Nobel de física 2021 premia pesquisadores das mudanças climáticas e sistemas complexos

Em 2015 a maioria dos cientistas já tinha confirmado com 100% de adesão que as mudanças climáticas eram antropogênicas, este mês de outubro/2021, a Academia Sueca de Ciências premiou com o Nobel de física 3 cientistas cujas pesquisas confirmam que estamos mudando o clima do planeta. Segue comentários de nossos cientistas: Sociedade Brasileira de Física.

Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi – Crédito: Niklas Elmehed / Nobel

Pesquisadores das mudanças climáticas ganham Nobel de física 2021

O Prêmio Nobel de Física de 2021 reconheceu contribuições fundamentais para a compreensão dos sistemas complexos. Metade do prêmio foi dado a Syukuro Manabe e Klaus Hasselmannn  “por sua modelagem física do clima da Terra, quantificando sua variabilidade e prevendo com confiança o aquecimento global“. A outra metade ficou com Giorgio Parisi, “por sua descoberta da interação entre desordem e flutuações nos sistemas físicos, na escala atômica à planetária“.

A física do aquecimento global

A oceanógrafa física Ilana Wainer, da Universidade de São Paulo, que estuda o clima realizando experimentos com modelos numéricos de alta complexidade, explica a importância das contribuições de Manabe.

Suki Manabe, como é conhecido no meio acadêmico, foi um dos pioneiros no aprimoramento de modelos numéricos para entender a física do clima. Seus trabalhos serviram de base ao desenvolvimento dos modelos acoplados do sistema terrestre que usamos hoje no IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas). Eles estabeleceram princípios físicos fundamentais para entender e tentar prever as mudanças do clima nesse intrincado sistema terrestre que habitamos.

Especificamente, seus modelos permitiram testar a relação entre o aumento da concentração de CO2 na atmosfera e o incremento da temperatura. Quando os níveis de CO2 sobem, a temperatura se eleva na baixa atmosfera, mas diminui na alta atmosfera. Os experimentos numéricos feitos por Manabe permitiram estabelecer já na década de 1960 a importância de se reduzirem as emissões de CO2. Isso foi fundamental para permitir o avanço no entendimento das mudanças climáticas (altamente complexas), baseado em princípios sólidos da ciência.

Já o oceanógrafo Klaus Hasselmann descobriu como incorporar nos modelos de previsão climática às mudanças aleatórias que ocorrem a todo momento em variáveis atmosféricas, explica reportagem da revista Pesquisa Fapesp. Inspirado na teoria do movimento browniano, desenvolvida por Albert Einstein em 1905, Hasselmann criou um modelo climático que levava em conta essas variações. Também desenvolveu métodos para identificar o impacto humano no sistema climático.

A física dos materiais desordenados e outros sistemas complexos

A contribuição fundamental de Giorgio Parisi pela qual lhe foi atribuído o prêmio Nobel foi compreender e descrever matematicamente como uma ordem oculta emerge em sistemas desordenados como os vidros”, afirma físico brasileiro Lucas Nicolao, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), que de 2010 a 2012 realizou um estágio de pós-doutorado com Parisi. Nicolao explica como a matéria em forma de vidro pode ser entendida.

Líquidos são caracterizados pela sua estrutura desordenada, compostos por um número muito grande de átomos ou moléculas se agitando, colidindo entre si e se difundindo através do líquido. Uma vez resfriado, esse estado da matéria (fase) sofre uma transição para um sólido cristalino, caracterizado pela sua estrutura ordenada – os átomos ou moléculas se organizam em uma estrutura periódica no espaço. Esses estados da matéria possuem propriedades emergentes (macroscópicas) muito diferentes, como sua habilidade de se deformar e sua rigidez. Alguns líquidos, quando resfriados muito rapidamente, não conseguem formar um cristal e formam um vidro – um estado caracterizado microscopicamente pela mesma estrutura desordenada de um líquido, porém rígido, com seus átomos ou moléculas difundindo lentamente em escalas de tempo astronômicas.

Spins são momentos magnéticos intrínsecos dos átomos, que em um material magnético usual, como um ímã, tendem a se alinhar na mesma direção, produzindo uma estrutura ordenada que concede ao ímã sua propriedade magnética macroscópica. Essa propriedade é perdida em altas temperaturas, onde spins individuais se agitam apontando em qualquer direção. Um vidro de spin é um material magnético não usual onde as interações entre spins são aleatórias – um spin tende a se alinhar com um spin vizinho, mas se anti-alinhar com outro. A presença dessas interações conflitantes leva ao fenômeno da frustração, em que um spin não consegue adotar uma direção que satisfaça simultaneamente todas interações entre seus spins vizinhos.

A teoria que Parisi desenvolveu na década de 1980 mostrou que, diferente da fase desordenada em altas temperaturas, regiões distantes do vidro de spin apresentam estruturas ou estados desordenados que não são estatisticamente equivalentes entre si. Isso porque são muitos os estados desordenados estáveis e é difícil ocorrer uma transição entre eles, o que também confere a esse material uma dinâmica lenta. Mais tarde essa teoria, chamada de quebra de simetria de réplicas, foi estendida para o estudo de vidros, materiais granulares como areia, e outros materiais desordenados.

Em todos esses casos, a presença de interações bastante simples, por vezes conflitantes, entre muitos elementos (microscópicos) leva ao surgimento de propriedades coletivas emergentes (macroscópicas) imprevisíveis. Por isso, logo essa teoria se consolidou como uma ferramenta versátil para estudar diversos fenômenos aparentemente aleatórios e ofereceu um cenário paradigmático para sistemas complexos, permitindo importantes avanços na neurociência, ciência da computação, ecologia, economia, redes sociais, entre outras áreas.

Créditos: Sociedade Brasileira de Física

O observador observado – como a física redefine nossa visão de mundo

Nós brasileiros somos um povo que coloca a crença e cultura como elementos definidores de nossa visão de mundo; entretanto, esse pensamento precisa evoluir e superar os erros e absurdos culturais e educacionais que atrapalham nosso crescimento para o século XXI e principalmente em decorrência dos avanços atuais de nossa civilização. Não se trata de ideologias, falácias, apegos a ideias reprováveis dos costumes atuais e passados, principalmente o politicamente incorreto do dia a dia, a questão colocada aqui é séria e irreversível. A ciência venceu todas as batalhas em direção ao esclarecimento.

Existe algo não físico em nosso Universo?

A resposta é: não há nada que não esteja de acordo com as leis da física, mesmo coisas que ainda não sabemos sobre o cosmos, diria que nosso universo alcança uma precisão física extrema de tudo o que podemos saber a esse respeito. Nossa constituição: orgânica, inorgânica, neural, corporal, ambiental, espacial, subespacial, temporal, gravitacional, etc., estão sujeitas às leis da física, e até ao presente momento não descobrirmos nada que esteja fora dessa dinâmica, não há nenhum bit de informação que possamos usar e mostre algo oculto, arbitrário, desconhecido, sobrenatural, espiritual, etc.

Posso afirmar com toda segurança que as coisas (ditas ou citadas) fora do mundo físico são inexistentes! Acompanhe abaixo como atingi esse raciocínio.

Sistemas e modelos na abordagem contemporânea

A nossa insistência no papel de observador exige um esclarecimento do papel do método científico no estudo de sistemas abertos e na gestão de uma abertura lógica, mesmo na construção de modelos científicos. Sobre este ponto, lembramos que o método científico é baseado em: (1) o observador, seus conhecimentos e propósitos; (2) o modelo adotado, realizado pelo observador com base em seus conhecimentos e objetivos e caracterizado por sua capacidade de explicar e prever; e (3) dados experimentais, respostas a perguntas sobre a natureza dos experimentos, obtidas do contexto usado no modelo e a linguagem do observador.

Uso do objeto Operador (O)

Aplicando um operador adequado O1 (representando o fato de executar um experimento) para o observador no momento n, produz um modelo correspondente.

Tal processo pode ser descrito em termos formais pela expressão:

modelo (n) = O1(observador(n));

Outro operador O2 pode então representar a avaliação da correspondência entre os dados experimentais (n) obtidos durante o processo de validação do modelo (n). Esta avaliação pode ser descrita em termos formais pela expressão:

dados experimentais (n) = O2(modelo(n));

No entanto, os dados experimentais mudam o conhecimento do observador e também podem influenciar seus objetivos. Um operador O3 pode mostrar que o estado sucessivo do observador depende dos dados experimentais obtidos.

Isso pode ser representado pela expressão:

observador (n + 1) = O3(dados experimentais(n));

Considerando a combinação das três circunstâncias, obtemos:

modelo(n+1) = O1(observador(n+1) = O3(O2(O1(n)))

Ao introduzir a abreviatura O = O1, O2, O3, é possível gerar uma expressão mais simples:

modelo (n) = On(modelo(0));

Onde On indica n interações do operador O

Previamente expressada como:

Obs n = COORDENADA n(obs0)

Onde

Obs n, representa o estado de variáveis observáveis relativas à ação do observador e objetos no passo n.

COORDENADA, representa a coordenada inferencial relacionada às ações do observador e os objetos.

Mesmo na fórmula recursiva, modelo(n) = On(modelo(0)), é possível, como proposto por Von Foerster em sua abordagem, considerar como auto modelos (modelos próprios), aqueles definidos por:

modelo (∞) = lim On(modelo(0))

n → ∞

e considerando que ∞ (infinito) não tem significado prático, podemos ver como o processo, desencadeado pela aplicação do método científico, pode convergir para dois pontos de chegada:

1 – Modelos logicamente fechados ou com um grau de liberdade finito.

2 – Impossibilidade de encontrar um modelo próprio definitivo.

O espaço de fase

A evolução temporal de um sistema dinâmico pode ser representada em um espaço multidimensional denominado “espaço de fase”. Nele estão representadas as trajetórias no espaço cujas coordenadas são dadas por suas variáveis. No espaço de fase de um sistema dinâmico, todos os possíveis estados instantâneos do sistema são representados por “pontos” neste espaço. Este conceito foi desenvolvido no final do século XIX por Boltzmann, Gibbs e Poincaré, é amplamente utilizado no domínio científico. O espaço de fase é um espaço abstrato onde cada variável do sistema é associada a um eixo de coordenadas. É possível representar graficamente este espaço (onde n é o número de variáveis) somente nos casos especiais em que n = 2, 3. O comportamento temporal do sistema pode ser considerado e representado pelo movimento de um ponto ao longo de uma trajetória em tal espaço. Por exemplo, o espaço de fase de um pêndulo é constituído por duas variáveis: a variável angular p que identifica a posição e que se move em um círculo e a variável de velocidade v que podem variar ao longo de uma linha reta. O espaço de fase assume assim a forma de um cilindro (Nolte, D. D. (2010). The tangled tale of phase space. Physics Today, 63(4), 33–38.).

Sobre coerência entre sistemas e análises sistêmicas

Segundo Thagard, 1989, 2000, 2012; (Thagard e Verbeurgt, 1998). Em suma, dentro de um domínio cujos elementos são proposições, Thagard substitui a rede espaço-temporal de relações com uma rede de restrições, cada uma delas consistindo de uma relação de coerência mútua (restrição positiva) ou de incoerência mútua (restrição negativa) entre duas proposições. Como cada restrição está associada ao valor numérico que representa o seu peso, podemos introduzir uma rede neural conexionista e descrever a evolução dinâmica do sistema de relações entre as proposições pertencentes ao conjunto em consideração.

Qual a precisão de nossos modelos e experimentos atuais?

Créditos: Física Nuclear

Vou citar como exemplo o experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser). Antes preciso explicar qual é a medida do próton (composto por outras partículas chamadas de quarks (são dois quarks do “tipo” up e um quark do tipo down). Segundo as medidas obtidas por Randolf Pohl, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, em Garching, Alemanha, e seus colaboradores, utilizaram um laser para sondar átomos exóticos de hidrogênio produzidos em laboratório nos quais partículas elementares conhecidas como múons orbitam os núcleos de um único próton, substituindo os usuais elétrons. A energia do laser fez com que os átomos exibissem uma fluorescência em comprimentos de onda característicos de raios X. Essa frequência mostrou uma série de efeitos sutis, incluindo o pouco conhecido fato de que uma partícula em órbita – seja um múon ou um elétron – frequentemente passa direto através do próton. Isso é possível porque os prótons são compostos de partículas elementares menores (geralmente três quarks), e a maior parte do espaço dentro de um próton está vazio. Ao calcularem os efeitos do raio do próton nessas trajetórias através do núcleo, os pesquisadores puderam estimar o raio do próton como 0,84184 femtômetro (1 femtômetro é 1 quadrilionésimo de 1 metro). Esse número é menor que todas as medidas realizadas anteriormente, que variavam entre 0,8768 e 0,897 femtômetros. De qualquer forma, o próton é muito menor até mesmo que um átomo de hidrogênio. Se o átomo fosse do tamanho de um campo de futebol, o próton teria o tamanho de uma formiga. Ao lidar com dimensões tão pequenas a possibilidade de erro sempre existe. Entretanto, após 12 anos de esforços meticulosos, os membros da equipe estão seguros de que nenhuma sutileza imprevista arruinou suas medições. Teóricos também conferiram os cálculos envolvidos na interpretação do comportamento dos múons e na previsão do tamanho do próton, que são relativamente simples.

A primeira Observação das Ondas Gravitacionais

Com isso chegamos na precisão do experimento LIGO que é da ordem de 10.000 vezes o tamanho de um próton. Essa é a extrema precisão para podemos detectar as ondas gravitacionais, propostas pelas equações da relatividade geral de Albert Einstein.

Na minha opinião: o modo de provarmos algo é por meio de: modelagem matemática, lógica e física. Não conheço nenhum outro modo de provar as coisas existenciais.

{rc}.

Referências Bibliográficas

Teoria Quântica (A Saga do Prêmio Nobel)

O século XX foi o século das maiores descobertas e crescimento exponencial do progresso humano. Hoje, início do século XXI, estamos colhendo os frutos deste século que foi extraordinário e estabeleceu as bases para a compreensão da vida e do universo.

Este documentário é um resumo de como a mecânica quântica e a descoberta do átomo foram cruciais para a expansão da ciência, mostra também que o século passado superou toda a história da humanidade em matéria de evolução. Muitos dizem que o século XX projetou o fazer humano para um milênio à frente.

Créditos: Biologia