Surpresas

quinta-feira, 12 fev 2009; \07\UTC\UTC\k 07 Deixe um comentário Go to comments

Uns dias atrás em um post do blog Cosmic Variance o Sean Carroll estava se perguntando sobre  grandes surpresa na ciência.  Entre perguntas sobre qual foi a coisa mais surpreendente que já descobrimos e qual seria a próxima coisa mais surpreendente que poderíamos descobrir no futuro, diversas grandes surpresas foram levantadas pelos comentadores.

Quando falamos sobre coisas chocantes a respeito do universo tendemos a falar de micro-coisas e de mecânica quântica. Coisas estranhas acontecem nessa escala de tamanho, fenômenos incompatíveis com nossa experiência cotidiana da natureza e até difíceis de descrever para pessoas não-iniciadas em física moderna e contemporânea.

Apenas uma das pessoas qeu comentou se lembrou de uma coisa que foi históricamente muito mais chocante e que levou séculos e séculos de gradual aumento da nossa compreensão das coisas para se conhecer: a ordem de grandeza do tamanho e da idade do nosso universo, a distância até as estrelas próximas, a estrutura heterogênea na escala das galáxias, a estrutura homogênea na escala cosmológica, … tudo isso levou 500 anos ou mais de pesquisa para ser estabelecido. E mais e mais fatos sobre a estrutura de larga escala do universo têm sido descobertos, em intervalos de tempo cada vez mais curtos. Que nós possamos conhecer tanto sobre essa estrutura do universo nas diversas escalas grandes de tamanho (com relação ao nosso tamanho) que compreendem a primeiro a Terra, depois  o sistema solar, as galáxias,  as estruturas cosmológicas,  …  acho que essa é a maior supresa que a ciência já revelou. Maior que a estranheza do mundo microscópico.

Não que eu esteja diminuindo a surpresa que o mundo microscópico revelou. Mas eu acho que essas descobertas sobre o nosso macrocosmo são as que mais chocariam as pessoas mais brilhantes dos séculos passados se fossem reveladas prematuramente. Dizer para Galileu que as estrelas mais próximas estão a 10^{14} quilômetros de distância e que conseguimos saber detalhes da estrutura de objetos que estão a 10^{20} ou 10^{21} quilômetros de distância e que temos evidências confiáveis de que o universo tem algo em torno de 10^{10}  anos de idade seria muito mais chocante do que tentar falar da estrutura atômica da matéria ou da inexistencia de trajetórias definidas para partículas microscópicas. E acho que o principal motivo para isso é que ele poderia entender isso. Talvez eu esteja errado e essas duas coisas, conhecimento das escalas do universo e a natureza microscópica da matéria sejam uma tão surpreendente quanto a outra. Certamente a segunda causou muito mais impacto de curto prazo na história do mundo, se isso é sinônimo de surpresa.

E as surpresas futuras? Algumas coisas foram sugeridas nos comentários, a maioria delas relacionadas à física de altas energias, algumas brincadeiras, poucas coisas que de fato me supreenderiam. Com o perdão da grande parte dos meus colegas arsphysicistas que trabalham nessa área, eu acho que  a física de altas energias e o mundo microscópio já são coisas tão estranhas  que a existência de alguma coisa ainda mais estranha ainda em escalas maiores de energia não me surpreenderia tanto.

O que realmente me surpreende? O quão rápido está evoluindo a neurosciência.

Um livro que 20 anos atrás dissesse que em 100 anos dominariamos a interface do cérebro com máquinas artificiais e que seriamos capazes de controlar, apenas com o pensamento, máquinas e computadores e até nos comunicarmos à distância usando redes sem fio ligadas aos nossos cérebros seria um livro de ficção científica. E seria daquelas ficções de mais remota realização. Hoje seria um livro de futurologia, daqueles até que bastante plausíveis.

Toda semana a Nature publica um ou dois artigos com feitos experimentais que seriam quase inacreditáveis alguns anos atrás. Pequenos circuitos neurais controlando pequenos robôs, neuronios crescendo estruturas em volta de eletrodos, pequenos sensores capazes de detectar o sinal elétrico emitido por um único neurônio in vivo  no cérebro de um ratinho, um macaco capaz de controlar máquinas complexas com sinais elétricos de seu cérebro a milhares de quilometros de distância através da internet. Daria calafrios nos mais imaginativos escritores de ficção-científica de 20 ou 30 anos atrás saber que essas coisas estavam tão perto de se realizar.

Claro que eu só estou falando de feitos tecnológicos e pouco de neurociência. A questão é que esses feitos vieram com a grande aumento compreensão rápido do funcionamento do cérebro. E ainda estamos nos princípios dessa compreensão. Por isso eu acho que as próximas grandes surpresas estarão associadas ao quanto podemos saber sobre como funcionam nossos próprios cérebros.

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  1. quinta-feira, 12 fev 2009; \07\UTC\UTC\k 07 às 12:18:58 EDT

    Rafael,

    Eu acho que concordo com vc… e, além disso, acrescentaria as células-tronco nesse bolo: quanto eu estava na 6ª série, aprendendo aquele básico de embriologia, ninguém sequer cogitava mencionar a palavra “células-tronco”, de tão “rígido” que o tema era.

    Mas, pessoalmente, eu tenho uma sugestão que considero uma “surpresa”… até porque, ela abraça desde as micro-escalas até as macro-escalas. O carro chefe dessa “surpresa” é o livro,

    Scaling in Biology (Santa Fe Institute Studies in the Sciences of Complexity Proceedings).

    Agora, para uma visão mais “panorâmica” do que eu quero dizer, veja a seguinte palestra,

    Scaling Laws in Biology: Growth, Mortality, Cancer and Sleep. (Há também a divulgação feita em Yeah, but what about the crayfish?.)

    Preste bastante atenção, em particular, nos slides de número 2, 5–8, 16, 24, 78, 82.

    Outra divulgação interessante desse mesmo fenômeno foi feito num programa de rádio:

    Size Matters: The Hidden Mathematics of Life.

    Quando o Geoff West deu essa palestra na Brown (eu já conhecia o West através do meu orientador, uma vez que eles são amigos pessoais), ele foi ainda mais longe: os gráficos dele comparavam “sistemas ecológicos” de organismos celulares… até de galáxias! É uma pena que, agora, não estou conseguindo achar o gráfico que ele exibiu… mas, deixo a fotinha abaixo,

    Some SFI Thoughts.

    A Seed Magazine de Fev/09 tem um artigo também muito bom o ele: “Urban Paradox”: Geoffrey West on why the future of humanity and the sustainability of the planet are inextricably linked to the fate of our cities.

    Então, nesse sentido, a minha “surpresa” é que essas ‘ecologias’ (no sentido de “grupo/conjunto de algum determinado objeto”, “população de alguma coisa”) tão diferentes se comportem duma maneira tão peculiar quando vistas sob a lógica da “escala” e “scaling phenomena”.

    Ou seja, dá pra começar lá no micro-mundo… e seguir a mesma linha até o macro-mundo! Se isso não impressionasse Galileu… ;-)
    :-)

  2. Leonardo
    quinta-feira, 12 fev 2009; \07\UTC\UTC\k 07 às 13:20:15 EDT

    Mas o que exatamente foi surpreendente na neurociência?

    Bom, sem querer puxar a sardinha para o meu lado, mas já puxando, já fazem muitos anos que poucos duvidam que a compreensão do cérebro viria, mais cedo ou mais tarde, em termos de modelos matemáticos físico-químicos mais precisos. Isso já era esperado desde aquele famoso experimento com o sistema nervoso dos sapos, não lembro quando foi feito, mas não ficaria surpreso se fosse algo do início do século passado ou ainda mais velho.

    Talvez a tecnologia advinda disso parecia futurista demais, mas já era prevista e imaginada.

    Agora, já as estranhezas da cosmologia e de partículas… Essas ai ninguém previa ou imaginava.

    Por exemplo, quem imaginaria antes do célebre paper do Alan Guth em inflação que você poderia ter um mecanismo físico que gerasse o Big Bang do vácuo? Eu não conheço nenhuma referência (séria).

    Quer outra futura surpresa estranha? Um mecanismo de falseabilidade da landscape da teoria de cordas… Já imaginou? Continuando a saga do que o Rafa falou sobre as descobertas do nosso lugar no Cosmos, ser capaz de verificar astronomicamente que o nosso próprio universo é só um domínio de leis da física entre infinitos outros?

  3. Henrique
    terça-feira, 17 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 18:16:30 EDT

    “Talvez a tecnologia advinda disso parecia futurista demais, mas já era prevista e imaginada.”

    ops… legal a sua conclusão. Mas dê uma olhada no livro: The Emperor´s new Mind” do Penrose. Lá ele afirma que a mente é um estado quântico macroscópico e que a consciência é o resultado de uma emaranhamento quântico. Se isto for verdade, não era previsto e sim cogitado por um Gênio, o que é deferente em algum sentido…rs

    Fica aí a observação… O cérebro é ainda muito mais complexo do que uma teoria de cordas. Mesmo porque o cérebro pode ser um conjunto de cordas pensando sobre elas mesmas….rsrs

  4. Henrique
    terça-feira, 17 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 18:28:16 EDT

    Ahhh… tem um livro do Rofstadler (o filho do prêmio nobel de física….) que ganhou o pulitzer… chamdo “Godel, Escher e Bach” que trata de alguns fenômenos fractais que nos levam a loops infinitos de percepção.

    Você vai amar o livro. Verá que este assunto de neurociência ainda vai muito longe.

    O transistor tem dois estados: isolante e condutor, certo? O neurônio tem n sinapses e em cada uma delas mais de 60 neurotranmissores, que podem ocorrer em intensidades puramente analógicas. Não é uma questão apenas de quantificações e capacidades, mas é saber porque o cérebro resolveu se diferenciar tanto, dar tanta potência a um ser que precisava apenas catar frutas e caçar de vez em quando.

    Como foi dito, são cordas que apenas reunidas em um grupo muito específico são capazes de gerar um estado capaz de se auto-avaliarem…

    daqui a sua sardinha. rs

  5. terça-feira, 17 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 18:29:25 EDT

    Henrique,

    a hipótese do Penrose é interessante. Mas parece a maioria dos neurocientistas duvida que seja preciso mecânica quântica para explicar o funcionamento do cérebro. Pelo menos não efeitos quânticos coerentes coletivos como um estado emaranhado envolvendo o cérebro todo.

    Eu não sou especialista no assunto, mas acho pouco provável. O cérebro apresenta sim um comportamento coletivo, mas é um comportamento clássico, resultado de uma interação elétrica clássica entre muitos elementos de processamento de informação (os neurônios).

  6. quarta-feira, 18 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 04:40:48 EDT

    Rafael,

    Entre os físicos, há pelo menos mais um que também duvida:

    http://www.phys.uu.nl/~thooft/para.html

  7. quarta-feira, 18 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 06:05:13 EDT

    “I am confident that you are NOT interested in my little essay explaining how a theoretical physicist imagines what paranormal phenomena really are, so do NOT click here.”

    Hahahahahha… O t’Hooft é demais. O site dele é cheio dessas coisas. Será que pessoalmente ele também tem esse senso de humor nonsense?

    Então… o único efeito quântico coletivo que eu conheço que é suficientemente robusto para se mostrar a temperatura ambiente é o ferromagnetismo, e não é um efeito coerente. Nesse sentido, o mecanismo do estado coletivo é “clássico”, apesar da origem quântica da interação.

    Claro que o cérebro é, intimamente, um fenômeno quântico – ele é baseado em reações químicas complexas no interior das células e as reações químicas são fenômenos quânticos. Mas, como no caso do ferromagnetismo, a forma com que essas reações químicas se combinam em um efeito macroscópico não é coerente, é clássica.

  8. Leonardo
    quarta-feira, 18 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 13:24:06 EDT

    Sobre essa questão de efeitos quânticos no cérebro, há evidências dentro da MQ de que isso é pouco provável. Quando se separa as integrais de trajetória entre diferentes graus de liberdade x e X, onde o comprimento de Compton de X é muito menor que o de x, o potencial da Lagrangeana efetiva em x é corrigido (*quase* sempre) apenas logaritmicamente com os observáveis de X. Isso não serve como uma transição quântico->clássico, no entanto parece indicar que escalas de tamanho grandes estão protegidas contra efeitos das escalas pequenas. Por exmeplo (dá para calcular em toda a glória), os campos macroscópicos eletromagnéticos de um supercondutor apenas dependem log com o espaçamento da rede e a massa do elétron, de modo que se você mudar parâmetros da Lagrangeana microscópica por, digamos, 10^40, os valores macroscópicos vão receber pequenas correções da ordem de \sim 10/\hbar.

    Se algo assim acontece quando você considera os graus de liberdade da mecânica quântica dos elétrons para os graus de liberdade relevantes para os íons no cérebro, estaria demonstrado que as flutuações quânticas são irrelevantes.

  9. quarta-feira, 18 fev 2009; \08\UTC\UTC\k 08 às 13:42:23 EDT

    Sem querer pender pra nenhum lado… mas, só a título de curiosidade, deixo uns linkizinhos que “motivam” algumas dessas idéias loucas de “brain entanglement”:

    Nanotubo de Carbono;

    Quantum Entanglement in Carbon Nanotubes (PDF);

    Carbon nanotubes might improve neuronal performance by favouring electrical shortcuts.

    Mais ou menos, a estória é a seguinte: como “macromoléculas” como nanotubos de carbono comportam “quantum entanglement”… (é aqui que vem o pulo-do-gato :wink: )… talvez seja possível que macromoléculas orgânicas (que são altamente baseadas em carbono) também comportem esse tipo de propriedade. Junto a isso, há toda uma literatura sobre redes neurais construídas de nanotubos de carbono.

    Pessoalmente, eu não sei avaliar todos os detalhes escondidos nisso aí… ainda acho que esse balaio tem muita entropia pra sair qualquer gato daí. :wink:

    Mas… achei que dava pra dar uma de advogado do Diabo… só pra sacanear um pouco. :cool:

    []’s.

  1. domingo, 15 fev 2009; \07\UTC\UTC\k 07 às 23:18:05 EDT

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