Em evento internacional, físicos se reunem para debater as aplicações e implicações do modelo “Bootstrap”

Uma das palestras durante a escola que fez parte do evento

Entre os dias 15 de maio e 16 de junho, o ICTP-SAIFR, localizado no prédio do Instituto de Física Teórica (IFT), da Unesp, sediou o Bootstrap 2017, evento internacional que acontece anualmente, sendo as últimas edições sediadas em Rehovolt, Israel, e em Florença, Itália. Composto em parte por um workshop (dividido em duas partes, entre os dias 15 e 19 de maio e depois entre 30 de maio e 16 de junho) e em parte por uma escola (a Simons Non-perturbative Bootstrap School, que ocorreu entre 22 e 29 de maio), o evento recebeu em torno de 135 participantes de diferentes nacionalidades. O objetivo foi discutir os avanços mais recentes na área, reunindo pesquisadores e alunos em seminários informais e discussões sobre técnicas matemáticas e computacionais para compreender e resolver problemas de sistemas fortemente acoplados em teoria quântica de campos (QFT, na sigla em inglês).

Bootstrap é um modelo proposto pela primeira por Werner Heisenberg, que estabeleceu, nos anos 40, a teoria de matriz-S, muito utilizada em estudos de mecânica quântica e em QFTs, mas só foi largamente desenvolvido a partir dos anos 70, quando a física de partículas vinha fazendo previsões de diversas partículas fundamentais. O modelo Bootstrap, na contramão do que vinha sendo proposto, passou a postular que não existiriam partículas mais elementares ou fundamentais do que outras, e que a atenção deveria se voltar às suas relações ao invés de suas características. Nessa visão, o universo seria melhor representado por uma rede dinâmica de eventos interelacionados. Nenhuma das propriedades dessa rede seria mais fundamental do que as outras, e todas seriam resultado das propriedades e relações entre as partes, o que determinaria a estrutura de toda a rede. Assim, o Bootstrap surge como uma ideia inovadora em contraposição à visão tradicional das partículas fundamentais. Dentro deste contexto encontra-se a “Simons Collaboration on the Nonperturbative Bootstrap” que é um grupo de estudo, financiado pela Fundação Simons,  composto de cientistas excepcionais e cujo propósito é desenvolver estudos matemáticos e de física teórica que possam levar a novos descobrimentos ou levar a progressos significativos  dentro da área de física de partículas.

Boostrap 2017

O símbolo do evento, uma brincadeira com a equação de simetria de cruzamento, uma das ideias centrais do “conformal bootstrap” e demonstra formas diferentes de encarar um mesmo problema.

O workshop manteve um ambiente informal durante suas palestras, com o uso exclusivo do quadro negro e sem limite de tempo rígido, encorajando a troca de ideias. “São mais discussões do que palestras propriamente ditas”, disse Pedro Vieira, do IFT, um dos organizadores do evento e membro da colaboração. O desafio do workshop foi entender e resolver QFTs fortemente acoplados, sendo o ponto de partida a descoberta (prévia ao evento) de que, em numerosos sistemas físicos, existe uma teoria de campo quântico única consistente com princípios gerais de simetria e mecânica quântica, e as previsões teóricas que se podem fazer a partir daí. Além de oportunidade de discutirem problemas em que trabalham, os participantes também puderam realizar novas colaborações e ter uma melhor compreensão do que está sendo produzido na área. Os resultados de Miguel Paulos e Dalimil Nazac, em que conseguiram uma maior compreensão analítica das equações bootstrap, publicados pouco antes da conferência, foram amplamente discutidos. Um dos trabalhos de destaque no workshop foi o de Vieira e colaboradores, em que reavivam o bootstrap não-perturbativo de matriz-S, que apesar de ter sido abandonado nos anos 70, deu origem a outras teorias, como, por exemplo, a teoria das cordas, e agora ganhou fôlego graças às discussões e colaborações estabelecidas no evento.

A escola, voltada para alunos de graduação e pós-graduação interessados no assunto, foi organizada em séries de palestras durante a manhã, deixando o período da tarde livre para a interação dos alunos, encorajados a trabalhar e discutir exercícios práticos. Após introduções teóricas a temas considerados fundamentais para o Bootstrap, como o espaço de teorias de campo conformes (CFT, na sigla em inglês) e a implementação numérica do Bootstrap conforme (conformal Bootstrap, em inglês), os alunos também puderam expandir seus conhecimentos nas aplicações do modelo em diferentes vertentes, como a correspondência AdS/CFT e aprender o uso de novas ferramentas para solucionar equações do conformal bootstrap, como os pacotes “sdpb” (disponível em: https://github.com/davidsd/sdpb) e “JuliBoot” (disponível em: https://github.com/mfpaulos/JuliBoots). Além disso, foram apresentados aos recentes desenvolvimentos relativos a CFTs de duas dimensões e seus correspondentes tridimensionais em gravidade quântica.

Colaboração

Tanto o workshop quanto a escola foram organizados pela Simons Collaboration on the Nonperturbative Bootstrap. A colaboração surgiu pelo interesse mútuo de pesquisadores de diferentes áreas da física pelo desafio de mapear e entender o espaço dos QFTs e de modelos fortemente acoplados, e pelo Bootstrapping, após avanços recentes na área. A investigação partiu do uso de princípios gerais de simetria e mecânica quântica para fazer predições concisas sobre o modelo sem recorrer a aproximações. Após a primeira conferência, chamada de “Back to the Bootstrap” (em referência ao ato de voltar ao modelo Bootstrap, que estava em desuso por parte dos físicos), em 2011, que aconteceu no Perimeter Institute no Canadá, surgiu a colaboração, que, com apoio da Simons Foundation (fundação que incentiva pesquisas inovadoras em diferentes áreas da ciência), possibilitou a organização de encontros anuais, incentivando uma comunidade crescente de cientistas interessados nos aspectos e aplicações deste modelo. “Temos planos, agora, de fazer pequenos encontros ao ano para discutir assuntos específicos, e um encontro grande onde os principais resultados possam ser apresentado e debatidos”, disse Vieira.

Para mais informações sobre a Simons Collaboration on the Nonperturbative Bootstrap, acesse o site (http://bootstrapcollaboration.com). Para vídeos das palestras do workshop, acesse http://bootstrap.ictp-saifr.org/. Para mais informações sobre a escola, acesse: http://bootstrap.ictp-saifr.org/school/.

Em evento de divulgação científica, as bases da mecânica quântica foram apresentadas ao público com linguagem acessível e descontração.

João Penedones, durante a apresentação

No dia 08 de junho aconteceu mais uma edição do “Papos de Física”, evento de divulgação científica organizado pelo ICTP-SAIFR, instituto internacional de pesquisa em física teórica sediado no Instituto de Física Teórica (IFT), da Unesp. O “Papos”, que acontece mensalmente no bar Laundry Deluxe (Rua da Consolação, 2937), trouxe para a última edição do semestre João Penedones, professor da École Polytechnique Federale de Lausanne, na Suíça, para falar com o público sobre mecânica quântica: “a pior teoria, exceto todas as outras”, segundo o palestrante. Em vinte minutos de apresentação, Penedones trouxe para o público de forma simples, porém contundente, os aspectos fundamentais da mecânica quântica, considerada uma das teorias mais importantes do século XX por sua influência não apenas no campo da física teórica, mas no desenvolvimento de novas tecnologias, como computadores e celulares, e de visão científica do mundo.

            A mecânica quântica se desenvolveu no início do século XX, com a contribuição de diversos cientistas, desde Albert Einstein até Richard Feynman e Erwin Schrodinger, entre outros, ao investigarem o comportamento de átomos, moléculas e partículas subatômicas, como prótons e elétrons.

Para ilustrar seus conceitos centrais, Penedones apresentou ao público um exemplo clássico dessa área: a experiência da dupla fenda, ou experiência de Thomas Young. Nela, elétrons isolados no vácuo são emitidos em direção a um obstáculo contendo apenas duas aberturas por onde podem passar para serem detectados do outro lado. Ao realizar esse experimento, porém, algo peculiar aparece. Nas regiões perto das fendas, os elétrons são detectados do outro lado como partículas, mas na região entre as duas fendas um padrão diferente aparece: um padrão de interferência idêntico ao encontrado em ondas que se chocam ao avançarem uma em direção à outra. “Explicar essa diferença mudou a física para sempre”, disse Penedones.

O que se descobriu foi que os elétrons possuem ambas as características de partícula e de onda. O mais correto seria dizer que o elétron — uma partícula — possui a ele associado uma função de onda, que é uma função de sua posição no tempo. Isso acontece, pois, em níveis subatômicos, não é possível se falar de uma trajetória da partícula, como se faria a, por exemplo, uma bola de futebol: acaba sendo impossível associar ao mesmo tempo uma posição e um momento a uma partícula. Assim, a mecânica quântica lida com probabilidades, “ela é essencialmente aleatória”, afirmou Penedones, “esse é um dos pontos centrais da teoria”. Portanto, para descrever o movimento e a posição de uma partícula, é preciso primeiro achar sua função de onda, que dita a probabilidade de encontrá-la.

Outro fenômeno observado são órbitas estáveis dos elétrons. Essas, por exemplo, não poderiam existir segundo a mecânica clássica, que diz que os elétrons perderiam energia ao se movimentarem em direção a cargas positivas, algo que não é observado.

“A mecânica quâtica”, diz, “é contra intuitiva, por trabalhar com possibilidades”, e isso é o que a torna uma teoria aparentemente falha. “À primeira vista parece uma teoria inconsistente que não pode ser fundamental e que, em breve, será substituída por outra teoria mais razoável. No entanto, depois de um século de pesquisa, os físicos ainda não conseguiram encontrar uma descrição mais simples da realidade”. E apesar de sua experimentação se dar no nível subatômico, suas aplicações se estendem a níveis macroscópicos, permitindo explicar fenômenos que a mecânica clássica não consegue, como a supercondutividade, algo que, ao ser compreendido, nos permitiu dar grandes avanços tecnológicos.

Após a palestra seguiu-se uma sessão de perguntas abertas aos ouvintes, que puderam saciar sua curiosidade com aspectos tanto técnicos da mecânica quântica quanto  da sua influência em nossas vidas. Mas, como ressaltou Penedones ao ser questionado sobre as pesquisas sendo atualmente desenvolvidas nessa área, “ainda há muitas perguntas a serem respondidas”.

O Papos de Física retorna no dia 03 de agosto em novo local, no Tubaína Bar (Rua Haddock Lobo, 74), no mesmo horário (das 19:30 às 21h), e trará Raul Abramo (IF-USP) com a palestra “Afinal, o que está escrito nas estrelas?”.

O South American Dark Matter Workshop aproximou diferentes visões no estudo de um dos maiores mistérios da física.

O ICTP-SAIFR, localizado no prédio do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, organizou, entre os dias 10 e 12 de maio, o South American Dark Matter Workshop (Workshop Sul Americano em Matéria Escura). O objetivo foi trazer pesquisadores de ponta de diversas nacionalidades que estudam a matéria escura em diferentes ramos da física, estimular discussões, debates e compartilhamento de descobertas recentes.

A matéria escura é um dos grandes enigmas contemporâneos da física. Ela recebe esse nome por não emitir ou interagir com radiações eletromagnéticas, como a luz, e apesar de não ter sido observada diretamente, sua existência e suas propriedades foram inferidas a partir de seu efeito sobre a matéria visível. Como exemplo, é possível citar o trabalho de Vera Rubin e Kent Ford nos anos 70 com curvas de velocidade em galáxias em espiral, uma das evidências mais fortes e mais recentes da matéria escura. A hipótese mais aceita sobre sua composição diz que é formada por WIMPs (sigla em inglês para “weakly interacting massive particles”), que seriam partículas massivas que interagiriam apenas através da gravidade e potencialmente não fariam parte do modelo padrão das partículas (que prevê a existência de próton, nêutrons e outras partículas elementares).

Por ser um problema complexo, a matéria escura é estudada por diferentes ângulos. Enquanto as observações e evidências são puramente astrofísicas, as motivações são teóricas. Fabio Iocco, um dos organizadores do evento, disse ser essa uma das motivações do workshop: “Esses três dias nos permitiram aproximar todos os lados do problema, trazer especialistas experimentais, como os astrofísicos, que trabalham com observações diretas e indiretas, e os teóricos, como físicos de partículas, e os fenomenólogos, que unem essas duas visões.”

As observações diretas da matéria escura são objeto de grande esforço intelectual e interdisciplinar, existindo diferentes formas de tentar detectá-la. Uma delas, apresentada por Graciela Gelmini, da UCLA, são laboratórios subterrâneos que tentam detectar o efeito que WIMPs causam em núcleos atômicos ao passarem pela Terra. Esses efeitos, porém, são geralmente recuos de baixa energia no núcleo, e os detectores devem ser extremamente sensíveis. Para isso, é necessário reduzir a interferência de raios cósmicos, que atingem a Terra continuamente, e por isso esses experimentos são realizados a mais de um quilômetro abaixo do solo, geralmente em minas desativadas. Por exigirem altos investimentos, a maioria destes laboratórios está localizado no hemisfério norte, mas Gelmini apresentou em sua palestra e depois numa mesa redonda exclusiva para o assunto, a possibilidade de construção de um dos primeiros laboratórios deste tipo no hemisfério sul, o “Agua Negra Deep Experiment Site” (ANDES), localizado na cordilheira dos Andes, entre Chile e Argentina. “Isso vai nos ajudar muito na detecção, pois a interferência de raios cósmicos está diretamente relacionada à sazonalidade. E como as estações são inversas nos dois hemisférios, as observações do norte e do sul podem se complementar e corrigir anomalias causadas por interferências em observações na mesma época”, disse.

Já as observações indiretas procuram por sinais da interação ou decaimento de WIMPs no universo. Teoriza-se que em regiões de alta densidade de matéria escura, como o centro da nossa galáxia, duas partículas deste tipo poderiam se aniquilar ou decair, produzindo sinais inesperados, como raios gama ou partículas do modelo padrão. “Porém, para se encontrar o inesperado, é preciso saber muito bem o que é esperado”, comentou Iocco.

Outra vertente de busca de evidências da matéria escura são os experimentos com colisores de partículas, como o LHC. Como uma partícula de matéria escura deve ter interações insignificantes com a matéria visível normal, pode ser detectada indiretamente como grandes quantidades de energia e momento que escapam dos detectores, desde que sejam detectados outros produtos não negligenciáveis de colisão. Essas descobertas, porém, teriam de ser corroboradas pelas descobertas diretas ou indiretas para provar que são partículas de matéria escura. Por isso a importância de se unir os diferentes ramos que a estudam.

 Além disso, o evento também contou com a participação de estudantes, pesquisadores e professores interessados no tema, e a recepção foi positiva. “Foi muito bom entrar em contato com outras formas de pesquisa da matéria escura”, disse Gabriela Rodrigues, estudante de mestrado na Unicamp, que pesquisa a detecção direta de matéria escura através de WIMPS. “Me ajudou na minha própria pesquisa ver outros pontos de vista, outras teorias, e saber como podem se abrir mais portas para além do que eu estou fazendo.”

Workshop internacional discute os modelos matemáticos e aplicações da pesquisa em sólitons, homenageando Luiz Agostinho Ferreira e seu trabalho na área.

O professor Luiz Agostinho Ferreira durante sua palestra no workshop.

Entre os dias 17 e 20 de abril, o ICTP-SAIFR e o Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp sediaram um workshop internacional centrado no estudo dos sólitons, com enfoque nos temas de integrabilidade, dualidade e aplicações. A ideia, segundo Betti Hartmann, uma das principais organizadoras, surgiu de duas motivações diferentes. A primeira, homenagear o pesquisador Luiz Agostinho Ferreira em seu aniversário de sessenta anos, comemorado no dia 19. A segunda, localizar o Brasil no mapa da pesquisa em sólitons e mostrar que há estudos de ponta sendo realizados no país.

Sólitons são, basicamente, pacotes de ondas solitárias auto-reforçantes que conservam sua estrutura enquanto se propagam, devido a um cancelamento de efeitos não lineares no meio em que surgiram. A definição é ampla, já que ondas podem se formar em diferentes meios. Uma onda, tanto na água quano no espaço, por exemplo, podem ser consideradas sólitons, pois, à medida que se movem, mantém o mesmo formato. Assim, seu estudo tem importância em diferentes áreas, desde física teórica e cosmologia até biologia e medicina.

Para o evento, palestrantes brasileiros e internacionais, de diferentes universidades, formações e linhas de pesquisa, porém especialistas no tema, foram convidados para apresentar e compartilhar suas visões e resultados acerca das estruturas dos sólitons e as aplicações de seu estudo. Na cosmologia, eles podem ser usados para compreender os chamados defeitos topológicos, como as cordas cósmicas, imperfeições unidimensionais hipotéticas que podem ter se formado durante uma fase de transição de quebra de simetria no início do universo. Na biologia, estão presentes, por exemplo, no movimento de cargas dentro de uma proteína. “Mas tentamos, aqui, focar nas estruturas matemáticas e físicas destes objetos”, disse Hartmann.

Além disso, os participantes inscritos, em sua maioria alunos de pós-graduação, mas também pesquisadores e professores de diferentes universidades, fizeram apresentações orais curtas e participaram da sessão de apresentação de pôsteres.

Homenagem

Luiz Agostinho Fereira começou sua carreira na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), onde se graduou em física no ano de 1978. Depois seguiu para um mestrado, também em física, no Instituto de Física Teórica da Unesp, onde produziu uma monografia acerca da energia de ponto zero do campo eletromagnético entre 1979 e 1980, sob a orientação de Abraham Zimmerman, autoridade no estudo de modelos integrados e teoria de campos. No ano seguinte, embarcava para o Reino Unido, onde desenvolveria seu doutorado em espaços simétricos não compactos e sólitons sob a orientação de David Olive na prestigiada Imperial College London, concluído em 1985. Ao retonar para terras brasileiras, realizou um pós-doutorado junto ao Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), localizado no Rio de Janeiro e depois foi contratado pelo IFT, em 1987, onde obteve sua livre-docência no ano de 1994, investigando as simetrias de modelos integráveis e as soluções sólitons. Permaneceu junto da Unesp até o ano de 2003, quando foi contratado como professor titular pelo Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP), onde permanece até hoje.

Em sua carreira docente, orientou seis teses de mestrado e quatro de doutorado, além de ministrar disciplinas de graduação e pós-graduação, e participar de cursos de extensão universitária, como o projeto de divulgação científica “Física ao Entardecer”. Como pesquisador, realizou diversas parcerias com países como Espanha, Japão e Reino Unido. Suas linhas de pesquisa giram em torno de modelos integráveis, sólitons e teorias de campo, onde fez importantes contribuições e é considerado uma das referências nestas áreas que, no Brasil, ainda são pouco estudadas.

No dia de seu aniversário, Ferreira foi convidado a apresentar uma palestra para o público especializado do workshop e do IFT acerca da auto-dualidade. Um assunto amplo na teoria de campos, versando sobre teorias de cargas topológicas, mas que apresentou com clareza, discutindo como cargas topológicas permitem o cálculo de soluções através de equações diferenciais de 1^o grau em vez de 2^o grau, como é mais comum ocorrer. Ao fim da palestra, apresentou os resultados de uma pesquisa de quatro anos, em que conseguiu desenvolver um modelo de skyrmion — tipo especial de sóliton estático — que possui um setor auto-dual (algo que nem o modelo proposto na década de 60 pelo próprio Skyrme apresentava). Sua fala gerou uma ampla discussão e troca de experiências entre pesquisadores de diferentes áreas, demonstrando que é nesse tipo de interação que a ciência acontece.

Escola internacional discute a correspondência entre teoria de cordas e matéria condensada.

Alunos, palestrantes e organizadores da escola reunidos após uma das aulas.

O ICTP-SAIFR, localizado no prédio do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, sediou entre os dias 27 de março e 7 de abril a School on AdS/CMT Correspondence, versando sobre as formas de se aplicar a teoria das supercordas ao estudo da matéria condensada. De forma simplificada, a matéria condensada é um termo que se refere aos estados físicos da matéria em que as partículas se aderem umas às outras, como, por exemplo, os estados clássicos de sólidos e líquidos. Porém, existem outros estados estudados, como os supercondutores e materiais ferromagnéticos.

Voltada para alunos de pós-graduação, pesquisadores e professores, as aulas foram montadas de forma a apresentar um panorama dos problemas teóricos atuais nos sistemas de matéria condensada e discutir as ferramentas que podem ser usadas em seu estudo, com ênfase especial em técnicas de holografia. A primeira semana foi organizada como um curso introdutório às teorias que serviram de base para a discussão de tópicos mais avançados na segunda semana. “Temos duas comunidades de físicos com backgrounds muito diferentes na escola, uns vem da área de altas e energias e teoria de cordas, outros, da matéria condensada. Por isso começamos com uma revisão, para que seja produtiva para todos”, disse Diego Trancanelli da USP, um dos organizadores.

AdS/CMT

A correspondência entre AdS (sigla em inglês para o espaço anti-De Sitter, que possui uma curvatura escalar negativa constante) e a matéria condensada (CMT, na sigla em inglês) significa o uso de modelos gravitacionais, em especial da teoria de supercordas, no estudo de, por exemplo, materiais sólidos e líquidos. Surgiu por influência da correspondência AdS/CFT (teoria de campos conformais) desenvolvida por Juan Maldacena em 1997 no estudo de aspectos da teoria de gauge, como na interação forte entre núcleos atômicos.

Segundo Horatiu Natase, do IFT, um dos organizadores, existem muitos problemas teóricos no estudo da matéria condensada — especialmente quando se trata de interações entre partículas — que não conseguem ser abordadas por métodos tradicionais. Como exemplo podem ser citados a supercondutividade de alta temperatura e o efeito Hall quântico, em que a resistividade perpendicular é quantizada, ambas discutidas em algumas das palestras.  Assim, ao relacionar a teoria gravitacional quântica à matéria condensada, novas soluções para problemas antigos podem ser encontradas.

O objetivo da escola foi apresentar e discutir com os participantes inscritos as ferramentas da gravitação que podem ser usadas no estudo da matéria condensada. “Na última década começaram a se utilizar métodos da teoria de cordas e depois da teoria de campos para atacar esses problemas. Isso gerou um grande interesse na área da matéria condensada”, disse Natase.

Interação

Por reunir 71 alunos e 6 palestrantes de duas áreas diferentes (matéria condensada e física de altas energias), o desafio para os organizadores foi o entendimento entre todos. “Pois apesar de utilizarem ferramentas em comum, a linguagem e o jeito de usá-las em cada área é diferente”, disse Natase.

A interação, porém, foi positiva e a mensagem que ficou por trás foi que a física não é dividida em setores que não se conversam, e o diálogo entre pesquisadores pode ser proveitoso. “A ferramenta que eu desenvolvo para um problema na minha área pode ser motivada por um problema de outra, ou pode ser que o problema de uma outra área tenha um equivalente no problema que eu estudo”, disse Trancanelli. “Então o que eu acho que estamos aprendendo a cada dia é que a física é única, as mesmas técnicas podem ser aplicadas em vários sistemas diferentes. Você nunca pode colocar limites nas suas teorias, nos seus métodos”. Natase complementou a fala, dizendo que “temos de estabelecer esses laços, mas o que acontece na prática é que tem tantas coisas para se aprender na sua área que não sobra tempo para se aprofundar em outra. E essas escolas são um jeito de expor as pessoas a outras ideias e técnicas que não teriam contato antes.”

Vera Rubin em 2009 (Fonte: Wikipedia)

Fãs de ficção científica nos filmes, televisão, literatura e videogames provavelmente já se depararam com a misteriosa Matéria Escura cruzando o caminho de seus heróis durante alguma aventura intergalática. É o caso da nebulosa de matéria escuras com a qual o famoso Capitão Picard teve que lidar em Star Trek: A Nova Geração. Ou, na mais recente série, The Flash, onde ela aparece como um forte agente mutagênico, transformando humanos em metahumanos dotados de super poderes. E na hilariante série animada Futurama, onde foi representada como o material defecado pela raça alienígena dos Nibblonianos e usada como combustível de naves espaciais.

Não existe na ficção um consenso sobre o que é e do que é feita a Matéria Escura, reflexo do que a ciência sabe sobre ela: muito pouco. Isso aumenta o mistério sobre essa substância que compõe aproximadamente 27% de toda a massa e energia do Universo observável. Até o nome, Matéria Escura, é um reflexo do quão pouco os cientistas sabem sobre ela, sendo o “Escura” referente ao fato de ainda não ter sido observada diretamente. Mas sua existência e suas propriedades únicas foram descobertas e estudadas graças a uma cientista da qual você talvez não tenha escutado muito na escola ou na televisão: Vera Rubin (1918-2016).

Graduada em astronomia pela Vassar College em 1948, foi em 1951, durante seu mestrado na Cornell University que Vera Rubin publicou resultados de uma pesquisa que causariam controvérsia no mundo da cosmologia. Rubin contradizia uma das ideias centrais da teoria do Big Bang como era concebida na época. Postulava-se que o Universo estaria em constante expansão e que as galáxias estariam se distanciando de um ponto central, o ponto onde a grande explosão teria ocorrido. Ela, ao contrário, argumentou que as galáxias estariam não apenas se distanciando deste ponto central, mas também orbitando-o. A ideia foi recebida com uma enxurrada de críticas, a maioria negativa, por ser uma idéia, até então, não-ortodoxa.

Não se deixando abalar, deu seguimento a suas pesquisas acerca da movimentação das galáxias, obtendo em 1954 o PhD na Georgetown University sob orientação de George Gamow. Em sua tese, Rubin mais uma vez apresentou uma ideia que ia contra outra suposição da teoria do Big Bang, a de que as galáxias se espalhavam de forma aleatória e homogênea no Universo. Ela, por sua vez, argumentou que as galáxias se agrupavam, formando clusters. Essa ideia, descreditada a princípio, só seria levada a sério por outros cientistas duas décadas mais tarde. Hoje, a ideia de galáxias formando clusters não apenas é aceita, mas fortemente comprovada em diversos estudos.

Após obter seu título de doutora, Rubin trabalhou como assistente de pesquisa na Georgetown University, e em 1962 passou a fazer parte do quadro docente da instituição. Em 1965, porém, conseguiu atingir duas posições de grande importância para sua carreira e a de outras cientistas. A primeira, como a primeira mulher a receber permissão de uso para os equipamentos do Observatório Palomar, pertencente ao California Institute of Technology (Caltech) e lar do famoso telescópio Hale. Antes dessa conquista, mulheres não eram permitidas acesso ao prédio. A segunda, garantindo uma posição como pesquisadora no Departamento de Magnetismo Terrestre (DTM, na sigla em inglês) da Carnegie Intitute, em Washington, onde conheceria seu grande amigo Kent Ford e desenvolveria seu trabalho mais impactante. Lá, desejando se distanciar de mais controvérsias, Rubin escolheu como objeto inicial de suas pesquisas as curvas de rotação da Galáxia de Andrômeda, vizinha da nossa própria galáxia, a Via Láctea.

Nas galáxias, estrelas orbitam ao redor de um centro, estando algumas mais próximas e outras mais distantes, muito semelhante ao que observamos no Sistema Solar, mas em escala maior. Curvas de rotação, apesar do nome algo críptico para leigos em cosmologia, são gráficos simples usados para descrever a velocidade de órbita dessas estrelas em relação à distância em que se encontram do centro da galáxia.

Como exemplo, vamos dar um passo abaixo na escala cósmica e observar o nosso conhecido Sistema Solar. Ao redor do Sol, orbitam oito planetas: Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Enquanto Mercúrio, o planeta mais próximo do centro, demora aproximadamente ¼ de ano terrestre para completar uma volta ao redor do Sol, Netuno, o mais distante, demora em torno de 165 anos terrestres. Isso ocorre, pois a gravidade exercida pelo Sol não age de forma igual em todos os planetas,  sua força diminui quanto maior a distância. Assim, a força gravitacional que o Sol exerce sobre Mercúrio é maior do que a exercida sobre Netuno, e isso influencia sua velocidade orbital. Expressas num gráfico, onde X representa a distância em relação ao Sol e Y representa a velocidade em km/s, as velocidades orbitais dos oito planetas apareceriam como uma curva decrescente: quanto maior a distância do Sol, menor a força gravitacional sentida e menor a velocidade orbital.

Agora voltemos às galáxias. Em tese, elas deveriam funcionar como o sistema solar: quanto maior a distância de uma estrela em relação ao centro da galáxia, menor sua velocidade de rotação ao redor deste centro, correto? Errado.

Apesar de ser o esperado, não foi o que Rubin e Ford obervaram ao estudarem a Galáxia de Andrômeda. Eles notaram que, na verdade, o inverso ocorria. As estrelas mais distantes do centro da galáxia se moviam a velocidades semelhantes, se não iguais, às estrelas mais próximas do centro. Intrigados, resolveram olhar para outras galáxias, acreditando que encontrariam um erro em suas observacões iniciais, mas encontraram o mesmo fenômeno se repetindo em todas elas. Procurando por uma explicação, perceberam que a gravidade das estrelas constituintes das galáxia não era capaz de resolver aquele problema, e pior, criava um novo problema: se ela fosse a única força atuando, então, teoricamente, não haveria força suficiente para mantê-las unidas, e as galáxias se desmembrariam.

Assim, Rubin e Ford, em 1970, teorizaram a existência de uma grande quantidade de massa invisível que estaria exercendo uma força gravitacional intensa sobre as galáxias, permitindo que as estrelas mais distantes se movessem à mesma velocidade das estrelas mais próximas do centro, ao mesmo tempo em que mantinha as galáxias unidas. Essa massa, dizam eles, não poderia ser detectada por não emitir ou interagir com radiações eletromagnéticas, como a luz, base das observações de fenômenos cosmológicos, e portanto recebeu o nome de Matéria Escura. Mas apesar de não poder ser observada diretamente, suas propriedades e existência conseguem ser provadas através dos efeitos gravitacionais que exercem sobre a matéria visível do Universo, as estrelas, os planetas, as galáxias.

A simples existência da Matéria Escura nos mostra o quão pouco sabemos do Universo em que habitamos, e que talvez existam forças influenciando as estrelas e seu movimento (e, quem sabe, até nos influenciando) das quais ainda podemos não ter conhecimento algum. E por isso, precisamos de mais pesquisadoras e pesquisadores como Vera Rubin, para nos ajudar a entender o que continua escondido na parte escura do nosso Universo. E quem sabe, com pesquisa suficiente, não conseguiremos, nós mesmos, utilizar essa Matéria Escura como combustível de nossas naves espaciais?

Ministrada no Instituto de Física Teórica, escola internacional aproximou diferentes áreas de conhecimento sobre questões em comum.

O ICTP-SAIFR, localizado no Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, em parceria com o Nordic Institute for Theoretical Physiscs (NORDITA), da Suécia, organizou, entre os dias 13 e 24 de março, a School on Biological Soft Matter, com o tema “From molecular interactions to engineered materials”. As aulas versaram sobre a matéria mole (soft matter, em inglês), um termo utilizado na física e na biofísica para se referir a sistemas físicos de interação de compostos facilmente deformados por variações térmicas, como líquidos, polímeros e diversos materiais biológicos, como as estruturas e propriedades físicas encontradas dentro de células vivas.

A escola teve como objetivo trazer aos alunos inscritos conceitos básicos em biologia celular e molecular, bem como a física envolvida nessas estruturas para que os alunos aprendessem como aplicá-los às questões que estão investigando em suas pesquisas. Dividida em dois blocos, a escola focou, na primeira semana, em conceitos chave de biologia e física, enquanto a segunda semana foi mais voltada para temas de bioengenharia, aliando, nas palestras ministradas, conceitos básicos com pesquisas atualmente desenvolvidas na área de soft matter. Segundo Samuela Pasquali, da Université Sorbonne Paris Cité, uma das organizadoras da escola, “a ideia é dar aos alunos uma perspectiva ampla do que está acontecendo hoje em dia na área e fornecer ferramentas necessárias para investigações futuras”.

Voltada para alunos de graduação e pós-graduação, bem como pesquisadores das áreas de mecânica estatística, ciência dos materiais, biofísica e nanotecnologia, a escola atraiu alunos majoritariamente da América Latina, mas também de outros países, incluindo Itáila, Canadá e Índia. Além de comparecer às aulas, os alunos também foram convidados a fazer apresentações orais ou de pôsteres sobre seus próprios projetos de pesquisa.

Professores e alunos após uma das palestras da escola

 Essa diversidade de áreas de formação e nacionalidades foi um dos pontos fortes da escola, como salientou Fernando Luís Barroso da Silva, da USP-Ribeirão Preto, também organizador: “Um dos lados positivos dessa escola é que os alunos começam a aprender novas ferramentas, conceitos, e fazer cooperações que podem ser proveitosas para a pesquisa que estão desenvolvendo ou para trabalhos futuros, podendo aplicar o que aprendem aqui sobre um determinado tema em outros projetos.” Da Silva, atualmente, está publicando um artigo com Natalia Montellano, pós-graduanda da Universidad Nacional de Rosario, na Argentina, que participou de uma das primeiras edições da escola e agora retorna para atualizar seus conhecimentos na área. “A interação é proveitosa, pois aprendo com os outros alunos e professores. É como um duplo aprendizado, e posso compartilhar um pouco da minha própria experiência”, disse Montellano.

Os benefícios dessa migração de conhecimentos entre diferentes áreas foi bem exemplificada em uma das palestras da segunda semana, ministrada por Greg Huber, da University of California. Huber apresentou sua pesquisa com as rampas de Terasaki, estruturas tubulares helicoidais encontradas experimentalmente em membranas de organelas dentro de células, bem como previstas teoricamente na superfície de estrelas de nêutrons. A similaridade entre as estruturas, segundo ele, é surpreendente, pois os dois ambientes são extremamente diferentes em termos de tamanho e forças atuantes, apesar de serem sujeitos a fenômenos e condições que podem ser consideradas, em certa instância, análogas. “Isso mostra que os cientistas das duas áreas trabalham com linguagens diferentes, mas em cooperação podem se beneficiar. A estrutura já havia sido observada nas células, sempre esteve lá, mas não havia sido descrita da forma que um físico, com conhecimento em linguagem matemática e geométrica a descreveria”, disse Huber. “Podem existir outras estruturas interessantes dentro da célula que ainda não foram descritas da mesma forma.”

Por ser uma área de interface entre a biologia e a física, duas áreas que não necessariamente conversam em técnicas ou abordagens, adaptar as aulas para ambos os públicos foi um desafio que os organizadores tinham em mente na hora de conceber a escola. “Alunos e professores de diferentes áreas precisam de bastante conhecimento em biologia e física e suas áreas de interface. E quando se está trabalhando nas duas áreas, não é possível fazer um sem saber o outro”, disse Pasquali. E continuou: “A física que se aplica, digamos, à molécula de DNA, é a mesma que se aplica à proteína ou nanobjeto que se está querendo produzir. No fundo, todos os cientistas tem o mesmo objetivo: compreender a natureza.”

Em evento de divulgação científica, a física de exoplanetas é apresentada com descontração.

Na noite de terça-feira, 04 de abril, o bar-lavanderia Laundry Deluxe (Rua da Consolação, 2937, São Paulo) recebeu mais uma edição do Papos de Física, evento de divulgação científica organizado pelo ICTP-SAIFR. O evento, que ocorre mensalmente, tem o objetivo de levar a ciência para fora dos muros da universidade em linguagem acessível tanto ao público leigo quanto ao especializado. Este mês, o evento trouxe a Dra. Adriana Valio, astrofísica e professora da Universidade Presbiteriana Mackenzie, para discorrer sobre exoplanetas.

Em vinte minutos de palestra, Valio apresentou ao público a definição de exoplanetas (planetas que orbitam estrelas e pertencem a sistemas solares diferentes do nosso), e que são mais comuns do que se possa pensar, sendo “descobertos com relativa frequência”, acrescentou. O número atual de exoplanetas descobertos já passa de três mil, e nos últimos vinte anos, com o avanço tecnológico dos telescópios, estão sendo descobertos e confirmados ainda mais, de tamanhos menores que a nossa Terra (chamados de Miniterras) a impressionantes tamanhos similares ao de Júpiter, o maior planeta do nosso sistema solar.

Os métodos usados para detectar novos exoplanetas também não ficaram de fora da palestra. O primeiro a ser citado foi o método da velocidade radial, principal forma de detecção de exoplanetas relativamente próximos do nosso sistema e também conhecido como “método Doppler”. O que ocorre é que tanto a estrela quanto o planeta a ela associado orbitam o mesmo ponto no centro do sistema, e seus movimentos podem ser detectados graças à variação no seu espectro de luz. Imagine uma ambulância passando na rua: o som de sua sirene parece mais agudo quando está se aproximando, e aparenta ficar mais grave quando está se distanciando. Isso é chamando de Efeito Doppler, e é o mesmo que acontece com a luz das estrelas, só que, ao invés de um som mais intenso ou lento, ela parece mudar de cor: azul quando está se aproximando e vermelha quando está se distanciando da Terra. Dessa forma, astrofísicos conseguem identificar a velocidade de rotação de uma estrela e medir qualquer alteração que possa sofrer, como a força gravitacional de um planeta orbitando ao seu redor.  O planeta exerce uma força muito menor sobre a estrela do que no caso contrário, porém é o suficiente para ser detectado. “Quanto maior a massa [do exoplaneta], maior o distúrbio na velocidade da estrela e mais fácil sua detecção”, disse Valio.

Outro método citado foi o “método de trânstito”, em que a sombra causada por um planeta quando passa em frente à sua estrela é o que permite sua detecção. Esse método, porém, só é possível quando a órbita do planeta está alinhada perpendicularmente com a Terra. Essa foi a técnica utilizada para detectar os sete planetas orbitando a estrela TRAPPIST-1, uma anã vermelha. Esse sitema, como anunciado pela NASA em fevereiro deste ano, levanta expectativas quanto à colonização dos planetas, pois, além de apresentaram tamanho semelhante ao da Terra, três deles estão dentro da chamada “zona habitável”: distância da estrela em que é possível a existência de água em estado líquido, essencial para a existência de vida como a nossa.

Após a palestra, o público, formado por jovens em sua maioria, foi convidado a fazer perguntas, e demonstraram grande curiosidade quanto à possibilidade de existir vida fora da Terra e de colonização de exoplanetas. Valio respondeu a todas as questões com desenvoltura e embasamento teórico, deixando claro que, apesar da astrobiologia (ramo da ciência que busca encontrar vida inteligente em outros planetas) estar voltando à cena com essas recentes descobertas, ainda não há resultados concretos. Quanto à colonização, Valio assegurou: “Se acontecer, nós que estamos aqui não vamos ver, nem nossos filhos. Talvez apenas nossos tataranetos, porque é algo que ainda vai demorar muito para ser possível.”

A próxima edição do Papos de Física será realizada em parceria com o Pint of Science, evento internacional de divulgação científica que acontecerá em 9 países, em mais de 100 cidades, nas noites de 15, 16 e 17 de maio.

Para mais informações e a lista dos palestrantes que estarão no Laundry deluxe, acesse: http://www.ictp-saifr.org/papos/

Para mais informações sobre o Pint of Science Brasil 2017, acesse: http://www.pintofscience.com.br/

Em evento de divulgação científica, temas de física são apresentados para público leigo com descontração e bom-humor.

Na noite de quarta-feira, 08 de março, ocorreu mais uma edição dos Papos de Física, evento de divulgação científica organizado pelo ICTP-SAIFR, um centro internacional localizado no Instituto de Física Teória (IFT) da Unesp. O evento, que ocorre mensalmente, tem o objetivo de levar a ciência para fora do ambiente acadêmico, aproximando-a da sociedade, e trouxe Rodrigo Nemmen, professor de astrofísica do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP e membro associado da Academia Brasileira de Ciências, para a palestra. O local escolhido foi o bar-lavanderia Laundry Deluxe (Rua da Consolação, 2937) e contou com o ambiente informal para criar um clima de descontração entre palestrante e público acerca do tema explorado: buracos negros.

Em vinte minutos de apresentação, Nemmen apresentou com linguagem simples e muito bom-humor o que é um buraco negro e formas possíveis de se morrer em um deles. Não faltaram referências a filmes e grupos musicais durante a apresentação, já que, segundo Nemmen, “há um grande fascínio na cultura por buracos negros”. Porém, as referências foram usadas em tom de crítica, apresentando os muitos erros de Hollywood acerca do que é um buraco negro, conceito que Nemmen elucidou nos primeiros minutos de sua palestra: “é uma região do espaço com um campo gravitacional tão intenso que nem a luz consegue escapar.” Nesse cenário, qualquer objeto tentando sair de um buraco negro precisaria ter uma velocidade de escape que excedesse a velocidade da luz.

Em termos simples, a velocidade de escape é a velocidade que um objeto precisa alcançar e ultrapassar para conseguir escapar da atração gravitacional de um astro. No caso da Terra, por exemplo, a velocidade de escape é de 11 quilômetros por segundo. Isso significa que, se um foguete deseja escapar da força que a gravidade da Terra exerce sobre ele, deve ultrapassar esses 11 quilômetros por segundo. Caso contrário, a força puxaria-o de volta e a missão provavelmente seria um fracasso. No caso de um buraco negro, porém, a velocidade deste foguete teria de ser maior que a velocidade da luz para que conseguisse sair de lá. E isso não é nada fácil, pois como explicou Nemmen, “nada consegue exceder a velocidade da luz no Universo”, e, por isso, “uma vez dentro [de um buraco negro], nada escapa.”

Rodrigo Nemmen durante a palestra

Em sua fala, Nemmen não deixou de lado a data em que o evento ocorreu, Dia Internacional da Mulher, tecendo comentários e críticas acerca das assimetrias de direitos e visibilidade entre homens e mulheres no ambiente acadêmico. Como demonstrou com uma manchete de jornal projetada em slide, as mulheres são responsáveis por metade das descobertas científicas no mundo, “o que era de se esperar,” disse, “já que metade da população mundial é de mulheres. Mas para isso ser uma manchete, e não algo normal, há algo de errado”. Além disso, citou também o trabalho de duas astrofísicas de grande importância, Thaisa Storchi Bergmann, do Instituto de Física da UFRGS, e Natalie Batalha, da NASA.

Nemmen, como em toda boa conversa de bar, também não deixou de lado comentários sobre política, tecendo críticas bem-humoradas sobre os cortes recentes no orçamento federal para a pesquisa e sobre a fusão do Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação com o de Comunicação, algo que, segundo ele, não faz muito sentido. Esses comentários, disse Nemmen, “são convites à reflexão”.

Após a palestra, o público, formado majoritariamente por jovens, foi convidado a fazer perguntas. A empolgação da plateia foi tão grande quanto a de Nemmen, que respondeu com desenvoltura perguntas tanto sobre buracos negros quanto aspectos da nossa galáxia e, após terminado o evento, continuou o bate-papo nas mesas do bar.

A próxima edição dos Papos de Física ocorrerá no dia 04 de abril, no mesmo local, e contará com a presença de Adriana Valio, professora da Universidade Presbiteriana Mackenzie, que trará para a mesa o tema dos exoplanetas. Para mais informações, acesse o site: http://ictp-saifr.org/papos/

Em sua nova edição, instituto abre espaço para alunos de toda a América Latina

Foi entregue na segunda-feira, 6 de março , o Prêmio IFT-UNESP/ICTP-SAIFR para Jovens Físicos, em cerimônia realizada no auditório do Instituto de Física Teórica, localizado no Campus Barra Funda da UNESP. Receberam o prêmio os cinco melhores colocados em duas provas de três horas de duração cada, abordando temas como Mecânica Clássica, Mecânica Quântica, Mecânica Estatística/Termodinâmica, Eletromagnetismo, Relatividade Especial e Fisica-Matemática.

O prêmio, entregue anualmente desde 2004, passou por uma reformulação em sua ediçao de 2016 devido a parceria do ICTP-SAIFR e IFT-UNESP com o Perimeter Institute, do Canada. Anteriormente, a competição premiava apenas alunos de graduação brasileiros. Após a parceria, porém, além do nível da prova ter aumentado, com perguntas formuladas por pesquisadores do IFT-UNESP e do Perimeter, permitiu que alunos de graduação de toda a América Latina pudessem se inscrever. Segundo Nathan Berkovits, diretor do ICTP-SAIFR, a procura foi alta por parte destes alunos, com mais de 100 participantes inscritos.

O primeiro colocado foi Francisco Vladimir Calvera Cigueñas, de 21 anos, formado em 2016 no curso de fisica da PUC-Peru. Cigueñas, que já desenvolveu pesquisa em óptica quântica durante a graduação, se prepara para passar um ano no Canadá, trabalhando em seu mestrado. “Eu achei divertida a prova. Gostei das perguntas, pois pude aprender mais sobre os temas,” disse Cigueñas, que almeja seguir para um doutorado em física.

Ivan Carlos de Almeida, quinto colocado, desenvolveu sua iniciação científica com buracos negros na USP São Paulo e diz que o prêmio é um bom incentivo, especialmente para alunos de graduacão, seguirem carreira. “Agora pretendo seguir na academia, no mestrado e, depois, doutorado”. Atualmente, Almeida desenvolve seu mestrado na USP, também com buracos negros.

Além do certificado, os alunos receberam também premiação em dinheiro. Veja os cinco primeiros colocados:

1ºLugar:

Francisco Vladimir Calvera Cigueñas (Pontificia Universidad Católica del Peru), 98 de 100 pontos

2º Lugar:
Michael David Morales Curi (Universidad Nacional de Ingeniería, Peru), 57,5 de 100 pontos

3º Lugar:
Alexandre Homrich (USP São Paulo), 55 de 100 pontos

4º Lugar:
Carlos Gustavo Rodriguez Fernandez (Universidad San Francisco de Quito, Ecuador), 50,75 de 100 pontos

5º Lugar:
Ivan Carlos de Almeida (USP São Paulo), 41,5 de 100 pontos

Da esquerda para a direita: Ivan Carlos de Almeida (USP Sao Paulo), Carlos Gustavo Rodriguez Fernandez (Universidad San Francisco de Quito, Ecuador), Alexandre Homrich (USP São Paulo), Francisco Vladimir Calvera Cigueñas (Pontificia Universidad Católica del Peru) e Nathan Berkovits, diretor do ICTP-SAIFR, durante a cerimonia.

Após a cerimônia de entrega dos prêmios, seguiu uma palestra sobre as utilidades quânticas da luz na ciência da informação, ministrada pelo Prof. Dr. Paulo Nussenzveig, do Instituto de Fisica da USP.

Jornadas de Fisica Teorica

 Com o intuito de incentivar alunos de graduação a seguirem seus estudos e pesquisas em áreas de física, o prêmio é realizado anualmente, associado às Jornadas de Física Teórica, uma escola internacional cobrindo tópicos relevantes de física teórica. Começando por assuntos básicos, os palestrantes procuram apresentar, também, pesquisas sendo desenvolvidas hoje em dia dentro de cada um dos tópicos apresentados.

As aulas são ministradas por professores do Perimeter Institute, do ICTP-SAIFR e do IFT-UNESP durante cinco dias, ao fim dos quais os alunos poderão prestar as duas provas. Apesar de apenas a segunda prova contar como parâmetro para o prêmio, o desempenho somado nas duas pode render aos alunos bolsas de mestrado sanduíche no Canadá, junto ao Perimeter Institute. Dos cinco primeiros colocados nesta edição do prêmio, quatro conseguiram a bolsa.

A Jornada de Física Teórica de 2017 tem data de início marcada para o dia 10 de julho e já está com as inscrições abertas.

Mais informações sobre o prêmio e sobre a Jornada, aqui e aqui.