Aula 01 (19/02) - Fundamentos da Química, Matéria e Energia

UECE/FECLESC - Aula 01 (19/02)

 Fundamentos do ensino da Química                  O ensino da Química apresenta como aspectos comuns, a preocupação em relacionar o conhecimento químico com o cotidiano e a realidade do aluno, abordando a química voltada à aspectos de contexto mais amplos que os limites científicos. O saber químico deve ser representado com suas relações com a tecnologia, a sociedade e o ambiente. Os conceitos devem ser dispostos com aprofundamentos que ultrapassem a perspectiva química, e questões relacionadas à ciência, tecnologia, sociedade e ambiente (CTSA). Ao se expor aspectos tecnológicos, o foco deve ser sempre além do produto da indústria, como os eletrodomésticos, air-bag, objetos de forma geral, veículos, dentre outros.

No ensino de química devem ser mencionadas questões sobre o impacto da tecnologia na sociedade, no ambiente, e a contribuição da tecnologia para as elaborações científicas. No que diz respeito à sociedade, as questões levantadas, não devem  ser apenas para ilustrar algum conteúdo presente no livro texto, com poucos casos, como por exemplo, a poluição, ingestão de substâncias químicas e tratamento das águas. Todavia, alguma relação deve ser estabelecida que aprofunde a discussão ciência-sociedade. O mesmo ocorrendo com o ambiente. O foco não deve está sempre no conteúdo, e por vezes, deve-se ir mais além do que apenas citar-se questões ambientais ilustrativas como a poluição, instalação das usinas hidrelétricas, efeito estufa, etc. Observa-se que, no ensino de química, devem está presentes diretamente as relações CTSA, e quando alguma questão for mostrada, deve ser feita de maneira a não simplesmente exemplificar o conteúdo, e sim na perspectiva de problematizar o conhecimento químico a ser construído na escola.

Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente

      O quadrilátero: Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente (CTSA), determina qualquer análise sobre o pensamento cientifico atual e é impossível fazer ciência sem uma postura realmente esclarecedora sobre estes assuntos. Dito de outra maneira: a tecnologia afeta a vida do homem e da sociedade, demandando problemas de ordem ética e política, ambiental e, ainda, de como as questões referentes ao acesso ao conhecimento exigem a implantação de uma nova postura para compreensão da educação tecnológica.       Na busca de esclarecer conceitos, Silva e Silva (2008, p. 20) afirmam que “a tecnologia é uma ferramenta para estender nossas habilidades”. A televisão, por exemplo, estende nossa visão porque podemos ver coisas que estão acontecendo longe, como uma partida de futebol ou uma corrida de carros. Há outras definições de tecnologia, como: “uma aplicação da ciência" (MAIA, 200O, p. 20), “Construção do espìrito humano" (DEMO, 2002, p. 45), “Computação humana" (MORIN, 2007, p. 117). São exemplos de produtos tecnológicos: computador, carro, televisão, casa, avião, garfo, faca, lâmpada incandescente, máquina de radiografia, telescópio, alavanca, roupa, estéreo, lanterna etc. O verdadeiro sentido da tecnologia é que ele deva promover as relações democráticas entre as pessoas e entre as informações. Há milhares de anos, as pessoas viviam de um modo muito diferente. Elas cozinhavam em cima de fogos de lenha e iluminavam as casas delas com velas. O cavalo era o meio de locomoção. Não existia o refrigerador para conservar as comidas antes que elas se deteriorassem. O que leva uma tecnologia a se desenvolver antes da outra? O que conduziu Benjamim Franklin a inventar o pára-raios? De onde nasceram os primeiros computadores pessoais?

Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente

      De modo geral, pode-se dizer que estamos vivendo num mundo interligado de informações, conflitos e problemas. Seja por questão ontológica, ou por questões sociais, ninguém está sozinho no mundo. Conforme Mattar (2008, p. 131), “atualmente vivemos cercados de histórias que circulam pelo mundo afora através da Internet e outros meios de difusão de comunicação humana”. O exemplo da Internet nos leva a pensar: a tecnologia estaria deixando de agregar valor às relações humanas? Em que sentido as tecnologias ajudam na convivência harmônica e digna entre os seres humanos? Não que a Internet seja negativa, mas que certos resultados têm deixado a desejar: como por exemplo, o aliciamento de menores e a pedofilia. Na sociedade atual, a tecnologia se desenvolveu muito e se tornou mais complicada. Às vezes as partes individuais são fáceis de entender, entretanto, de maneira geral isso não acontece. Quando você vai adquirir um novo equipamento é difícil avaliar se esse equipamento é bom ou ruim. Não sabemos como poderíamos obter uma melhor avaliação. De acordo com Demo (2002), se compararmos os avanços tecnológicos atuais com os avanços de alguns anos atrás, podemos notar a tamanha velocidade com que vem as inovações, impossível até de acompanharmos o ritmo. Quando pensamos já ter o domínio sobre um determinado software por exemplo, na semana seguinte, ele já se encontra no mercado numa nova versão. O mesmo acontece quando pensamos estar de posse de um novo computador; na semana seguinte, surge no mercado um outro mais veloz. Segundo Fourez (1995, p.298), “a ciência se isolou das reflexões sobre o ser humano, sobre os valores éticos e mesmo sobre seus próprios fins". Desse modo, torna-se imprescindível que a população esteja apta a avaliar as potencialidades e os perigos das propostas científicas e tecnológicas de modo a poder participar em processos decisórios que a todos dizem respeito. Como ser diante dessa realidade que parece caminhar para a barbárie? A sociedade atual reclama uma postura mais aberta diante das descobertas cientificas. Entendemos que o pensamento complexo ou a teoria da complexidade pode ajudar o ser humano a viver e a conviver melhor consigo mesmo e com o outro no mundo.

O pensamento complexo ou a teoria da complexidade:

      Atualmente fala-se muito em crise. Crise na política, na cultura, na economia, na ciência, no mundo. No entanto, a pior crise é a crise de percepção, ou seja, a maneira e o modo como percebemos o outro. Este outro pode ser o ser humano, os animais, o meio ambiente, as minorias étnicas e até as gerações futuras; enfim, esta crise envolve o mundo humano, animal, vegetal, mineral, divino e diabólico. Por outro lado, existem teóricos que discordam dessa ideia. Pierre Lévy (1993), por exemplo, defende que, vivemos em um mundo em conflito e não em crise, pois a crise é pessoal e nem todas as pessoas vivem em crise. De fato, pesquisas recentes indicam a existência de um número significativo de pessoas que não se envolvem em causas sociais, políticas, ambientais e culturais; enfim, são indiferentes. Apesar da diversidade de manifestações de mudanças nas distintas esferas culturais, tem-se observado a existência de elementos comuns que representam um conflito geral na cultura ocidental, denominada até agora pelo positivismo lógico. Este conflito consiste em uma profunda crise de percepção. Trata-se da crise do paradigma mecanicista, dominante em nossa cultura ocidental e a emergência de um novo paradigma chamado paradigma sistêmico. Um exemplo: o médico é especialista em cirurgia em uma parte muito específica do corpo. Faz uma operação e, no final, conclui-se “a operação foi um sucesso, mas o paciente morreu”. O médico esqueceu de considerar o corpo como um sistema, observando apenas a parte que lhe interessa, esquecendo, por exemplo, dos batimentos cardíacos. A compreensão teórica do paradigma sistêmico ou da complexidade remete necessariamente para o pensamento do sociólogo francês Edgar Morin (2007), principalmente para o seu trabalho intitulado “O Método”. Nele, o autor esclarece uma série de conceitos, como, por exemplo, sistema, complexidade, conjunto, circularidade, meio ambiente etc.

O pensamento complexo ou a teoria da complexidade:

      A palavra complexidade é de origem latina e significa, etimologicamente, completare, cuja raiz plectere significa “traçar”, “enlaçar”. Consiste em entrelaçar um círculo, unindo o princípio com o final de pequenos ramos, no trabalho de construção do todo. Também do latim, tem-se a palavra complexus, que significa “que abraça” e complexio que significa “amálgama” ou “conjunto”. Um sistema é um conjunto de partes diferentes, unidas e organizadas. Não é só uma constituição de unidade a partir da diversidade, mas também uma constituição de diversidade a partir da unidade. Segundo Santos (2008), é necessário ter um pensamento que possa conceber o sistema e a organização, pois tudo o que conhecemos é constituído da organização de elementos diferentes – os átomos, as moléculas, os astros, os seres vivos, os ecossistemas, a biosfera, a sociedade e a humanidade. Por outro lado, o nosso sistema educacional nos ensinou as coisas deterministas, que obedecem a uma lógica mecânica. Seguir regras, sem consciência do que faz, tomar a parte e não o todo. Exemplo: aprender a fazer cálculos. Conforme Morin (2007), a história do mundo e do pensamento ocidental foi comandada por um paradigma de disjunção, de separação. Separou-se o espírito da matéria, a filosofia da ciência; separou-se o conhecimento particular que vem da literatura e da música, do conhecimento que vem da pesquisa científica. Separaram-se as disciplinas, as ciências, as técnicas. Na tendência complexa o conhecimento está envolvido pelas circunstancias do sujeito que é o agente da ação de aprendizagem, não se limita a uma relação linear entre docente e discente; supera a dicotomia entre sujeito e objeto e recoloca o sujeito no processo de construção do conhecimento. Conseqüentemente, o pensamento complexo é outra forma, além do positivismo lógico de compreender a realidade, que para alguns, como Gonzaga (2006), Morin (2007), Santos (2008), supera o mecanicismo. Por outro lado, no dizer Nardi (2003), diante de novas tendências que emergem em vários campos do conhecimento humano, assistimos no mundo ocidental a uma inequívoca crise na esfera da moral e da ética, embora sabendo que isso não é de responsabilidade da ciência.

O pensamento complexo ou a teoria da complexidade:

      Segundo Fourez (995, p.179), “chamam-se de econômicas as atividades sociais ligadas à produção do que é necessário a sociedade. Chama-se de políticas aquelas ligadas à distribuição do poder. Enfim, chama-se de ideológicas os discursos que legitimam as esferas do econômico ou do político”. O pensamento complexo enquadrar-se nos métodos científicos de sistemas complexos que implicam uma especial metodologia da ciência em virtude das suas características da investigação. Desse modo, a evolução do pensamento complexo se associa à própria vida. Ou seja, o pensamento complexo parte da vida para transformar a vida. A complexidade é uma tendência que precisa ser considerado no ensino de ciências. Em que sentido pode-se dizer que um conhecimento é complexo? Ou ainda: Como e quando o ensino de ciências deve adotar a teoria da complexidade? Estes são questionamentos que ainda permeiam a comunidade cientifica. Não é nossa pretensão respondê-los. Em contrapartida, apresentamos alguns pontos que consideramos pertinentes para suscitarem outras inquietações a partir das que foram postas, que incide nos objetivos da ciência, assim como nos seus respectivos critérios metodológicos.   Outras Considerações:       No processo de construção das ciências, nem tudo são louros. A sociedade contemporânea enfrenta uma série de desafios relacionados à educação e o ensino, para os quais muitas vezes não se visualizam soluções imediatas. Sobre a ciência atual, muitos são os problemas que se apresentam, no começo do século XXI. Questões como tempo, espaço, transporte, segurança, conhecimento tradicional, povos tradicionais, ensino, pesquisa, tecnologia, aquecimento global, exploração planetária, superpopulação, energia nuclear, alimentos transgênicos, migração, avanços tecnológicos, democracia, são temas da ordem do dia. Como humanidade, para onde caminhamos? Como devemos nos preparar e preparar as gerações futuras?

Outras considerações:

      Indiscutivelmente, sem educação de qualidade qualquer país vai se distanciando dos avanços tecnológicos e científicos e não poderá participar das decisões políticas e econômicas mundiais. Desse modo, é consenso entre os estudiosos contemporâneos que nenhum país avança sem educação de qualidade. Por outro lado, a sua falta ou insuficiência, pode também ajudar a explicar o declínio. Enfim, somos da opinião que somente muito investimento em educação possibilitará um país está inserido no contexto cientifico e tecnológico do mundo atual e possibilitará a pessoa humana ser agente do seu próprio ser, pensar e agir. A ciência, a sociedade, a tecnologia e o ambiente precisam ser compreendidos com um olhar mais complexo para que a própria vida se torne mais dinâmica, atrativa e participativa, sob pena de voltarmos ao estado da barbárie.

Matéria e Energia

 Matéria       Matéria é tudo que tem massa e volume, ocupando assim um lugar no espaço, desta forma podemos afirmar que o ar, os metais, a água, a grama, as árvores, as pessoas, os animais, a madeira, o ferro, a areia, o ouro, os planetas e até as estrelas são exemplos de matéria. Toda matéria é feita de átomos, que são partículas muito pequenas. Corpo  Corpo é qualquer porção limitada de matéria. Ex.: tábua de madeira, barra de ferro, cubo de gelo, pedra. Objeto Objeto é um corpo fabricado ou elaborado para ter aplicações úteis ao homem. Ex.: mesa, lápis, estátua, cadeira, faca, martelo. Energia             Energia é a capacidade de realizar um trabalho, movimento ou ação. Tudo o que pode modificar a matéria, como por exemplo, na sua posição, fase de agregação e natureza química. A energia é tudo o que pode provocar ou até mesmo anular movimentos, inclusive causar deformações. Existem vários tipos de energia, um exemplo, seria na forma de calor do sol, chamada de energia térmica. Relação entre Matéria e Energia       Matéria e energia estão inseparavelmente relacionadas, afinal cada objeto contém algum tipo de energia, porém a ideia de energia de um modo geral não apresenta muito significado se não puder ser descrita em termos da substância com a qual está associada, como por exemplo, a energia térmica não existe no vácuo perfeito, e a energia elétrica, reside em particular ou objetos. Einstein explicou a relação entre matéria e energia em 1905, através da fórmula, E = mc², significando: E – unidades de energia; m – massa; c – velocidade da luz;    A formula estabelece uma proporcionalidade entre massa e energia, nos mostrando que quando uma cresce a outra também aumenta, e quando uma diminui a outra decresce. Como exemplo podemos usar 3 x 108 m/s como velocidade da luz, a massa de um quilograma é equivalente a: 1 kg.(3 x 108 m/s)², ou 9 x 108 J de energia.

Energia Cinética Energia cinética é a energia associada ao movimento e depende da massa (m) e da velocidade (v) de um corpo. É calculada pela expressão: E = m.v2              2 Energia Potencial É aquela que se encontra armazenada num determinado sistema e que pode ser utilizada a qualquer momento para realizar uma tarefa. Existem dois tipos de energia potencial: a elástica e a gravitacional. A energia potencial gravitacional está relacionada com uma altura (h) de um corpo em relação a um determinado nível de referência. É calculada pela expressão: Epg = p.h ou Epg = m.g.h A energia potencial elástica está associada a uma mola ou a um corpo elástico. É calculada pela expressão: Epe = k.x2                   2 K= Constante da mola (varia para cada tipo de mola, por exemplo a constante da mola de um espiral de caderno é bem menor que a constante da mola de um amortecedor de caminhão) X= Variação no tamanho da mola Energia Mecânica Total A energia mecânica total de um corpo é constante e é dada pela soma das energias cinética e potencial. É calculada pela expressão: Em = Ec + Ep Obs.: No Sistema Internacional de Unidades (SI), a energia é expressa em joule (J). Obs II.: Existem outra formas de energia: energia elétrica, térmica, luminosa, química, nuclear, magnética, solar (radiante). Lei da Conservação da Energia A energias não pode ser criada nem destruída. Sempre que desaparece uma quantidade de uma classe de energia, uma quantidade exatamente igual de outra(s) classe(s) de energia é (são) produzida(s).

Formas de Energia

Classificação dos sistemas

Sistema aberto: capacidade de trocar tanto matéria quanto energia com o meio ambiente, por exemplo, água em um recipiente aberto (a água absorve a energia térmica do ambiente e parte da água sofre evaporação). Sistema fechado: capacidade de trocar energia com o meio ambiente, o sistema pode ser aquecido ou resfriado, porém sua quantidade de matéria não varia, como exemplo, um refrigerante fechado. Sistema isolado: não troca matéria nem energia com o sistema, um exemplo aproximado, podemos citar a garrafa térmica. Em tese não existe um sistema completamente isolado.   Propriedades da Matéria Propriedades são determinadas características que vão definir a espécie de matéria. Podem ser divididas em três grupos: gerais, funcionais e específicas. Propriedades Gerais: são inerentes a toda espécie de matéria. Massa: mede a quantidade de matéria; Extensão: é o espaço que a matéria ocupa, o seu volume. Inércia: propriedade que mantém os corpos em estado de movimento ou repouso inalterado, a não ser que alguma força interfira e modifique esse estado. Impenetrabilidade: duas porções de matéria não podem ocupar o mesmo lugar no espaço, simultaneamente. Divisibilidade: toda matéria pode ser dividida, até um certo limite que chamamos de átomos. Até o átomo é possível realizar a divisão sem alterar a sua constituição. Compressibilidade: sob a ação de forças externas, o volume de uma porção de matéria pode diminuir. Elasticidade: dentro de um limite, uma ação de forma pode causar deformação da matéria, e assim que a força parar de agir, a mesma matéria retornará a sua forma original. Porosidade: existem espaços (poros) entre as partículas de determinada matéria, tornando-a mais ou menos densa.

Propriedades da Matéria

Propriedades funcionais Em determinados grupos de matéria, são identificados pela função que desempenham, por exemplo: bases, ácidos, sais, álcoois, óxidos, aldeídos, cetonas, entre outros. Propriedades específicas São propriedades individuais, de cada tipo de matéria, podem ser: organolépticas, químicas ou físicas. Organolépticas: são propriedades que impressionam nossos sentidos, como por exemplo, cor, visão, sabor, paladar, odor, olfato, tato e até mesmo sua fase de agregação da matéria (sólido, líquido, gasoso, pastoso, pó). Exemplo: água pura, inodora, incolor e líquida em temperatura ambiente. Químicas: responsável pelo tipo de transformação que cada matéria pode sofrer, reagindo a cada substância. Exemplo: oxidação do ferro. Físicas: certos valores encontrados experimentalmente para o comportamento de cada tipo de matéria, quando submetidas a determinadas condições, essas condições não alteram a constituição da matéria, por mais diversas que possam ser.

Propriedades Físicas

Pontos de fusão e solidificação: São as temperaturas nas quais a matéria passa da fase sólida para a fase líquida e da fase líquida para a sólida respectivamente, sempre em relação a uma determinada pressão atmosférica. Obs.: a pressão atmosférica (pressão exercida pelo ar atmosférico) quando ocorre a 0° C, ao nível do mar e a 45° de latitude, recebe o nome de pressão normal, à qual se atribuiu, convencionalmente, o valor de 1 atm. Ex.: água 0° C; oxigênio -218,7° C; fósforo branco 44,1° C Ponto de fusão normal: é a temperatura na qual a substância passa da fase sólida para a fase líquida, sob pressão de 1atm. Durante a fusão propriamente dita, coexistem essas duas fases. Por isso, o ponto de solidificação normal de uma substância coincide com o seu ponto de fusão normal. Pontos de ebulição e condensação São as temperaturas nas quais a matéria passa da fase líquida para a fase gasosa e da fase gasosa para a líquida respectivamente, sempre em relação a uma determinada pressão atmosférica. Ex.: água 100° C; oxigênio -182,8° C; fósforo branco 280° C. Ponto de ebulição normal: é a temperatura na qual a substância passa da fase líquida à fase gasosa, sob pressão de 1 atm. Durante a ebulição propriamente dita, coexistem essas duas fases. Por isso, o ponto de condensação normal de uma substância coincide com o seu ponto de ebulição normal. Densidade é a relação entre a massa e o volume ocupado pela matéria. Ex.: água 1,00 g/cm3; ferro 7,87 g/cm3. Coeficiente de solubilidade É a quantidade máxima de uma matéria capaz de se dissolver totalmente em uma porção padrão de outra matéria (100g, 1000g), numa temperatura determinada. Ex.: Cs KNO3 = 20,9g/100g de H2O (10° c) Cs KNO3 = 31,6g/100g de H2O (20° c) Cs Ce2(SO4)3 = 20,0g/100g DE H2O (0° c) Cs Ce2(SO4)3 = 10,0g/100g DE H2O (25° c) Dureza É a resistência que a matéria apresenta ao ser riscada por outra. Quanto maior a resistência ao risco mais dura é a matéria. Entre duas espécies de matéria, X e Y, decidimos qual é a de maior dureza pela capacidade que uma apresenta de riscar a outra. A espécie de maior dureza, X, Risca a de menor dureza, Y. Podemos observar esse fato, porque sobre a matéria X, mais dura, fica um traço da matéria Y, de menor dureza. Tenacidade É a resistência que a matéria apresenta ao choque mecânico, isto é, ao impacto. Dizemos que um material é tenaz quando ele resiste a um forte impacto sem se quebrar. Observe que o fato de um material ser duro não garante que ele seja tenaz; são duas propriedades distintas. Por exemplo: o diamante, considerado o material mais duro que existe, ao sofrer um forte impacto quebra-se totalmente. Brilho É a capacidade que a matéria possui de refletir a luz que incide sobre ela. Quando a matéria não reflete luz, ou reflete muito pouco, dizemos que ela não tem brilho. Uma matéria que não possui brilho, não é necessariamente opaca e vice-versa. Matéria opaca é simplesmente aquela que não se deixa atravessar pela luz. Assim, uma barra de ouro é brilhante e opaca, pois reflete a luz sem se deixar atravessar por ela.

As fases de agregação das substâncias

Fase Sólida  A característica da fase sólida é a rigidez. As substâncias apresentam maior organização de suas partículas constituintes, devido a possuir menor energia. Essas partículas formam estruturas geométricas chamada retículos cristalinos. Apresenta forma invariável e volume constante. Fase Líquida A característica da fase líquida é a fluidez. As partículas se apresentam desordenadas e com certa liberdade de movimento. Apresentam energia intermediária entre as fases sólida e gasosa. Possuem forma variável e volume constante. Fase Gasosa A característica da fase gasosa é o caos. Existem grandes espaços entre as partículas, que apresentam grande liberdade de movimento. É a fase que apresenta maior energia. Apresenta forma e volume variáveis. Mudanças De Fases Das Substâncias O estado de agregação da matéria pode ser alterado por variações de temperatura e de pressão, sem que seja alterada a composição da matéria. Cada uma destas mudanças de estado recebeu uma denominação particular: Fusão: é a passagem da fase sólida para a líquida. Vaporização: é a passagem do estado líquido para o estado gasoso. Obs.: a vaporização pode receber outros nomes, dependendo das condições em que o líquido se transforma em vapor. Evaporação: é a passagem lenta do estado líquido para o estado de vapor, que ocorre predominantemente na superfície do líquido, sem causar agitação ou o surgimento de bolhas no seu interior. Por isso, é um fenômeno de difícil visualização. Ex.: bacia com água em um determinado local, roupas no varal. Ebulição: é a passagem rápida do estado líquido para o estado de vapor, geralmente obtida pelo aquecimento do líquido e percebida devido à ocorrência de bolhas. Ex.: fervura da água para preparação do café. Calefação: é a passagem muito rápida do estado líquido para o estado de vapor, quando o líquido se aproxima de uma superfície muito quente. Ex.: Gotas de água caindo sobre uma frigideira quente. Sublimação: é a passagem do estado sólido diretamente para o estado gasoso e vice-versa. Obs.: alguns autores chamam de ressublimação a passagem do estado de vapor para o estado sólido. Liquefação ou condensação: é a passagem do estado gasoso para o estado líquido. Solidificação: é a passagem do estado líquido para o estado sólido. Observe o esquema abaixo: Diferença Entre Gás e Vapor Vapor: Designação dada à matéria no estado gasoso, quando é capaz de existir em equilíbrio com o líquido ou com o sólido correspondente, podendo sofrer liquefação pelo simples abaixamento de temperatura ou aumento da pressão. Gás: Fluido, elástico, impossível de ser liquefeito só por um aumento de pressão ou só por uma diminuição de temperatura, o que o diferencia do vapor.

O que são a Matéria e a Energia Escuras?

      O Universo, sem dúvidas, é cheio de mistérios, mas um dos fatos mais impressionantes sobre ele é sugerido pelos cientistas há algumas décadas para explicar certos eventos no cosmo que desafiam as leis atuais da física: Matéria e Energia escuras. O que são essas duas ´entidades´ e como sabemos da sua existência? Já de início é importante dizer que, apesar de ser quase um consenso hoje na comunidade científica de que essas entidades existem, alguns cientistas ainda acham que modificações especiais nas leis que governam a física podem explicar certas anomalias no Cosmo atribuídas a elas, especialmente em relação à Matéria Escura. Mas como essas opiniões contrárias são ínfimas, é quase certo dizer que a energia e matéria escuras são reais e parte mais do que essenciais do Universo. Bem, mas como foi que esses conceitos emergiram? Para entendermos a questão é preciso analisar esses termos separadamente.  Como todos sabem, o Universo é dividido em galáxias, as quais abrigam diversos sistemas de estrelas, planetas e diversos outras formações espaciais. Essas galáxias possuem movimento de rotação e de translação, podendo estar bem isoladas uma das outras ou em grupos relativamente próximos. Quando isoladas, a rotação observada é relativa à distribuição da sua massa pelo seu raio. Se fôssemos considerar a massa observável nessas galáxias, ou seja, a massa normal que conhecemos e que emite radiação eletromagnética (ou interage com esta), veríamos sua velocidade diminuindo à medida que seu raio aumentasse, já que a massa visível (e supostamente a única lá) está também diminuindo. Só que, surpreendentemente, à medida que o raio aumenta, a velocidade aumenta, indicando que existe uma gigantesca quantidade de massa aumentando ao longo do raio da galáxia! Nossa galáxia, por exemplo, a Via Láctea, é um exemplo claro disso. Quando vamos nos afastando do seu centro, a matéria visível diminui drasticamente. Além da órbita do nosso Sol, existe muito pouca massa observável. Porém, ela segue o mesmo padrão de aumento de velocidade com o raio, indicando que algo muito grande produzindo efeitos gravitacionais está presente ali. Esse ´algo´ seria nossa famosa Matéria Escura.  

O que são a Matéria e a Energia Escuras?

      O nome ´Matéria Escura´ veio do fato de que, apesar dela apresentar efeitos gravitacionais, ela não interage ou emite radiação eletromagnética (luz visível, infravermelho, raios X, etc.). Assim, é muito difícil detectarmos ela, e só podemos inferir sua presença através dessas observações anômalas no comportamento das galáxias. Falando nisso, temos outro comportamento muito estranho quando observamos grupos de galáxias (´galaxy clusters´ e ´galaxy groups´), as quais são galáxias que permanecem relativamente próximas devido ao efeito gravitacional de atração entre elas. Na verdade, a maioria das galáxias no Universo são deste tipo, com grupos formados por 10, centenas ou milhares delas. Porém, a velocidade na qual as galáxias estão dentro desses grupos (entre 800 e 1000 km/s) em relação umas às outras é alta demais para mantê-las unidas (obs.: a velocidade aqui é devido aos efeitos gravitacionais delas umas em relação às outras, não uma velocidade "intrínseca" delas). Novamente, o ´algo´ precisa estar ali no meio delas para mantê-las juntas, ou seja, a matéria escura. O efeito gravitacional faltante para manter estável esses grupos de galáxia é tão alto que algo entre 85 e 95% da massa desses sistemas precisa vir de matéria escura!

Matéria Escura (binary/octet-stream)

Caption: : Efeito da Matéria Escura nos aglomerados de galáxias

O que são a Matéria e a Energia Escuras?

      Agora, fica a pergunta: o que seria a matéria escura? Bem, achar a resposta para essa pergunta é um dos grandes desafios da astronomia moderna. Será, por exemplo, que essa matéria é apenas uma matéria normal - também conhecida como bariônica (1) -, mas ´fria´? Se esse for o caso, existem quatro suposições principais, mas todas com problemas graves demais para serem reais: 1. Estrelas de Nêutrons: esses corpos são formados quando estrelas bem grandes (com massa de 10 a 29 Sóis) colapsam, dando origem a Supernovas quando as camadas exteriores são expulsas. Depois desse processo, sobra um núcleo composto só de nêutrons (aquelas partículas sem carga elétrica presente no núcleo de átomos). São um dos corpos mais densos do Universo, podendo possuir a massa de dois do nosso Sol presa em um raio de apenas 11 km. Se pudéssemos encher uma colher de chá ( cerca de 5 ml) com o material dessa estrela, teríamos uma colher que poderia estar carregando mais de 5,5 bilhões de toneladas de peso!! Essas estrelas são quase impossíveis de serem detectadas, por não emitirem mais radiação eletromagnética mensurável por nossa atual tecnologia, exceto quando elas estão em um sistema binária ou outras situações especiais. Bem, se tivéssemos muitas dessas estrelas espalhadas pelo Universo, elas seriam boas candidatas para serem a misteriosa matéria escura. Só que o Universo é muito jovem para ter muitas delas (formação de uma leva bastante tempo). Aqui na Via Láctea, por exemplo, é estimado que "apenas" 100 milhões delas existem, algo ínfimo para sequer arranhar na quantidade de matéria escura prevista aqui. 2. Anãs Negras: se a massa de uma estrela não é grande o suficiente para se transformar em uma estrela de nêutrons quando ela colapsar após seu combustível primário de fusão nuclear acabar (hidrogênio), ela pode ser tornar uma Anã Branca. Estas são luminosas, mas não por causa de fusão nuclear, mas sim por causa da imensa quantidade de calor acumulado no núcleo pelas partículas elementares dos átomos ali presentes (elétrons, nêutrons e prótons), as quais estão todas soltas, criando um meio condutor de calor quase perfeito. Esse calor começa então a ser irradiado na forma de radiação eletromagnética e, à medida que a energia vai diminuindo e a Anã Branca vai esfriando, os comprimentos de onda vão ficando cada vez maiores (menor frequência, menor energia), até que radiação alguma seja emitida, originando as Anãs Negras. Essas últimas, assim como a matéria escura, só conseguiriam ser observadas por nós através da sua interação gravitacional. Só que o problema é que o tempo para as Anãs Brancas se resfriarem até atingir esse estágio é milhares de vezes maior do que a idade do Universo, ou seja, provavelmente ainda não existem Anãs Negras no cosmo, apenas na teoria.3. Buracos Negros: se a massa da estrela colapsada é muito grande, então ao invés de termos uma Estrela de Nêutrons, teremos a formação do corpo mais denso do Universo, o qual possui uma força gravitacional tão absurda em sua superfície que nem ao menos a luz consegue escapar. Ou seja, assim como a matéria escura, eles não emitem radiação por conta própria e, no geral, só podem ser vistos de maneira indireta pelos seus efeitos gravitacionais (apesar de alguns terem disco de acreção de matéria muito luminosos que emitem raios X). De qualquer forma, mesmo os buracos negros que não podem ser detectados por observação direta, também caem no mesmo problema das Estrelas de Nêutron: são eventos muito raros no Universo. Para explicar toda a matéria escura, precisaríamos que mais de 90% das estrelas se transformassem em buracos negros, algo totalmente fora da realidade.4. Anãs Marrons: essas estrelas possuem massas muito diminutas e, portanto, são incapazes de fundir hidrogênio para forma hélio (e, consequentemente, energia), no máximo o isótopo 7 do lítio e o isótopo deutério do hidrogênio, presentes em ínfima quantidade dentro delas, caso sejam massivas acima da média. Por isso, a maior parte delas não conseguem emitir significativas quantidades de radiação eletromagnética para serem detectadas. Porém, para contarem como matéria escura, deveriam estar em grande abundância por todos os lados, mas não vemos nada próximo disso.5. Planetas e rochas: ora, planetas e rochas (meteroides, asteroides, etc.) não emitem radiação por conta própria e caso quantidades imensas desses corpos estivessem vagando pelo Universo, longe da iluminação de estrelas, seria difícil detectarmos os mesmos, já que é complicado vermos até planetas circundando estrelas muito longe do nosso Sistema Solar. Porém, assim como as Anãs Marrons, não conseguimos detectar essa imensa quantidade de planetas e rochas ao nosso redor, algo que deveria se muito fácil de se observar quando consideramos a quantidade de corpos desse tipo necessária para fazer o papel da matéria escura. 

O que são a Matéria e a Energia Escuras?

 Bem, analisando as opções acima, é muito pouco provável que a matéria escura seja formada por matéria normal. Assim, é bem mais plausível considerar que esse tipo de matéria é formada por partículas ou entidades físicas totalmente novas ou especiais. Neutrinos são os únicos já observados na prática que podem ser candidatos na constituição da matéria escura, especialmente da Matéria Escura Quente (2). Os neutrinos possuem muito pouca massa (quase considerada como zero) e interagem apenas por forças Fraca (3) e gravitacional. Mas como possuem massa ridícula e não parecem estar em quantidade suficiente para preencher o papel de Matéria Escura, é possível que neutrinos mais massivos (já detectados também) cumpram esse papel. Só que a massa individual continuaria pequena e a quantidade requerida deles durante o Big Bang não são possíveis de serem obtidas sem "estragar" a estrutura do atual Universo.            Pode ser também que parte da Matéria Escura seja formada por partículas exóticas e uma parte menor seja formada por matéria normal (buracos negros, estrelas de nêutrons, etc.). Nesse mar de suposições, é válido também dizer que a minoria dos teóricos que não acreditam na existência de matéria escura dizem que estas seriam apenas uma ilusão criada pelo comportamento diferenciado da gravidade em sistemas de massas muito grandes, como as galáxias. Ou seja, em menor escala, como o nosso Sistema Solar, as leis da gravitação funcionam como na teoria. Só que em monstros massivos, como as galáxias, haveria uma modificação radical nos efeitos gravitacionais esperados. É algo plausível, mas não existe evidência alguma que esse tipo de transformação gravitacional exista.

Matéria Escura Energia Escura Dublado Hd (video/mp4)

Caption: : Vídeo - Matéria Escura e Energia Escura

O que são a Matéria e a Energia Escuras?

      Mas independentemente do que é feito a Matéria Escura, temos um grande problema nas nossas mãos agora: a expansão do Universo. À primeira vista, essa expansão deveria estar desacelerando desde a explosão inicial do Big Bang, só que, pelo contrário, o Universo parece estar se expandindo em ritmo acelerado. Para explicar essa aceleração, a matéria normal e a matéria escura, combinadas, apenas cobririam cerca de 28,6% desse processo. Portanto, 71,4% das forças impulsionando o Universo são compostas por outra entidade, a qual recebeu o nome de Energia Escura. A natureza dessa energia é totalmente desconhecida, mas provavelmente compõem a maior parte do Cosmo. Sua distribuição seria homogênea, e permearia tudo, estando relacionada intimamente com o conteúdo do vácuo espacial (4). A energia escura não teria efeitos gravitacionais e afetaria as forças do Universo como um todo, por mecanismos ainda incompreensíveis. Diferente da matéria escura, é difícil tentar ignorar a presença dessa energia, mesmo entre os teóricos mais ´do contra´. Além da aceleração, essa energia escura poderia também explicar vários outros processos que ocorrem ao nosso redor, como as transmissões de força gravitacional e elétrica (atrativas), algo ainda pouco compreendido.            No final, então, temos que próximo de 71,4% do nosso Universo é composto de Energia Escura, 24% de Matéria Escura e apenas 4,6% é Matéria Normal/Bariônica. Se conseguirmos desvendar o mistério por trás desse Cosmo escondido, poderemos quebrar todas as fronteiras que nos impedem de explorar as infinitas galáxias e sistemas ao nosso redor. Se raças alienígenas chegarem ao nosso encontro, pode ter certeza que elas terão domínio de tais segredos. Se avançamos tanto conhecendo muito pouco do Universo visível, imagina quando passarmos a entender a parte que realmente parece importar!  Por enquanto ainda estamos no esquema ´Sei que nada sei´...:)

Matéria Normal ou Bariônica

(1) Matéria Normal, ou Bariônica: Por definição, matéria bariônica deveria incluir apenas a matéria composta por bárions, ou seja, deveria incluir prótons, nêutrons e todos os objetos compostos por essas subpartículas atômicas (por exemplo, o núcleo atômico), mas excluir entidades como os elétrons e os neutrinos, os quais são, na verdade, léptons. Porém, na Astronomia, o termo ´matéria bariônica´ é usado mais livremente, considerando as escalas astronômicas. Como prótons e nêutrons estão sempre acompanhados dos elétrons - alcançando uma rede neutra de cargas -, os astônomos acabam usando o termo para se referir a todos os objetos feitos da matéria atômica normal, incluindo os elétrons, os quais representam apenas cerca de 0,0005% da massa total. Por outro lado, os neutrinos são tirados dessa generalização, e acabam sendo considerados não-bariônicos pelos astrônomos. Bem, e apesar dos Buracos Negros serem também englobados como matéria bariônica, eles possuem propriedades muitas vezes consideradas distintas da bariônica e da não-bariônica. Assim, a matéria bariônica, na astronomia, reúne: - Nuvens de gás frio; - Planetas; - Cometas e asteroides; - Estrelas - Estrelas de Nêutrons - Buracos Negros(2)  A Matéria Escura é formada, segundo o atual consenso científico, pela Matéria Escura Quente e a Matéria Escura Fria. A primeira possui partículas trafegando a velocidades muito próximas da luz e conta por algo em torno de 30% da Matéria Escura total. A segunda representaria o resto, e seria composta por partículas pesadas e mais lentas.(3) Existem quatro forças fundamentais no Universo: a Força Fraca, a Força Forte, a Gravitacional e a Eletromagnética. As duas últimas todos devem conhecer. A Força Fraca é a responsável pelo decaimento radioativo alfa e beta. A Força Forte é a responsável por manter, por exemplo, o núcleo atômico coeso, sem a qual os prótons não conseguiriam ficar presos no núcleo, mesmo com a presença dos nêutrons. Outros sistemas de partículas são mantidas unidas pela força forte, como os quarks que formam os nêutrons e prótons. Essa força é aproximadamente 137 mais intensa do que o electromagnetismo, 1 milhão de vezes mais intensa do que a força fraca e 1038 vezes mais intensa do que a gravitacional.(4) Quando retiramos o ar de um espaço vazio, temos um vácuo formado. Só que, ao contrário do que a maioria pensa, esse vácuo pode não ser composto apenas por ´nada´. Dentro dele podemos ter partículas e antipartículas virtuais, como já foi demonstrado em aceleradores de partículas, e ainda podemos ter energia escura também preenchendo esse espaço.