Desafio do século 21

um

olhar o

para

futuro

Desafios da f ísica para o sécu lo 21

Editor Es | João dos AnJos e Cássio Leite VieirA

aNo miraCuloso dE EiNstEiN

Cem anos da publicação dos artigos que mudaram a física partÍCulas ElEmENtarEs

A (des)construção da matéria pelo homem NaNoCiÊNCia E NaNotECNoloGia

Modelando o futuro átomo por átomo sistEmas ComplEXos

A fronteira entre a ordem e o caos raios CÓsmiCos

Energias extremas no universo CosmoloGia

A busca pela origem, evolução e estrutura do universo iNformaÇÃo QuÂNtiCa

Do teleporte à última fronteira da computação NEutriNos

As misteriosas partículasfantasmas BiofÍsiCa

Duas visões da vida supErCordas

O sonho da unificação das quatro forças da natureza lhC

O gigante criador de matéria

um

olhar para o

futuro

Desafios da fĂ­sica para o sĂŠculo 21

um

olhar para o

futuro

Desafios da física para o século 21

EditorEs

João dos Anjos Centro BrAsileiro de PesquisAs FísiCAs

Cássio leite Vieira instituto CiênCiA HoJe

rio de Janeiro, 2008

© 2008 by João Carlos Costa dos Anjos direitos desta edição reservados a vieira & lent casa editorial ltda. rua senador dantas, 118 | cj.407 20031-201 | rio de Janeiro | rJ telefax | 21 2262 8314 editora@vieiralent.com.br www.vieiralent.com.br ReDação* e eDição Do oRiginal | Cássio leite Vieira *(com exceção de Biofísica, neutrinos, supercordas, lHC) PRojeto gRáfico, DiagRamação e caPa Revisão

| Ampersand Comunicação Gráfica

| Maria Beatriz Branquinho da Costa

A editora e os organizadores (editores) procuraram registrar da forma mais completa possível a origem e a propriedade das imagens reproduzidas neste livro. Caso o leitor tenha alguma correção ou informação complementar, pedimos que nos comunique e agradecemos antecipadamente a colaboração, que será utilizada em futuras edições.

| Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do estado do rio de Janeiro/FAPerJ, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/CBPF – Ministério da Ciência e tecnologia/MCt e Vitae – Apoio à Cultura educação e Promoção social

colaboRaRam nesta PRimeiRa eDição

CiP-BrAsil. CAtAloGAÇÃo-nA-Fonte sindiCAto nACionAl dos editores de liVros, rJ d484 um olhar para o futuro – desafios da física para o século 21 / editores João Carlos Costa dos Anjos, Cássio leite Vieira. - rio de Janeiro : Vieira & lent: FAPerJ, 2008.

192p. : il. color. inclui bibliografia isBn 978-85-88782-48-8 1. Física. i. Anjos, João dos. ii. Vieira, Cassio leite, 1960-.

08-0426.

Cdd: 530 Cdu: 53

08.02.08 005173

08.02.08

1ª edição, novembro de 2008 © vieira & lent casa editorial ltda.

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sumÁrio 11 .

| apr E s E n taç ã o

ano miraculoso dE EinstEin | João dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT) | Ildeu de Castro Moreira (Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro)

EDITORES CIENTÍFICOS

16 . | a E fE m É r i dE | beRço, li vRo e chaRuto | ano m i R acu loso 17 . | o E fE i to f o toE l Étr i co | elétRons que saltam | PaRtícu las De luz | i Déi a ma is RevolucionáR i a 19 . | a tE s E | o ma is obscuRo | açúcaR com água | o ma is citaDo 20 . | o moV i m E n to B r o W n i a no | ziguezague eR Rático | atR avés De u m m icRoscóPio | Reali DaDe De átomos e molécu las 22 . | a r E l at i V i da dE | assombR aDos Pelo éteR | Dois Postu laDos 2

| Rev isão R aDical | e=mc | RestR ita 24 . | a V i da | a i n fânci a | a j u ventuDe | em beR na | em beRli m | em PR i nceton 27 . | o con tE X to | cR i ati v i DaDe e cam i n hos | fama m unDi al 28 . | E i n s tE i n hoJE | laseR e átomo gigante | buR acos negRos e onDas gR av itaciona is | Di mensões extR as | no m unDo nano

partículas ElEmEntarEs | João dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT) | Adriano Antônio Natale (Instituto de Física Teórica/Universidade Estadual Paulista)

EDITORES CIENTÍFICOS

32 . | a n at ur E Z a da s coi s a s | teR R a, fogo, água e aR | o não Di v isível 34 . | fr aG m E n ta n do o i n di V i s í V E l | atom ismo | m isteR iosa R aDi ação 35 . | V i aG E m ao cE n tr o do Á tomo | gR anDe vazio | RetR ato Do átomo quanDo jovem 36 . | cr i s E E a n t i m atÉ r i a | o sagR aDo e a heResi a | sen hoR as e sen hoRes R aDioati vos | a anti matéR i a 3 8 . | o s m És on s E m cE n a | foRça foRte | quem encomenDou isso? | fi nalmente, o Píon 4 0 . | um ZÔo suB atÔmico | PaRtícu las estR anhas | m u lta De 10 m i l 41 . | V olta À s i m p l i c i da dE | si m Ples e elegante | sem PRe con fi naDos | aceitação De u m moDelo 43 . | modE l o pa dr ã o | listagem com Pleta | PRecisão e sensibiliDaDe | un i ficanDo fenômenos | as quatRo foRças | bReve cenáR io bR asi lei Ro 46. | o f uturo | os limites Do moDelo | o que falta DescobR i R | volta às oR igens

u m o l h a r pa r a o f u t u r o

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nanociência E nanotEcnoloGia | Ernesto Kemp (Instituto de Física Gleb Wataghin/Universidade Estadual de Campinas) | Henrique Lins de Barros (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas) | João dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas) | Marcelo Knobel (Instituto de Física Gleb Wataghin/Universidade Estadual de Campinas) | Sandra Murriello (Museu Exploratório de Ciências de Campinas/Universidade Estadual de Campinas)

EDITORES CIENTÍFICOS

50 . | dom a n do a m atÉ r i a | escavação PRofunDa | estRutuR a fR agmentaDa | ma is esPaço lá emba i xo | v i agem fantástica 52 . | o n a noun i V E r s o | na escala Do bi lionési mo | Do átomo ao víRus | ma is que m i n i atuR izaR | moDelos na natuReza | não só i m itaR 54 . | fE i to s E pr om E s s a s | PR i nci Pal canDi Dato | maRco ex PeR i mental | lista De PRomessas | em laRga escala 56 . | no m un do | i m Pacto global | nova eDucação 57 . | no B r a s i l | melhoR i n fR a-estRutuR a | Di veRsi DaDe De temas | em ReDe | caPaci DaDe bem sóli Da | PRoDução nacional 60 . | aV E n t ur a n a no s c ó p i c a | ex Posição i nteR ati va | jogos, víDeos, efeitos, música... | PoR toDo o bR asi l 61 . | como s E r Á o f u t ur o ? | a Revolução começou

sistEmas complEXos EDITOR CIENTÍFICO

| Constantino Tsallis (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT)

64 . | u m a fr on tE i r a s u t i l | entRe a oR Dem e o caos 65 . | no pr i nc í p io . . . a or dE m | De PeDR as a cometas 66 . | E fE Z - s E . . . o c ao s | tRês coRPos | o que é o caos?

67 . | E o m un do f i cou . . . com p l E Xo | o que é com Plex i DaDe? | com PlicaDo é com Plexo? | selvagem e ci v i li zaDo 70 . | do s a B E r i ncom p l Eto | Das PaRtes ao toDo | Relação com os v izi n hos | não extensi vos | nova mecân ica estatística | o gR au De oRgan ização 73 . | n ã o E X tE n s i Va | cavalos cegos e aeRoPoRtos

raios cósmicos | João dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT) | Ronald Cintra Shellard (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT).

AGRADECIMENTOS a João R. Torres de Mello Neto (IF/UFRJ)

EDITORES CIENTÍFICOS

76 . | i n Va s or E s dE cor p o s | bombaRDeio esPacial | um eveRest a 200 mil km/h 78 . | E s t i lh aço s dE m atÉ r i a | Dois Ru mos | PRótons e núcleos | anti matéR i a e estR an has

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79 . | da tor r E E i f fE l a B a l Õ E s | u m PaDRe e u m balon ista | R a ios ou coRPúscu los? | ch u vei Ro extenso 8 0 . | o m És on p i | ch u vei Ros PenetR antes | lattes em bR istol | no aceleR aDoR 82 . | dE on dE V ê m ? | estRelas moR i bunDas | nas v izi n hanças 83 . | Qu a n to s c h EG a m ? | Pizza qu i lométR ica | u m Pouco De física | sobem Dez, caem m i l 8 4 . | o s Z É Vatr on s c h EG a r a m | volcano R anch | no chão e no aR | RecoR De no olho De mosca 86 . | G i G a n tE h í B r i do do s pa m pa s | em busca De ResPostas | consóRcio inteRnacional | tRês vezes o Rio | mais RáPiDo que a luz | celu laR e gPs | noites claR as e sem n u vens 89 . | h i p ó tE s E s s oB r E a or i G E m | Resu ltaDos Do augeR | lista De canDi Datos | ma is foRte e en fR aqueci Dos | questão em abeRto | contR ibu ição bRasilei Ra | Raios cósmicos

cosmoloGia | Martín Makler (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT) | Thyrso Villela Neto (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais/MCT)

EDITORES CIENTÍFICOS

96 . | co s mo G on i a s | De onDe v iemos? | PeDR a funDamental 97 . | n a s c i m E n to da co s mol o G i a | PRimeiRo moDelo | um teRmo extRa 99 . | a l É m da V i a l Á ctE a | ex Pansão e contR ação | Dois Pionei Ros | Ponto i nsign i ficante | como u m balão De festas 101 . | modE l o do B i G B a nG | átomo PR i moR Di al | estRonDo colossal | Dois sign i ficaDos 103 . | Eco pr i mor di a l | RuíDo tên ue | R aDi ação De funDo 10 4 . | B r E V E h i s t ó r i a do un i V E r s o | tRês Pi laRes | teoR i as alteR nati vas | teoR i a Da i n flação | alguns momentos Da h istóR i a Do un i veRso 106 . | dE s doB r a m E n to s r EcE n tE s | Di m i n utas PeRtuRbações | Revolução cósm ica | m istéR ios escuRos | Desti no Do un i veRso | a PR i mei R a geR ação | con flitos, Dúv i Das e ceRtezas

informação QuÂntica EDITOR CIENTÍFICO

| Ivan S. Oliveira (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT)

112 . | E X pE r i ê nc i a s i n di V i du a i s | jovem PRomessa | PoR PR i ncíPio... a i nceRteza | Pi laR De sustentação

u m o l h a r pa r a o f u t u r o

8 114. | computa dor QuÂntico | veDete Da áRea | lei emPíRica | um bit, um átomo | zeRo e um, ao mesmo temPo | munDo estRanho | Desenvolvimentos imPoRtantes | teste Da moeDa | algoRitmo De shoR | cRença no cóDigo | canDiDatos a q-bits | questão De anos 119 . | cr i p to G r a f i a Qu  n t i c a | métoDo i n v iolável | ação fantasmagóR ica? | PaRtícu las gêmeas 121 . | rEalidadE E promEssas | conDensaDo gigante | laseR De átomos | telePoRte | Reali DaDe PResente | coRPo magnífico | no bR asi l

nEutrinos EDITOR CIENTÍFICO | Marcelo Moraes Guzzo (Instituto de Física Gleb Wataghin/Universidade Estadual de Campinas)

126 . | p or toda pa r tE | ch u va i n v isível | a ma is “anti-soci al” 127 . | como t u do com Eçou | fi lão PeR Di Do | Pi laR sagR aDo | sen hoR as e sen hoRes R aDioati vos... | m u ito “goR Do” | Pequeno nêutRon | tRês ti Pos 130 . | a pr i nc i pa l f on tE | 60 bi lhões PoR segunDo | efeito uRca | chances mínimas | DisPaRiDaDe confiRmaDa | exPlosão cósmica 133 . | o pr oB l E m a do s nE u tr i no s s ol a r E s | teoR i a veRsus ex PeR i mento | m uDança De saboR | no meio Dos ReatoRes | qual o mecan ismo?

135 . | r E dE s dE c ap t ur a | luz tên ue | gigantesco colaR De PéRolas | cu bo De gelo | angR a Dos Reis | m i nos 13 8 .| dE s a f io s | PaRcela Da matéR i a escuR a | mesma PaRtícu la? | aonDe foi a anti matéR i a?

Biofísica | Henrique Lins de Barros (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas / MCT) | Daniel Acosta Avalos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas / MCT)

EDITORES CIENTÍFICOS

142.| a BioloGia E a física | élan vital | Domínio Da física | Dois enfoques 144 . | E n tr op i a E V i da | tRocas com o meio | a i nDa sem Defi n ição | conceito RevolucionáR io | DesoR Dem máx i ma | PReto no bR anco | flecha Do tem Po 147. | EVolução por sElEção natur al | semelhante, mas não igual | viDa Digital 14 8 . | E s c a l a s da B iof í s i c a | Do molecu laR ao cosmológico | m icRo, meso e macRo | i nstRu mentos e equ i Pamentos 150 . | com p l E X i da dE | quatRo átomos De feR Ro | feR R amentas PaR a macRomolécu las | cana is De Passagem 151 . | o dn a E o c ó di G o G E nÉt i co | molécu la Da v i Da | quatRo bases | Pontes De h i DRogên io | hélices i Dênticas | suti lezas Descon heci Das

9 153 . | dEtEctor E s B iol ó G i co s | m igR aR é PReciso | PeRguntas sem ResPosta | oti m izaDos Pela natuReza 155 . | nE ur Ô n io s | esPalhaDos Pelo coRPo | su bstânci as li beR aDas | com PutaDoR biológico 156 . | ap l i c aç Õ E s | técn icas, DRogas e teR aPi as 157.| Vida EXtratErrEstrE | além Da imaginação | viDa foRa Da teRRa?

supErcordas EDITOR CIENTÍFICO | Nathan Berkovits (Instituto de Física Teórica/Universidade Estadual Paulista)

160.| con flito Entr E o m acro E o micro | inconsistentes entRe si | foRça i n fi n ita | as outR as foRças | moDi ficação consistente 162 . | E i n s tE i n E o s on ho da un i f i c aç ã o | Di mensão ci Rcu laR | objetos un i Di mensiona is 163 . | dimEnsÕEs EXtr as | De PeRto e De longe | como Plantas e Peixes 164 . | Bur acos nEGros E a pEr da dE i n form ação | sugaDoR De luz e De matéR ia | su miço De elefantes | solução Do PaR aDoxo 166 . | pr i nc í p io hol o G r Á f i co | escaPaR ou não | áRea Do hoR izonte | su PeRfície bi Di mensional 167 . |o tEor i a das supErcor das | coRDa funDamental | moDos De vibRação | teste De PRoPR ieDaDes | comPactação Das Dimensões 169 . | s u pE r s i m Etr i a | bósons e féRm ions | PR i ncíPio Da exclusão | si metR i as estabeleci Das | o gR anDe aceleR aDoR 171 . | pE s Qu i s a no B r a s i l | altas eneRgi as

lhc EDITOR CIENTÍFICO

| Ignácio Bediaga (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas)

174 . | E r a dE u m col o s s o | gR anDe colisoR | Di mensões ín fi mas | Duas m issões básicas 176 . | a m Á Qu i n a E m n ú m E r o s | númeRos i m PRessionantes | bati Da De fRente | 1,5 tonelaDa | vácuo i nteRPlanetáR io | tem PeR atuR a i nteRgaláctica | Da teR R a ao sol | e = mc

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179 . | f í s i c a no lhc | questões centR a is | a PaRtícu la Das massas | onDe está a anti matéR i a? | soPa quentíssi ma 182 . | dEtEctor E s do lhc | caPtuR aDoRes De fR agmentos | alice | lhcb | atlas | cms | PaRtici Pação bR asi lei R a 186 . | G r a dE dE com p u ta dor E s | Web | 20 km De cDs | uti li DaDe Pública 18 8 . | r E s p o s ta s pa r a a s pE r G un ta s | m uDança De PaR aDigma | enquete na tv | R a i n ha Das máqu i nas

190.| BiBlioGrafia

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um olhar para o futuro: Desafios da ciência e da física para o século 21 Aprendemos na escola a lidar com a mecânica, o eletromagnetismo e a óptica, ramos da física que fazem parte de nosso dia-a-dia, mas que foram desenvolvidos há mais de cem anos. Vez por outra, a imprensa noticia avanços tecnológicos e novas descobertas, e uma pergunta fica no ar para os leitores: quais são as fronteiras da ciência e da física hoje? É com prazer que apresentamos neste livro alguns dos principais desafios que a física deverá enfrentar neste século que se inicia. A busca de respostas a essas questões será um trabalho não só de físicos, mas de uma parcela significativa da comunidade internacional de pesquisadores, dado o caráter cada vez mais interdisciplinar da atividade científica. o Brasil, como veremos, já desenvolve pesquisa na maioria desses tópicos.

A lista de temas abordados não se pretende exaustiva. A pesquisa atual em física vai muito além das questões que apresentamos aqui – daí a dificuldade em selecioná-las entre tantas outras perguntas interessantes ainda sem resposta.

u m o l h a r pa r a o f u t u r o

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o projeto “desafios da Física para o século 21”, que deu origem a este livro, teve início em 2002, quando foi feito o primeiro dos

folders da série para a reunião anual da sociedade Brasileira para o Progresso da Ciência (sBPC). Com a excelente receptividade, decidimos dar continuidade ao projeto e, nos anos seguintes, fomos incorporando novos desafios. Cada tema tratado conta com um ou mais editores científicos, escolhidos entre especialistas da área em questão.

Agradecemos o apoio financeiro recebido da Faperj, que possibilitou a edição deste livro, bem como do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas e de Vitae, associação civil voltada ao apoio à cultura, à educação e à promoção social. Ficam também os nossos agradecimentos ao Professor José israel Vargas pelo incentivo em levar adiante esse projeto.

Com este livro, destinado ao grande público, esperamos também contribuir para despertar vocações, mostrando aos jovens estudantes que a carreira científica é uma profissão promissora e instigante, e que muitos desafios permanecem sem solução à espera de novos cientistas dispostos a enfrentá-los.

João dos anjos Coordenador do projeto “Desafios da Física para o Século 21” Rio de Janeiro, outubro de 2008

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olhar para o

futuro

Desafios da fĂ­sica para o sĂŠculo 21