Uma vida é muito longa em relação ao picossegundo
que leva para que dois átomos formem uma molécula, mas é um piscar de
olhos se comparada a muitos fenômenos naturais, como a formação de
cadeias de montanhas ou a colisão de galáxias. Para responder questões
que levam mais que uma vida para serem resolvidas os cientistas repassam
seus esforços entre gerações.
Em medicina, por exemplo, estudos longitudinais costumam acompanhar assuntos bem depois de os pesquisadores originais terem morrido; alguns estudos ainda em andamento começaram nos anos 20. O recorde da mais extensa sequência de coleta ininterrupta de dados da história deve pertencer aos antigos Diários astronômicos, dos babilônios, que contêm pelo menos seis séculos em observações desde o primeiro milênio antes de Cristo; esses registros revelaram padrões recorrentes de eventos como eclipses solares e lunares.
Na maior parte dos campos da pesquisa científica questões mais interessantes e fundamentais continuam em aberto porque os cientistas simplesmente não tiveram tempo suficiente para estudá-las. Mas e se o tempo não fosse um empecilho? Recentemente, conversei com pesquisadores-líderes em vários campos sobre quais problemas atacariam se tivessem mil anos – ou 10 mil, ou mesmo 1 milhão de anos – para fazer observações ou realizar experimentos. (Para manter o foco em ciência e não em futurologia, pedi que imaginassem que só poderiam usar tecnologia considerada de ponta hoje.) As versões condensadas de suas intrigantes respostas são as seguintes:
10 MIL ANOS
COMO A VIDA COMEÇOU?
No início dos anos 50,Stanley Miller e Harold Urey, da University of Chicago, mostraram que blocos básicos de construção da vida, como aminoácidos, se formam espontaneamente sob determinadas condições. Parecia que a solução do mistério da origem da vida poderia ser apenas uma questão de combinar as químicas adequadas e esperar o tempo necessário. Viu-se que não era assim tão simples, mas em 10 mil anos mais ou menos, uma versão moderna do experimento Urey-Miller poderia render alguma molécula autorreplicante rudimentar capaz de evoluir por meio de seleção natural – em resumo, vida.
Uma experiência para simular a origem da vida tem de ocorrer num ambiente geoquimicamente plausível. A sopa primordial pode ter contido milhões de diferentes tipos de pequenas moléculas, que se combinariam e reagiram em um número astronômico de formas possíveis. No oceano, no entanto, elas estariam tão diluídas que as chances de duas moléculas se cruzarem, e, além disso, reagirem quimicamente eram muito pequenas. A explicação mais plausível é que moléculas autorreplicantes se reuniram primeiro na superfície de rochas. As superfícies molhadas da Terra primordial teriam se tornado um vasto laboratório natural, realizando talvez 1030 pequenos experimentos de cada vez, num período de 100 milhões a 500 milhões de anos.
Um esforço laboratorial de 10 mil anos poderia tentar recriar esta situação, realizando um número enorme de pequenos experimentos simultaneamente. Esses berçários moleculares se pareceriam de fora com salas repletas de racks de servidores de computadores, mas, por dentro, haveria “laboratórios em chips” químicos contendo centenas de poços microscópicos, cada um com diferentes combinações de compostos reagindo em uma variedade de superfícies minerais. Os chips iriam constante e autonomamente monitorar as reações em busca de sinais de que uma molécula teria disparado uma autorreplicação.
Os pesquisadores poderiam reduzir o tempo necessário de milhões para milhares de anos concentrando-se em combinações químicas com maior probabilidade de resultar em algo interessante. Com sorte, por fim, aprenderíamos o suficiente sobre como a Natureza funciona para reduzir esse tempo a umas poucas décadas.
Em medicina, por exemplo, estudos longitudinais costumam acompanhar assuntos bem depois de os pesquisadores originais terem morrido; alguns estudos ainda em andamento começaram nos anos 20. O recorde da mais extensa sequência de coleta ininterrupta de dados da história deve pertencer aos antigos Diários astronômicos, dos babilônios, que contêm pelo menos seis séculos em observações desde o primeiro milênio antes de Cristo; esses registros revelaram padrões recorrentes de eventos como eclipses solares e lunares.
Na maior parte dos campos da pesquisa científica questões mais interessantes e fundamentais continuam em aberto porque os cientistas simplesmente não tiveram tempo suficiente para estudá-las. Mas e se o tempo não fosse um empecilho? Recentemente, conversei com pesquisadores-líderes em vários campos sobre quais problemas atacariam se tivessem mil anos – ou 10 mil, ou mesmo 1 milhão de anos – para fazer observações ou realizar experimentos. (Para manter o foco em ciência e não em futurologia, pedi que imaginassem que só poderiam usar tecnologia considerada de ponta hoje.) As versões condensadas de suas intrigantes respostas são as seguintes:
10 MIL ANOS
COMO A VIDA COMEÇOU?
No início dos anos 50,Stanley Miller e Harold Urey, da University of Chicago, mostraram que blocos básicos de construção da vida, como aminoácidos, se formam espontaneamente sob determinadas condições. Parecia que a solução do mistério da origem da vida poderia ser apenas uma questão de combinar as químicas adequadas e esperar o tempo necessário. Viu-se que não era assim tão simples, mas em 10 mil anos mais ou menos, uma versão moderna do experimento Urey-Miller poderia render alguma molécula autorreplicante rudimentar capaz de evoluir por meio de seleção natural – em resumo, vida.
Uma experiência para simular a origem da vida tem de ocorrer num ambiente geoquimicamente plausível. A sopa primordial pode ter contido milhões de diferentes tipos de pequenas moléculas, que se combinariam e reagiram em um número astronômico de formas possíveis. No oceano, no entanto, elas estariam tão diluídas que as chances de duas moléculas se cruzarem, e, além disso, reagirem quimicamente eram muito pequenas. A explicação mais plausível é que moléculas autorreplicantes se reuniram primeiro na superfície de rochas. As superfícies molhadas da Terra primordial teriam se tornado um vasto laboratório natural, realizando talvez 1030 pequenos experimentos de cada vez, num período de 100 milhões a 500 milhões de anos.
Um esforço laboratorial de 10 mil anos poderia tentar recriar esta situação, realizando um número enorme de pequenos experimentos simultaneamente. Esses berçários moleculares se pareceriam de fora com salas repletas de racks de servidores de computadores, mas, por dentro, haveria “laboratórios em chips” químicos contendo centenas de poços microscópicos, cada um com diferentes combinações de compostos reagindo em uma variedade de superfícies minerais. Os chips iriam constante e autonomamente monitorar as reações em busca de sinais de que uma molécula teria disparado uma autorreplicação.
Os pesquisadores poderiam reduzir o tempo necessário de milhões para milhares de anos concentrando-se em combinações químicas com maior probabilidade de resultar em algo interessante. Com sorte, por fim, aprenderíamos o suficiente sobre como a Natureza funciona para reduzir esse tempo a umas poucas décadas.
10 MIL ANOS
QUAL A FREQUÊNCIA DOS MEGATERREMOTOS?
O terremoto Tohoku-Oki de magnitude 9, seguido de tsunami, que devastou o nordeste do Japão em março de 2011 pegou a comunidade sismológica de surpresa: quase ninguém pensava que a falha responsável pudesse liberar tanta energia em um evento. Podemos reconstruir a história da atividade sísmica indiretamente ao inspecionar a geologia local, mas isso jamais substituiria a detecção direta. Sismógrafos modernos existem há pouco mais de um século, tempo muito curto para dar uma ideia clara sobre os maiores terremotos que possam ter atingido determinada área a cada poucos séculos ou mais. Se pudéssemos deixar esses instrumentos funcionando por milhares de anos, no entanto, certamente mapearíamos riscos sísmicos de forma muito mais acurada – incluindo especificamente quais regiões podem ter eventos de magnitude 9, embora não tenham tido mais do que magnitude 8 nos registros históricos.
Registros multimilenares também responderiam a outro enigma: os megaterremotos – que considero os tremores de magnitude 8,5 ou mais – ocorrem em grupos no mundo? Registros dos últimos 100 anos, aproximadamente, sugerem que sim: seis deles aconteceram na última década, por exemplo, e nenhum nas três décadas anteriores. Medições por um período mais longo nos diriam se esses agrupamentos envolvem interações físicas ou se foram apenas um acaso estatístico.
10 MIL ANOS
AS CONSTANTES DA NATUREZA SÃO REALMENTE FIXAS?
As leis básicas da física parecem universais e eternas: até onde sabemos, todos os prótons têm o mesmo volume de carga eletrostática e a luz sempre viaja à mesma velocidade, entre outras constantes. Mas alguns modelos de realidade propostos permitem variações, e certos estudos astronômicos defendem, de forma controversa, que detectaram pequenas mudanças. Enquanto isso, todos os dados de laboratório se mantêm estáveis. Meu laboratório, por exemplo, mediu a força do magnetismo do elétron – a mais precisa medida, que eu saiba, de qualquer propriedade de uma partícula fundamental. Se repetido por milhares de anos, este experimento poderá exibir uma mudança.
Para medirmos o magnetismo do elétron ou, mais precisamente, seu “momento magnético” – o análogo subatômico da força de uma barra magnética – confinamos um único elétron em um plano com um campo eletrostático e usamos um campo magnético para forçá-lo a se movimentar em círculos. Mantemos nosso aparato a menos de um décimo de grau acima de zero absoluto para que o movimento do elétron seja em seu estado de mais baixa energia possível. Com ondas de radiofrequência forçamos então o magneto do elétron a saltar. A resposta da partícula e, em particular, as taxas às quais conseguimos fazê-lo saltar depende de seu momento magnético, o que podemos determinar a três partes em 1013.
Se o momento magnético tivesse mudado uma parte em mil ao longo de toda a história do Universo e se a mudança ocorresse em ritmo constante o tempo todo, nosso experimento já o teria detectado. Evidentemente, a ciência não pode nunca provar que algo é exatamente constante, mas apenas que sua taxa de mudança é extremamente pequena. Além disso, a taxa de variação pode ser muito mais lenta agora que no início do Universo, o que dificulta a verificação em laboratório. Mas, se repetíssemos nossa experiência por 10 mil anos e não víssemos mudanças, essa estabilidade colocaria rígidas restrições a quaisquer previsões teóricas de variações em constantes. (Também lançaria dúvidas sobre afirmações de que observações experimentais da luz de quasares distantes detectaram leves variações na força das interações eletromagnéticas desde os momentos iniciais do Universo).
Naturalmente, nossas técnicas e as de outros laboratórios certamente serão aprimoradas.Suspeito que métodos cada vez mais engenhosos permitirão avançar mais em menos tempo que 10 mil anos.
10 MIL ANOS
COMO AS ESTRELAS MASSIVAS EXPLODEM?
As supernovas são raras, levando talvez várias décadas para ocorrer numa galáxia espiral grande como a nossa. A mais recente foi registrada em 1604; Johannes Kepler a descreveu como mais brilhante do que tudo, exceto Vênus. Todas as supernovas registradas em tempos mais recentes ocorreram em outras galáxias distantes milhões, se não bilhões de anos-luz. Quando finalmente observarmos uma supernova próxima poderemos estudá-la não só com telescópios comuns, mas também com dois novos tipos de observatórios – um que detecta neutrinos e outro, ondas gravitacionais –, que nos dirão o que de fato ocorre dentro da estrela em explosão. Se puder esperar 10 mil anos, você virtualmente terá garantidos 100 ou 200 desses eventos – o suficiente para distingui-los de suas sutis variações.
A explosão de uma estrela pode acontecer em nossa galáxia a qualquer momento. Quando ocorrer, as telas dos computadores de observatórios de ondas gravitacionais em torno do mundo começarão a piscar, assinalando a passagem de ondas no tecido do Universo. Essas ondas gravitacionais são uma previsão-chave da teoria geral da relatividade de Einstein, mas até agora escaparam da detecção direta. Elas vão assinalar que o núcleo da estrela começou a entrar em colapso sob sua própria gravidade.
A matéria comprimida se transforma em nêutrons e libera neutrinos – partículas que podem atravessar o corpo estelar e escapar para o espaço (e atingir observatórios na Terra). A energia liberada pelo colapso atravessa as camadas externas da estrela tornando-a intensamente brilhante. Em alguns casos, no entanto, a onda de choque pode se esgotar, produzindo ondas gravitacionais, mas não luz. Não sabemos com certeza porque, até agora, só observamos o estágio final, visível (com exceção de uma rajada de neutrinos de uma supernova em 1987). Ter milhares de anos para observação faria toda a diferença. Os novos instrumentos nos permitiriam também resolver outra questão pendente: em que condições uma estrela que morre deixa atrás de si um buraco negro ou uma estrela de nêutron.
100 MIL ANOS COMO OS MATERIAIS SE DECOMPÕEM? Construímos coisas o tempo todo, mas como sabermos quanto tempo vão durar? Se construirmos depósitos para resíduos nucleares, precisamos ter certeza de que os contêineres vão resistir até que o material dentro deles não seja mais perigoso. E, se não quisermos encher o planeta de lixo, é bom sabermos quanto tempo leva para que plásticos e outros materiais se decomponham.
A única forma de termos certeza é submetendo esses materiais a testes de estresse por cerca de 100 mil anos para ver como reagem. Então poderíamos aprender a construir coisas que realmente duram – ou se decompõem de uma forma “verde”.
Poderíamos, testar materiais como ligas à base de cobre e vidros usados para revestir resíduos nucleares. (Os repositórios deveriam ficar em subterrâneos profundos em locais cuidadosamente escolhidos. Mas as condições geológicas podem mudar de forma imprevisível em poucos milhares de anos.) Esses experimentos exporiam os materiais ao desgaste e a ataques químicos, como variações de pH. Eles alterariam a temperatura para simular os ciclos de dia e noite e das estações.
Mesmo materiais que parecem impermeáveis às mais adversas condições podem, em escalas de anos, de fato, estar se decompondo de formas sutis: nossos métodos de caracterização não são suficientemente bons para ver se perderam alguns átomos. Mas, ao longo de milhares de anos, o dano pode aparecer, revelando quais materiais são melhores.
Testes de longo prazo seriam de enorme ajuda para outras aplicações tecnológicas. Técnicas atuais de simulação e laboratórios, por exemplo, não podem prever como será o desempenho de uma bateria de um carro elétrico nos próximos 15 anos. As simulações de computador podem, por fim, se tornar sofisticadas a ponto de substituir experimentos de longo prazo. Enquanto isso, no entanto, precisamos adotar cautela extra ao construirmos coisas que precisam durar.
COMO AS ESTRELAS MASSIVAS EXPLODEM?
As supernovas são raras, levando talvez várias décadas para ocorrer numa galáxia espiral grande como a nossa. A mais recente foi registrada em 1604; Johannes Kepler a descreveu como mais brilhante do que tudo, exceto Vênus. Todas as supernovas registradas em tempos mais recentes ocorreram em outras galáxias distantes milhões, se não bilhões de anos-luz. Quando finalmente observarmos uma supernova próxima poderemos estudá-la não só com telescópios comuns, mas também com dois novos tipos de observatórios – um que detecta neutrinos e outro, ondas gravitacionais –, que nos dirão o que de fato ocorre dentro da estrela em explosão. Se puder esperar 10 mil anos, você virtualmente terá garantidos 100 ou 200 desses eventos – o suficiente para distingui-los de suas sutis variações.
A explosão de uma estrela pode acontecer em nossa galáxia a qualquer momento. Quando ocorrer, as telas dos computadores de observatórios de ondas gravitacionais em torno do mundo começarão a piscar, assinalando a passagem de ondas no tecido do Universo. Essas ondas gravitacionais são uma previsão-chave da teoria geral da relatividade de Einstein, mas até agora escaparam da detecção direta. Elas vão assinalar que o núcleo da estrela começou a entrar em colapso sob sua própria gravidade.
A matéria comprimida se transforma em nêutrons e libera neutrinos – partículas que podem atravessar o corpo estelar e escapar para o espaço (e atingir observatórios na Terra). A energia liberada pelo colapso atravessa as camadas externas da estrela tornando-a intensamente brilhante. Em alguns casos, no entanto, a onda de choque pode se esgotar, produzindo ondas gravitacionais, mas não luz. Não sabemos com certeza porque, até agora, só observamos o estágio final, visível (com exceção de uma rajada de neutrinos de uma supernova em 1987). Ter milhares de anos para observação faria toda a diferença. Os novos instrumentos nos permitiriam também resolver outra questão pendente: em que condições uma estrela que morre deixa atrás de si um buraco negro ou uma estrela de nêutron.
100 MIL ANOS COMO OS MATERIAIS SE DECOMPÕEM? Construímos coisas o tempo todo, mas como sabermos quanto tempo vão durar? Se construirmos depósitos para resíduos nucleares, precisamos ter certeza de que os contêineres vão resistir até que o material dentro deles não seja mais perigoso. E, se não quisermos encher o planeta de lixo, é bom sabermos quanto tempo leva para que plásticos e outros materiais se decomponham.
A única forma de termos certeza é submetendo esses materiais a testes de estresse por cerca de 100 mil anos para ver como reagem. Então poderíamos aprender a construir coisas que realmente duram – ou se decompõem de uma forma “verde”.
Poderíamos, testar materiais como ligas à base de cobre e vidros usados para revestir resíduos nucleares. (Os repositórios deveriam ficar em subterrâneos profundos em locais cuidadosamente escolhidos. Mas as condições geológicas podem mudar de forma imprevisível em poucos milhares de anos.) Esses experimentos exporiam os materiais ao desgaste e a ataques químicos, como variações de pH. Eles alterariam a temperatura para simular os ciclos de dia e noite e das estações.
Mesmo materiais que parecem impermeáveis às mais adversas condições podem, em escalas de anos, de fato, estar se decompondo de formas sutis: nossos métodos de caracterização não são suficientemente bons para ver se perderam alguns átomos. Mas, ao longo de milhares de anos, o dano pode aparecer, revelando quais materiais são melhores.
Testes de longo prazo seriam de enorme ajuda para outras aplicações tecnológicas. Técnicas atuais de simulação e laboratórios, por exemplo, não podem prever como será o desempenho de uma bateria de um carro elétrico nos próximos 15 anos. As simulações de computador podem, por fim, se tornar sofisticadas a ponto de substituir experimentos de longo prazo. Enquanto isso, no entanto, precisamos adotar cautela extra ao construirmos coisas que precisam durar.
1 MILHÃO DE ANOS
O UNIVERSO É DISTORCIDO?
O calor do Big Bang deixou para trás radiação que permeia o Universo desde então. Sondas espaciais mapearam essa radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM) e descobriram que é extraordinariamente uniforme exceto por pequenas e randômicas flutuações, como previa a teoria do Big Bang. Essa uniformidade implica que o próprio Universo era uniforme no início. Mas análises verificaram um excesso de simetria entre lados opostos do céu e outras anomalias, incluindo uma falta das maiores flutuações, aquelas que deveriam abranger mais de 60 graus no firmamento.
Para descobrirmos se essas são características reais ou acasos estatísticos precisamos observar. O quadro da RCFM que vemos hoje é um acidente de nosso lugar no espaço e no tempo. A RCFM viajou até nós por 13,7 bilhões de anos. Pesquisá-la, portanto, significa mapear uma superfície esférica que nos cerca e tem um raio de 13,7 bilhões de anos-luz – a distância que a luz viajou nesse tempo. Se esperarmos o bastante, a esfera vai ficar cada vez maior e assim cruzar novas regiões do Universo primordial. As anomalias são tão grandes que pode ser que leve 1 bilhão de anos para que a esfera da RCFM passe por elas – quando o raio da esfera atingiria 14,7 bilhões de anos-luz. Se pudéssemos esperar “apenas” 1 milhão de anos, a maior parte das anomalias ainda estaria ali, mas levemente alterada. Então, seríamos capazes de ver se elas estão a prestes a desaparecer – sugerindo que são acasos – ou se sua persistência revela a presença de estruturas cósmicas maiores.
1 MILHÃO DE ANOS
OS PRÓTONS SÃO ETERNOS?
A matéria comumdo Universo consiste, em sua maior parte, em prótons – partículas que estão disponíveis desde o Big Bang. Enquanto outras partículas subatômicas, incluindo nêutrons, podem se decompor espontaneamente, os prótons parecem ser excepcionalmente estáveis. Mas algumas “grandes teorias unificadas”, ou GTUs – tentativas de reinterpretar toda a física de partículas como diferentes facetas de uma única força – predizem que os prótons devem se romper, também, com sua vida média indo a até 1043 anos, dependendo da teoria. Se esperássemos o suficiente poderíamos finalmente ver isso acontecer?
Para detectar o declínio do próton, tudo o que é preciso fazer é encher um grande tanque subterrâneo com água e monitorar pequenos flashes de luz que sairão quando os prótons nos átomos da água finalmente morrerem. Quanto mais prótons monitorarmos, maior a chance de observar um deles “morrer”. Estudos com detectores mostram que os prótons duram pelo menos 1034 anos, valores que já descartaram numerosas GTUs. Para termos a palavra final, os detectores teriam de funcionar por 100 milhões de anos. Mas se construíssemos detectores cinco vezes maiores – que poderiam conter volumes de água também 100 vezes maiores – apenas 1 milhão de anos seriam suficientes. Unificar a física de partículas pode valer a espera.
OS PRÓTONS SÃO ETERNOS?
A matéria comumdo Universo consiste, em sua maior parte, em prótons – partículas que estão disponíveis desde o Big Bang. Enquanto outras partículas subatômicas, incluindo nêutrons, podem se decompor espontaneamente, os prótons parecem ser excepcionalmente estáveis. Mas algumas “grandes teorias unificadas”, ou GTUs – tentativas de reinterpretar toda a física de partículas como diferentes facetas de uma única força – predizem que os prótons devem se romper, também, com sua vida média indo a até 1043 anos, dependendo da teoria. Se esperássemos o suficiente poderíamos finalmente ver isso acontecer?
Para detectar o declínio do próton, tudo o que é preciso fazer é encher um grande tanque subterrâneo com água e monitorar pequenos flashes de luz que sairão quando os prótons nos átomos da água finalmente morrerem. Quanto mais prótons monitorarmos, maior a chance de observar um deles “morrer”. Estudos com detectores mostram que os prótons duram pelo menos 1034 anos, valores que já descartaram numerosas GTUs. Para termos a palavra final, os detectores teriam de funcionar por 100 milhões de anos. Mas se construíssemos detectores cinco vezes maiores – que poderiam conter volumes de água também 100 vezes maiores – apenas 1 milhão de anos seriam suficientes. Unificar a física de partículas pode valer a espera.
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