Revoluções teóricas

Para Edward Witten, considerado hoje um dos mais importantes físicos teóricos, a teoria das supercordas deve ganhar outras interpretações no futuro

Desde sua origem no fim da década de 1960, a teoria das supercordas passou por inúmeras reviravoltas. Em vários momentos ganhou novas interpretações, até se tornar a mais bem-sucedida resposta, até hoje, para um dos maiores desafios da física contemporânea: unificar a teoria da relatividade geral e a mecânica quântica.

Serei físico, e agora?

No último vestibular (2011) fui aprovado para física na Universidade Federal Fluminense (UFF), mas ainda no segundo ano do ensino médio havia sido aprovado em segundo lugar na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) para o mesmo curso. Mas minha história com a física começou bem antes...

Quando criança, eu gostava de acordar cedo aos sábados para assistir ao programa “Globo Ciência” e esperava avidamente pela parte em que o físico Marcelo Gleiser explicava alguma curiosidade ou fenômeno. E jamais me esquecerei do dia em que ele explicou relatividade. Utilizando uma pequena superfície elástica, explicou a deformação que a matéria causa no espaço-tempo. Fiquei fascinado. A partir de então tomei Einstein como referência. Pode parecer pretensioso tomar um gênio como referência, ou até pouco original, já que muitos se inspiraram neste que é um dos maiores ícones da física. Mas não havia mais jeito, estava apaixonado pela física moderna.

Os anos passaram e cheguei ao ensino médio. Comecei a me preparar para o vestibular... No entanto, a possibilidade de cursar física era distante. Pretendia fazer engenharia, mas era demasiado indeciso sobre qual engenharia cursar. No primeiro ano pretendia fazer engenharia química, no segundo engenharia mecânica... Contudo, no terceiro ano, veio a pior indecisão: será que de fato quero engenharia? Por mais que procurasse, nenhuma engenharia me agradava por completo. Foi então que comecei a cogitar a carreira de físico. Comecei a conversar e perguntar sobre. Com isso, comecei a ouvir e ler histórias pavorosas. Algumas pessoas tentaram me desencorajar. Mas a idéia de ser físico não saía da minha cabeça. Nada me agradava mais. No entanto, certo dia acordei com a idéia na cabeça, por acaso era o dia de inscrição no vestibular da UFF. Era física. Estava decidido.

Pretendo seguir a vida de pesquisador, na área de física teórica e na física de altas energias. Não sei o que o futuro me reserva. Mas seja como for, escreverei mais aqui sobre a vida de físico à medida que for descobrindo. Por enquanto, sou um humilde universitário em férias.

Agora, aprovado, com a inscrição feita, apenas aguardo o início das aulas. Mas essa breve história me remete a alguns questionamentos. Por que hoje todos querem ser engenheiros? Por que o espanto nas faces alheias quando respondemos que seremos físicos? Por que cada vez menos pessoas procuram carreiras como física e matemática? Deixo as perguntas em aberto caros leitores.

Gostaria que aqueles que são físicos ou matemáticos dividissem aqui suas experiências. Como é ser físico ou matemático? Como é a vida nessas carreiras? Espero com isso, poder ajudar àqueles que estão indecisos como eu já estive um dia.

Vitor S. Chagas - editor do Clave de Pi

Te ensinaram errado, gravidade não é somente uma aceleração

O que é gravidade? É simplesmente uma aceleração, ou é algo muito mais complexo que estamos prestes a descobrir? O intuito deste pequeno texto é mostrar como o avanço da física e a chamada “teoria M” estão bem próximos de responder esta indagação. Não sou especialista em física quântica, mas não posso ficar parado nem quieto ante tão maravilhosa descoberta.

Antes, você precisa saber o que é e o que diz a teoria das cordas. ( Acesse esse link : http://clavedepi.blogspot.com/2009/12/teoria-m.html). Se você já entende um pouco, continuemos.

Bem, em nosso universo existem forças. A força gravitacional, a força eletromagnética, a força que “cola” os átomos, que chamarei de força nuclear forte, e a força responsável pelo decaimento radioativo, que chamaremos de força nuclear fraca. Newton foi o “descobridor” da força gravitacional. Esta força que faz os planetas girarem em torno das estrelas e faz as coisas caírem no chão. Temos o costume de achar que a força gravitacional é muito forte, porém ela é muito, muito, mas muito fraca mesmo se comparada às outras. Só para termos uma noção, se formos compara a força da gravidade com a força eletromagnética, a força eletromagnética é aproximadamente 1000000000000000000000000000000000000 (um seguido de 35 zeros) mais forte que a gravitacional. Mas por que toda essa diferença? É o que tentarei explicar.

A teoria das cordas diz que, dentro de todos os quarks (que compõem o nêutron e o próton dos átomos), existam cordas de energia que vibram de formas diferentes. Cada vibração representa um tipo de partícula diferente. Mas, para essa nova teoria ser válida, digamos que seriam necessárias, além das 4, mais 7 dimensões, totalizando 11 delas. E implicaria a existência de alguns infinitos universos paralelos. Mas, não irei focar neste assunto, apesar de ser interessantíssimo. O que quero focar é uma singular partícula chamada “gráviton”. Para entendermos um pouco melhor, temos que deixar claro que as forças acima citadas interagem através de partículas, o que não irei me aprofundar neste post, mas, segundo esta teoria a força gravitacional seria “causada” pelos grávitons. Os grávitons são singulares por apresentarem uma corda circular e de baixa energia. Mas, então por que a gravidade é tão fraca?

Uma das grandes e mais interessantes implicações da teoria das cordas é que, as partículas grávitons podem “sair” de nosso universo, e ir para outros universos paralelos. Devido a sua forma singular, ela simplesmente dá uma escapada, e consegue atravessar a membrana que separa os universos. Então, imagine a gravidade como um líquido, que pode escorrer livremente entre este universo e os outros adjacentes. Bem, o que temos de gravidade em nosso universo é apenas parte de um todo. Sendo assim, a força gravitacional pode sim ser  tão forte quanto as outras, ela apenas flui entre os universos. O único problema é que conseguir provas da existência e “flagrar” a partícula gráviton saindo de nosso universo e indo para o outro é meio complicado. No entanto, para isso estão os aceleradores de partículas. Por isso, torçam para que consigam logo achar o gráviton e que consegamos estudá-lo com mais clareza.

Será então, que seria possível a comunicação entre os universos através de ondas gravitacionais? Será que num futuro distante, poderemos nos comunicar com os seres de outros universos por um aparelho parecido com o celular? Bem, não é tão impossível. Contudo, se algum dia conseguirem, por favor, não se esqueçam de divulgar nosso blog.

Jhonatas Alfradique – Editor do Clave de Pi

O berço escuro do tempo

Novo modelo científico proposto pelo físico Nikodem Poplawski sugere que o Universo está dentro de um enorme buraco negro, que parou de se contrair e se expandiu violentamente

Das inúmeras expressões que a linguagem cotidiana toma emprestadas das ciências naturais, "buraco negro" talvez seja uma das mais felizes, pois reproduz com certa precisão seu significado físico: um objeto astronômico tão maciço e denso que a atração gravitacional por ele exercida engole tudo à sua volta, até mesmo a luz.

Uma teoria recentemente ressuscitada -com aprimoramentos- propõe que esses sorvedouros cósmicos podem parar de se contrair e, então, expandir-se violentamente, dando origem a outros universos -como o nosso. Se os modelos e equações do físico teórico polonês Nikodem Poplawski estiverem certos, a explicação poderia contribuir para desvendar um dos maiores mistérios da física: por que o tempo só corre numa direção linear, ou seja, para a frente?

Não é de hoje que buracos negros suscitam polêmica. A ideia de uma imensa mancha negra no Universo começou a ser discutida ainda no século 18, mas o termo foi aplicado pela primeira vez dois séculos depois. O criador da expressão é o astrofísico John Wheeler, que, no entanto, não assume sua autoria completamente. Wheeler dizia que o termo "buraco negro" teria surgido durante uma aula no final da década de 60 -algum estudante soltou essa expressão quando ele falava sobre estrelas em colapso.

O conceito tem sido debatido intensamente por teóricos célebres como Stephen Hawking, que descobriu, pouco depois de o termo ter sido criado, que os buracos negros podem emitir radiação (ou seja, não são totalmente negros). A relação entre buracos negros e a origem da vida (e do Universo) também começou a ser especulada pela ciência há algumas décadas.

O físico Raj Pathria, por exemplo, criou um modelo que tratava o Universo como um buraco negro. O conceito foi aprimorado por cientistas que vieram depois, como John Richard Gott, que, em 1998, publicou uma teoria que relacionava a origem dos buracos negros e dos Universos.

Recentemente, um novo cientista ("novo" também porque ele tem apenas 35 anos) sacudiu a comunidade internacional de cosmólogos. Em dois estudos publicados neste ano, o polonês Nikodem Poplawski afirma que um enorme buraco negro que parou de se contrair e começou a se expandir violentamente teria dado origem a este Universo -que, por sua vez, está dentro dele. E essa nova concepção de formação do espaço explicaria por que o tempo corre em apenas uma direção.

Filho de artistas, nascido em Torun -mesma cidade natal do astrofísico e matemático do século 15 Nicolau Copérnico (o autor da teoria heliocentrista, ou seja, a que afirmou pela primeira vez que a Terra girava em volta do Sol e não o contrário)- Nikodem Poplawski começou a se interessar pelas "ciências duras", como a química e a física, quando ainda era criança. Hoje faz pós-doutorado na Universidade de Indiana, nos Estados Unidos. "Quero entender a origem do Universo, a origem das partículas, a seta do tempo", explica.

Os trabalhos de Poplawski foram publicados na "Physics Letters B", uma das mais importantes revistas internacionais sobre física nuclear e de partículas, e no Arxiv da biblioteca eletrônica da Universidade Cornell (EUA). Arxiv é uma espécie de espaço virtual de debates científicos, que podem acontecer entre estudantes de graduação até os mais altos escalões do meio acadêmico.

Especialmente em áreas experimentais, como a física, a publicação no Arxiv funciona bem e é mais ágil do que as publicações em revistas científicas convencionais, cujo processo de aprovação de um artigo pode levar de um a dois anos, desde o seu recebimento.

No Arxiv, por exemplo, o artigo do polonês já rendia cerca de 200 extensos comentários, textos e indicações de leitura de cientistas que interagiam entre si e criavam novas perguntas -todas com cunho científico (quando um debate vira uma conversa "informal" e pouco científica, a repressão dos usuários do Arxiv é grande).

A ideia proposta por Poplawski nessas duas publicações confronta, de certa maneira, a teoria do Big Bang, que define que o Universo teria surgido a partir da expansão de uma grande concentração de massa e energia há 13,7 bilhões de anos. É a teoria que tenta explicar a origem do Universo mais aceita na atualidade.

Para os críticos da ideia do Big Bang como origem de tudo, a simples identificação de um momento como o "começo" do Universo é uma proposta irracional. No Brasil, um desses críticos é o físico Mário Novello, pesquisador e professor titular no Instituto Brasileiro de Cosmologia, Relatividade e Astrofísica, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), do Rio de Janeiro, e autor de "Do Big Bang ao Universo Eterno" (Zahar).

Para Novello, caso existisse um "começo singular", o Universo não admitiria uma explicação racional para toda a sua história. Afinal, trata-se de um contexto em que, por exemplo, há uma temperatura infinita e uma densidade infinita. Se não é possível quantificar o infinito, a teoria não daria conta da explicação do fenômeno.

"Consequentemente, a ciência moderna, que teve início lá atrás, com Tycho Brahe, Galileu Galilei e outros astrônomos, teria chegado ao seu limite", diz Novello.

A cosmologia está longe de chegar ao seu limite e, aliás, é uma ciência recentemente institucionalizada. No Brasil, o Instituto Brasileiro de Cosmologia foi criado em 2003, sob o nariz torto da Sociedade Brasileira de Física. Vários países que ainda não tinham seus institutos seguiram a trajetória tupiniquim, como Índia, Canadá, França e Rússia. E, com laboratórios próprios, cosmólogos do mundo inteiro tentam projetar modelos matemáticos para explicar, por exemplo, de onde veio este Universo.

Se o polonês estiver certo e se este Universo tiver surgido de um buraco negro, como teria se originado o buraco negro primordial? A física diz que um buraco negro é gerado por uma estrela que se contraiu. Todas as estrelas (astros que emitem luz própria) precisam de combustível para "se manter" -no caso do Sol, hidrogênio, que se transforma em hélio por fusão nuclear. Quando o combustível de uma estrela acaba, ela começa a se contrair pela ação da própria gravidade.

Se a massa da estrela for muito grande (com campo gravitacional muito intenso), não há nenhum mecanismo conhecido que possa deter sua contração. Nesse caso, o colapso culmina num buraco negro.

A partir daqui, desenrola-se a teoria de Poplawski. Segundo ele, o buraco negro, no seu limite de contração (o que é chamado de "horizonte de eventos"), teria uma expansão rápida e daria origem a um Universo. Assim, esse Universo estaria dentro de um imenso buraco negro que se expandiu violentamente depois de sua contração parar.

"Antes disso, nosso Universo era uma estrela que vivia no interior de outro grande Universo", explica o físico. Em outras palavras, cada Universo viveria dentro de buracos negros que, por sua vez, poderiam possuir estrelas que, se altamente contraídas, dariam origem a novos buracos negros, com novos Universos dentro.

As explicações físicas para os buracos negros -que têm campos gravitacionais muito intensos- são complexas. A lei da gravitação de Isaac Newton, do século 17, por exemplo, não é suficiente para esclarecer esses corpos. Entram, então, em cena as famosas equações de Albert Einstein, propostas em 1915, sem as quais não é possível descrever o que acontece com um buraco negro. Poplawski apropriou-se amplamente dessas equações nos seus estudos.

Mas há uma limitação da teoria de Einstein, que pressupõe um campo gravitacional infinito. "Afinal, não pode haver quantidades infinitas na natureza", explica o físico e divulgador científico Roberto Belisário, doutor pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

Como a descrição de Einstein, portanto, não é completa, é preciso também levar em conta a mecânica quântica, que desde o início do século 20 fornece descrições mais precisas sobre sistemas microscópicos na tentativa de explicar fenômenos macroscópicos.

A teoria de Poplawski de que o Universo estaria dentro de um buraco negro vai além de uma inspiração sobre a origem do Universo. Ela quer também explicar uma das maiores inquietações da humanidade que serve, incansavelmente, de pano de fundo para a ficção científica: por que o tempo só anda para a frente?

A ideia da seta temporal em apenas uma direção, de maneira que não podemos voltar no tempo, mas apenas viajar pelo espaço, tem a ver, de acordo com o polonês, com uma espécie de herança que o Universo "filho" herdaria do buraco negro "mãe". Universos filhos receberiam as propriedades, como o sentido do tempo, de suas mães, e se manteriam em assimetria com elas, assim como pedacinhos de papel jogados por uma janela seguem a direção do vento. E como o buraco negro se expande sempre numa única direção (por bilhões de anos), no Universo filho também só será possível viajar rumo a um único lugar: o futuro.

Se fosse possível detectar essas propriedades transmitidas de "mãe para filho", haveria uma prova experimental da ideia do cientista polonês. Mas, ao que parece, a proposta do autor não foi construir uma teoria "testável", mas mostrar que é possível dar conta da assimetria do tempo e da expansão do Universo com uma teoria. Para testá-la, os trabalhos de Poplawski precisariam ser aperfeiçoados de modo a incluir fenômenos novos e observáveis.

Mas essa tarefa fica para a frente -para o futuro.

Texto retirado de: Jornal da Ciência

Pista para a gravitação quântica

Grupo de físicos brasileiros desenvolve um meio de reproduzir em laboratório os efeitos da gravitação quântica presente em buracos negros. Artigo acaba de ser publicado na Physical Review Letters (Nasa)
A medição direta de efeitos de gravitação quântica é praticamente impossível. Os motivos são que eles têm origem em locais inacessíveis ao homem, como em buracos negros, e seus efeitos são extremamente sutis.
Mas um grupo de físicos brasileiros desenvolveu um meio de se estudar indiretamente um desses fenômenos, a flutuação da velocidade da luz, por meio de experimentos de propagação ondas acústicas em fluídos com aleatoriedade, como em coloides, líquidos heterogênios que contêm partículas ou moléculas de diferentes tamanhos em suspensão - o leite é um exemplo.
O trabalho foi realizado por Gastão Krein, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Nami Svaiter, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), e Gabriel Menezes, pós-doutorando da Unesp. Os resultados foram publicados no dia 20 de setembro na revista Physical Review Letters.

"Em uma conversa que tivemos com Svaiter, surgiu a ideia de que a propagação do som em fluidos coloides poderia apresentar efeitos simililares aos da luz em ambientes nos quais a gravitação quântica seria relevante", disse Krein à Agência Fapesp.

Menezes foi o elo entre Krein e Svaiter. Atualmente com Bolsa de Pós-Doutorado da Fapesp, orientado por Krein, Menezes foi orientado por Svaiter no CBPF em seu doutorado.

O encontro entre os físicos foi importante para a concepção da pesquisa, uma vez que Krein tem larga experiência em estudos com equações com flutuações aleatórias e Svaiter é especialista em gravitação quântica, tendo desenvolvido estudos de seus efeitos com Lawrence Ford, da Universidade Tufts, nos Estados Unidos.
Flutuações em um fluido podem ser clássicas ou quânticas. O artigo demonstra a validade de se usar microvibrações em coloides como plataforma para estudo da gravitação quântica. Segundo o estudo, os dois fenômenos são descritos por equações matemáticas similares.
Se estudos com coloides são comuns e conhecidos, o mesmo não se pode dizer do segundo fenômeno. Um dos feitos da gravidade quântica é que velocidade da luz não é uma constante, como ensina a física clássica, mas flutua de um ponto a outro devido aos efeitos quânticos. Estima-se que esse tipo de gravidade esteja presente em buracos negros e tenha vigorado durante o Big Bang.
Outros experimentos com fluidos já haviam sido propostos para estudar efeitos de gravidade quântica, mas o brasileiro é o primeiro a contemplar o estudo das flutuações da velocidade da luz através da flutuações da velocidade de propagação de ondas acústicas em fluídos.

Segundo Krein, o mérito da pesquisa foi ter apontado um meio de simular em laboratório um fenômeno de observação muito difícil. "O comportamento das ondas acústicas ao se propagar em um meio aleatório, como os coloides, permite trazer a um laboratório efeitos análogos aos da gravitação quântica", disse.

Radiação Hawking

Krein e colegas pretendem investigar, por meio de modelos com fluidos, o equivalente a um buraco negro e como vibrações acústicas quânticas são criadas e destruídas próximos a essas formações no espaço.
Os físicos buscam compreender melhor o fenômeno conhecido como "radiação Hawking", prevista em 1973 pelo físico inglês Stephen Hawking. Segundo Hawking, os buracos negros encolhem com a perda de energia por meio dessa radiação.
Krein, Svaiter e Menezes procuram também grupos experimentais de pesquisa que investiguem fluidos e se interessem em fazer experimentos nessa área.
"Com um fluido, podemos controlar parâmetros do experimento, como a densidade e a concentração das partículas em suspensão, e, com isso, aprender como muda a propagação do som de maneira controlável no laboratório. Isso permitirá construir correlações dos resultados com o que ocorre na gravitação quântica", disse Krein.

Fonte: Jornal da Ciência

Entrevista com Edward Witten

Para quem entende inglês. Muito interessante essa intrevista com com Edward Witten. 

Breve descrição para os desavisados:

Doutorou-se na Universidade de Princeton em 1976. Witten dedica-se sobretudo à teoria das supercordas, trabalhando sobre a noção de supersimetria. Em 1990 recebeu a Medalha Fields, devido ao estudo que fez sobre as relações entre a geometria e a física teórica. Em 1995 desenvolveu a teoria-M uniformizando várias teorias das cordas. Em 15 de maio de 2006 foi indicado para integrar a Pontifícia Academia das Ciências.

Experimento lança dúvida sobre uma das teorias fundamentais da física

A teoria desenvolvida pela ciência no século 20 para explicar todos os fenômenos elétricos, magnéticos e a forma como a luz interage com a matéria está sendo desafiada por um importante resultado experimental. Considerada pelo ganhador do Nobel Richard Feynman a "joia da física - nosso maior orgulho", a eletrodinâmica quântica, ou QED, pode acabar se revelando um diamante imperfeito.

Divulgação/NatureCapa da revista Nature desta semana, com a descoberta da medida do próton

Não é pouca coisa: a QED é uma das teorias mais bem-sucedidas de todos os tempos. No livro que escreveu sobre o assunto, QED, A Estranha Teoria da Luz e da Matéria, Feynman (que morreu em 1988), compara a exatidão dos resultados produzidos com base nela à de uma medida da distância entre as cidades de Los Angeles e Nova York - de mais de 3.900 km - que fosse correta até a espessura de um fio de cabelo.

 

O experimento que está pondo a precisão da QED em jogo sonda espaços muito menores que o da largura de um cabelo humano, no entanto. Descrito na edição desta semana da revista Nature, ele representa a medição mais perfeita já obtida do raio do próton, uma das partículas fundamentais da matéria, presente no núcleo de todos os átomos. Se a espessura de um fio de cabelo se mede em micrômetros, ou milionésimos de metro, o raio de próton é apenas uma fração de femtômetro. É preciso um trilhão de femtômetros para fazer um milímetro.



O raio do próton apresentado na Nature é da ordem de 0,84 femtômetro. Experimentos mais antigos, no entanto, haviam fixado um valor mais próximo de 0,87. A diferença, embora pareça pequena, fica além das margens de erro estatístico e pode representar a primeira rachadura na couraça da QED, teoria que serviu de base para os cálculos realizados tanto na medição atual quanto nas anteriores.



Erro, revolução e cautela



Entre os cientistas, a discrepância, com sua sugestão implícita de uma falha na estrutura da QED, ao mesmo tempo entusiasma, intriga e inspira cautela. "Um problema na física da QED é a explicação menos provável, mas de longe a mais interessante e a principal motivação para trabalhos assim", resume o físico Jeff Flowers, do Laboratório Nacional de Física do Reino Unido e autor de um comentário que acompanha o artigo na Nature.

                                                 

Flowers considera como mais prováveis causas para a diferença um erro de cálculo ou de experimento, cometido na medição atual ou em trabalhos prévios. Mas faz uma ressalva: "Por causa da discrepância entre o resultado deste artigo e os trabalhos anteriores, o artigo foi revisado, tanto formal quanto informalmente, por especialistas em física teórica e experimental, e ninguém conseguiu apontar um erro. Claro, isso não prova que não haja erro, mas ele com certeza não é óbvio".

Parte do aparato laser usado para medir o tamanho do próton. F. Reiser/PSI/Divulgação

O principal autor do artigo com o novo raio do próton, Randolf Pohl, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, também diz que não está convencido de que a QED tenha falhado. "Mas estamos muito intrigados", reconhece. "Os experimentos são todos muito precisos e redundantes, então é difícil ver como poderiam ter errado tanto. E os teóricos acreditam que seus cálculos estão corretos".

"Minha opinião pessoal", diz ele, "é que temos muito trabalho pela frente", envolvendo novos experimentos e revisão dos cálculos. "Só se ninguém encontrar um erro é que poderemos presumir que a QED está em apuros".



Novas teorias e tecnologias



Mas o que significaria a QED estar em apuros? O fato de equipamentos eletrônicos funcionarem é uma prova de que ela não pode estar muito errada. Pohl concorda: "Sim, se a QED estiver errada, seria um efeito muito sutil, que não afetaria o funcionamento interno de televisores ou computadores".



Flowers, por sua vez, lembra que há casos na história da ciência em que o que parecia ser apenas uma pequena correção teórica, num determinado momento, acabou se revelando uma revolução filosófica e técnica mais à frente.



"A Relatividade Geral poderia ter sido apenas uma pequena perturbação da gravidade newtoniana", exemplifica, referindo-se à interpretação de Albert Einstein para os efeitos gravitacionais, que difere da teoria clássica de Isaac Newton. "No entanto, essa pequena perturbação acabou se revelando muito significativa". Não só filosoficamente a relatividade é "uma mudança radical de pensamento", diz ele, como na prática a teoria de Einstein se mostrou necessária para aplicações tecnológicas de alta precisão, como o sistema GPS.



"Como na gravidade newtoniana, uma falha da QED terá, de imediato, implicações para a física e para o nosso modelo do mundo e, no futuro, possivelmente em aplicações de alta precisão e tecnologias que ainda não conhecemos", especula.



Uma "física além da QED", capaz de explicar o resultado experimental, poderia incluir uma nova partícula subatômica, ainda desconhecida e não prevista nas teorias atuais. "Trata-se de possibilidade altamente especulativa e que só tem sido discutida em 'coffee-breaks' por enquanto", adverte Pohl.



"Podemos olhar novamente para a história, onde tem havido um ciclo de teorias sendo derrubadas por experimentos e levando a novas teorias", diz Flowers. "Esperamos continuar a refinar nossa compreensão e nossa capacidade de manipular o mundo físico".



O experimento



A medição do raio do próton foi feita por uma equipe de cientistas europeus liderada por Randolf Pohl e realizada no Instituto Paul-Sherrer, na Suíça. Os pesquisadores obtiveram sucesso na tentativa de substituir o elétron de um átomo de hidrogênio por uma partícula com a mesma carga elétrica, mas mais pesada, o múon.



O hidrogênio é o átomo mais simples que existe, composto apenas por um próton no núcleo e um elétron em órbita. Sendo mais pesado, o múon descreve uma órbita em torno do núcleo muito mais estreita que a do elétron e, por isso, sofre perturbações intensas, provocadas pela proximidade do próton.



Medindo essas perturbações com o uso de raios laser, os cientistas deduziram o raio do próton com uma precisão dez vezes maior que a permitida por outros experimentos. A ideia de usar "hidrogênio de múons" para medir o próton existia há décadas, mas desafios tecnológicos só permitiram que a experiência fosse tentada há poucos anos. O sucesso, afinal, veio em 2009.



"Até onde sabemos, os elétrons são partículas pontuais. Os prótons, não", explica Pohl. "São feitos de três quarks, muitos pares virtuais quark-antiquark e muitos glúons. Se você pensar no próton como uma nuvem difusa de quarks e glúons, essa nuvem ocupa algum espaço". A medição realizada permite obter um valor que pode ser interpretado como o raio médio da nuvem.



O fato de o próton ser menor do que se imaginava não significa, no entanto, que o conteúdo de espaço vazio embutido em matéria feita de átomos - planetas, árvores, pessoas - seja muito maior.



"O que conta não é o tamanho das partículas constituintes, mas o alcance da interação eletromagnética", diz Pohl. "Nesse aspecto, os átomos continuam a ser do mesmo tamanho. Além disso, o vazio não é de todo vazio. De acordo com a QED, o vácuo no interior dos átomos e dos prótons está repleto de fótons e partículas virtuais. Mas essa é outra história".



Abaixo, um vídeo sobre a execução do experimento:



Fonte: http://www.estadao.com.br/

É isso meus caros, cada vez mais acredito no que Sócrates dizia: "Só sei que nada sei." Nem isso estamos sabendo mais. A natureza é algo lindo, e o que tem de beleza tem de complexidade. Estamos presenciando um novo momento na física.

Clave de Pi - "O conhecimento é a harmonia da vida."

A volta dos misteriosos neutrinos

Artigo de Marcelo Gleiser
"Imagine que um sorvete de chocolate se transforme em um de baunilha: há partículas que fazem isso" Marcelo Gleiser é professor de física teórica no Dartmouth College, em Hanover (EUA). Artigo publicado na "Folha de SP": Na semana passada, manchetes traziam novas dos fantasmagóricos neutrinos. Desta vez, as notícias vinham do experimento chamado Opera, situado na montanha de Gran Sasso, na Itália. Cientistas anunciaram ter presenciado a mutação de um neutrino do tipo múon em outro do tipo tau. Esta afirmação um tanto misteriosa pode abrir uma nova janela para o Universo. Neutrinos têm uma história cercada de mistério. Sua existência foi prevista pelo físico Wolfgang Pauli em 1930 para solucionar um grave problema: experimentos com núcleos radioativos que emitiam elétrons pareciam ter energia faltando. E nada é mais sagrado em física do que a lei de conservação de energia. O italiano Enrico Fermi sugeriu o nome de neutrino, "picollo neutrone", para a nova partícula que, segundo a teoria, não deveria ter carga elétrica ou massa. Devido à ausência de carga e massa, não é nada fácil detectar neutrinos. De fato, foram descobertos apenas em 1956, 26 anos após a previsão de Pauli. Mas as coisas não eram assim tão simples. Entre a década de 1960 e 2000, mais uma vez neutrinos causavam confusão. A estória começa no coração do Sol, onde neutrinos são produzidos em profusão a cada vez que processos nucleares fundem núcleos de hidrogênio (i.e., prótons) em núcleos de hélio. Nossa estrela-mãe é uma gigantesca fábrica de neutrinos. A cada segundo, cada um de nós é bombardeado por trilhões deles. Há muitos modos de perceber nossa relação com o Sol... O problema era que experimentos projetados para "contar" os neutrinos vindos do Sol achavam apenas um terço deles. Será que as teorias de como o Sol brilha estavam erradas? Ou eram os experimentos? Ray Davis, físico experimental, insistia que tudo estava certo. John Bahcal, teórico, também não via erros em sua teoria. Com o tempo, ficou claro que os experimentos estavam certos. O problema, outra vez, eram os neutrinos e seu comportamento bizarro. Imagine que o sabor de seu sorvete possa mudar de morango para baunilha ou chocolate. Os neutrinos são assim. Eles vêm em três "sabores": o neutrino do elétron, o do múon e o do tau. Múons e taus são partículas similares ao elétron, mas mais pesadas. O interessante é que essa metamorfose só pode ocorrer se os neutrinos têm massa! Portanto, a razão pela qual Davis achou só um terço dos neutrinos é que, do Sol até aqui, os neutrinos do elétron se transformam nos outros dois. Sua descoberta lhe rendeu um Nobel. Isso remete ao resultado do Opera. Ao observar a metamorfose de um neutrino do múon a um neutrino do tau, físicos confirmaram que eles têm massa. Isso significa que o Modelo Padrão das partículas, repositório de tudo o que sabemos do mundo subatômico, tem de ser modificado: mais uma vez, neutrinos revelaram uma nova física, além da que conhecemos no momento. Resta saber que nova física será esta. Com frequência na história, novos instrumentos abrem novas janelas para o cosmo, iluminando um pouco da escuridão que nos cerca. Tal como as pequenas flutuações de energia detectadas quando neutrinos mudam de tipo, cada nova descoberta nos permite ver um pouco além. A ciência é como uma luz nas trevas, como dizia Carl Sagan. Fonte: Jornal da Ciência

Condensado de Bose-Einstein

Para elucidar possíveis dúvidas sobre a notícia do post anterior, segue abaixo um artigo sobre o condensado de Bose-Einstein.

O Condensado de Bose-Einstein é uma fase da matéria formada por bósons a uma temperatura muito próxima do zero absoluto. Nestas condições, uma grande fracção de átomos atinge o mais baixo estado quântico, e nestas condições os efeitos quânticos podem ser observados à escala macroscópica. A existência deste estado da matéria como consequência da mecânica quântica foi inicialmente prevista por Albert Einstein em 1925, no seguimento do trabalho efectuado por Satyendra Nath Bose. O primeiro condensado deste tipo foi produzido setenta anos mais tarde por Eric Cornell e Carl Wieman em 1995, na Universidade de Colorado em Boulder, usando um gás de átomos de rubídio arrefecido a 170 nanokelvins (nK).

Teoria

O abrandamento de átomos por meio de arrefecimento produz um estado quantico único conhecido como condensado de Bose ou condensado de Bose-Einstein. Este fenômeno foi teorizado nos anos 20 por Albert Einstein, ao generalizar o trabalho de Satyendra Nath Bose sobre a mecânica estatística dos Fótons (sem massa) para átomos (com massa). (O manuscrito de Einstein, que se pensava estar perdido, foi encontrado em 2005 numa biblioteca da Universidade de Leiden). O resultado do trabalho de Bose e Einstein é o conceito de gás de Bose, governado pela estatística de Bose-Einstein que descreve a distribuição estatística de partículas idênticas de spin inteiro, conhecidas hoje em dia como Bósons. As partículas bosónicas, que incluem o Fóton e átomos como o hélio-4 podem partilhar estados quanticos umas com as outras. Einstein especulou que arrefecendo os átomos bosónicos até temperaturas muito baixas os faria colapsar (ou "condensar") para o mais baixo estado quantico acessível, resultando numa nova forma de matéria.

Esta transição ocorre abaixo de uma temperatura crítica, a qual, para um gás tri-dimensional uniforme consistindo em partículas não-interactivas e sem graus internos de liberdade aparentes, é dada por:

$$T_c = \left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{\frac{2}{3}}\frac{h^2}{2\pi m k_B}$$

onde:
$$T_c$$ é a temperatura critica;
$$n$$     a densidade da partícula;
$$m$$    a massa por bóson;
$$h$$     a constante de Planck;
$$k_B$$ a constante de Boltzmann;
$$\zeta$$a função zeta de Riemann.


Fonte: Wikipédia - Condensado de Bose-Einstein.

Matemática, Física e o dia-a-dia

Muitos alunos perguntam-se, por que estudar matemática, física? Para que isso serve? É lógico que se você está lendo esse post, é por que pelo menos acha a matemática e a física algo, digamos, interessante. Porém, certamente você conhece pessoas que não gostam dessas ciências. Por isso, resolvemos citar alguns exemplos da física e da matemática que vemos em nosso dia-a-dia.

Logo que acordamos, temos o nosso primeiro contato com a matemática. Quando estamos abrindo os nossos olhos, prontos para o começo de um novo dia olhamos para um RELÓGIO. O relógio é uma das primeiras invenções da humanidade, e consiste em padronizar o tempo, e dividi-lo de forma exata. Algo que somente com a ajuda da matemática podemos compreender.

Quando vemos o noticiário, ficamos atentos à temperatura que terá o dia. E isso foi graças aos físicos e matemáticos, que trabalharam para poder padronizar a temperatura, e com isso nós podermos entender se faz frio, calor, e por que isso tudo acontece. As escalas foram um grande marco para as ciências experimentais.

Chegamos do trabalho e da escola. Estamos cansadíssimos. Você aluno(a) que teve de aturar aquele professor de literatura, ou você engenheiro que teve que lidar com um cliente enjoado. Vários motivos deixam-nos cansados e fatigados ao final do dia. E muitos de nós “descansamos” em frente à uma televisão ou a um computador. E, vocês que odeiam a matemática têm que dar graças a Deus pelo cidadão que inventou os monitores. O que muita gente não sabe, é que tanto a televisão quanto a tela do computador, são imensas matrizes (que você vê no ensino médio) e que nos proporcionam divertimento e nos fascinam.

O fato é que, a matemática é de muita importância para a nossa vida. Portanto, se você conhece alguma pessoa que tem aversão à ela, indique o nosso blog.

Obrigado!

Jhonatas Alfradique (editor)

A dança do magnetismo terrestre, artigo de Marcelo Gleiser

Os pólos magnéticos da Terra passam por inversões: de vez em quando, o que é norte vira sul, e vice-versa Marcelo Gleiser é professor de física teórica do Dartmouth College, em Hanover (EUA), e autor do livro "O Fim da Terra e do Céu". Artigo publicado na “Folha de SP”: Em suas notas autobiográficas, Einstein conta como ele ganhou uma bússola de presente de seu pai quando tinha cinco anos: "Ainda me lembro ou acredito que me lembro que essa experiência causou um profundo efeito sobre mim. Algo de fundamental tinha de estar escondido por trás das coisas". A bússola de Einstein, como qualquer outra, apontava para o norte, independentemente de onde estivesse: o metal da agulha tende a se alinhar com o campo magnético da Terra, que corre na direção norte-sul. Essa observação, tão óbvia quanto a volta do Sol a cada dia, que marinheiros e pássaros usam para se orientar em suas viagens, não tem nada de trivial. O fato de a Terra ser um gigantesco ímã se deve a uma confluência de fatores, que só agora começam a ser entendidos. Dentre as descobertas relativamente recentes, a mais chocante é a de que os pólos magnéticos da Terra -quase alinhados com seus pólos geográficos (daí a utilidade da bússola)- passam por inversões: de vez em quando, o que é norte vira sul, e vice-versa. A questão é quando será a próxima. A última inversão de polaridade ocorreu há 780 mil anos, bem mais tempo do que a média de 250 mil anos. Por alguma razão, os intervalos entre elas vêm encolhendo nos últimos 120 milhões de anos. Sabemos disso porque cada inversão deixa uma assinatura nas rochas magnéticas, suscetíveis a mudanças de orientação do magnetismo terrestre quando aquecidas. Ao resfriarem, mantêm a nova orientação, reproduzindo no tempo a coreografia dos pólos magnéticos. Portanto, a próxima inversão está bem atrasada. Vivemos num período de relativa estabilidade que não durará para sempre. E os primeiros sinais estão já aparecendo. Dados colhidos por satélites em 1980 e em 1999 mostram que ilhas de polaridade oposta no campo magnético terrestre estão crescendo. Imagine uma bola de futebol com o hemisfério sul pintado de azul e o norte de vermelho. As medidas indicam que dentro da região vermelha existem manchas azuis, e vice-versa, e que essas manchas aumentaram nos últimos 20 anos. A suspeita é que elas sejam os precursores da próxima inversão. O campo magnético terrestre se reduziu em 10% desde 1830. O centro da Terra é uma esfera de metal líquido, principalmente ferro, com volume seis vezes maior que o da Lua inteira. Devido à enorme pressão exercida pela crosta e pelo manto, 2 milhões de vezes maior no centro do que na superfície, a temperatura lá chega a 5.000 C, comparável à superfície do Sol. Como em uma sopa, bolhas de metal mais quente e, portanto, menos denso, tendem a subir. Na subida, elas se resfriam e voltam a afundar. Esse processo, chamado de convecção, transporta calor do centro da Terra para a região entre o centro e o manto. O metal líquido conduz eletricidade. Quando adicionamos a rotação da Terra, temos uma esfera de metal líquido e borbulhante girando, essencialmente um gerador elétrico, ou dínamo. Em geradores comuns, o que gira são fios metálicos que transportam corrente. Desse movimento nasce um campo magnético que varia ao longo do tempo. A Terra é um gigantesco dínamo. Sua corrente muda ocasionalmente de direção, invertendo a polaridade de seu campo magnético. Simulações em computadores e experimentos em laboratório têm ajudado no estudo das inversões. Um satélite internacional está tomando novas medidas. Mesmo assim, não podemos ainda prever quando a próxima irá ocorrer. No meio tempo, é bom ficar de olho nos pássaros e nas bússolas.  Fonte: Jornal da Ciência

Fusão Nuclear

É o processo no qual dois ou mais núcleos atómicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje início do século XXI, o homem ainda não conseguiu encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão. O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, a cadeia próton-próton é a reacção dominante. Em estrelas mais pesadas, predomina o ciclo CNO.
Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e o núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia emitida.
Utilizando a equação E=mc², pode-se calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massa. Uma vez que o valor do "c" é muito grande ( aprox. 3 . 10⁸ m/s ), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. É este fato que levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão para gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm³ de deutério, um isótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão).

Requisitos para a fusão

Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, dois núcleos expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática que atua entre seus protões positivamente carregados. Se os núcleos puderem ser aproximados suficientemente, porém, a barreira eletrostática pode ser sobrepujada pela força nuclear forte a qual é mais poderosa a curta distância do que a repulsão eletromagnética.

Quando um núcleo tal como o próton ou nêutron é adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outros núcleons, mas principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Os núcleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande razão de superfície para volume, a energia de ligação por núcleon devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à vizinhança do núcleon totalmente preenchida.

A força eletrostática, por outro lado, é uma força proporcional ao inverso do quadrado da distância; então, um próton adicionado ao núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de todos os prótons no núcleo. A energia eletrostática por núcleon devido à força eletrostática irá portanto aumentar independentemente do tamanho do núcleo.

O resultado combinado destas duas forças opostas é que a energia de ligação por núcleon geralmente aumenta com o aumento de tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do tamanho de ferro e níquel, e diminui para núcleos mais pesados. Eventualmente, a energia de ligação se torna negativa e núcleos muitos pesados não são estáveis. Os quatro núcleos blindados mais compactos, em ordem decrescente de energia de ligação, são ⁶²Ni, ⁵⁸Fe, ⁵⁶Fe, and ⁶⁰Ni. Embora o isótopo do Níquel ⁶²Ni seja o mais estável, o isótopo do Ferro ⁵⁶Fe é uma ordem de magnitude mais comum. Isto é devido em grande parte à grande razão de desintegração do ⁶²Ni no interior de estrelas conduzida pela absorção de fótons.

Uma notável exceção a esta regra geral é o núcleo do hélio-4, cuja energia de ligação é maior que a do lítio, o próximo elemento mais pesado. O princípio de exclusão de Pauli provê um explicação para este comportamento excepcional – isto se dá porque os prótons e nêutrons são férmions, eles não podem coexistir exatamente no mesmo estado. Cada estado energético de um próton ou nêutron em um núcleo pode acomodar uma partícula de spin para abaixo e outra de spin para acima. O Hélio-4 tem uma banda de energia de ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste de dois prótons e dois nêutrons; então todos os núcleons dele podem estar em um estado fundamental. Qualquer núcleon adicional deverá ir para um estado energético alto.

A situação é similar se dois núcleos são colocados juntos. Ao se aproximarem, todos os prótons em um núcleo repelem todos os prótons do outro, até o ponto em que os dois núcleos entrem em contato para que a força nuclear forte domine. Consequentemente, mesmo quando o estado de energia final é mais baixo, há uma grande barreira energética que deve ser ultrapassada primeiro. Na química, este fato é conhecido como energia de ativação. Em física nuclear ele é chamado de barreira de Coulomb.

A barreira de Coulomb é menor para os isótopos do hidrogênio – eles contêm uma única carga positiva em seus núcleos. Um bipróton não é estável, então os nêutrons devem ser envolvidos, de forma a produzir um núcleo de hélio.

Usando combustível deutério-trítio, a barreira de energia resultante é de cerca de 0,1 MeV. Em comparação, a energia necessária para remover um elétron do hidrogênio é 13,6 eV, cerca 7.500 vezes menos energia. O resultado (intermediário) da fusão é um núcleo instável de ⁵He, o qual imediatamente ejeta um nêutron com 14,1 MeV. A energia recuperada do núcleo de ⁴He remanescente é 3,5 MeV, então a energia total liberada é 17,6 MeV. Isto é muitas vezes mais que a barreira de energia a ser transposta.

Se a energia para iniciar a reação vem da aceleração de um núcleo, o processo é chamado de fusão por projétil-alvo; se ambos os núcleos são acelerados, isto é fusão projétil|projétil. Se o núcleo faz parte de um plasma próximo ao equilíbrio térmico, denominamos fusão termonuclear. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas, então por aquecimento o núcleo deverá ganhar energia e eventualmente transpor a barreira de 0,1 MeV. A conversão das unidade entres elétron-volts e kelvins mostra que esta barreira será transposta quando a temperatura ultrapassar 1 GK, obviamente uma temperatura muito alta.

Há dois fatos que podem diminuir a temperatura necessária. Um é o fato que a temperatura é uma média da energia cinética, implicando que alguns núcleos a esta temperatura poderão já ter uma energia maior que 0,1 MeV, enquanto outros um pouco menos. Estes núcleos na faixa de alta-energia da distribuição de velocidade participam da maioria das reações de fusão. O outro efeito é o tunelamento quântico. O núcleo não precisa sempre ter bastante energia, podendo atravessar, por efeito túnel, a barreira restante. Por esta razão, combustíveis a temperaturas menores podem experimentar eventos de fusão, a uma taxa mais baixa.

A seção transversal da reação σ é uma medida da probabilidade de reação de fusão com uma função da velocidade relativa dos dois núcleos reativos. Se os núcleos têm uma distribuição de velocidade, isto é, uma distribuição térmica com a fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre a distribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A taxa de reação (fusão por volume por tempo) é <σv> vezes o produto da densidade dos participantes:

$$\color{white}f = n_1 n_2 \langle \sigma v \rangle$$

Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação PP, então o produto n₁n₂ pode ser substituído por (1 / 2)n².

$$\color{white}\langle \sigma v \rangle$$ aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um significativo valor a temperatura de 10 - 100 keV. A estas temperaturas, bem abaixo da energia de ionização típica (13,6 eV no caso do hidrogênio), os reativos da fusão existem um estado de plasma.

O significado de <σv> como uma função da temperatura em um experimento com uma energia de tempo confinamento é determinado pela utilização do critério de Lawson.

Buracos Negros

Definição Geral

Quando um corpo não possui mais pressão suficiente para produzir uma força para fora que contrabalance o peso de suas camadas externas (Fig. 1), o corpo colapsa matematicamente a um ponto. Este ponto é chamado singularidade, onde a densidade tende ao infinito. (Uma "colherada" de tal matéria conteria a massa de centenas de sóis!). O campo gravitacional é tão forte que nem mesmo a luz é capaz de escapar e por isso tal corpo é chamado de Buraco Negro.

Fig. 1 Forças internas se equilibrando 

(em uma estrela)

Noções de gravitação aplicadas aos buracos negros

Para que um corpo de massa $$m_1$$ escape ao campo gravitacional de massa $$m_2$$ a uma distância R do centro deste corpo, sua energia cinética deve ser igual a energia potencial, portanto:

$$\frac{m_1.V_e^2}{2} = \frac{m_1.m_2.G}{R}$$

$$V_e = \sqrt{\frac{2G.m_2}{R}$$ Eq.1

onde $$V_e$$ é a velocidade de escape e G é a constante gravitacional. Daí podemos tirar alguns resultados para corpos conhecidos:

• Para a superfície da Terra $$V_e = 11,2 \text{km/s}$$

• Para uma estrela de nêutrons $$0,5c$$ onde c = 300.000 km/s (a velocidade da luz).

Distorção do espaço

Nas aproximações de um campo gravitacional forte, o espaço-tempo sofre uma distorção que provoca um aumento das distâncias a medida que nos aproximamos da massa central. Para campos gravitacionais fracos, essa distorção é despresível. Portanto seu estudo e aplicação restringe-se a objetos com campo gravitacional muito forte, como é o caso das estrelas compactas (anãs brancas, estrela de nêutrons), buracos negros ou galáxias massivas. A distorção acontece ao longo da direção radial, de forma que podemos determinar o comprimento de uma circunferência ao redor do buraco negro e calcular a área da esfera a qual ele pertence, mas não podemos determinar com o mesmo tipo de geometria (Euclidiana), o raio da circunferência.

Por exemplo: você está a bordo de um foguete orbitando um buraco negro com $$R_{sch}=3\text{km}$$ e dessa forma você mede a circunferência da órbita e então calcula (usando geometria Euclidiana) a distância (o raio da circunferência) até o buraco negro como sendo 30 km (distância suficiente para negligenciar a distorção do espaço). Então você anda 21,92 km em direção ao buraco negro e mede o raio da órbita. Você determina, dessa forma, que sua distância ao buraco negro é de 10 km e não 8,08 km como a geometria Euclidiana prevê. Agora vá em direção ao buraco negro 28,52 km a partir da posição original. Pode parecer que você ultrapassará o horizonte de eventos (3 km), mas isso não acontece. Então você determina o raio novamente e verifica que você ainda está a 5 km do buraco negro e não 1,68 km como a geometria Euclidiana prevê. Conclui-se claramente que o forte campo gravitacional distorceu o espaço.

A figura abaixo ilustra a distorção do espaço.

Fig. 2 - Uma fonte emissora S que esteja localizada na direção de um corpo supermassivo porém mais distante do que ele, terá sua radiação desviada de um ângulo $$theta$$ e você parecerá estar posicionado(a) em S'.

Tipos de buracos negros

Os buracos negros são considerados entidades físicas relativamente simples pelo fato de podermos descrevê-los e classificá-los conhecendo somente três características suas: massa, momento angular e carga elétrica. De acordo com a massa, podemos classificar os buracos negros em dois tipos principais:

• Buracos negros estelares: originados a partir da evolução de estrelas massivas e portanto com massa da ordem das massas estelares.
• Buracos negros supermassivos: encontrados nos centros das galáxias, com massas de milhões a um bilhão de vezes a massa solar, provavelmente formados quando o universo era bem mais jovem a partir do colapso de gigantescas nuvens de gás ou de aglomerados com milhões de estrelas.

Como se formam os buracos negros estelares

As estrelas nascem evoluem e morrem. A fase final da evolução estelar vai depender da massa inicial das estrelas e se elas evoluem isoladas ou em sistema binário fechado (em que as estrelas estão bem próximas entre si). Três finais possíveis são os seguintes:

• Se a massa inicial é $$< 3.M\odot$$*, durante e depois da fase de gigante vermelha a estrela perde massa e forma uma Anã Branca, com $$M < 1,4M\odot$$. Nesse caso ocorre a degenerescência eletrônica (os átomos perdem seus elétrons);
• Se a massa inicial é $$> 3.M\odot$$, a estrela, após a fase de gigante vermelha, explode como supernova, podendo ou não restar um "caroço" no centro. Se a massa deste "caroço" é menor que $$M < 2.M\odot$$ ele se transforma em uma estrela de neutrons, onde teremos degenerescência nuclear (elétrons e prótons se fundem em nêutrons);
• Se a massa do caroço após a explosão de supernova $$M > 2.M\odot$$, este colapsa a um buraco negro.

Obs.: Podem ser criados buracos negros ou estrelas de nêutrons com massas menores do que as acima nas explosões de supernovas. A explosão fornece energia suficiente para o "caroço" vencer a barreira de potencial que impediria o colapso. É como um grande impulso para dentro que fornece uma força suficiente para iniciar o processo de colapso até um Buraco Negro ou uma Estrela de Nêutrons.

Se a estrela evolui num sistema binário fechado, há transferência de matéria entre as estrelas de forma que muitas vezes uma delas acumula uma grande massa que provoca sua explosão como supernova. O resultado mais provável é a formação de uma Estrela de Nêutrons a partir do caroço que sobra da explosão, mas existem sistemas duplos, como o Cygnus X-1 em que a componente compacta parece ser um buraco negro. 

* $$M\odot \longrightarrow \text{significa massa do Sol}$$ 

Fonte: Instituto de Física - UFRGS
Thaisa Storchi Bergmann
Fausto Kuhn Berenguer Barbosa
Rodrigo S. Nemmen

Princípio da Incerteza

A "experiência de Young'' para elétrons, em particular a formação de uma figura de interferência mesmo quando o feixe de elétrons é tão rarefeito que não há dúvida de que os elétrons chegam um a um na tela, mostra que a física dos elétrons é incompatível com o conceito de trajetória.

Não existe, na mecânica quântica, o conceito de trajetória

 

Isto é o conteúdo do princípio da incerteza, um dos fundamentos da mecânica quântica, descoberto por Werner Heisenberg em 1927.
A maneira de se obter informações sobre um sistema quântico (que chamaremos, para simplificar, de elétron) é realizar interações entre ele e objetos clássicos, denominados aparelhos. Por hipótese esses aparelhos podem ser descritos pela mecânica clássica com a precisão que quisermos. Quando um elétron interage com um aparelho, o estado deste último é modificado. A natureza e magnitude dessa modificação dependem do estado do elétron, e servem, por isso, para caracterizá-lo quantitativamente. A interação entre o elétron e o aparelho é denominada medida. Um aparelho não precisa ser macroscópico. O movimento de um elétron numa câmara de Wilson é observado por meio da trajetória nebulosa que ele deixa; a espessura dessa trajetória é grande, comparada com as dimensões atômicas. Quando a trajetória de um elétron é determinada com essa baixa precisão, ele é um objeto inteiramente clássico.

A mecânica quântica, ao menos em seu estágio atual, ocupa um lugar pouco usual entre as teorias físicas: ela contém a mecânica clássica como um caso limite, e, ao mesmo tempo, necessita desse caso limite para estabelecer a sua linguagem.

O problema típico da mecânica quântica consiste em predizer o resultado de uma medida a partir dos resultados de um certo número de medidas anteriores. Além disso, veremos mais tarde que, em comparação com a mecânica clássica, a mecânica quântica restringe os valores das quantidades físicas medidas (por exemplo, a energia ). Os métodos da mecânica quântica permitem a determinação desses valores admissíveis.
O processo de medida na mecânica quântica tem uma propriedade muito importante: a medida sempre afeta o elétron medido, e é impossível, por questões de princípio, tornar o efeito da medida sobre o elétron arbitrariamente pequeno (como pode ser suposto na física clássica). Quanto mais exata a medida, mais intenso é o efeito sobre o elétron, e é somente em medidas de pouca precisão que o efeito da medida sobre o elétron pode ser considerado pequeno.

É um dos postulados fundamentais da mecânica quântica que as coordenadas, ou seja, a posição de um elétron pode sempre ser determinada com precisão arbitrária 2. Suponhamos que, a intervalos definidos $$\Delta t$$, sejam feitas medidas sucessivas das coordenadas de um elétron. Os resultados não estarão, em geral, sobre uma curva lisa. Ao contrário, quanto menor o valor de $$\Delta t$$, mais descontínuos e desordenados serão os resultados, de acordo com o fato de que não existe uma trajetória para o elétron. Uma trajetória razoavelmente lisa só é obtida se as coordenadas do elétron forem medidas com pouca precisão, como no caso de uma câmara de Wilson. Para informações sobre o que é uma câmara de Wilson, veja

http://rd11.web.cern.ch/RD11/rkb/PH14pp/node29.html#28

Se, mantendo-se imutada a precisão das medidas de posição, diminuirmos os intervalos $$\Delta t$$ entre as medidas, então medidas adjacentes darão valores vizinhos às coordenadas. Contudo, os resultados de uma série de medidas sucessivas, embora estejam em uma região reduzida do espaço, estarão distribuídas, nessa região, de uma forma totalmente irregular, e nunca em cima de uma curva lisa. Em particular, quando
$$\Delta t$$, tende a zero, os resultados das medidas adjacentes de nenhuma maneira tende a a estar sobre uma reta. Ora, a velocidade tem a direção da reta que, na física clássica, é obtida nesse limite. Esta circunstância mostra que, na mecânica quântica, não existe a velocidade da partícula no sentido clássico do termo, isto é, o limite de $$\frac{\Delta \overlongrightarrow{r}}{\Delta t}$$ quando $$\color{white}\Delta t \to 0$$.

Enquanto, na mecânica clássica, a partícula tem posição e velocidade bem definidas em cada instante, na mecânica quântica a situação é bem diferente. Se, como resultado de uma medida, determinam-se as coordenadas de um elétron, então sua velocidade é totalmente indefinida. Se, ao contrário, determina-se a velocidade de um elétron, então ele não pode ter uma posição definida no espaço. Assim, na mecânica quântica, a posições e a velocidade de um elétron são quantidades que não podem ter, simultaneamente, valores definidos.


Fonte: Instituto de Física  - USP