Ciência e Tecnologia
Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
Nunca houve uma época com tantas mudanças e transformações como a que vivemos atualmente. Todos os dias, notícias e informações sobre mudanças no clima, na economia, na política ou no futebol chegam até nós pela televisão, pelo rádio ou pela internet. Na grande maioria das vezes, temos dificuldade de lidar com tanta informação.
Uma simples busca no Google por qualquer termo abre as portas para milhões de páginas. Uma pesquisa pela palavra “ciência”, por exemplo, nos devolve a indicação de 105 milhões de sítios na internet. Nesse mar de informação, é difícil encontrar e compreender o que procuramos sem discernimento e conhecimentos prévios. “Navegar é preciso, mas é necessário conhecer os oceanos”.
De maneira semelhante, a compreensão pela física de sistemas complexos com muitas informações requer a utilização de abordagens diferentes das usadas para descrever situações mais simples. A física da complexidade nos apresenta descobertas surpreendentes.
A ciência em geral, e não apenas a física, foi influenciada fortemente pelas ideias de Isaac Newton (1642-1727). Ao formular as leis da mecânica clássica, Newton construiu um modelo determinista para o universo.
Em particular, a lei da gravitação universal e as leis de movimento têm a capacidade de descrever a queda de uma maçã ou o movimento da Lua e dos planetas nos céu – em qualquer momento.
As leis de Newton nos possibilitam saber com grande precisão os movimentos planetários hoje, no passado e em um futuro distante. Isso só é possível porque o movimento planetário é um problema simples de ser resolvido, pois envolve um número restrito de atores (nesse caso, o Sol e os planetas do sistema solar). Em situações mais complexas, porém, a descrição dos movimentos a partir desse modelo não é simples e tampouco eficiente.
Um sistema com muitas partículas interagindo não consegue ser descrito adequadamente pelas leis de Newton e nem pela mecânica quântica, utilizando a sua equação fundamental, proposta pelo físico austríaco Edwin Schrödinger (1887-1961).
Imaginemos um gás como o nitrogênio ou o oxigênio, ambos presentes no ar que respiramos. Em uma sala com 9 m 2 de área e 2,5 m de altura, temos um volume de 22,5 m 3 . Na pressão atmosférica e na temperatura ambiente, há nesse volume uma quantidade da ordem de 10 26 moléculas (1 seguido de 26 zeros!), movendo-se com uma velocidade média 1700 km/h (uma vez e meia a velocidade do som).
Se quiséssemos descrever o comportamento de um gás a partir do comportamento individual de cada molécula, teríamos que escrever 10 26 equações de movimento e resolvê-las simultaneamente. Nos dias atuais não temos computadores poderosos o suficiente para resolver tal problema. Ainda que fosse esse o caso, as soluções de todas essas equações não fariam qualquer sentido.
Mecânica estatística
A alternativa para conseguir descrever sistemas como esses começou a ser proposta no final do século 19 e no começo do século 20 e ficou conhecida como física estatística, ou mecânica estatística.
Os primeiros a proporem abordagens estatísticas para descrever sistemas com muitas partículas foram o alemão Ludwing Boltzmann (1844-1906) e o americano Josiah Williard Gibbs (1839-1903). A ideia básica é utilizar os conceitos estatísticos para descrever esses sistemas muito complexos a partir de valores médios das grandezas físicas de interesse.
Com essa abordagem, Boltzmann e Gibbs conseguiram relacionar valores microscópicos (como a densidade média de energia das partículas) a grandezas físicas macroscópicas e mensuráveis. Eles mostraram a relação entre entropia e densidade média de energia de um sistema com muitas partículas.
O conceito de entropia é um dos mais fascinantes que encontramos na física, principalmente porque ele mostra que todos os sistemas tendem a atingir, com o passar do tempo, o maior grau de desordem.
Por exemplo, quando abrimos um frasco de perfume em uma sala e esperamos um pouco, o cheiro será sentido em todo o ambiente. Nesse caso, as moléculas que compõem o perfume evaporam e se difundem por todo ambiente.
Contudo, esse é um processo que chamamos de irreversível, pois essas moléculas não voltam espontaneamente para o frasco de perfume. Antes, elas estavam mais “organizadas” dentro do frasco. Depois, elas passaram a ocupar todo o volume da sala. Nesse sentido, houve um aumento da desordem e, como consequência, um aumento da entropia.
Longe do equilíbrio
Quando os sistemas físicos não estão em equilíbrio, ou seja, estão evoluindo com o tempo, eles não conseguem ser descritos de forma adequada, nem mesmo pelas leis da mecânica clássica e quântica. Foi necessário incorporar descrições estatísticas para explicar esses sistemas que estão longe do equilíbrio.
O físico-químico russo Ilya Prigogine (1917-2003) deu uma grande contribuição para explicar esses sistemas mais complexos, também chamados de estruturas dissipativas, ao criar uma nova abordagem para a mecânica clássica e quântica. Essas contribuições lhe valeram o Nobel de Química em 1977.
Os processos físicos irreversíveis e fora do equilíbrio são observados em muitas situações na natureza. A vida é um exemplo disso. Os seres vivos nascem e se desenvolvem a custas do consumo de energia (através da alimentação) e do aumento da entropia (a partir da troca de calor entre o corpo e o ambiente externo). Basta lembrar que nossos corpos estão tipicamente na temperatura de 36º, C enquanto o ambiente normalmente está a 25º C. Essa diferença de temperatura é fundamental: se ela não existisse, não haveria como o nosso organismo funcionar.
A complexidade de informações faz parte da natureza, tanto em nosso cotidiano como na descrição dos fenômenos físicos. Aprender a lidar com elas a partir de diferentes abordagens permite uma extensão da nossa compreensão.
A grande quantidade de informação que recebemos pela imprensa ou pela internet precisa sempre ser filtrada e trabalhada com discernimento. No caso dos fenômenos físicos, precisamos utilizar abordagens diferentes quando temos que lidar com sistemas complexos. Em ambos os casos, ainda não encontramos a resposta final.
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A coluna Física sem Mistério é publicada na terceira sexta-feira do mês pelo físico Adilson J. A. de Oliveira, professor da UFSCar
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Ciência e Tecnologia
Overdose de informação
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De maneira semelhante, a compreensão pela física de sistemas complexos com muitas informações requer a utilização de abordagens diferentes das usadas para descrever situações mais simples. A física da complexidade nos apresenta descobertas surpreendentes.
A ciência em geral, e não apenas a física, foi influenciada fortemente pelas ideias de Isaac Newton (1642-1727). Ao formular as leis da mecânica clássica, Newton construiu um modelo determinista para o universo.
Em particular, a lei da gravitação universal e as leis de movimento têm a capacidade de descrever a queda de uma maçã ou o movimento da Lua e dos planetas nos céu – em qualquer momento.
As leis de Newton nos possibilitam saber com grande precisão os movimentos planetários hoje, no passado e em um futuro distante. Isso só é possível porque o movimento planetário é um problema simples de ser resolvido, pois envolve um número restrito de atores (nesse caso, o Sol e os planetas do sistema solar). Em situações mais complexas, porém, a descrição dos movimentos a partir desse modelo não é simples e tampouco eficiente.
Um sistema com muitas partículas interagindo não consegue ser descrito adequadamente pelas leis de Newton e nem pela mecânica quântica, utilizando a sua equação fundamental, proposta pelo físico austríaco Edwin Schrödinger (1887-1961).
Imaginemos um gás como o nitrogênio ou o oxigênio, ambos presentes no ar que respiramos. Em uma sala com 9 m 2 de área e 2,5 m de altura, temos um volume de 22,5 m 3 . Na pressão atmosférica e na temperatura ambiente, há nesse volume uma quantidade da ordem de 10 26 moléculas (1 seguido de 26 zeros!), movendo-se com uma velocidade média 1700 km/h (uma vez e meia a velocidade do som).
Se quiséssemos descrever o comportamento de um gás a partir do comportamento individual de cada molécula, teríamos que escrever 10 26 equações de movimento e resolvê-las simultaneamente. Nos dias atuais não temos computadores poderosos o suficiente para resolver tal problema. Ainda que fosse esse o caso, as soluções de todas essas equações não fariam qualquer sentido.
Mecânica estatística
A alternativa para conseguir descrever sistemas como esses começou a ser proposta no final do século 19 e no começo do século 20 e ficou conhecida como física estatística, ou mecânica estatística.
Os primeiros a proporem abordagens estatísticas para descrever sistemas com muitas partículas foram o alemão Ludwing Boltzmann (1844-1906) e o americano Josiah Williard Gibbs (1839-1903). A ideia básica é utilizar os conceitos estatísticos para descrever esses sistemas muito complexos a partir de valores médios das grandezas físicas de interesse.
Com essa abordagem, Boltzmann e Gibbs conseguiram relacionar valores microscópicos (como a densidade média de energia das partículas) a grandezas físicas macroscópicas e mensuráveis. Eles mostraram a relação entre entropia e densidade média de energia de um sistema com muitas partículas.
O conceito de entropia é um dos mais fascinantes que encontramos na física, principalmente porque ele mostra que todos os sistemas tendem a atingir, com o passar do tempo, o maior grau de desordem.
Por exemplo, quando abrimos um frasco de perfume em uma sala e esperamos um pouco, o cheiro será sentido em todo o ambiente. Nesse caso, as moléculas que compõem o perfume evaporam e se difundem por todo ambiente.
Contudo, esse é um processo que chamamos de irreversível, pois essas moléculas não voltam espontaneamente para o frasco de perfume. Antes, elas estavam mais “organizadas” dentro do frasco. Depois, elas passaram a ocupar todo o volume da sala. Nesse sentido, houve um aumento da desordem e, como consequência, um aumento da entropia.
Longe do equilíbrio
Quando os sistemas físicos não estão em equilíbrio, ou seja, estão evoluindo com o tempo, eles não conseguem ser descritos de forma adequada, nem mesmo pelas leis da mecânica clássica e quântica. Foi necessário incorporar descrições estatísticas para explicar esses sistemas que estão longe do equilíbrio.
O físico-químico russo Ilya Prigogine (1917-2003) deu uma grande contribuição para explicar esses sistemas mais complexos, também chamados de estruturas dissipativas, ao criar uma nova abordagem para a mecânica clássica e quântica. Essas contribuições lhe valeram o Nobel de Química em 1977.
Os processos físicos irreversíveis e fora do equilíbrio são observados em muitas situações na natureza. A vida é um exemplo disso. Os seres vivos nascem e se desenvolvem a custas do consumo de energia (através da alimentação) e do aumento da entropia (a partir da troca de calor entre o corpo e o ambiente externo). Basta lembrar que nossos corpos estão tipicamente na temperatura de 36º, C enquanto o ambiente normalmente está a 25º C. Essa diferença de temperatura é fundamental: se ela não existisse, não haveria como o nosso organismo funcionar.
A complexidade de informações faz parte da natureza, tanto em nosso cotidiano como na descrição dos fenômenos físicos. Aprender a lidar com elas a partir de diferentes abordagens permite uma extensão da nossa compreensão.
A grande quantidade de informação que recebemos pela imprensa ou pela internet precisa sempre ser filtrada e trabalhada com discernimento. No caso dos fenômenos físicos, precisamos utilizar abordagens diferentes quando temos que lidar com sistemas complexos. Em ambos os casos, ainda não encontramos a resposta final.
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