Como os cientistas fazem descobertas ?

Quando foi que você fez sua última descoberta? Não me refiro a um site, ou mesmo um cantor ou um autor? Eu sei… estas  podem ser muito importantes para mudanças pessoais de pensamento e perceptivas, mas aqui quero me referir a descobertas por observações, correlações, testes com outros fenômenos naturais. Eu sei, não é um pergunta tão simples de responder, nem todos temos tanto tempo quanto as crianças, onde nós naturalmente temos uma fome perturbadora de entender com as coisas funcionam.

Naturalmente somos cientistas natos! Porém muitas vezes essa vocação natural é podada deste a infância, seja pela educação forma, ou pela educação dentro de casa. Quem nunca ouviu o dito popular a curiosidade matou o gato? Não sei o quanto é recorrente esse tipo de atitude ainda hoje. Porém não me surpreendi quando ouvir a frases dias desses. O que possivelmente explica o quanto o processo de educação ainda é executado de forma passional. Um professor fala e os alunos executam. Não que isso não tenha dado “resultados”.

Aqui abro logo uma observação para a questão do imediatismo do que se espera da educação. Educação é sobre formação de seres humanos não de profissionais. Educação é um processo integral e constante sobre todas as potencialidades do indivíduo. Por ser constante, requer a atuação conjunta de todos os sujeitos envolvidos no ato de educar. De acordo com o grau de sensibilização que se alcança, muitos dos valores podem durar toda a vida não apenas um determinado período de tempo. Assim, muitos dos potências cientistas acabam por ser perder nos primeiros anos de escola. Lá não tem sido o lugar mais criativo do mundo.

Na ciência estamos cheios de exemplos onde esse tratamento diferenciado e conjunto na educação possibilitou a formação de grandes gênios. Os pais têm papel fundamental nisso. Richard Feyman, um dos principais físicos do século passado, não se tornou cientista genial de um dia para o outro. De fato, ele mesmo afirma que não se tornou cientista. Como consta em parte do relato dele na 14ª Convenção Anual da National Science Teacher Association

Quando eu era muito jovem – a primeira história que lembro era quando o meu pai jogava um jogo comigo depois do jantar. Havia vários azulejos retangulares e colocávamos de pé, um após outro, todos empilhados, e podia empurrar o primeiro e ver cair tudo. Até aqui tudo bem! Logo o jogo tornou-se mais complicado. Os azulejos eram de cores diferentes. Tinha de dispô-los numa certa ordem, com a seguinte sequência: um branco, dois azuis, mais um branco e depois dois azuis; se, por acaso, quisesse colocar um terceiro azulejo azul, meu pai obrigava-me a colocar um branco. Já estão a reconhecer o velho truque? Primeiro, encantar a criança com a brincadeira, depois, introduzir lentamente material de valor educativo […]. Outra coisa que meu pai me disse era que a razão entre o comprimento da circunferência com o diâmetro de todos os círculos era sempre o mesmo, não importa o tamanho. Isso não me parecia muito obvio, mas a relação tinha alguma propriedade maravilhosa. Era um número maravilhoso,  π. Havia um mistério sobre esse número que eu não entendia muito bem quando jovem, mas esta foi uma grande coisa, e o resultado foi que eu olhei para o π em toda parte. Mais tarde na escola, quando eu estava aprendendo com os fazeres de casas sobre decimais e frações, e como fazer 3+1/8, e escrevi 3,12. Eu havia reconhecido, ou imaginado reconhecer, um velho amigo numeral, acreditando ser  π, porém o professor logo me  corrigiu 3,1416, apesar da aproximação numérica. Muito mais tarde, quando eu estava fazendo brincando no laboratório de casa. Gradualmente, através de livros e manuais, comecei a descobrir que havia fórmulas da eletricidade que relacionavam a corrente e resistência e assim por diante. Um dia, olhando para as fórmulas em um livro, eu descobri uma fórmula para a frequência de um circuito de ressonância, que era f = 1/2 π LC. O π era essa coisa com círculos e aqui estava saindo de um circuito elétrico. Onde estava o círculo? De uma certa forma tudo se conectava. Eu tenho que amar a coisa, eu tenho que olhar para ela, eu tenho que pensar sobre isso. Pensei que eram devidos as bobinas serem feitas em círculos. Um ano e meio depois, encontrei um outro livro que me deu a indutância de bobinas redondas e bobinas quadrados, e havia novamente π do nessas fórmulas. Comecei a pensar sobre isso de novo, e eu percebi que o π não veio das bobinas circulares. Hoje eu compreendo um pouco melhor tudo isso.

Feynman possivelmente usou muito da sua criatividade e inventividade no desenvolvimento praticamente do zero em de um conjunto de diagramas (Diagramas de Feynman) que descrevem e facilitam a visualização do comportamento das partículas subatômicas. Mas a curiosidade acima de tudo por entender o número π de várias formas, assim como relacionar como vários fenômenos é o que os cientistas fazem com a natureza, até descobrirem algo, assim podemos dizer.

Vários fenômenos observados pela humanidade passaram pelo crivo da criatividade explicativa de muitos cientistas. As auroras, que é um fenômeno que sempre encantou as antigas civilizações das altas latitudes, passaram por várias explicações científicas, incluindo alguns notáveis. Para Edmund Halley, as auroras eram vapores aquosos de origem subterrânea que carregavam enxofres o suficiente par produzir aparência luminosa. Já para o matemático Leonardo Euler, as luzes eram provocadas pelo impulso das partículas que subiam além dos limites da atmosfera. Para Benjamim Franklin, que era um cientista bastante respeitado em seu tempo, pensava que as auroras estavam relacionadas com os padrões de circulação da atmosfera[1]. Várias outras ideias muito curiosas foram proposta, entretanto, nenhuma descoberta significativa foi alcançada até o final do século XIX, quando os raios catódicos foram descobertos e identificados como elétrons pelo físico britânico J.J Thomsom. Mais tarde, o físico norueguês Kristian Birkeland propôs que a aurora fosse causada devido ao fluxo de elétrons emitidos pelo sol. Aqueles elétrons que atingem a terra seriam afetados pelo campo magnético da terra e guiados para as regiões de alta latitude para criar as auroras. Mesmo a ideia de Birkeland, que hoje sabemos ser verdadeiras, elas só foram comprovadas em 67, após as análises de dados de uma sonda de 1963.

Porém, somente o crivo criativo e desenvolvido por muitos notáveis podem não ser suficiente para explicar um fenômeno. As vezes, um pouco de sorte e critério metodológicos podem ser fundamentais para desenvolver todo um novo campo de pesquisa, como no caso da radioastronomia.

As ondas de rádio oriundo das estrelas foram detectadas pela primeira por Jansky enquanto ele analisava a interferência no sinal em seu trabalho no Bell telephone laboratories, New Jersey. Para entender essa interferência, ele foi designando a projetar uma antena que minimizaria a estática de sinais de rádio que cruzavam os oceanos. Usando uma grande antena direcional, Jansky notou em seu sistema de gravação um sinal de repetido de origem desconhecida com um ciclo de 24 h. Inicialmente, Jansky suspeitou originalmente que a interferência fosse do sul cruzando a sua antena, porém, as análises mostraram que a fonte não tinha um ciclo exato de 24 h, mas 23 horas e 56 minutos. Intrigado com essa diferença em uma conversa com seu amigo, o professor e astrofísico Albertt Melvin Skellet, que concluíram que essa diferença de quatro minutos é a exata diferença entre um dia solar e um dia sideral. A questão seria qual fonte do sistema sideral? Alguns meses se passaram até ele descobrir a localização da fonte na constelação de sagitário contendo bilhões de estrelas. A descoberta de Jansky, um tanto inesperada levaram à primeira detecção de ondas de rádio de origem extraterrestre e marcaram o início da radioastronomia.

Atacama Large Millimeter Array -ALMA

O método científico não necessariamente é um método para descobrir algo novo, porém é um excelente critério para ser verificar se uma determinada hipótese, por mais absurdas que imaginamos, pode ser válida assim como determinar quais são suas implicações.

Uma forma análoga para compreender as regras, um tanto rígidas da metodologia científica é compará-la com um roteiro de filme. Muitas vezes quando estamos diante de uma estória contada, observamos a inexistência de conexões entre personagens ou mesmo com toda a história contada. Isso pode ser caracterizado como um furo de roteiro. Na cinematografia, podemos muitas vezes pensar nesse furo como liberdade poética ou mesmo como sendo uma permissão subjetiva do tipo linguagem. Porém na ciência ou no método científico isso é um agravante que permite a ambiguidade interpretativa ou mesmo a impossibilidade de testar e reproduzir hipóteses ou ideias.

É bem verdade, que ainda hoje há alguns artigos ou trabalhos científicos que permeiam o campo da não reprodutividade[leia aqui alguns relatos]. Porém durante muitos anos, simplesmente a ideia de questionar a norma-padrão, seja ela aceita pela sua beleza divina ou mesmo pelo poder autoritário, institucional ou não, seria demasiadamente perigoso. Após o advento da revolução científica, a ciência não é mais resultado da intuição privilegiada de um mago ou de uma autoridade. A ciência qualifica-se com conhecimento válido, porque obtém suas proposições através de experimentos e demonstrações que são submetidas permanentemente a críticas e revisões.

Porém falar de metodologia é rigor é um tanto distinto de fazer. A maioria dos pesquisadores que entendem ciência e sabem dessa necessidade, não perdem muito tempo pensando no método, talvez no desenho de um experimento ou mesmo no panorama da pesquisa. Em grande parte, estas ideias já estão internalizadas na vida do pesquisador e só são lembradas em cursos de metodologia científica, que muitas vezes ocorrem 1 vez ao ano no primeiro ano. Se você me perguntar quantas hipóteses testei ou não testei durante meu doutorado, dificilmente eu saberia dizer, assim como muitos pesquisadores não saberiam responder. Não tão romântico como nos filmes, estas questões muitas vezes são resolvidas em cafés na copa dos departamentos, uma rodada de simulação ou mesmo a leitura de um artigo.

Um ponto semelhante é como físico e cientista sênior do Lawrence Berkeley National Laboratory Robert Cahn pensa sobre o método:

O método científico não é tanto ir de hipótese a conclusão, mas sim uma exploração em que medimos com a maior precisão possível uma variedade de quantidades que esperamos revele algo novo. Construímos um grande acelerador e poderíamos ter algumas ideias sobre o que poderíamos descobrir, mas não é como se disséssemos: Aqui está a hipótese e vamos provar ou refutar. Se há um método científico, é algo muito mais amplo do que isso

Uma parte importante do processo é que os cientistas são treinados para nunca acreditar em suas próprias histórias até que tenham apoio experimental. É uma coisa muito importante ser hesitante e ter dúvidas, caso contrário, você acha que sabe todas as respostas ou mesmo achar que encontrou algo muito grande que pode se revelar contrário. Um caso interessante desta situação ocorreu recentemente, em 2015, no grande Colisor de Hadrons (LHC).

No final daquele ano foi informado que os detectores identificaram uma pequena colisão com um nível de energia de aproximadamente 750 Gev. Para efeito de comparação com nossa realidade conhecida, a massa do próton é equivalente a 1Gev, assim este resultado mostraria uma partícula muito massiva, ou muito mais energética, que os prótons e até então desconhecida. Estes dados levaram a levaram a comunidade científica dos físicos de partículas a postularem diversas hipóteses e a produção de mais 500 artigos científicos no primeiro momento. Cada pesquisador tentando apresentar hipóteses diferentes corroborando ou não com os dados, no caso o valor 750 GeV. No final, ano passado, descobriu que não se tinha descoberto nada e a medição de 750 Gev representava um dado espúrio. Porém, a quantidades de novas ideias ou sugestões que surgiram com a possibilidade de um primo do boson higgs ou mesmo a sugestão de detecção de um graviton seja a grande beleza científica de quando nos encontramos na fronteira do conhecimento, mesmo que erradas, como no caso particular da física de partículas. Cada nova observação, como a apresentada, faz sentido com tudo que já propomos matematicamente, incluindo antigas observações. É importante que tenhamos uma rede de observação e interpretação para qualquer coisa nova possa fazer sentido no contexto de outras coisas.

Grande parte do trabalho que os cientistas colocam na publicação de um resultado científico envolve descobrir o quão bem eles sabem: Qual é a incerteza e como podemos quantificá-la? A estatística está ai pra servi-los, um resultado quantificado que não possuem uma incerteza de certa forma não tem valor. Quando você constrói um detector, como o LHC, você dever certificar-se de todas as “imperfeições” e variáveis envolvidas na construção que podem geral algum tipo de sinal. Todos os elementos e sensores e eletrônicos são projetados tendo isso em mente, assim como qualquer equipamento eletrônico ou mesmo um modelo computacional. Porém, quando entramos no campo das ciências biológicas, projetar um modelo não é algo perfeitamente viável ou comparável com um modelo vivo. Assim necessitamos trabalhar com grupos devido a grande não-linearidade que os resultados podem conter e com isso as metologias estatísticas ganham grande força na pesquisa médica.

De fato os métodos estatísticos foram fundamentais para os grandes avanços na medicina nos últimos dois séculos, e por ventura fosse tratada como ciência.Até meados do século 18 ainda havia muito o apelo a autoridade médica e não as evidências.

Em 1840 Ingez Semmelweis observou diferença de número de casos de infecções pós-parto em duas clínicas do hospital de Viena. Na primeira, as gestantes eram examinadas por estudantes de medicina que circulavam livremente entre a sala de autópsia e enfermaria. Na segunda clínica, os atendimentos eram realizados por parteiras e o número de infecções era menor. Certa vez, durante a realização de uma necrópsia, um dos amigos de Semmelweis, foi ferido acidentalmente por um bisturi. Este profissional adquiriu uma infecção parecida com as pós-parto, levando Semmelweis a deduzir que o mesmo havia sido contaminado pelas bactérias introduzidas no sistema sanguíneo. Em maio de 1847, Semmelweis tornou obrigatório para todos os médicos, estudantes de medicina e pessoal da enfermagem a lavagem das mãos com uma solução clorada, reduzindo consideravelmente a mortalidade pela infecção com a queda dos índices de 12,24% para 1,89% [5,6].

figuraLavarasmãos

Queda da mortalidade materna após a lavagem das mãos

Em 1871 Louis Pasteur e Robert Koch foram muito importantes na medicina a fim de eliminar os micro-organismos tornando a esterilização de utensílios médicos algo fundamental. Ambos estudos foram fundamentais nos alicerces da medicina baseada em evidências [7].

Na medicina baseada em evidencia para determinar qual o melhor tratamento para uma doença um grupo de pessoas escolhidos ao acaso recebem a droga a ser testas e a tradicional, que muitas vezes pode ser de açúcar (placebo). A ideia aqui é comparar quem recebeu o novo tratamento com o antigo e avaliar estaticamente os resultados. Estes testes irão ser fundamentais para mostrar a eficácia de um medicamente. Há uma infinidade de rotinas de desenhos de experimentos para testar fármaco de acordo com a enfermidade, variabilidade populacional e etc. O Importante aqui é mostrar que a estatística foi a chave da mudança entre a autoridade e prática científica na medicina, o que possibilitou salvar uma enorme número de vidas e descobertas científicas, assim podemos dizer.

Até aqui o leitor já deve ter notado que por mais que o método científico seja uma ferramenta incrível para investigar, ou mesmo uma ferramenta para pensar ceticamente, racionalmente sobre uma objeto de estudo, seja ele constelações muito distantes ou vacinas para doenças tropicais, não é a chave para descobertas que mudem o paradigma científico. Porém muitas destas acabam ocorrendo durante o processo de pesquisa, o contrário, por mais criativo que seja, necessita de uma verificação, não dos cientistas, mas da realidade natural observável e detectável.

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Leituras e Referencias

Fotuba.org:  what is science?

Symmetrymagazine: How to make discovery

NPR: New Physics Beyond The Higgs?

Science Alert: CERN’s About to Make an Announcement on That Possible New Particle

NASSI-CALÒ, L. Reprodutibilidade em resultados de pesquisa: os desafios da atribuição de confiabilidade [online]. SciELO em Perspectiva, 2016

[1]Franklin, B., Political, Miscellaneous and Philosophical Pieces, ed. by B. Vaughan,

London: J. Johnson, 504, 1779.

[2]Robert W. Schunk, Andrew F. Nagy, “Ionospheres: physics, plasma physics, and chemistry”, Cambridge, Cambridge, pp. 1-554, 2009.

[3]Hey.J.S (1975) Radio Universe (2nd ed.). Pergamon Press

[4]Miller,D. F. (1998) .Basics of Radio Astronomy for the Goldstone.Apple Valley Radio Telescope-JPL D-13835

[5]Global Britannica: Biography Ignaz Semmelweis  

[6]As bases do hospital contemporâneo: a enfermagem, os caçadores de micróbios e o controle da infecção. Fernandes, Antonio Tadeu.Capítulo 7

[7]Ullmann,A.Pasteur–Koch: Distinctive Ways of Thinking about Infectious Diseases. Volume 2, Number 8, 2007/Microbe

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