Como funciona a matéria negra

Ao olhar para cima, à noite, você consegue ver inúmeras estrelas espalhadas pelo céu. Quando os astrônomos conseguem um alcance mais profundo do universo com telescópiospoderosos, eles vêem muitas galáxias, organizadas em grandes aglomerados e outras estruturas. Isso pode levar você a acreditar que o universo é formado principalmente de galáxias, estrelas, gases e poeira - coisas que você consegue enxergar. Entretanto, a maioria dos astrônomos acredita que a matéria visível forma apenas uma pequena fração da massa do universo. A maior parte dele é feita de matéria que não conseguimos ver - chamada matéria escura. O que exatamente é a matéria escura? Como podemos detectá-la? Que importância ela tem no universo como um todo?

NASA/Robert Williams e a equipe do campo profundo de Hubble  O telescópio espacial Hubble conseguiu captar essa visão "mais profunda" do universo. Veja imagens de astronomia (em inglês)

Nesse artigo, examinaremos essas questões. Veremos as evidências da matéria escura, como ela pode ser detectada e estudada, sua natureza e como ela ajuda a definir a estrutura e o destino do universo.

O que é matéria escura?

A matéria escura não pode ser vista por astrônomos com telescópios. Ela não emite nem reflete luz, por isso, não brilha como uma estrela. Basicamente, a matéria escura não pode ser vista - os cientistas conseguem apenas imaginar onde ela está com base nos efeitos gravitacionais do que eles podem ver.

Não conseguimos ver a matéria escura, mas podemos detectá-la por seus efeitos na matéria normal por meio da gravidade (rotação, efeitos de lentes gravitacionais) e pelos raios-X emitidos pela matéria escura quente. Então, o que é exatamente a matéria escura? Do que é feita? Vamos analisar as teorias existentes a respeito dela.

Composição da matéria escura

Sejamos claros - não sabemos a natureza exata da matéria escura. Mas podemos analisar algumas possibilidades.

NASA/CXC/CfA/STScI/ESO Essa imagem de um telescópio de raio X mostra que a matéria escura (em azul) forma a maior parte da massa dessa galáxia

Primeiro, a matéria escura poderia ser matéria comum, feita de prótons, nêutrons e elétrons. Essa matéria comum não emite nem absorve luz, mas mostra os efeitos gravitacionais. Veja a seguir algumas possibilidades.

• Anãs marrons - objetos grandes formados da mesma maneira que as estrelas, mas nunca acumularam gases e poeira suficientes para chegar à massa crítica e iniciar a fusão do hidrogênio (vejaComo funcionam as estrelas, Como funciona o Sol). As anãs marrons têm cerca de 5% da massa do Sol, isto é, são geralmente maiores que um planeta, mas não tão grandes quanto uma estrela. Os astrônomos chamam essas "estrelas" e objetos semelhantes de Machos (Massive Compact Halo Objects - Objetos massivos compactos de halo). Os Machos podem ser detectados pelos efeitos de lentes gravitacionais. Os astrônomos acham que as anãs marrons não são numerosas o bastante para serem responsáveis pela matéria escura na galáxia.
  
• Anãs brancas - são os restos dos núcleos de estrelas pequenas e médias mortas (veja Como funcionam as estrelas). Embora existam muitas anãs brancas, elas não são suficientes para formar a matéria escura (deveria haver grande quantidade de hélio remanescente delas, mas isso não foi observado).
  
• Estrelas de nêutrons/buracos negros - são os últimos restos dos núcleos das grandes estrelas após as explosões de supernovas (veja Como funcionam as estrelas, Como funcionam os buracos negros). Embora tenham efeitos gravitacionais grandes e sejam invisíveis uma vez que não conseguem evitar que a luz escape (buracos negros), são muito raras para justificar a matéria escura.

Em segundo lugar, a matéria escura pode ser um tipo totalmente novo de matéria, ou matéria extraordinária. A matéria extraordinária consiste provavelmente em partículas subatômicas que interagem muito pouco com a matéria comum e foram chamadas de WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles - Partículas de grande massivas francamente interagentes).

• Neutrinos - partículas subatômicas que se movem com velocidades próximas a da luz, mas possuem pouca massa. Essas partículas provavelmente formam pouca matéria escura dentro das galáxias, pois movimentam-se com tanta rapidez que conseguem escapar da força gravitacional da galáxia. Entretanto, podem constituir alguma matéria escura entre as galáxias. Por isso, duvida-se que elas formem muita matéria escura.
  
• Novas partículas subatômicas - poderia haver muitas dessas partículas propostas. Muitas originam-se da teoria dasupersimetria, que dobra o número de partículas do modelo padrão (veja ­Como funcionam os aceleradores de partículas). Elas se movem com uma certa lentidão e são relativamente frias (isto é, não detectáveis pelos telescópios de infravermelho e raio X). Os físicos especialistas em partículas estão tentando encontrar evidências de que essas partículas teóricas expliquem a matéria escura.
• • Neutralinos (neutrinos "massivos") - partículas hipotéticas semelhantes aos neutrinos, mas mais pesadas e lentas. Embora não tenham sido descobertas, são o principal candidato para a  matéria escura extraordinária.
  • Áxions - pequenas partículas neutras e de pouca massa (menos de um milionésimo da massa de um elétron)
  • Fotino - semelhante aos fótons, mas com massa de 10 a 100 vezes maior que a de um próton. Os fotinos são neutros e interagem de forma fraca com a massa.

Os cientistas estimam que a matéria comum pode construir até 20% da matéria escura do universo.

Detecção da matéria escura

O problema da matéria escura surgiu quando os astrônomos começaram a estudar as galáxias, como a nossa Via Láctea. Se olharmos a estrutura da galáxia como apareceria do lado de fora, a maioria das 100 bilhões de estrelas ou mais da Via Láctea estaria situada no disco galáctico. A maioria das estrelas está concentrada próxima do centro do disco, ao redor do núcleo e do bojo galáctico. Acima e abaixo do plano do disco estão algumas centenas de aglomerados globulares espalhados e uma grande região redonda e pouco luminosa chamada de halo.

NASA/Foto cedida por Ned Wright Nossa galáxia, a Via Láctea

Ao estudarem a Via Láctea, os astrônomos queriam medir as massas e suas distribuições dentro da galáxia e dos agrupamentos de estrelas. Mas você simplesmente não consegue pesar algo do tamanho de uma galáxia - você precisa encontrar sua massa por outros métodos. Um deles é medir a intensidade da luz, ou a luminosidade. A luminosidade está relacionada à massa de uma estrela (quanto mais luminosa, mais massa - veja Como funcionam as estrelas). A partir das medidas da luminosidade, sabemos que há cerca de 15 bilhões de luminosidades solares (equivalentes em massas solares) entre a órbita do sol e o centro da Via Láctea.

Outro caminho para medir a massa galáctica é pela rotação do disco galáctico. Imagine que a galáxia está girando, como um CD ou um carrossel, e que você está olhando para ela da beirada. Dentro da galáxia, as estrelas estão a diferentes distâncias do centro. Algumas dessas estrelas estão se distanciando de nós, enquanto outras, aproximando-se. Podemos estimar a direção e a velocidade com que as estrelas estão se movendo, para isso medimos a luz que sai delas usando o efeito Doppler. Podemos colocar em um gráfico a velocidade das estrelas a diferentes distâncias do centro da galáxia para obter a curva de rotação galáctica.

Efeito Doppler Assim como o som alto de uma sirene de caminhão de bombeiros, que vai diminuindo à medida que o caminhão se distancia, o movimento das estrelas afeta os comprimentos de onda da luz que recebemos delas. Esse fenômeno é chamado de efeito Doppler. Podemos calcular o efeito Doppler medindo as linhas no espectro de uma estrela (veja Como funciona a luz e Como funcionam as estrelas) e as comparando ao espectro de uma lâmpada padrão. A quantidade do deslocamento Doppler nos diz a velocidade com que a estrela está se movendo em relação a nós. Além disso, a direção do deslocamento Doppler pode informar a direção do movimento da estrela. Se o espectro de uma estrela mudou para a extremidade azul, a estrela está se aproximando de nós; se mudou para a extremidade vermelha, então a estrela está se distanciando.

A curva da rotação mostra a distribuição da massa dentro da galáxia. Se a galáxia for como nosso Sistema Solar, em que a massa concentra-se no centro, a força da gravidade será maior próximo ao centro (a força da gravidade diminui com a distância). Por esse motivo, os objetos próximos ao centro orbitam com mais rapidez do que os que estão mais distantes, semelhante a um patinador de gelo, que gira mais rápido quando seus braços estão encolhidos ou próximos do seu centro. Dessa forma, esperaríamos que as estrelas próximas ao centro galáctico tivessem velocidades de rotação (velocidades angulares) maiores do que as mais distantes, e que a curva de rotação galáctica diminuísse exponencialmente como uma função da distância.

Mas como veremos na próxima página, os astrônomos descobriram que as coisas não eram exatamente como imaginavam.

Descobertas de massa-luz

Quando os astrônomos mediram a curva de rotação galáctica da Via Láctea, a velocidade de rotação não diminuiu exponencialmente com a distância - na realidade, ela aumentou, chegando a um valor quase constante. Então, concluíram que a maior parte da massa galáctica estava localizada nas extremidades da galáxia (fora da órbita do Sol de 28 mil anos-luz do centro), ou na porção do halo. As regiões externas e as porções do halo da galáxia emitem pouquíssima luz. Por esse motivo, qualquer massa que existe nessas regiões (e há uma grande quantidade dela) é escura, daí o termo "matéria escura". Na verdade, existe seis vezes mais matéria escura do que matéria clara na Via Láctea.

NASA/Equipe de ciência da WMAP A composição do universo

Essa descoberta de uma alta relação massa-luz para a Via Láctea não foi totalmente nova. Em 1933, o astrônomo Fritz Zwicky usou métodos semelhantes para medir a massa luminosa e a massa rotacional nos aglomerados de galáxias (grandes grupos de galáxias que orbitam entre si). Ele descobriu as relações massa-luz que eram maiores que 100. Zwicky sugeriu que as diferenças entre a massa total e a massa luminosa deviam-se à matéria escura. Suas descobertas não foram bem recebidas pela maioria dos astrônomos, mas, hoje, a idéia de que existe matéria escura geralmente é aceita.

Na década de 60, a astrônoma Vera Rubin fez uma curva rotacional para a galáxia Andrômeda (M31) e descobriu um padrão semelhante ao observado na Via Láctea. Ela e seu colega, Kent Ford, criaram curvas rotacionais para várias galáxias espirais e encontraram curvas semelhantes às da Via Láctea. A implicação de todos esses resultados apontou para duas possibilidades:

1. Algo estava errado com a idéia que tínhamos de gravidade e rotação. Provavelmente não era isso, pois as leis de Newton resistiram a muitos testes durante séculos - elas se aplicam à maioria das situações, exceto a objetos que viajam próximas à velocidade da luz ou em gravidade extrema, em que, no caso, aplicam-se as teorias de Einstein da relatividade especial e geral (veja Como funciona a relatividade especial).

2. As galáxias e os aglomerados galácticos devem conter mais matéria escura do que clara. 

Os astrônomos podem detectar a matéria escura examinando os raios X que ela emite. Na próxima seção, descobriremos como a matéria escura também pode desviar luz.

Raios X e curvatura da luz

Além das curvas de rotação, os astrônomos usaram as observações de raio X para confirmar as grandes massas de galáxias e aglomerados galácticos. Quando aquecidos a altas temperaturas (milhões de graus Celsius), os gases emitem raios X. Quanto mais quente a matéria, mais raios X serão emitidos. Dessa forma, quando os astrônomos olharam dentro de aglomerados médios (os espaços entre os aglomerados galácticos) com os telescópios de raio X, descobriram grandes nuvens de gases com dezenas e até centenas de milhões de graus Celsius. Essas nuvens de gases eram invisíveis aos telescópios ópticos. Quando os astrônomos calcularam a massa a partir das medidas da temperatura, confirmaram relações massa-luz de 100 ou mais, o que dava mais evidência de matéria escura.

NASA/CXC/E. O'Sullivan et al.  Essa imagem de telescópio de raio X mostra que a galáxia NGC455 está cercada por uma nuvem de gás a 10 milhões de graus Celsius

A matéria escura desvia a luz através da gravidade
Em sua teoria geral da relatividade, Albert Einstein mostrou que os objetos de grande massa podem deformar o espaço-tempo com sua gravidade. Vamos observar esse fenômeno com um super aglomerado galáctico. O super aglomerado deforma o espaço-tempo ao redor dele. Os raios de luz que emanam de um objeto distante atrás do super aglomerado passam através do espaço-tempo distorcido. Eles se desviam e convergem para o observador. Por esse motivo, o super aglomerado age como uma grande lente gravitacional, semelhante a uma lente óptica (veja Como funciona a luz).

A imagem distorcida do objeto distante pode aparecer de três formas possíveis, dependendo do formato da lente:

1. Arredondada - a imagem aparece como um anel de luz conhecido como anel de Einstein.

2. Alongada ou elíptica - a imagem se divide em quatro imagens e aparece como uma cruz conhecida como cruz de Einstein.

3. Agrupada - a imagem aparece como uma série de arcos maiores e arcos menores em forma de banana.

Medindo o ângulo de desvio, os astrônomos podem calcular a massa da lente gravitacional (quanto maior o desvio, mais massiva será a  lente). Com esse método, os astrônomos confirmaram que os aglomerados galácticos possuem, de fato, massas elevadas, conforme indicado pelas curvas de rotação e pelas imagens de raio X. As massas elevadas excedem as massas medidas pela matéria luminosa (isto é, relação massa-luz elevada) e apresentam evidências de matéria escura.

MOND: Modified Newtonian Dynamics (Dinâmica Newtoniana Modificada) Na década de 80, o físico Mordecai Milgrom sugeriu que a matéria escura talvez não existisse. Ele achou que a segunda lei do movimento de Newton (força = massa x aceleração, f = ma), uma lei fundamental da física, deveria ser revista nos casos de movimentos galácticos. Isso seria uma grande mudança da maneira como entendemos o universo, pois a segunda lei de Newton forma a base de muitas leis da física. Milgrom sugeriu uma modificação para essa lei chamada de MOND, ou Dinâmica Newtoniana Modificada. Essa modificação compreende a adição de uma constante matemática nova na segunda lei de Newton. A MOND encontrou o ceticismo de muitos astrônomos e físicos, pois não foi introduzida como um princípio físico fundamental, mas como uma solução para um problema específico. Além disso, a MOND não pode responder pelas evidências de matéria escura descoberta por outras técnicas que não envolvem a segunda lei de Newton, como a astronomia do raio X e as lentes gravitacionais. Além disso, os físicos testaram recentemente a segunda lei de Newton em acelerações tão baixas quanto 5x10-14m/s2 e relataram que se confirma f = ma sem necessidade de modificações (veja as Atualizações de Notícias do Instituto Americano de Física: "Segunda Lei de Newton do Movimento", 11 de abril de 2007). O destino da MOND ainda é questionável e pode ser explorado.

Matéria escura e o destino do universo

Quando os astrônomos Margaret Geller e Emilio E. Falco delinearam as posições das galáxias e dos aglomerados galácticos no universo, ficou claro que esses objetos não foram distribuídos aleatoriamente. Ao contrário, foram agrupados em longos filamentos (paredes) intercalados com espaços vazios (lacunas), dando, assim, ao universo uma estrutura semelhante à teia dearanha. Como essa estrutura se formou? O que a mantém unida? 

NASA/Equipe de ciência da WMAP De acordo com essa linha do tempo, a expansão do universo está acelerando

A teoria do Big Bang sobre a formação do universo afirma que o universo primitivo passou por uma enorme expansão e que ainda hoje está se expandindo. A única explicação para esse tipo de estrutura é que agravidade está fazendo algumas dessas galáxias se agruparem em paredes ou filamentos. Para a gravidade unir essas galáxias, deve haver uma quantidade bem grande de massa deixada pelo Big Bang, particularmente massa invisível (ou seja, a matéria escura). Na verdade, as simulações de um supercomputador (em inglês) da formação do universo mostram que podem se formar galáxias, aglomerados galácticos e estruturas maiores, ao longo do tempo, a partir de agregações da matéria escura no universo primitivo. Assim, a matéria escura pode ser uma "cola" importante que mantém junta essa estrutura universal. Uma pergunta para pesquisas futuras é se a matéria escura preenche todo o universo, inclusive as paredes galácticas.

Além de dar estrutura ao universo, a matéria escura pode ter um papel importante no seu destino. O universo está expandindo, mas ele sempre expandirá? A gravidade determinará basicamente o destino da expansão, e a gravidade depende da massa do universo; especificamente, existe uma densidade crítica de massa no universo de 10^-29g/cm³ (equivalente a alguns átomos de hidrogênio em uma cabine telefônica) que determina o que pode ter acontecido.

• Universo fechado - se a densidade real de massa for maior que a densidade crítica de massa, o universo se expandirá, ficará mais lento, parará e colapsará sobre si mesmo em um "Big Crunch".
  
• Universo crítico ou plano - se a densidade real de massa for igual à densidade crítica de massa, o universo sempre se expandirá, mas a taxa de expansão ficará cada vez mais lenta à medida que o tempo passar. Qualquer coisa no universo, conseqüentemente, no futuro esfriará.
  
• Universo de expansão constante ou aberto - se a densidade real de massa for menor que a densidade crítica de massa, o universo continuará expandindo e a taxa de expansão não mudará.

As medidas de densidade de massa devem incluir a luz e a matéria escura. Assim, é importante saber a quantidade de matéria escura que existe no universo.

As observações recentes dos deslocamentos de supernovas distantes sugerem que a taxa de expansão do universo realmente está aumentando. Isso abre uma quarta possibilidade, um universo em aceleração, em que todas as galáxias se afastarão umas das outras com uma certa rapidez, e o universo ficará frio e escuro (mais rápido que no universo aberto, mas ainda em cerca de dezenas de bilhões de anos). Não se sabe ainda o que provoca essa aceleração, mas ela foi chamada de energia escura. A energia escura é ainda mais misteriosa que a matéria escura; entretanto, deve haver uma grande quantidade dela que seja responsável pela aceleração do universo.

Pesquisas atuais nos centros de cosmologia tratam sobre a solução dessas questões: 

• Qual é a natureza da matéria escura?
• Qual a quantidade exata que existe de matéria escura?
• Qual é a distribuição exata da matéria escura no universo?
• O que é energia escura?

As respostas a essas perguntas nos farão entender melhor as origens, estrutura e destino do universo.

9 coisas inventadas ou descobertas por acidente

Nós tendemos a ter os inventores em alta conta, mas com frequência suas descobertas são o resultado de um acidente ou de uma virada do destino. Isso é uma verdade para vários itens de uso diário, incluindo as seguintes invenções:

iStockphoto O corn flakes saiu da massa de trigo embolorada

1 - Corn Flakes

Em 1894, o médico John Harvey Kellogg era superintendente do Battle Creek, hospital para tratamento de doenças crônicas em Michigan. Ele e seu irmão, Will Keith Kellogg, eram adventistas do sétimo dia e estavam procurando alimentos saudáveis e que também respeitassem a rígida dieta vegetariana dos adventistas para dar aos pacientes. Ao preparar a massa de trigo para fazer granola, Will deixou um pouco dela descansando, e quando voltou, estava ressecada. Em vez de jogá-la fora, os irmãos a passaram pelos cilindros para afiná-la, esperando fazer longas folhas de massa de pão. Conseguiram flocos. Eles assaram os flocos, que se tornaram um grande hit entre os pacientes, e patentearam sob o nome de Granose. Os irmãos experimentaram fazer os flocos com vários grãos, inclusive milho, e em 1906, Will criou a empresa Kellogg's para vender os corn flakes (flocos de milho). A princípio, John se recusou a juntar-se à empresa porque Will reduziu os benefícios do cereal à saúde ao adicionar açúcar à massa.

2 - Silly Putty

Ela salta, estica, quebra - é a Silly Putty, uma argila plástica baseada em silicone comercializada como um brinquedo de criança pela Binney & Smith Inc.. Durante a Segunda Guerra, enquanto tentava criar um substituto sintético para a borracha, James Wright pingou algumas gotas de ácido bórico em óleo de silicone. O resultado foi uma substância plástica melequenta como a Geleca que saltava. Mas Wright levou anos para encontrar um uso comercial para o produto. Finalmente em 1950, o especialista em marketing Peter Hodgson viu seu potencial como brinquedo, renomeou-a Silly Putty e deu à luz um brinquedo clássico (veja no vídeo abaixo o primeiro comercial da Silly Putty). Não apenas a Silly Putty é divertida, como também tem usos práticos - pega sujeira, fios e pêlo de cães e gatos; pode estabilizar móveis instáveis; e é útil na redução de estresse, na terapia física, e em simulações médicas e científicas. A Silly Putty já foi usada até pela tripulação da Apollo 8 para segurar ferramentas na gravidadezero.3 - Forno de microondas

O forno de microondas é um eletrodoméstico padrão na maioria dos lares do mundo, mas ele está aí desde os anos 40. Em 1945, Percy Spencer estava experimentanto um novo tubo de aspirador chamado magnetron enquanto trabalhava para a Raytheon Corporation. Ele ficou intrigado quando uma barra de chocolate em seu bolso começou a derreter, e resolveu fazer a experiência com milho de pipoca. Quando ele começou a estourar, Spencer imediatamente viu o potencial desse processo revolucionário. Em 1947, a Raytheon fez o seu primeiro forno de microondas, o Radarange, que pesava 340,19 kg, tinha 1,68 m de altura e custava cerca de US$ 5 mil. Quando o Radarange foi disponibilizado para uso doméstico pela primeira vez, no começo dos anos, 50, seu tamanho gigantesco e seu preço caríssimo o tornaram impopular entre os consumidores. Mas em 1967, uma versão pequena, muito mais popular, foi lançada a US$ 495.

iStockphoto Os post-it foram criador por um cantor de coral

4 - Notas de Post-it

Uma nota de Post-it -ou simplesmente Post-it - é um pequeno pedaço de papel com uma tira adesiva de baixa aderência na parte de trás que permite que ela seja temporariamente colada em documentos, paredes, monitores de computadores, e qualquer outra superfície. A ideia do Post-it foi concebida em 1974 por Arthur Fry como uma forma de segurar marcadores em seu livro de hinos enquanto estivesse cantando no coral da igreja. Ele sabia de um adesivo acidentalmente desenvolvido em 1968 pelo funcionário da 3M Spence Silver.  Não havia nenhuma aplicação aparente para a cola leve de Silver até a ideia de Fry. A 3M foi cética no começo sobre a lucratividade do produto, mas em 1980, o Post-it foi lançado mundialmente. Hoje, as notas de Post-it são vendidas em mais de 100 países e têm até versões eletrônicas, que são usadas como lembretes para usuários de computadores esquecidinhos.

5 - Sacarina

A sacarina, o adoçante artificial mais antigo, foi descoberto acidentalmente em 1879 pelo pesquisador Constantine Fahlberg, que trabalhava na Universidade Johns Hopkins, no laboratório do professor Ira Remsen. A descoberta de Fahlberg veio depois que ele esqueceu de lavar suas mãos antes do almoço. Ele tinha espirrado uma substância nas mãos e ela adoçou o gosto do pão que ele comeu no almoço. Em 1880, os dois cientistas publicaram a descoberta, mas em 1884, Fahlberg conseguiu a patente e começou a produção em massa da sacarina sem Remsen. O uso da sacarina não se espalhou mundialmente até o açúcar ser racionado durante a Primeira Guerra. Sua popularidade aumentou durante os anos 60 e 70 com a fabricação do Sweet'N Low e das bebidas dietéticas.

iStockphoto Mola mágica

6 - Mola mágica

Em 1943, o engenheiro naval Richard James estava tentando desenvolver uma mola que suportasse e estabilizasse equipamentos sensíveis em navios. Quando uma das molas acidentalmente caiu de uma prateleira, ela continuou se movendo, e James teve a ideia para um brinquedo. Sua mulher Betty deu o nome Slinky ao brinquedo, e quando a mola mágica estreou no final de 1945, James vendeu 400 delas em apenas 90 minutos. Hoje, mais de 250 milhões de molas mágicas já foram vendidas no mundo.

7 - Batatinha frita 

Se você não consegue comer só uma batatinha frita (chips), culpe o chef George Crum. Ele criou o salgadinho em 1853 no Moon's Lake House, perto de Saratoga Springs, em Nova York. De saco cheio de um cliente que continuamente devolvia as batatas fritas, reclamando que elas estavam encharcadas e não crocantes o bastante, Crum cortou as batatas em fatias finíssimas, fritou-as em óleo quente, e mergulhou-as no sal. O cliente amou-as, e as "Saratoga Chips" rapidamente se tornaram um item popular na pousada Lake House e em toda Nova Inglaterra.

iStockphoto Batatinhas fritas, vingança contra cliente chato

Com o tempo, as batatinhas foram produzidas em massa para consumo doméstico, mas como elas eram armazenadas em barris ou em latas, elas rapidamente ficavam moles. Então, nos anos 20, Laura Scudder inventou o saco plástico hermeticamente fechado ao juntar as duas partes de papel de cera com ferro quente, o que manteve as batatinhas frescas por mais tempo. Hoje, as batatas chips são empacotadas em sacos plásticos ou de papel alumínio ou em recipientes de papel cartão em uma variedade de sabores, incluindo creme azedo, cebola, salsa, camarão, churrasco, picanha, ervas, sal e vinagre.

iStockphoto Fogos de artifícios saíram da panela de um cozinheiro chinês

8 - Fogos de artifício

Os fogos de artifício se originaram na China cerca de 2 mil anos atrás, e reza a lenda que eles foram acidentalmente inventados por um cozinheiro que misturou carvão, enxofre e salitre - todos itens comumente encontrados na cozinha nos dias de hoje. A mistura queimou e quando comprimida em um tubo de bambú, explodiu. Não há registro se aquele foi o último dia de trabalho do cozinheiro.

9 - Play Doh

Um cheiro que a maioria das pessoas se lembra da infância é o do Play-Doh, uma massa de modelar colorida e não tóxica. A Play-Doh foi acidentalmente inventada em 1955 por Joseph e Noah McVicker enquanto tentavam fazer um produto para limpar papel de parede. Ela foi comecializada um anos depois pelo fabricante de brinquedos Rainbow Crafts. Mais de 317.514,66 toneladas de Play-Doh foram vendidas desde então, mas a receita continua um segredo.

10 experimentos científicos que mudaram o mundo

ntrodução a Experimentos científicos que mudaram o mundo

Em 2007, os Estados Unidos gastaram US$ 368 bilhões em pesquisa e desenvolvimento, de acordo com a Fundação Nacional da Ciência. Cerca de 18% dessa enorme quantia foi para o financiamento de pesquisa básica - o tipo de pesquisa que é movido pela curiosidade do cientista ou pelo interesse em uma questão científica. Outros 22% foram aplicados em pesquisa - pesquisa destinada a resolver problemas práticos [fonte: Boroush].

LajosRepasi / iStockphoto Muitos experimentos cientificos são feitos sem que tomemos conhecimento dos resultados, mas vez ou outra, surgem alguns que mudam a maneira como pensamos o mundo

 

Com tantos cientistas conduzindo tantos experimentos todo ano dentro e fora de laboratórios, não é de surpreender que a maioria das pesquisas desfrute de pouco aplauso. De vez em quando, porém, um experimento chama a atenção de cientistas e leigos, ou porque ele altera nossa compreensão fundamental do mundo natural ou porque ele revela uma solução para um problema sério de saúde pública. Você pode pensar que tais experimentos reveladores são extraordinariamente complexos, e pode estar certo sobre alguns deles. Mas outros tantos são exemplos estelares de mérito e simplicidade.

Neste artigo, vamos considerar 10 dos mais sublimes experimentos, em nossa humilde opinião. Eles estão organizados de acordo com as maiores disciplinas da ciência - biologia, química, física e psicologia - e abarcam mais de 200 anos de pesquisa. Em poucos casos, nós correlacionamentos experimentos juntos em um único lugar, não para limitar nossas apostas, mas para provar que a ciência é um empreendimento colaborativo.

O primeiro dos nossos 10 experimentos científicos é Charles Darwin e suas orquídeas.

As flores de Darwin

A maioria das pessoas está familiarizada com as atividades de Charles Darwin a bordo do HMS Beagle e sua famosa jornada à América do Sul. Ele fez algumas de suas mais importantes observações em Galápagos, onde cada uma das vinte e tantas ilhas suportam uma única subespécie de tentilhão perfeitamente adaptada para alimentar-se em seu ambiente exclusivo. Mas poucas pessoas sabem alguma coisa sobre os experimentos de Darwin depois que ele retornou à Inglaterra. Alguns deles concentraram-se em orquídeas.

© iStochphoto / Solymosi Tamás A longa tromba da mariposa esfíngea ajudou a sustentar a teoria da seleção natural de Charles Darwin

 

Como Darwin cultivou e estudou várias espécies de orquídeas nativas, ele percebeu que as formas intrincadas das orquídeas eram adaptações que permitiam que as flores atraíssem insetos que levariam o pólen para as flores próximas. Cada inseto estava perfeitamente modelado e designado para polinizar um único tipo de orquídea, da mesma forma que os bicos dos tentilhões de Galápagos eram modelados para preencher um nicho específico. Tome como exemplo a orquídea Estrela de Belém (Angraecum sesquipedale), que armazena néctar no fundo de um tubo de cerca de 30 cm de comprimento. Darwin viu esse desenho e previu que existia um animal compatível. De fato, em 1903, cientistas descobriram que a mariposa esfingídea ostentava uma longa tromba, ou nariz, unicamente apropriado para alcançar o fundo o tubo de néctar da orquídea.

Darwin usou os dados que ele coletou sobre as orquídeas e seus insetos polinizadores para reforçar sua teoria de seleção natural das espécies. Ele argumentava que a polinização cruzada produzia orquídeas mais aptas a sobreviver queas orquídeas produzidas pela autopolinização, uma forma de endogamia que reduz a diversidade genética e, consequentemente, a sobrevivência de uma espécie. E assim, três anos depois de descrever pela primeira vez a seleção natural em "Na Origem das Espécies", Darwin sustentou o moderno modelo de evolução com uns poucos experimentos com flores.

Decodificando o DNA

© iStochphoto / David Marchal Aplicando técnicas de difração de raio-X, Rosalind Franklin descobriu a dupla espiral do DNA

James Watson e Francis Crick levaram o crédito por solucionar o mistério do DNA, mas sua descoberta dependeu decisivamente  do trabalho de outros, como Alfred Hershey e Martha Case, que, em 1952, coduziram um experimento não famoso que identificou o DNA como a molécula responsável pela hereditariedade. Hershey e Chase trabalharam com um tipo de vírusconhecido como bacteriófago (que parasita outras bactérias). Tal vírus, feito do revestimento protéico que cerca o filamento do DNA, infecta a célula da bactéria, programa-a para fazer mais vírus e então a mata para liberar os novos vírus feitos. Os dois cientistas sabiam disso, mas eles não sabiam que componente - proteína ou DNA - era o responsável, até seu engenhoso experimento misturá-los diretamente aos ácidos nucleicos do DNA.

Depois do experimento de Hershey e Chase, cientistas como Rosalind Franklin se concentraram no DNA e correram para decifrar sua estrutura molecular. Franklin usou uma técnica chamada difração de raio-X para estudar o DNA. Isso envolvia tirar raios-X de fibras alinhadas de DNA purificado. À medida que os raios-X interagem com a moléculas, elas são refratadas - ou desviadas - de seu curso original. Quando  atingem a placa fotográfica, os raios-X refratados formam um padrão que é único para a molécula que está senso analisada. A famosa foto do DNA feita por Franklin mostra um padrão em forma de X que Watson e Crick sabiam ser a assinatura de uma molécula helicoidal (espiralada). Eles também puderam determinar a largura da espiral a partir da imagem de Franklin. A largura sugeria que os dois filamentos faziam a molécula, levando à forma de dupla espiral que todos nós conhecemos hoje.

A primeira vacinação

© iStochphoto / Egor Mopanko A varíola levou o médico Edward Jenner a criar a primeira vacina de imunização

Até a impressionante erradicação global da varíolano final do século 20, a varíola foi um sério problema de saúde pública. No séulo 18, a doença causada pelo vírus varíola matou um décimo das crianças nascidas na Suécia e na França [fonte: Organização Mundial da Saúde]. Pegar varíola e sobreviver à infecção era a única "cura" conhecida. Isso levou muitas pessoas a se inocular com líquido e pus de feridas de varíola na esperança de pegar a doença mais leve. Infelizmente, muitas pessoas morreram dessas perigosas tentativas de autoinoculação.

O médico britânico Edward Jenner começou a estudar a varíola e a desenvolver um tratamento viável. A gênese de seus experimentos foi uma observação de que as leiteiras morando em sua cidade frequentemente ficavam infectadas comvaríola bovina, uma doença não letal parecida com a varíola. As leiteiras que pegavam varíola bovina pareciam estar protegidas da infecção de varíola humana, por isso, em 1796, Jenner decidiu ver se ele podia conferir imunidade à varíola ao infectar alguém com a varíola bovina propositalmente. Esse alguém foi um jovem chamado James Phipps. Jenner fez cortes nos braços de Phipps e inseriu líquido extraído das feriadas de varíola bovina de uma leiteira local chamada Sarah Nelmes. Phipps contraiu varíola bovina e se recuperou. Quarenta e oito dias depois, Jenner expôs o garoto à varíola humana, apenas para descobrir que ele era imune.

Hoje os cientistas sabem que os vírus da varíola bovina e da varíola humana são tão parecidos que o sistema imunológico do corpo humano não pode distingui-los. Em outras palavras, os anticorpos feitos para lutar contra os vírus da varíola bovina vão atacar e matar os vírus da varíola humana como se eles fossem os mesmos.

Prova positiva do núcleo atômico

© iStockphoto/ Peter Vercellino Usando uma folha de ouro, Ernest Rutherford comprovou a existência do núcleo atômico

O físico Ernest Rutherford já tinha ganho o Prêmio Nobel em 1908 por seu trabalho sobre radiotividade quando começou alguns experimentos que revelariam a estrutura do átomo. Eles se baseiam em sua pesquisa anterior mostrando que a radioatividade consistia de dois tipos de raios - alfa e beta. Rutherford e Hans Geiger determinaram que os raios alfa eram correntes de partículas carregadas positivamente. Quando eles atiraram as partículas alfa em uma tela,  criaram uma imagem nítida e viva. Mas se eles colocassem uma folha fina de mica entre a fonte de raio-alfa e a tela, o resultado era uma imagem difusa. Claramente, a mica estava dispersando algumas partículas alfa, mas como e por quê?

Em 1911, Rutherford posicionou uma fina folha de ouro, com apenas um ou dois átomos de espessura, entre a fonte de raios-alfa e a tela. Ele posicionou uma segunda tela atrás da fonte de raios-alfa para ver se algumas partículas estavam sendo refletidas para trás. Na tela atrás da folha de ouro, Rutherford observou um padrão difuso similar ao que ele vira com a mica. Mas Rutherford ficou impressionado ao ver que umas poucas partículas alfa haviam sido refletidas diretamente para trás na tela em frente à folha de ouro.

Rutherford concluiu que uma forte carga positiva no coração dos átomos do ouro estava desviando as partículas alfa direto para trás e através da fonte. Ele chamou essa fonte positiva forte de "núcleo", e disse que o núcleo devia ser pequeno comparado ao tamanho de todo o átomo; do contrário, mais partículas teriam ricocheteado para trás. Hoje, nós ainda visualizamos o átomo como Rutheford fez: um pequeno núcleo carregado positivamente cercado por uma vasta e quase vazia região com uns poucos elétrons.

Visão de raio-X

Cortesia de Women in Science O mapeamento 3D da estrutura da penicilina feito por Dorothy Hodgkin revolucionou a maneira como os médicos combatiam infecções

Nós falamos sobre os estudos de refração de raios-X de Rosalind Franklin antes, mas seu trabalho deve muito à inglesa Dorothy Crowfoot Hodgkin, uma das três únicas mulheres vencedoras do Nobel de química. Em 1945, Hodgkin foi considerada a principal praticante de técnicas de refração de raio-X do mundo, por isso não é de surpreender que ela tenha revelado a estrutura de um dos componentes químicos mais importantes da medicina - a penicilina. Alexander Fleming tinha descoberto a substância matadora de bactérias em 1928, mas os cientistas lutavam para purificar o composto químico com o objetivo de desenvolver um tratamento eficaz. Ao fazer o mapeamento 3D dos átomos da penicilina, Hodgkin abriu novas avenidas para a criação e o desenvolvimento de derivados semissintéticos da penicilina, revolucionando a forma como os médicos combatiam infecções.

O campo de estudo de Hodgkin era conhecido como cristalografia de raio-X. Os químicos tinham, primeiro, que cristalizar os compostos que eles queriam analisar, o que era um desafio. Depois que duas diferentes empresas enviaram-lhe cristais de penicilina, Hodgkin passou ondas de raio-X através dos cristais e permitiu que a radiação atingisse a placa fotográfica. À medida que os raios-X interagiam com os eléctrons na amostra, eles eram levemente refratados. Isso resultou em um padrão de manchas distinto no filme fotográfico. Ao analisar a posição e o brilho dessas manchas e realizar numerosos cálculos, Hodgkin determinou exatamente como os átomos da molécula da penicilina estavam arranjados.

Alguns anos mais tarde. Hodgkin usou a mesma técnica para solucionar a estrutura da vitamina B12. Ela ganhou o Prêmio Nobel de química sozinha em 1964 - uma honra que nenhuma outra mulher conseguiu.

Sopa primordial

Volte no tempo longe o bastante, e você eventualmente terá de explicar como as substâncias químicas da vida - especialmente proteínas e ácidos nucleicos - se formaram no ambiente da Terra primitiva. 

Em 1929, os bioquímicos John Haldane e Aleksander Oparin testaram a hipótese de que faltava oxigênio livre na atmosfera da Terra. Nesse ambiente inóspito, sugeriram eles, os compostos orgânicos poderiam se formar de simples moléculas se fossem estimulados por uma forte fonte de energia - ou radiação ultravioleta, ou relâmpagos. Haldane dizia ainda que os oceanos teriam sido uma "sopa primordial" desses compostos orgânicos.

Creative Commons O experimento de Urey e Miller comprovou que moléculas orgânicas poderiam surgir em atmosferas sem oxigênio, como ocorreu na Terra primitiva

 

Os químicos americanos Harold C.Urey e Stanley Miller decidiram testar a hipótese Oparin-Haldane em 1953. Eles reproduziram a atmosfera da Terra primitiva criando um sistema fechado cuidadosamente controlado. O oceano era uma caixa de água aquecida. À medida que o vapor d'água subia da água e era coletado em outra câmara, Urey e Miller introduziam hidrogênio, metano e amônia para simular a atmosfera sem oxigênio. Em seguida eles produziam dentro da mistura de gases fagulhas, representando os relâmpagos. Finalmente, um condensador resfriava os gases em um líquido que eles recolhiam para análise.

Depois de uma semana, Urey e Miller tinham resultados impressionantes: os compostos químicos orgânicos eram abundantes no líquido resfriado. Mais notavelmente, Miller descobriu vários aminoácidos, incluindo glicina, alanina e ácido glutâmico. Os aminoácidos são os blocos de construção das proteínas,que são os ingredientes chaves das estruturas celulares e das enzimas celulares responsáveis por importantes reações químicas. Urey e Miller concluíram que as moléculas orgânicas poderiam se formar em uma atmosfera livre de oxigênio e que as condições para o surgimento da forma de vida mais simples não estaria longe.

Fazendo luz

© iStockphoto.com / Sze Fei Wong A.A. Michelson descobriu quão rápido a luz viajava com dois espelhos e um pouco de engenhosidade

No começo do século 19, a luzcontinuava a ser um mistério que inspirou vários experimentos fascinantes, sendo o experimento da dupla fenda, que provou que a luz se comportava como onda e não como partícula. Mas ele ainda não sabia quão rápido a luz viajava. 

Em 1878, o instrutor de física A.A. Michelson desenvolveu umexperimento para calcular a velocidade da luz e provar que ela era finita e mensurável. Eis aqui o que ele fez:

1. Primeiro, ele colocou dois espelhos longe um do outro em dique construído perto do campus, alinhando-os de modo que a luz atingindo um espelho refletia de volta e atingia o segundo. Ele mediu a distância entre os dois espelhos e descobriu que eles estavam a 605,40 metros um do outro.
2. Em seguida, Michelson usou um ventilador movido a vapor para girar um dos espelhos um dos espelhos a 256 revoluções por segundo. O outro espelho permaneceu parado.
3. Usando uma lente, ele focou um feixe de luz no espelho parado. Quando a luz atingiu o espelho parado, ela ricocheteou em direção ao espelho que estava girando, onde Michelson tinha posicionado uma tela de observação. Como o segundo espelho estava se movimentando, o feixe de luz retornado tinha desviado levemente.
4. Quando Michelson mediu o desvio, ele descobriu que era de 133 mm.
5. Usando esse dado, Michelson calculou que a velocidade da luz era de 299.949,53 km/s.

O valor aceito para a velocidade da luz hoje é 299.792,46 km/s. A medição de Michelson estava surpreendentemente perfeita. Mais importante, os cientistas passaram a ter um quadro mais fiel da luz e a base sobre a qual construir as teorias da mecânica quântica e da relatividade.

Revelando a radiação

Creative Commons Marie Curie, cujos experimentos levaram à descoberta de elementos radioativos

O ano de 1897 foi significativo para Marie Curie. Seu primeiro filho com o marido Pierre tinha nascido e, poucas semanas depois, ela foi buscar um assunto para sua tese de doutorado. Ela decidiu estudar os "raios de urânio", descritos pela primeira vez por Henri Becquerel. Becquerel tinha descoberto esses raios acidentalmente quando deixou sais de urânio em uma sala escura e retornou para descobrir que eles tinham exposto uma placa fotográfica. Marie Curie escolheu estudar esses raios misteriosos e determinar se outros elementos desprendiam emissões similares.

Desde cedo, Curie aprendera que o tório emitia os mesmos raios do urânio. Ela começou por etiquetar esses elementos únicos como "radioativo" e rapidamente descobriu que a força da radiação emitida por vários compostos de urânio e tório não dependia do composto, mas da quantidade de urânio e tório presentes. Ela provaria que esses raios eram uma propriedade de átomos de um elemento radioativo. Por si só a descoberta era revolucionária, mas Curie não ainda não tinha terminado. 

Ela descobriu que a uranimita produzia mais radioatividade que o urânio, levando-a a predizer que um elemento desconhecido deveria estar presente no mineral de ocorrência natural. Pierre juntou-se a ela no laboratório, e eles sistematicamente reduziram grandes quantidades de uranimita até finalmente isolarem o novo elemento, que recebeu o nome de polônio, em homenagem à Polônia, terra natal de Curie. Logo depois eles descobriram outro elemento radioativo, batizado de rádio (palavra raio, em Latim). Curie ganhou dois Prêmios Nobel por seu trabalho.

Dias de cão

iStockphoto Usando cães na tentativa de associar a digestão à salivação, o médico russo Ivan Pavlov descobriu o reflexo condicionado

Você sabia que Ivan Pavlov, o médico e químico russo responsável pelo experimento da salivação dos cachorros não tinha interesse algum por psicologia ou comportamento? A maioria dos tópicos de pesquisa que interessavam a ele eram digestão e circulação sanguínea. Na verdade, ele estava estudando digestão canina quando descobriu o que nós conhecemos hoje como condicionamento clássico.

Especificamente, Pavlov estava tentando entender a interação entre a salivação e a ação do estômago. O médico já tinha observado que o estômago não começava a digestão sem ocorrer a salivação antes. Em outras palavras, reflexos no sistema nervoso autônomo ligava os dois processos. Em seguida, Pavlov imaginou se estímulos externos poderiam afetar a digestão de modo similar. Para testar isso, ele começou a piscar uma luz, fazer marcação com um metrônomo ou soar uma campainha ao mesmo tempo em que oferecia comida a seus cães de laboratório. Na ausência desses estímulos externos, os cachorros apenas salivavam quando viam e comiam sia comida. Mas depois de um tempo, ele começaram a salivar quando estimulados com luzes ou sons externos, mesmo quando a comida não estava presente. Pavlov também descobriu que esse tipo de reflexo condicionado desaparece se o estímulo se mostra errado com muita frequ6encia. Por exemplo, se uma campainha soa repetidamente e nenhuma comida aparece, o cachorro para de salivar com o som.

Pavlov publicou seus resultados em 1903. Um ano depois ele ganhou o Nobel de medicina, não por seu trabalho com condicionamento, mas em "reconhecimento ao seu trabalho em fisiologia da digestão, através do qual o conhecimento de aspectos vitais do assunto foram transformados e ampliados" [fonte: Nobelprize.org].

Figuras autoritárias

Creative Commons Stanley Milgram conduziu um experimento controverso sobre até onde as pessoas iriam sob comando de uma autoridade

Os experimentos de obediência deStanley Milgram, nos anos 60, são qualificados como os experimentos científicos mais famosos e controversos. Milgram queria saber quão longe pessoas comuns iriam ao aplicar choques dolorosos em um colega, quando mandadas. Esse é o experimento:

1. Milgram recrutou voluntários - residentes comuns - para aplicar os choques. Ele recrutou atores para serem os sujeitos que receberiam os choques. O cientista que permaneceria na sala durante a duração do estudo fazia o papel da autoridade.
2. A autoridade começava cada experimento mostrando ao voluntário desconhecido como usar a falsa máquina de choque. A máquina permitia aos voluntários aplicar até 450 volts, um choque classificado como altamente perigoso.
3. Em seguida, o cientista dizia aos voluntários que eles testariam como os choques poderiam melhorar a lembrança de associação de palavras. Para cada resposta errada, os voluntários aplicavam choques nos aprendizes (atores), subindo a voltagem à medida que o experimento progredia.
4. Os aprendizes gritavam sempre que recebiam um choque. A cerca de 150 volts, eles deveriam ser liberados. O cientista encorajava os voluntários a continuar aplicando o choque não importasse o quão agitados os aprendizes ficassem. 
5. Alguns voluntários paravam a 150 volts, mas a maioria continua até eles alcançarem o nível máximo de choque de 450 volts.

Muitas pessoas questionaram a ética do experimento, mas os resultados foram fascinantes. Milgram mostrou que as pessoas comuns são capazes de infligir muita dor a uma vítima que não merece simplesmente porque uma autoridade ordena que elas o façam. Milgram esperava que seu experimento pudesse explicar crimes de guerra do nazismo.

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