar” é o mais longo de todos – e às vezes esse pode até ser o objetivo do turista. Mas quando falamos do transporte de cargas e da logística de mercadorias, é interessante para as empresas gastar o mínimo possível, ou seja, tomar a menor rota possível.

A diferença mais expressiva é entre o ‘viajar sempre para a cidade mais próxima’ e os métodos probabilísticos mais robustos. Considere um caminhão viajando constantemente a 80km/h e cujo desempenho seja 29 litros/100km. A alternativa 2, indo sempre à cidade mais próxima, gastaria 10500 litros ao longo de 453 horas (ou seja, 18.9 dias corridos). Usando a melhor das rotas calculadas, seriam utilizados 1530 litros de combustível a menos, e 2,8 dias seriam economizados na conta do motorista. Se você imaginar grandes companhias com milhares de caminhoneiros transportando mercadoria todos os dias, isso faz uma baita diferença!

Mas o que física tem a ver com isso tudo?

Primeiramente, princípios de física são utilizados para entender como funciona a natureza. Sistemas complexos ocorrem nas mais diversas escalas e nos mais diversos locais na natureza, então é esperado que a física poderia ser usada para estudá-los. Além disso, a física já tem um conceito que está relacionado o grau de desordem de um sistema – a entropia – e uma área de estudo que se propõe a estudá-la: a termodinâmica.

A termodinâmica pode ser estudada tanto pela mecânica clássica, com as leis de Newton, quanto pela mecânica quântica, com todas as estranhezas intrínsecas ao mundo do muito pequeno. Mas, quando tratamos de uma quantidade muito grande de objetos a serem estudados – moléculas, átomos, elétrons -, é necessário usar a física estatística. A ideia é aliar probabilidade e estatística para caracterizar o comportamento médio (ou probabilístico) de sistemas microscópicos onde existam muitos elementos interagindo. Stariolo ainda comenta que a física estatística é, grosso modo, a termodinâmica na escala microscópica.

Vale lembrar que nem todo sistema estudado com física estatística é um sistema complexo, por conta das outras características intrínsecas deles, como já mencionado neste texto. Um sistema complicado de entender não necessariamente é um sistema complexo! Mesmo assim, a física estatística é uma ferramenta para o estudo dos sistemas complexos, e rompe as barreiras do mundo micro – com ela é possível estudar desde os átomos e moléculas, até as redes sociais e a economia mundial.

O Papos de Física é um evento mensal de divulgação científica promovido pelo ICTP-SAIFR no Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 74). Todo mês, levamos pesquisadores para conversar com o público leigo sobre assuntos intrigantes da física, em palestras descontraídas e informais. Fique ligado para os eventos de 2020 no nosso instagram e na página!

Para saber mais sobre sistemas complexos e a física por trás deles:

SAIFR Divulga! – A Mecânica Estatística só se aplica a fenômenos físicos?

http://www.cbpf.br/~desafios/media/livro/Sistema_complexos.pdf

Raised in a ‘post-Sputnik era’ within a general atmosphere of awareness of the importance of science, professor John Friedmann became interested in science (and physics) during high school. In college, he realised there were several unexplained mysteries about the Universe, powered by the advances and discoveries of satellites, that pointed towards general relativity (GR). Despite the skepticism of some astronomers to GR, and keen to understand more, he got into the small group of physicists studying the new field of relativistic astrophysics in the late 60’s – to live what turned out to be the ‘golden age of black holes and neutron stars’.

John Friedman holds the position of University Distinguished Professor Emeritus at the University of Wisconsin-Milwaukee (USA).

Nowadays, John Friedman holds the position of University Distinguished Professor Emeritus at the University of Wisconsin-Milwaukee (USA). Fellow of the American Physical Society, he has worked on a broad range of problems in gravitational physics and relativistic astrophysics, involving neutron stars, black holes, gravitational waves, topology of spacetime, and topological questions in quantum gravity. The professor attended the ‘One-day Relativity Workshop’ at ICTP-SAIFR in November and took some time after the event to talk to us.

You were supervised by Prof. Chandrasekhar during your PhD. Later, he was awarded a Nobel Prize for his work on structure and evolution of stars. I’m very curious… What was it like to work with a Nobel laureate?

Well, he had a lot of insight into what the right problems were to look at. He came to General Relativity with a background in astrophysics – he was one of the country’s leading astrophysicists. He recognized the importance of looking at stability of black holes; eventually he did the first calculations of black hole normal mode frequencies. His real strength was his ability to see the structure in the equations that govern the physics he was looking at. He was a throwback to classical physics of fifty years earlier but he assimilated many of the modern techniques. He was unusual, in his day, for manipulating long equations rather than relying on short calculations and physical insight.

What is General Relativity and how did it change Physics in the last century?

General relativity is Einstein’s law of gravity that tells you that gravity is equivalent to a curvature of spacetime and that particles travel paths of the shortest length in spacetime. People draw pictures where you see space curved like a rubber sheet with a ball placed on it – that conveys some of the feeling for it. But the importance of the theory, in astronomy, is not really this geometric meaning of spacetime, it’s what it [the theory] predicts for what you see in the Universe. Its predictions of black holes, the description of how the Universe expands, of the nature of the densest stars – neutron stars – and the description of the most energetic events in the Universe – the collision and coalescence of black holes and the coalescence of neutron stars and neutron stars and black holes. It [the theory] is needed to predict and understand the most exciting events that are occurring in the Universe.

You study some of these events, like neutron stars! What are they and why are they important? You were talking about coalescence of neutron stars… What happens when two neutron stars fuse together?

At the end of the life of a massive star – let’s say between 8 and 20 times the mass of the Sun – the core of the star is [made of] the stablest element – iron. You don’t form anything heavier than iron [inside the star] and, as the star burns its nuclear fuel outside the core, you just keep adding ashes to the dead iron core and its mass keeps growing. The star is sustained by the pressure of the core’s electrons, [where] the electrons have to move faster and faster, to keep the core apart – to counteract its gravity.

As [the core] is growing larger, its gravity is increasing and the electrons have to move faster. But there’s an upper limit on how fast they [the electrons] can move – that’s the speed of light!!. Once the core gets above 1.5x the mass of the sun, the electrons would have to go faster than light. So at, or shortly before, that upper limit the electrons are all pushed down onto their nuclei and they turn into neutrons – an electron + a proton = a neutron – and the entire star collapses down to a giant nucleus. 

It’s a gigantic nucleus – the Universe largest atomic nucleus: [there are] 1 with 57 zeros neutrons inside of it! Nuclear density is about 1 billion tons per teaspoon – in natural units. The inside of that star is even denser than nuclear density – it’s the densest matter of the Universe, with an average density of 3 billion tons per teaspoon – and it provides a way of trying to understand how matter behaves at the highests densities in the Universe.

That’s part of its importance for physics, and neutron stars also have the Universe’s largest magnetic fields and they serve as the end of evolution for a whole class of stars. The galaxy is dotted with thousands of neutron stars. [Finally,] the coalescence of neutron stars or neutron stars and black holes gives you the most energetic, most luminous, electromagnetically observed events in the Universe.

“We are all made of stardust” as Carl Sagan would say. What does that mean and how does that relate to your work?

That’s the statement that basically everything in you, every element, every atom – except for hydrogen and helium – was forged, in one way or another, by stars. Every element, including hydrogen and helium in you, was once inside a star. In that sense, you literally are stardust. Some heavier elements in you  – lithium, carbon, nitrogen, oxygen – those elements are all forged in stars and distributed through the Universe. [That happens] either the stars blow off their masses (when they’re heavy) or in supernova explosions. But the heaviest elements – rare earth elements, gold, silver, platinum, lead, uranium – these elements, it looks now like – from work of the last 10 years and the most recent discovery of two neutron stars colliding with each other – [they] were formed in the collisions of neutron stars, or perhaps between neutron star and black hole. Finding out the way in which they form, the way that which these collisions occur, and doing the observations and understanding those, it is in part related to the work I’m doing.

Everybody tells us about nucleosynthesis and how the elements are formed… but they only tell us up until iron. And we see a lot of other elements out there! And I always wondered ‘what about all the other stuff… how do they form?’. But it is a great question people are still trying to figure out, right?

Yeah, right! It looks like we’ve got the answer, but still… you can’t say it’s really decided by one event. It looks increasingly likely that we know the answer, at least for the major part of where they formed, but I’m sure in 10 years there will be others! Nucleosynthesis [the process by which atomic nuclei are formed] has not turned out to be a simple field, there are always exceptions, there are always different mechanisms – there’s cosmic rays hitting, spallation by cosmic rays, there’s just a bunch of mechanisms! It’s like saying “how do you form CO2?”. Well, there’s not gonna be one place in the Universe where you form carbon dioxide! I’m sure smaller amounts will [be known to] be formed in various different ways…

And that’s the nice thing about science: it’s about always asking new questions and keep doing it!

The professor gave a lecture during the “One-day Relativity Workshop”, which happened at ICTP-SAIFR in November.

Quantum mechanics and general relativity don’t really work out together. But people have been working a lot, trying to find this ‘theory of everything’, or at least trying to find a quantum description of gravity. Are physicists any closer to sorting this out? Where are they looking for clues to solve this problem?

The holy grail! Hmm… if I knew [where to look] I’d be working on it! Hahaha

So there’s been a huge effort in a number of different approaches to quantum gravity and, although I have my own biases, nothing that people have tried has had what I would call a “remarkable success”. The most popular is string theory, which had early predictions of supersymmetric particles that have not been seen. Its attempts to make predictions about ordinary physics, ordinary particles have been unsuccessful, but there was a kind of remarkable coincidence in modelling a particular class of black holes – not physical black holes, but higher dimension black holes: something called extreme black holes. But that success was many years ago and, to my mind, you can’t see a similar dramatic success coming out of that.

From the other approaches, I think some are exciting but again, it’s been something of a desert.

Theoretical physics had tremendous advances in the 60’s and 70’s with the development of gauge series, the Standard Model and the final experimental piece falling in place with the discovery of the Higgs particle. There are significant increases in our understanding of neutrinos, partly theoretical, partly experimental. But nothing like those dramatic advances [for unifying QM and GR] in theoretical physics. The dramatic advances have really been in cosmology and relativistic astrophysics, not in particle physics, in recent years.

You were here for the workshop on general relativity. Could you tell a little bit about your experience here and the importance of this kind of event for physics and physicists?

It’s always exciting to come to these things, in particular for me. I’ve been working much more in astrophysics than in quantum areas in recent years, so it gave me a chance to see and talk to people doing work on quantum field theory in curved spacetime, with implications for Hawking evaporation and the question of what happens to information in the evaporation of black holes. These are interesting questions, and it was good to see things that have been done in the last few years, that I hadn’t been aware of. That’s really useful to me.

My being here also… People here were largely working on areas like that [using quantum approaches] so I gave an overview, made the essential calculations in the field of gravitational wave astronomy accessible. I hope that’s useful for people watching, to [get to] know what has been done in the last few years.

If you are interested on neutron stars, check out these videos on Youtube!

Neutron Stars – The Most Extreme Things that are not Black Holes

O que são Estrelas de Nêutrons?

Demanda por diversidade é cada vez maior no meio científico. Em outubro, o ICTP-SAIFR sediou dois workshops internacionais para discutir essa questão.

A escolha por uma carreira acadêmica na área de STEM (sigla em inglês para Ciência, Tecnologia, Engenharias e Matemática) é individual. Ela é influenciada por vários aspectos sociais, econômicos e culturais, que vão além do acesso à educação de cada um, e não são diretamente relacionadas ao gênero de cada um. Porém, historicamente, essas profissões são ocupadas majoritariamente por homens. O crescente ingresso de mulheres nessas áreas nos últimos anos, no Brasil e no mundo, tem levantado o debate acerca da diversidade nas áreas de Ciência e Tecnologia.

Em outubro, o ICTP-SAIFR, centro de pesquisa associado ao IFT-UNESP, sediou dois eventos voltados para a discussão sobre a diversidade na Ciência e Tecnologia: o Workshop sobre Habilidades para Jovens Cientistas e o Workshop Aumentando a Diversidade em STEM. Realizados de forma consecutiva, os eventos se fundiram em um só e reuniram dezenas de participantes, em sua maioria mulheres, de toda a América Latina para uma semana de discussões e debates.

Zélia Ludwig, professora de física da UFJF, falou sobre sua pesquisa, trajetória e as dificuldades encontradas por ser uma mulher negra num meio majoritariamente ocupado por homens.

Os primeiros dias de evento contaram, principalmente, com palestras de pesquisadoras bem estabelecidas, compartilhando suas trajetórias, experiências pessoais e dificuldades enfrentadas. Relatos inspiradores de pesquisadoras como Marcia Barbosa (UFRGS), Zélia Ludwig (UFJF) e Katemari Rosa (UFBA) trouxeram reflexões e dados sobre a presença feminina no ambiente acadêmico, sua importância, e críticas à situação atual. A professora Katemari Rosa (UFBA) falou sobre sua pesquisa em ensino de física e também abordou a falta de representatividade de outras minorias e grupos marginalizados na ciência, como as populações negra, indígena e LGBTQ+.

Num ambiente acolhedor, muitas vezes o público se identificou com as histórias contadas e momentos de troca de relatos e vivências ocorreram ao final de cada apresentação. Também nos dois primeiros dias de evento, foi exibido o curta metragem “Women in Science”, produzido por uma estudante de Bacharelado em Física na USP. Este filme traz cenas baseadas em relatos reais de “pequenas violências” sofridas no ambiente acadêmico. Para saber mais sobre o filme e sua produção, veja essa matéria.

O público se sentiu confortável e acolhido durante o evento. Diversas oportunidades para trocar experiências pessoais ocorreram.

O workshop também contou com uma mesa redonda sobre Etnicidade, da qual participaram as professoras Katemari Rosa (UFBA), Zelia Ludwig (UFJF), Lilia Meza Montes (BUAP, México) e os professores Henrique Cunha Jr. (UFC) e Antônio Carlos Fontes dos Santos (UFRJ). Lilia Montes trouxe dados sobre as políticas públicas do governo do México para aumentar a quantidade de indígenas na Academia e falou sobre a importância delas. O professor Henrique Cunha apresentou cientistas negros pioneiros, em geral desconhecidos pelas pessoas, segundo ele, justamente pela invisibilidade de negros na Academia. São eles: Juliano Moreira, médico e psiquiatra; Theodoro Sampaio, engenheiro e urbanista; Manuel Quirino, pioneiro em estudos antropológicos no país; e Virginia Bicudo, psicanalista, socióloga e uma das precursoras dos estudos de Sociologia Negra no Brasil. 

Zélia Ludwig e Antonio Santos questionaram os estereótipos da figura do cientista e reforçaram a necessidade de incentivar jovens negros e mulheres a entrar nas áreas de STEM. Por fim, a professora Katemari Rosa contou sobre o projeto que vem desenvolvendo – o “Contando nossa História”. Esse projeto visa criar uma base de dados de cientistas negros no Brasil, hoje e no registro histórico: “um dos objetivos é resgatar uma identificação da população negra brasileira com as ciências e nossa produção intelectual”, comenta a professora. Ela também busca, a partir das narrativas orais da vida de cientistas, produzir materiais didáticos e plataformas online, que sejam amplamente utilizadas pelo público dentro e fora das salas de aula.

Mesa redonda sobre Etnicidade (da esquerda para a direita): Katemari Rosa (UFBA), Antônio Carlos Fontes dos Santos (UFRJ), Zelia Ludwig (UFJF), Henrique Cunha Jr. (UFC) e Lilia Meza Montes (BUAP, México).

Ao longo da semana de eventos, foram discutidas diversas estratégias para combater e modificar o desequilíbrio de diversidade que a Academia apresenta. Dentre as principais abordagens apresentadas, reunimos abaixo três grandes categorias: identificar, incentivar e divulgar.

Identificar 

Avaliar a presença de mulheres e minorias nas áreas de STEM não se resume a experiências pessoais dos envolvidos, embora falar sobre o tema seja importante para essas pessoas. Os participantes do workshop, por exemplo, destacaram a troca de experiências, em especial entre cientistas mais experientes e jovens pesquisadoras; a noção de pertencimento e construção de identidade como pesquisador e a criação de redes de apoio pessoal e colaboração científica são vantagens desse tipo de evento.

Antes de discutir medidas concretas, o primeiro passo fundamental é levantar dados: mapear, quantitativamente, a distribuição de mulheres e outras minorias nas mais diversas áreas de STEM. Por isso, várias das palestras também apresentaram dados estatísticos sobre a presença feminina nos ambientes acadêmicos, desde a graduação até bolsas de incentivo a pesquisadores e premiações. Independentemente da área, país ou minoria analisada, à medida que se avança na carreira acadêmica, o número de mulheres, negros, índios e lgbtq+ diminuem drasticamente – um fenômeno conhecido como “teto de vidro” (por conta dele, a ascensão na carreira é mais difícil à medida que esta avança, em especial para as minorias reportadas).

No workshop, foram apresentados os dados preliminares da pesquisa global de cientistas, promovida pelo Projeto Global de Disparidade de Gênero (em inglês, Global Gender Gap in Science Project). Realizada em 2018, esta pesquisa coletou mais de 34 mil respostas de todo o mundo, e buscou caracterizar a disparidade de gênero em STEM. Na América Latina, cerca de 4000 pessoas responderam ao questionário. O projeto ainda está processando os dados e disponibilizará no site os resultados finais. Durante o workshop no ICTP, foram apresentados  os resultados preliminares.

Na pesquisa, 53% dos respondentes se identificaram como mulheres, e, embora sugira proporção igualitária entre homens e mulheres na STEM na América Latina, é necessário manter em mente que esta pesquisa foi obtida a partir do preenchimento voluntário de formulários online e, portanto, não necessariamente reflete a proporção de gênero que efetivamente ocorre na Academia. De maneira geral, os dados mostram que mulheres são menos propensas a realizar pesquisa fora dos países de origem, ocupar posições de chefia e em comitês, tanto em suas instituições ou em agências de fomento.

Os dados mais contrastantes sobre as experiências de homens e mulheres na Academia dizem respeito à discriminação, assédio e impacto da maternidade/paternidade em suas vidas. Ao serem questionados sobre os motivos pelos quais sofreram discriminação ao longo da carreira, 49% das mulheres indicam gênero, contra apenas 2% dos homens pelo mesmo motivo. A segunda maior fonte de discriminação reportada é a idade. Esta é a maior queixa dos homens, com indicação de 12% dos respondentes; entre as mulheres, 23% se sentiu prejudicada por conta da idade.

Resultados preliminares da pesquisa “Global Gender Gap” para a América Latina, apresentados durante o evento por Laura Merner (AIP Statistical Research Center, EUA).

Interrupções significativas durante o doutorado ocorrem em taxas semelhantes entre homens (13%) e mulheres (20%), porém, os motivos são muito diferentes. Cerca de 40% das mulheres relatam a maternidade como principal motivo da interrupção; entre os homens, o mesmo motivo é o 8° da lista, ocorrendo em apenas 9% de casos. O principal motivo de interrupção dos estudos para os respondentes do sexo masculino é impedimento financeiro. Quanto ao assédio sexual, aproximadamente ⅓ de homens e mulheres reportaram “ouvir falar” de casos em seus institutos. Entretanto, quando se trata de experiências pessoais, 24% das mulheres relatam terem vivido essas situações, enquanto apenas 6% dos homens se queixam pelo mesmo motivo.

Como é a situação de gênero no IFT-UNESP e no ICTP-SAIFR?

Um rápido levantamento do perfil de estudantes, professores, pesquisadores e funcionários que fazem parte do IFT-UNESP e/ou do ICTP-SAIFR mostra que a disparidade de gênero existe. O IFT é um instituto de pós-graduação e pesquisa, assim como o ICTP-SAIFR. Dessa forma, a reduzida presença de mulheres é, provavelmente, reflexo também da já limitada presença feminina na graduação em física. Veja o gráfico abaixo, que resume a proporção entre homens e mulheres dos institutos, com dados levantados em outubro de 2019.

Infográfico mostrando a distribuição de homens e mulheres nas categorias do IFT/UNESP e ICTP-SAIFR. Para estudantes de mestrado e doutorado, o número total de pessoas foi normalizado para 20, e a distribuição de homens e mulheres reflete a proporção das categorias. No caso dos pós-doutorandos, docentes e funcionários, estão representados o número total de indivíduos e a proporção entre homens e mulheres.

Nathan Berkovits, diretor do ICTP-SAIFR, comenta que o ingresso no curso de mestrado no IFT-UNESP é parcialmente baseado nos resultados de um exame oferecido anualmente pelo ICTP-SAIFR para os melhores alunos de graduação e que, desde 2005, somente uma mulher ficou entre os 5 melhores colocados nesse exame. O diretor explica ainda que gostaria de aumentar a diversidade do corpo docente do ICTP-SAIFR mas, por conta do reduzido número de mulheres na Física Teórica, a competição internacional pelas melhores pesquisadoras é “feroz”: “nos últimos 3 concursos para professores permanentes no IFT, quatro candidatas muito fortes desistiram porque conseguiram posições nos EUA e na Europa” comenta.

O ICTP-SAIFR também busca incentivar mais meninas a escolherem a Física como profissão. O centro promove anualmente o Aventuras em Física Teórica, uma série de minicursos para estudantes de ensino médio, cujo objetivo é introduzir os alunos a assuntos de Física Teórica e despertar o interesse por essa área. Para participar, os estudantes passam por uma seleção e o público convocado é sempre composto pelo mesmo número de meninas e meninos. Apesar de serem convocados em proporção igual, de maneira geral, mais meninos comparecem às aulas (cerca de 65% contra 35% de meninas).

Incentivar

Diversas palestras focaram na importância de incentivar mulheres e minorias a entrar e permanecer nas áreas de STEM. Esse incentivo pode se dar de várias formas, dependendo do público alvo, e incluem bolsas de estudos, ações afirmativas, e premiações por alto desempenho.

O México foi um dos exemplos citados no workshop, como um país que conta com bolsas de estudos voltadas para minorias. Lá, existem alguns programas de incentivo à educação da população indígena, que possui índices de analfabetismo e falta de acesso à educação muito superiores à média do país, entre eles projetos específicos para meninas (veja aqui os projetos). No país, também existem diversas outras bolsas específicas para mulheres, incluindo variedades para mães solo inseridas no ensino superior, com excelente histórico acadêmico; bolsas de pós graduação para mulheres indígenas; e bolsas de pós doutorado em parceria com o Canadá. Essas bolsas são ações afirmativas importantes, mas ainda não conseguem suprir o problema de equidade de gênero na Academia. Isso sugere que mais ações devem ser tomadas, incluindo a implementação de políticas públicas, conforme discutido durante o workshop.

Premiações para pesquisadoras de destaque também são uma forma de incentivar as mulheres nas áreas de STEM, além disso, prêmios dados a cientistas em início de carreira também são frequentes. Durante o workshop, a física Marcia Barbosa, que recebeu o L’Oréal-UNESCO Awards for Women in Science em 2013, ressaltou a importância de dar o reconhecimento às conquistas das mulheres através destes prêmios. Outras premiações para mulheres em áreas de STEM existem, uma lista destas pode ser encontrada na wikipedia.

Outra forma de incentivar mais mulheres a seguirem carreira nas áreas de STEM é dar suporte para meninas em idade de formação. “É preciso incentivar as meninas desde cedo” pode ter sido uma das frases mais faladas durante a semana de evento. Assim, a última forma de incentivo faz uma ponte com o terceiro tipo de iniciativa: divulgar.

Divulgar

Entrar no mundo da STEM depende de diversos fatores sócio-econômicos e culturais, que influenciam a escolha dos indivíduos, mas aparentemente favorecem o ingresso de homens. Por isso, a necessidade de incentivar mais meninas e mulheres a entrarem nesse mundo é um consenso entre todos os participantes do Workshop de Diversidade: é necessário adotar medidas que atinjam tanto as meninas que já se interessavam por ciência, quanto aquelas que “ainda não sabem que se interessam”. Assim, a divulgação científica se torna ferramenta protagonista na tarefa de trazer mais diversidade para as áreas de STEM.

Diversas iniciativas de divulgação científica têm surgido nos últimos anos, em geral, motivadas pela democratização e valorização do conhecimento científico. Além de suprir a curiosidade daqueles que já se interessam por ciência e tecnologia, a divulgação científica tem se tornado, cada vez mais, uma ferramenta de “recrutamento”, principalmente de crianças e adolescentes. Alguns projetos apresentados durante o Workshop, como o “Tem menina no circuito” e o “Meninas na Física”, organizadas por alunas e professoras do Instituto de Física da UFRJ, são voltados para meninas em idade de formação escolar. Estes e outros projetos de divulgação procuram não somente ensinar conteúdos de ciência de forma fácil e acessível, mas também mostrar que existem mulheres cientistas no país: “Representatividade importa”, como relataram diversas palestrantes ao contar sobre seus projetos de divulgação.

Fazer divulgação científica para o público geral também tem impactos positivos para os pesquisadores. Germana Barata, professora e pesquisadora do Labjor – Unicamp (Laboratório de Estudos Avançados em Jornalismo), mostrou que, ao fazer publicações nas redes sociais sobre artigos recém-publicados, o número de acessos aos mesmos quase dobra, em comparação aos meses em que não há essa divulgação. Segundo ela, isso ocorre mesmo que os textos sejam em linguagem acessível, ou seja, divulgar para público leigo acabou atraindo mais pessoas de público especializado.

O último dia de workshop foi destinado às apresentações dos participantes, onde, mais uma vez, a divulgação científica mostrou seu potencial. A apresentação de Milene Alves-Eigenheer, com páginas de redes sociais de várias iniciativas de sucesso está disponível no site do evento. Por fim, como “tarefa para casa”, o público foi desafiado a utilizar mais suas redes sociais pessoais para falar de suas pesquisas e seu dia a dia como cientistas, e ajudar na quebra dos estereótipos da Academia.

Projeto de estudante de física da USP propõe mostrar, de forma respeitosa e ao mesmo tempo combativa, a realidade da vivência de alunas de cursos majoritariamente frequentados por homens.

Empatia é um conceito cujo significado é relativamente bem conhecido – a capacidade de se identificar com outra pessoa, de se colocar no lugar dela. Porém, praticar a empatia é uma tarefa muito mais complicada, especialmente quando as pessoas envolvidas têm realidades muito contrastantes. O projeto da estudante Dindara Galvão, da USP, consistiu na produção de um curta metragem sobre as dificuldades encontradas na carreira acadêmica por conta do gênero. Ela utiliza óculos de realidade virtual para oferecer uma experiência imersiva, colocando o espectador no lugar das protagonistas, experimentando na pele situações comumente vividas por graduandas das áreas de exatas.

Participantes do Workshop de Diversidade assistiram ao curta-metragem com óculos de realidade aumentada (Foto: Dindara Galvão).

A iniciativa já existia antes, como projeto da pró-Reitoria de Cultura e Extensão da USP, mas com um formato completamente diferente: a ideia era produzir uma peça de teatro que contava a trajetória de uma pesquisadora, através de relatos reais. Quando Dindara assumiu, adaptou o foco para algo que lhe era mais familiar: sua vivência como aluna do bacharelado em física “como eu vivi muitas coisas na graduação, eu achei que seria importante trazer essa visão”. Para potencializar o alcance e distribuição do trabalho, a estudante optou por produzir um curta metragem e seu orientador, o professor Caetano Miranda (IFUSP), propôs utilizar uma câmera 360° e tornar essa experiência imersiva.

O grupo organizou questionários online para recolher relatos de mulheres das graduações de diversos institutos de ciências exatas da Universidade de São Paulo (Instituto de Física (IFUSP), Matemática (IME-USP), Química (IQ-USP) e Astronomia Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG-USP). Os roteiros das cenas do curta metragem foram escritos a partir das situações mais recorrentes nos relatos. O curta tem 10 cenas que, embora independentes, são organizadas numa sequência lógica. Ele ilustra a carreira acadêmica desde o início, logo após a aprovação no vestibular, até o reconhecimento como pesquisadora, encenada numa “corrida pelo Nobel”. Cada cena representa situações negativas vivenciadas pelas mulheres no ambiente acadêmico, incluindo difamação, humilhação, invisibilização por colegas e professores, assédio, a questão da maternidade, entre outros.

No dia 03 de outubro aconteceu mais uma edição do Papos de Física, evento mensal de divulgação científica promovido pelo ICTP-SAIFR, centro de pesquisa associado ao IFT-UNESP. Nesta edição o público pôde conversar com a profa. Dra. Ilana Wainer, professora do Instituto Oceanográfico da USP (IO-USP), que discutiu os Efeitos Climáticos do Oceano.

A professora Ilana Wainer (IO-USP) explicou sobre as mudanças climáticas e quais evidências científicas comprovam sua existência.

Algumas semanas antes da realização do Papos de Física, o IPCC (Painel Intergovernamental para Mudanças Climáticas) divulgou o mais recente Relatório Especial sobre o Oceano e a Criosfera (regiões da superfície terrestre cobertas permanentemente por gelo e neve). Aproveitando os dados divulgados neste relatório, a professora apresentou as principais evidências que comprovam o aquecimento global e quais as perspectivas (otimistas ou não) sobre o futuro do planeta.

Antes de mais nada, a professora esclareceu a diferença entre tempo e clima. Tempo compreende as condições e mudanças meteorológicas que estão ocorrendo no agora. Clima, por outro lado, compreende padrões médios de variação das condições atmosféricas ao longo de um período prolongado de tempo. Assim, falar que está fazendo sol é falar sobre o tempo, mas falar que normalmente em janeiro faz calor e chove, é falar sobre clima. Quando falam de aquecimento global e mudanças climáticas, os cientistas olham para esses padrões de variação ao longo do tempo, em escalas globais.

Mas antes de entrar no polêmico aquecimento global, vamos entender um pouco sobre a influência dos oceanos no clima.

O planeta Terra, como um todo, é um sistema complexo onde diversos agentes se relacionam. Isso se aplica também ao clima, que é influenciado e atua sobre a biosfera (que comporta os ecossistemas do planeta), a litosfera (rochas e estrutura interna terrestre), a hidrosfera (água em seus diferentes ambientes) e, obviamente, a atmosfera (camada de gases que envolve o planeta). As interações entre essas diferentes “esferas” ocorrem em escalas espaciais e temporais distintas, mas todas exercem algum impacto no controle do clima global. No Papos de Física de outubro, Ilana focou nas interações entre atmosfera e hidrosfera (em especial, os oceanos) e seu efeito sobre o clima.

Ilana explicou que os oceanos são como o ar condicionado da Terra e têm um papel fundamental na redistribuição de calor no planeta. A água retém mais calor que a atmosfera e, por conta das correntes oceânicas, o calor é distribuído. As correntes são divididas entre correntes superficiais, mais quentes, e correntes de fundo oceânico, mais frias. Elas são influenciadas por diversos fatores, incluindo ventos, marés, densidade da água e o movimento de rotação da Terra. Até a topografia do fundo oceânico e das costas influencia na velocidade das correntes.

Mesmo que as marés exerçam influência nas regiões próximas às costas, a principal força motriz das correntes superficiais é a atmosfera.

A ação dos ventos movimenta mais ou menos 10% do volume do oceano, atuando diretamente nas camadas mais superiores de água. Estas, por sua vez, influenciam a movimentação das camadas logo abaixo, e assim por diante. Dessa forma, os ventos podem influenciar o movimento de água até a profundidade de 400m.

Mas os oceanos são muito mais profundos do que 400m. Se os ventos só conseguem influenciar até essa profundidade, deve haver outro mecanismo responsável pela movimentação das correntes profundas, certo? Exato. As correntes profundas são controladas, principalmente, pela densidade da água do mar.

Ao se movimentar em direção aos pólos, a temperatura da água diminui. Nessas regiões, a salinidade é maior, ou seja, a concentração de sal dissolvido aumenta – isso ocorre porque parte da água é aprisionada em cristais de gelo, deixando as moléculas de sal para trás, concentradas na água líquida. A água mais fria e “salgada” é mais densa que a água que chega nessas regiões e afunda, criando correntes de movimentação vertical chamada circulação termoalina. A movimentação de águas profundas em direção à superfície também carrega nutrientes que sustentam a base das cadeias alimentares marinhas.

Correntes superficiais quentes (vermelho) e correntes profundas, frias (azul). Essas grandes correntes de circulação de água funcionam como um “ar condicionado” do planeta. (Imagem: NASA).

A ação conjunta das correntes oceânicas superficiais e profundas mantém o equilíbrio do clima no planeta todo. Ou pelo menos costumava manter… Apesar da complexidade do sistema controlando o clima, o equilíbrio é, na verdade, frágil, e “pequenas” perturbações podem ter consequências grandes.

Como sabemos que o planeta está aquecendo?

No IPCC centenas de cientistas de todo o mundo recolhem dados sobre o clima global para avaliar os impactos do aquecimento global. Comprova-se que o planeta está, de fato, aquecendo a partir de diversos indicadores. Vamos conhecer alguns deles?

Diversos indicadores mostram que a temperatura média do planeta está aumentando e que as mudanças climáticas são reais. Veja o texto para entender um pouco mais sobre cada indicador.

Diminuição das geleiras

Talvez o mais conhecido e impactante indicador do aquecimento global é o derretimento das geleiras. Imagens de satélite mostram a cobertura de gelo marinho no Ártico cada vez menor nas últimas décadas.

Umidade específica do ar

A umidade específica do ar também tem aumentado no passar dos anos. Isso significa mais vapor d’água no ar. A princípio, ter mais água não parece um problema, mas, na verdade, o vapor d’água é um gás estufa poderosíssimo e contribui para o aumento da temperatura.

Calor dos oceanos

Também há registro do aumento do conteúdo de calor nos oceanos. Já existem evidências de que as temperaturas estão aumentando na superfície dos oceanos e até os primeiros 700m de profundidade. Isso afeta diretamente os frágeis ecossistemas marinhos, e também a população que depende dele para se alimentar.

Aumento do nível do mar

Diversas localidades já registram aumento do nível do mar no mundo. Isso é causado tanto pelas taxas aceleradas de derretimento das geleiras do Ártico, como também pela expansão térmica dos oceanos (por conta do aumento de temperatura). Estima-se que atualmente o nível do mar sobe 3.6 mm por ano.

Temperatura da baixa atmosfera

A atmosfera é dividida em algumas camadas, de acordo com a distância em relação ao solo. Nós habitamos a troposfera, a camada mais baixa, que compreende até 12km de altitude, e fica abaixo da camada de ozônio. Medidas sistemáticas da temperatura dessa camada mostram que ela tem esquentado nos últimos anos. Aliás, comparado à época pré-Revolução Industrial, a temperatura já subiu 1°C! Isso acontece por que os gases de efeito estufa se acumulam na atmosfera e retém o calor irradiado da superfície e elevando a temperatura.

A atmosfera do planeta é dividida em camadas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera. Nós habitamos a troposfera, a camada mais baixa, que vai até 12km de altura. Um pouco acima disso, se encontra a conhecida camada de ozônio (Fonte freepik user).

Aliás, o que é o Efeito Estufa?

Primeiro, precisamos saber que o Efeito Estufa é natural e, na verdade, garante a vida na Terra.

 

Na agricultura, as estufas são utilizadas para cultivar plantas mais sensíveis, e que não sobreviveriam ao clima no exterior. Dentro de uma estufa, a radiação solar passa pelas paredes de vidro e é absorvida pelas plantas e outras estruturas dentro dela. Parte da radiação é irradiada de volta, mas fica presa conta das paredes de vidro. Dessa forma, é possível cultivar plantas independente das variações climáticas das estações do ano. De forma semelhante, o planeta Terra também está dentro de uma estufa – a nossa atmosfera.

Quando a radiação solar chega na Terra, parte dela é refletida de volta para o espaço pelas camadas mais externas da atmosfera. Uma outra pequena parcela é refletida de volta para o espaço nas grandes geleiras, por conta da cor branca dessas superfícies. O restante é absorvido pelos oceanos e massas de terra do planeta. A Terra irradia parte do calor absorvido de volta para o espaço, mas uma porcentagem acaba presa na atmosfera, por conta dos gases do efeito estufa existentes, e isso mantém o planeta aquecido. Se não fosse esse efeito, a Terra poderia ser até 33°C mais fria, o que inviabilizaria a vida por aqui (pelo menos nas formas como a conhecemos hoje). 

Os gases do efeito estufa incluem vapor d’água, dióxido de carbono (conhecido como gás carbônico – CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), ozônio e os componentes clorofluorcarbonos (CFCs). Com exceção dos CFCs, que são utilizados para refrigeração, todos esses gases são naturais e estão presentes na atmosfera terrestre, em proporções variadas. A grande questão é que o estilo de vida que levamos hoje, com grande dependência de combustíveis fósseis e emissão de gases, potencializa o efeito estufa, contribuindo para o aumento da temperatura do planeta.

O efeito estufa ocorre naturalmente no planeta e garante temperaturas amenas. O problema é a intensificação do efeito, por conta da emissão de gases do efeito estufa (Imagem mundoeducacao).

E para onde vai esse calor em excesso? Por enquanto, para o oceano (uma das causas do aumento da sua temperatura). Estima-se que os oceanos sejam responsáveis por absorver cerca de 93% do calor em excesso da atmosfera. Por enquanto, eles são capazes de fazer isso, mas Ilana alertou que já estamos nos aproximando de um “ponto de inflexão”, e que talvez os oceanos não sejam capazes de absorver o calor em excesso por muito tempo. As consequências disso podem ser severas, acelerando as mudanças que já estão ocorrendo e aumentando ainda mais a temperatura.

Como as mudanças climáticas já estão afetando o planeta?

• O aquecimento do oceano é acompanhado da diminuição do pH e diminuição da quantidade de O2 dissolvido na água. O resultado é morte de parte significativa da vida marinha e alteração do equilíbrio químico dos oceanos;
• Além disso, o aquecimento do oceano prejudica a mistura entre camadas de profundidades diferentes, gerando a estagnação da água. Isso implica em menos oxigenação das camadas e menor circulação de nutrientes, também impactando a vida marinha;
• O nível do mar já aumentou em algumas partes do planeta. As mudanças variam de lugar para lugar, mas é importante lembrar que quase 2 bilhões de pessoas moram a menos de 100km da costa, e toda essa população está em perigo com variações drásticas do nível do mar;
• Chuvas, ciclones tropicais e outros eventos extremos que atingem as costas têm se intensificado;
• O aumento do nível do mar também é associado com maior incidência de inundações, enchentes, secas, erosão e danos para infra-estrutura de regiões próximas à costa, desaparecimento de ilhas oceânicas e contaminação de aquíferos;
• Cenários otimistas prevêem o aumento do nível do mar em 60cm até 2100, isso caso sejam implementadas, agora, medidas e políticas públicas comprometidas com a diminuição da emissão de gases de efeito estufa. Em cenários mais pessimistas, onde não existe controle algum, calcula-se que a elevação pode ser de até 1 metro!

Com as predições do novo relatório do IPCC, Ilana alertou que devemos cobrar posicionamento e políticas públicas dos governantes, para ajudar a conter as mudanças climáticas no mundo todo. Alguns efeitos já são irreversíveis, como apontou a pesquisadora, e é necessário agir agora para evitar que os cenários mais pessimistas se concretizem.

O Papos de Física é um evento mensal de divulgação científica promovido pelo ICTP-SAIFR, que ocorre todo início de mês no Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 94). Nesses eventos, físicos levam assuntos de ciência que despertam curiosidade do público para uma conversa informal e descontraída, de forma acessível a todos. A última edição do ano, aconteceu no dia 07 de novembro, com o tema “Sistemas Complexos: o Olhar da Física”. Fique atento ao blog para saber como foi o evento e nas nossas redes sociais para saber da programação de 2020!

Para saber mais sobre mudanças climáticas:

• Veritasium (em inglês, com legendas): https://www.youtube.com/watch?v=OWXoRSIxyIU
• TED-Ed (em inglês, com legendas): https://www.youtube.com/watch?v=p4pWafuvdrY
• Materiais do IPCC: https://www.ipcc.ch/2019/09/25/srocc-press-release/ | https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/sites/3/2019/09/SROCC_SPM_HeadlineStatements.pdf

No dia 12 de setembro ocorreu mais uma edição do Papos de Física, e dessa vez o público pôde assistir o professor Eduardo Cypriano (Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas –  IAG-USP) falar sobre os “Desafios da Cosmologia Observacional”. Eduardo começou a palestra fazendo um panorama geral do que se entende por Cosmologia atualmente, como ela funciona e quais os desafios futuros.

Nossos ancestrais, há milhares de anos, voltaram os olhos para o céu estrelado e tentaram dar significado para aqueles pontos brilhantes que tanto nos fascinam. Desde então, praticamente todas as civilizações das quais se têm registro, criaram mitos e histórias que, de alguma forma, explicavam os porquês do céu ser do jeito que é. Hoje, Cosmologia é a área da ciência que se ocupa em entender o Universo como um todo.

Fotos do Papos de Física de Setembro/2019. Eduardo Cypriano, professor do IAG-USP, discutiu com o público os Desafios da Cosmologia Observacional (Créditos das imagens: ICTP-SAIFR).

Apesar das contribuições de cientistas como Galileu, Newton e Kepler, foi com Einstein e a Teoria da Relatividade Geral que surgiu uma revolução na maneira como entendemos o Universo. A teoria, que explica a gravitação, introduziu a ideia de espaço-tempo, mostrou a existência da relação entre massa e energia, e resolveu o problema da órbita de Mercúrio: a órbita de todos os planetas se modifica um pouco ao longo do tempo, mas os cálculos feitos para a órbita de Mercúrio não batiam com as observações, até que a Relatividade Geral foi incorporada nas contas. A Relatividade Geral prevê diversos outros fenômenos que hoje estamos verificando, como as ondas gravitacionais, detectadas diretamente em 2015 (clique aqui para saber mais!), e a existência de buracos negros, comprovada pelo primeiro registro “fotográfico” de um, em abril de 2019.

 

Porém, como lembrou Cypriano, Einstein não estava completamente correto em alguns pontos, entre eles, o fato de considerar nosso universo finito e estático. A partir das equações de Einstein, Friedmann, um físico e matemático russo, descreveu leis que previam a expansão do Universo, considerando que ele seria homogêneo e isótropo (ou seja, igual em todas as direções). Mas foi com as contribuições de Henrietta Leavitt que, anos mais tarde, Lemaitre e Hubble comprovaram a expansão do Universo.

Henrietta Leavitt foi uma astrônoma americana, responsável pela descoberta da existência de uma relação entre o período e a luminosidade de cefeidas, um tipo de estrela. Esta constatação deu origem ao método utilizado para medir as distâncias entre astros. Com esse método, as distâncias entre a Terra e várias estrelas e galáxias começaram a ser medidas até que Lemaitre e Hubble, independentemente, observaram uma relação linear entre a distância e a velocidade com a qual as galáxias estão se movendo, e atribuíram essa relação à expansão do Universo. Assim, estes cientistas mostraram que, ao contrário do que pensava Einstein, o Universo não é finito e estático e está, na verdade, se expandindo.

Cefeidas são um tipo de estrela pulsante, ou seja sua luminosidade aumenta e diminui em intervalos de tempo bem definidos. Esse intervalo é denominado período, e existe uma relação linear entre a luminosidade e o período das cefeidas. Essa relação é utilizada para calcular a distância e a velocidade das estrelas, assim os cientistas determinaram o tamanho, idade e taxa de expansão do universo. LMC: Grande Nuvem de Magalhães, uma galáxia satélite à Via Láctea (em inglês – Large Magellanic Cloud); Milky Way: Via Láctea. (Créditos da imagem: NASA/JPL-Caltech/Carnegie, dados do Telescópio Spitzer).

Sabemos que o Universo está se expandindo. Assunto encerrado, certo? Na verdade, constatar que o Universo está expandindo levanta muitas outras questões: o universo vai expandir para sempre? A expansão ocorre sempre à mesma velocidade, ou está retardando? Ocorre um processo cíclico, no qual o Universo alterna entre expandir-se e contrair-se infinitamente? Qual o futuro do Universo?

O professor mostrou que essas questões têm relação direta com a própria geometria do Universo, e que existem três modelos possíveis: num universo fechado, o modelo que se adequa melhor aos cálculos é o de alternância de ciclos de expansão e contração; num universo aberto, com pouca massa, os cálculos prevêem que o cosmos se expandirá para sempre; e na terceira opção, onde a geometria do universo seria plana, o universo deve possuir uma densidade específica, uma “massa crítica”, e dessa forma ele está se expandindo agora, mas cada vez a taxas menores, de forma que, um dia, atingirá um tamanho máximo.

Depois de confirmar a expansão do Universo, surgem questões como: se está expandindo agora, já contraiu antes? Qual a taxa de expansão? Vai expandir para sempre, ou eventualmente ocorrerá o colapso do universo todo? Como evolui o universo ao longo do tempo? (Créditos da imagem: UFRGS)

Como resolver essa questão?

Primeiramente, os astrônomos determinaram a densidade do universo. Cada um dos modelos geométricos funciona para valores específicos de densidade, e por isso essa era uma das saídas. O problema é que a densidade calculada foi um valor diferente do esperado, e, na verdade, não era exatamente equivalente aos valores de nenhum dos modelos, mas sim a um valor intermediário.

A alternativa encontrada pelos astrofísicos foi calcular as velocidades e distâncias de estrelas ainda mais distantes. A ideia seria que, para esses corpos tão distantes, já seria possível observar a desaceleração do Universo. E funcionou! Utilizando supernovas como referência, foi possível “enxergar” lugares ainda mais afastados no universo e calcular suas distâncias e velocidades com as quais galáxias distantes se deslocam. Mas… Mais uma vez, o universo pregou uma peça nos cientistas. Certos de que encontrariam a taxa de desaceleração do universo (ou seja, quanto a velocidade diminui com o tempo), os cientistas se surpreenderam ao encontrar um valor negativo.

Ou seja: o universo não está expandindo cada vez mais devagar, mas sim cada vez mais rápido!

Nesse momento, o professor Eduardo aproveitou a oportunidade para explicar um pouco sobre o Método Científico e a importância de aplicá-lo no fazer científico. Ao longo da história da ciência, repetidamente os cientistas se surpreenderam com os resultados de seus cálculos e experimentos. No fazer científico, faz parte do processo ter de repensar (e muitas vezes descartar) a hipótese original, tendo em vista os resultados das observações e experimentos. Este episódio da descoberta da expansão do Universo é um bom exemplo sobre como os pesquisadores devem se apoiar no método, e não apenas em suas intuições.

O método científico é parte fundamental do fazer científico e, embora tenha variações de acordo com a área de estudo, é um guia geral de como fazer ciência de forma imparcial e acurada. Esse infográfico mostra como o bioquímico e escritor Isaac Asimov explica resumidamente o método (Créditos da imagem: Via Saber).

Voltando ao assunto… Porque o universo está se expandindo, e cada vez mais rápido? É justamente isso que os astrofísicos estão tentando resolver agora. Esses são os novos Desafios da Cosmologia Observacional. Essa aceleração é atribuída à Energia Escura, uma energia que existe no universo, mas que os físicos ainda não entendem como funciona. Além disso, hoje sabemos que quase toda a massa do universo é formada, na verdade por Matéria Escura, cuja natureza também é pouco compreendida (veja aqui um dos candidatos para compor a matéria escura). “Talvez seja necessário desenvolver uma ‘nova física’ para explicar esses fenômenos” finalizou o professor Eduardo Cypriano.

O Papos de Física é um evento mensal de divulgação científica realizado pelo ICTP-SAIFR, centro de pesquisa associado ao IFT-UNESP, no Tubaína Bar (R. Haddock Lobo, 74, Cerqueira César). Num ambiente descontraído e informal, físicos falam sobre os avanços da ciência e temas que despertam a curiosidade da população. Ao final de cada apresentação, o cientista convidado responde perguntas do público. A próxima edição acontecerá no dia 03 de outubro, e contará com a presença da professora Ilana Wainer (IO-USP), que falará sobre os “Efeitos Climáticos do Oceano”.