Anos atrás confessei para o professor Newton da Costa o seguinte: "Se eu não fizer qualquer contribuição realmente relevante para a ciência será por responsabilidade inteiramente minha, pois sorte eu tive."
De fato sempre tive muita sorte ao longo de minha carreira. O Departamento de Matemática da Universidade Federal do Paraná (UFPR), por exemplo, sempre apoiou meus projetos. Além disso, meus círculos sociais mais próximos também constantemente apoiaram iniciativas minhas. Mas o mais importante é que tive a oportunidade de conhecer indivíduos extraordinários e eventualmente trabalhar com eles. Newton da Costa é um exemplo. Francisco Doria, Décio Krause, Patrick Suppes, Acacio de Barros, Germano Bruno Afonso, Daniel Freitas, Otavio Bueno e Analice Gebauer Volkov são outros que marcaram profundamente meu perfil profissional e até pessoal. Na verdade são muitos os nomes que deveriam ser citados aqui. Mas nesta postagem tenho o prazer de compartilhar o trabalho de uma dessas pessoas: Clovis Achy Soares Maia.
Quando Clovis Maia, anos atrás, pediu por uma carta de recomendação para ingressar no programa de pós-graduação do Instituto de Física Teórica (na UNESP) escrevi o seguinte: "Foi simplesmente o melhor aluno que já tive."
Além de brilhante, Maia sempre foi extremamente equilibrado e modesto. Quando aluno de graduação, era incansavelmente movido pela mais genuína curiosidade científica. O melhor projeto de iniciação científica que orientei foi justamente aquele que desenvolvi com ele, o qual rendeu publicação em Foundations of Physics Letters. E os fundamentos do perfil pessoal e profissional de Maia não mudaram, mesmo sendo atualmente professor da Universidade de Brasília e membro da Humboldt Foundation.
Pedi a Clovis Maia por um texto para este blog. A primeira parte de sua contribuição acaba de chegar. E o tema, além de extremamente relevante, evidencia uma visão que eleva o nível deste blog para um novo patamar.
Espero que o leitor aproveite bem a leitura, a qual apresenta resultados muito recentes para uma das questões mais fundamentais da humanidade: afinal, estamos a sós no universo?
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Viagens no Espaço-Tempo
Ou: se não estamos sós, o que isso implica para a Física?
escrito por Clovis Maia
12 de Julho de 1945: Philip Morrison, ex-orientado e um dos físicos em quem Robert Oppenheimer mais confiava, coloca no bagageiro de seu Dodge sedan, estacionado em Los Alamos, dois hemisférios de aparência metálica, porém nada frios ao toque. Em sua viagem até o rancho George McDonald, um preocupado Philip irá parar seu carro de hora em hora para medir a estabilidade radioativa da sua bagagem: o núcleo de plutônio da primeira bomba atômica a ser detonada pelo homem.
Aprox. 4h da madrugada de 16 de Julho, 1945: Algumas das mentes mais brilhantes do Séc. 20 amontoam-se para presenciar o ápice do Projeto Manhattan. Em meio ao atraso do teste por causa de uma chuva, um bem humorado Enrico Fermi dispersa a palpável tensão no ar colhendo apostas: quem acertaria a potência da bomba? As apostas vão de zero, com a bomba falhando, até a completa destruição da atmosfera do planeta Terra.
5h29m45s, 16 de Julho de 1945: A Bomba. Ao sentir o calor da explosão em seu rosto, Fermi ergue o braço e abre sua mão: ele trouxera pequenos pedaços de papel, que repousam em sua palma, até que a onda de choque os leve embora. Simplesmente contando os passos até onde os papéis caíram, Fermi choca seus colegas com uma estimativa tão singela e rápida da energia liberada pela bomba: dez quilotoneladas de TNT. Considerando a simplicidade do método, Fermi chegou bem perto do valor real – vinte quilotons – cuja medida exigiu uma parafernália de equipamentos mais complexos.
A aposta? Fora vencida pelo pioneiro da ressonância magnética nuclear, Isaac Rabi, que chegara mais perto com o palpite de dezoito quilotons.
Mas esta não será uma história sobre a Bomba, e embora alguns de nossos personagens acima venham a fazer parte dela, tampouco será uma história da Física Nuclear. Esta é uma história de como uma simples observação, tal como contar passos até alguns pedacinhos de papel caídos, pode nos render uma gama de informações surpreendentes sobre a natureza.
A simples observação que procuramos vem da pergunta: “but where is everybody?”. E a reposta que ela nos dá pode, talvez, trazer consigo algum vislumbre até mesmo da física que rege a estrutura mais fundamental de nosso espaço-tempo.
O paradoxo de Fermi. A pergunta acima – mas onde está todo mundo? - fora feita por Fermi nos idos de 1950, em um almoço no Fuller Lodge (na época o restaurante do laboratório de Los Alamos), dirigida a seus colegas na mesa: Edward Teller (o “pai” da Bomba de Hidrogênio, embora a ideia tenha vindo do próprio Fermi, seu supervisor no passado), Emil Konopinski e Herbert York.
Konopinski trouxe à conversa um cartoon da revista The New Yorker que oferecia uma possível explicação para um misterioso sumiço das lixeiras públicas de Nova York, uma banalidade em voga nas discussões dos jornais da epóca. O cartunista oferecera essa explicação:
No que se seguiu uma discussão sobre a improbabilidade de discos voadores, vida extra-terrestre e objetos superluminais, até a conversa aquiescer para outros assuntos.
Menos para Fermi que, após alguns minutos de silêncio em sua lendária capacidade para estimativas, chegara à conclusão de que o paradoxo de fato seria: aonde está todo mundo? Seus pares abriram-se em risos com a piada, até perceberem que Fermi tinha algo mais em mente. Segundo York relembrara anos depois, Fermi... “followed up with a series of calculations on the probability of earthlike planets, the probability of life given an earth, the probability of humans given life, the likely rise and duration of high technology, and so on. He concluded on the basis of such calculations that we ought to have been visited long ago and many times over. As I recall, he went on to conclude that the reason we hadn’t been visited might be that interstellar flight is impossible, or, if it is possible, always judged to be not worth the effort, or technological civilization doesn’t last long enough for it to happen.”
Tal raciocínio, passado de boca em boca após aquele almoço, até virar o que hoje chamamos de “paradoxo de Fermi”, segue de simples comparação de ordens de grandeza, como exemplificamos a seguir.
Temos prova de que ao menos uma civilização passou de um estágio primata, a la Kubrick na entrada de 2001: Uma Odisseia no Espaço, ao lançamento de foguetes aeroespaciais, em algo como 200.000 anos. Já está dentro do potencial de nossa tecnologia presente lançar satélites para a estrela mais próxima da Terra, Alfa Centauri (aproximadamente quatro anos luz) se estivéssemos realmente dispostos a arcar com seus custos. Podemos conceber que o tempo para sua chegada àquele destino seria algo entre cem a mil anos, a depender de detalhes da tecnologia empregada. Se deixarmos em perspectiva que dentro de mil anos teremos tecnologias ainda mais avançadas, com hipóteses conservadoras concluímos que a colonização de estrelas próximas nos custaria menos que dez mil anos, tempo bem inferior ao de nossa própria espécie. Quando tal argumento é levado à nossa galáxia como um todo, não é difícil estimar um tempo de difusão por toda Via Lactea, com raio de cinquenta mil anos luz, em algo perto de cinco milhões de anos.
Se tais cálculos ainda lhe parecerem otimistas demais, multiplique por dez e tome cinquenta milhões de anos: algo ainda irrisório comparado à idade da própria galáxia, acima de treze bilhões de anos.
Qualquer civilização parecida com a nossa, que tivesse por acaso atingido nossos níveis há cinco milhões de anos, já poderia dominar a galáxia. Dentro dos 3,7 bilhões de anos que a vida na Terra levou para chegar ao Homo Sapiens, basta que em outro sistema solar o processo tenha se iniciado pouca coisa mais cedo. Ou que nos percalços da evolução Darwiniana, os dados premiados tenham sido sorteados algo mais rápido. Não é como se faltassem oportunidades na Via Láctea para tal: se olharmos somente para estrelas na zona habitável da galáxia (ou seja, longe o suficiente de supernovas nocivas), exigindo níveis mínimos de metalicidade e elementos pesados para a existência de vida complexa, e com ao menos quatro bilhões de anos de idade – para ninguém nos acusar de superestimar a evolução Darwiniana – encontraremos que 75% dessas estrelas são mais velhas que Sol. Em média, um bilhão de anos mais velhas – tempo consideravelmente maior do que os cinco (ou cinquenta, você escolhe) milhões de anos para a colonização da galáxia. Fermi, de fato, não estava apenas fazendo uma piada.
Nem tampouco nosso personagem inicial dessa história. Nada mais natural que, tendo carregado em seu bagageiro a primeira semente capaz destruir nossa civilização, Philip Morrison passasse a se perguntar se outras civilizações duraram tempo o suficiente para deixar rastros. O que o levou, junto a um outro italiano, Giuseppe Cocconi, a inaugurar nossa era moderna de procura por inteligência extra-terrestre, com uma proposta publicada na Nature em 1959.
A ideia era simples: é razoável assumir que qualquer civilização avançada teria conhecimentos de astronomia iguais ou melhores que os nossos. Em particular, qualquer radioastrônomo sabe que dentro desse espectro uma linha de emissão se destaca em todo o universo: a de 21 centímetros de comprimento de onda, do hidrogênio. De onde é possível especular sobre várias formas de comunicação intergaláctica usando esse sinal.
A ideia cativou o radioastrônomo Frank Drake, que em 1960 fez a primeira procura por sinais não-triviais nessa faixa de frequência, dando origem ao que hoje conhecemos como os projetos SETI. Na busca por melhor explicar todos os conceitos envolvidos, ele resumiu em uma fórmula o raciocínio antes feito por Fermi, a hoje bem conhecida equação de Drake.
É claro que, ao se calcular a probabilidade de vida em outros planetas, vários aspectos desse cálculo fogem aos nossos conhecimentos presentes. Mesmo o quadro de como a vida se formou em nosso próprio planeta ainda é bastante incompleto, o que dizer então de outras constelações. Muito do que se faz consiste em “palpites educados”, que têm crescido em uma grande área, a Astrobiologia, com literatura já extensa, journals próprios e quadros em boas universidades espalhadas pelo mundo.
Ainda assim, avanços têm acontecido a passos largos em outras direções. Seguindo o raciocínio de Fermi, antes de se delimitar a probabilidade de vida, faz-se necessário delimitar as chances de haver um ambiente no qual ela se desenvolva. Em outras palavras, quantas “Terras” estão orbitando estrelas em condições “habitáveis” por aí afora?
Até muito pouco tempo - 2013 - essa era uma pergunta sem resposta. Não mais. As estimativas ainda devem melhorar no decorrer dos próximos anos, mas já temos uma razoável ideia de quantos planetas habitáveis rondam pela Via Láctea: quarenta bilhões deles. Nada mal para uma galáxia que tem algo perto de quatrocentos bilhões de estrelas.
Mas de onde surgem esses números? Da missão Kepler, cuja meta de descobrir novos planetas tem se mostrado tão revolucionária quanto o astrônomo a quem ela homenageia. Seu princípio é simples: um satélite em órbita ficara cinco anos focado em uma região central de nossa galáxia, monitorando periodicamente a luminosidade das mesmas 140.000 estrelas em seu campo de visão. Uma vez que um planeta passe na frente de uma dessas estrelas, o evento é detectado pela menor luminosidade que chega ao telescópio da Kepler. A simplicidade da ideia certamente cativaria o próprio Fermi, não? Merece uma nota de admiração o fato de que tenhamos – ou melhor, a NASA tenha – tecnologia para diferenciar centenas de planetas distantes dessa maneira. Até o presente foram já confirmados 961 planetas, dentre 3845 candidatos, e se você clicar no link acima da missão Kepler, certamente verá um número atualizado ainda maior. Se somarmos as descobertas de outros planetas por outros metódos, já temos uma lista que chega perto de dois mil planetas extra-solares conhecidos. Mas até aqui estamos falando de qualquer planeta, o que dizer de planetas tal qual a Terra?
Se por planetas habitáveis tipo-Terra, considerarmos aqueles que recebem de ¼ a duas vezes a mesma radiação solar que a Terra – permitindo assim aquele grande facilitador de vida, a água, manter-se em forma líquida – com tamanho de um a dois raios terrestres (garantindo-se um planeta rochoso), e fizermos uma extrapolação estatística dos dados da Kepler, chegamos a um número de aproximadamente 8,8 bilhões de planetas tipo-Terra, orbitando estrelas tipo-Sol, em nossa galáxia. Se nos conformarmos com vizinhos vivendo sob um sol menos amarelado (como estrelas tipo anãs-vermelhas), chegamos aos quarenta bilhões de planetas habitáveis antes mencionados. Fora sob uma estrela desse tipo que um exemplo de planeta muito parecido com a Terra fora há pouco anunciado, com grande exposição na mídia mundial.
Quais são as chances de que, dentro de quarenta bilhões de planetas como o nosso, em um período de quase treze bilhões de anos, tenhamos tirado o único bilhete premiado? Note que uma solução trivial para o paradoxo de Fermi seria justamente essa possibilidade.
Veja que nossas hipóteses ao expor o paradoxo não exigiram nenhuma tecnologia mais avançada do que temos, ou que concebivelmente venhamos a ter. As escalas de distância dentro da Via Lactéa, tomadas no panorama de milhões de anos, não são intransponíveis mesmo para nossas limitadas capacidades presentes. No que fica fácil entender porque a falta de indícios de visitantes em nossas imediações fora tomada por Fermi como um presságio de que, ou vôos interestelares são impossíveis ou, se possíveis, desinteressantes, ou ainda que civilizações como a nossa não duram muito tempo.
O rol de outras possibilidades que tentem explicar nossa solidão é grande, mas podemos nos focar apenas em um próximo grande suspeito: talvez a formação de vida, e em particular vida inteligente, mesmo quando dadas condições mínimas, seja um evento mesmo muito raro. Outro físico da estatura de Fermi debruçou-se sobre este ponto. Paul Dirac tentou usá-lo para discutir nada menos que a possibilidade da existência de Deus sob um ponto de vista científico:
“It could be that it is extremely difficult to start life. It might be that it is so difficult to start life that it has happened only once among all the planets. Let us consider, just as a conjecture, that the chance life starting when we have got suitable physical conditions is 10^-100. I don't have any logical reason for proposing this figure, I just want you to consider it as a possibility. Under those conditions, it is almost certain that life would not have started. And I feel that under those conditions it will be necessary to assume the existence of a god to start off life. I would like, therefore, to set up this connexion between the existence of a god and the physical laws: if physical laws are such that to start off life involves an excessively small chance, so that it will not be reasonable to suppose that life would have started just by blind chance, then there must be a god, and such a god would probably be showing his influence in the quantum jumps which are taking place later on. On the other hand, if life can start very easily and does not need any divine influence, then I will say that there is no god.”
Lembrando que Dirac era ateu (ou talvez agnóstico), podemos ver que o paradoxo de Fermi facilmente nos suscita as mais profundas questões.
Algo inspirado no espírito especulativo de Dirac mostrado acima, pretendo aqui elevar o paradoxo de Fermi a mais um nível: o que dizer de vida não só em nossa galáxia, mas em todo o Universo?
Aqui novamente uma análise das ordens de grandeza nos permite interessantes conclusões. O número de galáxias estimado no universo chega perto de 170 bilhões. Há certamente galáxias menores que a nossa, assim como há outras muito maiores, com algo como cem trilhões de estrelas. Se multiplicarmos o número de galáxias pelo número médio de estrelas por galáxia, chegamos em algo perto de 10^24 estrelas. Se nossa galáxia servir de exemplo típico, teríamos então 10% desse número (ou, 10^23) em planetas habitáveis em nosso Universo - coincidentemente, a mesma ordem do número de Avogrado.
No que podemos nos perguntar: quais são as chances de que, em 10^23 possibilidades, somente o nosso planeta abrigue vida? Não chegamos ao número de 10^100 jogado por Dirac, mas ainda assim é um número impressionante. Se nossa estimativa estivesse errada, digamos, por um fator 1000, ainda teríamos um número avassalador de planetas habitáveis em nosso universo.
Um leitor atento poderia aqui apontar que minha expansão do paradoxo de Fermi para o universo inteiro sofre de um grave defeito: diferente do caso intra-galático, não há nenhuma possibilidade em nossa tecnologia presente para que se consiga colonizar galáxias vizinhas. A galáxia espiral mais perto de nós, Andrômeda, está a 2,5 milhões de anos-luz, e a mesma tecnologia que nos levaria a Alfa Centauri em cem anos, nos tomaria 250 milhões de anos para aportar em Andrômeda. O que começa a ser comparável à idade do próprio universo, 13,7 bilhões de anos, se formos progredir cada vez mais longe.
Neste caso, se não podemos ser visitados por vizinhos extra-galáticos, o quão importante se faz a pergunta sobre vida fora da galáxia? Mesmo sinais de comunicação entre galáxias distantes facilmente tomariam mais tempo do que muitas civilizações talvez cheguem a durar. Em outras palavras, se vida extra-galáctica não for sequer observável (ou o for somente em situações muito limitadas), com que peso ela entra em nossas estimativas?
Certamente ninguém, ao menos no planeta Terra, possui essa resposta. Mas o que pretendo aqui é invertê-la na seguinte pergunta: o que seria possível concluir, caso de fato fôssemos visitados por seres extra-galácticos?
Embora a pergunta seja algo brincadeira, ela nos fornece um panorama de especulações criativas. Em particular, parece claro que tal visita só seria permitida caso civilizações avançadas possam realizar viagens superluminais, uma hipótese que o próprio Fermi também discutira naquela famosa conversa de Los Alamos.
Na segunda parte deste post, iremos explorar a pergunta acima da seguinte forma: o que aprenderíamos - tão imediatamente quanto contar passos até pedaços de papel - sobre as Leis da Física pela simples observação de um visitante extra-galáctico?
Claramente estaremos lidando com a fronteira cinza de nossos conhecimentos científicos, onde pretendo fazer uma especulação informada de quais ferramentas nossas teorias fundamentais da natureza, já conhecidas, nos dão para responder essa fascinante questão.
