Muito além dos limites da “Física fundamental”

“O Universo que nossa razão concebe é um universo que ultrapassa,                                infinitamente…os limites da experiência humana.” (Henri Bergson)

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“De Onde vêm – o Espaço…e o Tempo?  Talvez sejamos ignorantes demais para compreender!”, comentou David Gross  (Nobel/2004) durante uma palestra      naCaltech algumas semanas atrás.

Curiosamente, a partir dessa palestra tenho me interessado por uma teoria,    que parece confirmar a ‘preocupação’    de Gross… – por ser…tão complicada.  

Mas, ao mesmo tempo observo o esforço com que pesquisadores vêm tentando, de todas as formas, melhor compreendê-la. E tudo isso se justifica porque, simplesmentea teoria promete um novo modo de entender — a fundo… como funciona… — o espaço e o tempo.    A Teoria Vasiliev leva a extremos uma ideia básica da física moderna, de que o mundo consiste de campos: eletromagnético, gravitacional, e mais alguns outros, refletindo as 4 forças da natureza, e seus tipos peculiares de matéria. A nova teoria, com efeito, postula um nº infinito de campos, resultantes de formas cada vez mais complexas…descritas pela propriedade quântico-mecânica do…spin…como um grau de “simetria rotacional”.

A teoria foi proposta, no final da década de 80, pelos físicos russos Mikhail Vasiliev e Efin Fradkin, do Lebedev Institute/Moscou, mas é tão matematicamente complexa e conceitualmente opaca, que em alguma reunião de físicos teóricos sempre que alguém  toca no assunto…a maioria fica muda, ou começa a falar sobre qualquer outro assunto,       o mais diverso possível. E foi apenas há alguns anos que a teoria começou a ser levada        a sério; quando brilhantes matemáticos, daqueles que sentem um prazer peculiar com problemas impossíveis – mergulharam de cabeça… – e mostraram que ela é…apenas,  quase impossível de se compreender. – Inspirado por essa coragem, tentarei explicar  esse ‘bicho de 7 cabeças’, sintetizando palestras que participei…ministradas por Steve Shenker, da Stanford University; Andy Strominger, de Harvarde Juan Maldacena, Princeton. Também me utilizarei de bate papos com Joe Polchinski do Instituto Kavli      de Física Teórica e Joan Simón da University of Edinburgh, na certeza de cooperação.

O campo eletromagnético, e sua partícula associada (fóton) tem spin –1. Se você  girá-lo 360 graus… ele fica com a mesma aparência. – Já o campo gravitacional, e sua partícula associada (“gráviton“)… tem spin –2… – só é preciso girá-lo 180 graus.      Já as partículas conhecidas da matéria como elétrons, têm spin –1/2; sendo preciso      girá-los 720 graus para voltarem à aparência original; característica ‘contra-intuitiva’,    que acaba explicando o motivo pelo qual essas partículas resistem à…”aglutinação“, dando assim, integridade à matéria. (O campo de Higgs com spin-0, tem a mesma aparência…sempre — e dessa forma…portanto, independe de seu grau de rotação.)

Na “teoria Vasiliev” há também spin-5/2, spin-3, spin-7/2, spin-4  e assim por diante. Os físicos costumavam acreditar que isso era impossível…O motivo é que esses campos de spin mais alto – por serem mais simétricosimplicariam em novas leis da Natureza, análogas às da conservação de energia…e, nenhum par de objetos poderia interagir, sem quebrar uma dessas leis… — A natureza colapsaria, como uma economia super-regulada.

À primeira vista — a teoria das cordas — principal candidata a uma teoria totalmente unificada, entra em conflito com essa ideia.  Uma ‘corda quântica’ elementar, assim como — 1 corda de violão, possui uma infinidade mais alta   de ‘campos de spin’, similar aos mais altos harmônicos. – Estes, entretanto… possuem um custo energético – que os faz ‘inertes’.

Vasiliev e Fradkin mostraram, que este raciocínio só se aplica, quando a gravidade é insignificante – e… o espaçotempo não é curvo. Pois em caso contrário,podem existir “campos de spin” elevados; e então, talvez a super-regulação  não seja um ‘monstro‘ assim tão feio… — Na verdade… — pode até ser uma boa notícia…

Campos de spin mais altos podem complementar o ‘princípio holográfico’ de forma de explicar a origem do espaço…do tempo…e da gravidade.

Suponha que você tenha um espaçotempo tridimensional (2 dimensões de espaço + 1 de tempo) preenchido por partículas que só interagem através de uma versão melhorada da força nuclear forte (não há gravidade). Em um ambiente assim, os objetos conseguem se comportar de uma ‘forma bem estruturada’… — Objetos de um dado tamanho só podem interagir com objetos de tamanho comparável – bem como … só interagem se estiverem próximos uns dos outros…O ‘tamanho’ desempenha o mesmo papel da posição espacial; podemos pensar nele como sendo uma nova dimensão espacialmaterializando-se a partir das interações das partículas – assim como se fosse uma figura num livro pop-up.

O espaçotempo 3D original, torna-se o limite de um espaçotempo 4D…com a nova dimensão representando a distância entre eles. Assim, não apenas uma dimensão espacial emerge, mas também a “força da gravidade“. – A força nuclear forte no espaço 3D, corresponde à ‘gravidade’ num espaçotempo 4D.

universo-holograficoUm ‘holograma a propósito, é uma imagem bidimensional, contendo todas informações tridimensionais referentes    a um determinado objeto. Assim sendo, consideramos o princípio holográfico de 2 maneiras: 1) Nosso universo é um espaço 4Dequivalente a algum limite tridimensional; ou…2) Nosso universo    é um limite D4com igual informação  àquela contida em um espaço de 5D.

No cenário 1, vivemos num espaço dentro do limite, e no cenário 2, estamos na fronteira, refletindo uma ordem superior da realidade que não percebemos diretamente. Ambas as teorias têm profundas implicações sobre a natureza do universo em que vivemos...Como formulado por Maldacena no final da década de 1990o ‘princípio holográfico descreve um universo maior — dentro do qual a ‘energia escura possui… “densidade negativa”, dobrando o espaçotempo, em uma assim chamada geometria anti-de SitterMas no ‘universo real’, a energia escura possui densidade positiva, para uma “geometria      de Sitter”, ou alguma aproximação dela. Logo, estender o princípio holográfico a uma geometria assim é complicado – O limite de um espaçotempo 4D… de De Sitter, é um espaço 3D que jaz no…’futuro infinito‘. – A dimensão emergente nesse caso não seria      de espaço, mas sim, de tempoo que é difícil de entender…mesmo para físicos teóricos.

Todavia, se for possível formular uma versão do ‘princípio holográfico‘ para uma geometria De Sitter, ela não apenas se aplicaria ao ‘universo real’, como também explicaria o que o tempo é…realmente…‘A falta de sua compreensão… é a raiz de quase todos os problemas da física hoje em dia’.

Holographic_twistÉ aí que entra ateoria Vasiliev, atuando, tanto numa geometria anti-De Sitter…quanto em uma geometria De Sitter; sendo que, neste último caso … o limite 3D    é dirigido por uma simplificada versão da força nuclear forte. Ao encarar o desafio e aceitar a teoria de Vasiliev – os físicos ‘facilitam seu próprio trabalho’.

No caso De Sitter o limite 3D correspondente é regido por um tipo de teoria de campo      no qual o tempo não opera, fica ‘estático’. — A estrutura da teoria dá então origem à dimensão tempo; que surge de uma forma inerentemente assimétrica; o que poderia justificar a unidirecionalidade entrópica inerente à seta do tempo. Normalmente, o ‘princípio holográfico’ consegue explicar o surgimento de uma dimensão, deixando as outras sem explicação. – Entretanto, a “teoria Vasiliev” pode nos mostrar a coisa toda:

“Campos de spin” mais altos têm grau de simetria ainda maior que o “campo gravitacional(‘Mais simetria significa menos estrutura’).

A ‘teoria da gravidade‘ (“relatividade geral”) afirma que o espaçotempo é como massa de modelar. A ‘teoria Vasiliev’ diz que ele é ainda mais modelável, possuindo muito pouca estrutura, o que permite realizar até funções mais básicas, como definir relações de causa  e efeito consistentes … ou, manter objetos distantes isolados uns dos outros. — Em outras palavras, a teoria é ainda mais não-linear que a relatividade geral… A matéria e geometria do espaçotempo estão tão completamente emaranhadasque se torna impossível separá-las, e a imagem padrão da matéria residindo no espaçotempo – se torna “indefensável”.

No universo primordial, onde a teoria Vasiliev dominava, o universo era uma bola amorfa.  Quando as simetrias de spin mais alto se quebraram… – ou, quando os ‘harmônicos’ mais altos das ‘cordas quânticas’ deixaram de funcionar, o “espaçotempo” surgiu…em toda sua completude. Talvez por isso não surpreenda que tal teoria seja tão complicada…Qualquer explicação da natureza do espaço e do tempo deve ser surpreendente… Mas, se por acaso, algum dia a acharem…com o passar do tempo a darão a seus alunos como “lição de casa”.

(texto base) Abril/2012 original: ‘Where Do Space and Time Come From?’  ********************************************************************

Físicos mais próximos da 5ª Força Fundamental da Natureza (fev/2013)              A própria Terra está sendo usada como laboratório para detetar partículas elusivas,        que poderiam comprovar a existência de uma 5ª força fundamental no Universo.

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As interações spin-spin de longo alcance (linhas azuis) permitem que os elétrons na superfície “sintam” seus parentes no interior da Terra, a milhares de kms de profundidade. [Imagem: Marc Airhart/Steve Jacobsen]

O ‘Modelo Padrão’ da Física é baseado em 4 forças fundamentais – gravidade, eletromagnetismo…força fraca, e força forte; sendo que as 2 últimas, atuando em escala atômica. Mas, certas teorias sugerem que pode haver uma 5ª força, permitindo às partículas subatômicas, “sentirem” umas às outras – mesmo a largas distâncias. São as “interações spin-spin de longo alcance” – que seriam uma propriedade fundamental dessas partículas virtuais, com efeito, tão estranhas, que costuma-se chamá-las de “não-partículas” (“unparticles”).

Se ela, de fato existir … essa exótica “5ª força da natureza” — conectaria a matéria na superfície da Terra…com a matéria, a centenas ou mesmo milhares de kms abaixo da superfície. – Isso significaria que, as partículas fundamentais dos átomos … elétrons, prótons e neutrons poderiam “sentir” umas às outras… mesmo a enormes distâncias.

“Não-partícula”                                                                                                                      Além de uma nova peça no quebra-cabeças da física, essa nova partícula traria                uma ferramenta totalmente nova…para estudar o inacessível interior da Terra,              fornecendo informações – sobre as características – e a composição do manto.

O momento angular intrínseco, ou spin, uma propriedade dos elétrons, é normalmente explicada por uma analogia com a interação magnética entre 2 ímãs. – Dependendo de como você posiciona os pólos magnéticos de um ímã, as interações dipolo podem criar atração ou repulsão entre os ímãs… Os físicos interpretam a interação magnética entre        os spins de duas partículas como sendo uma consequência da troca de ‘fótons virtuais’.  Há sugestões para uma… – “suposta existência”… de outros tipos de partículas – além      dos fótons, que poderiam ser utilizadas para uma…”troca virtual“…entre dois spins.

Embora um pico detectado no acelerador Tevratron, nos EUA, em 2010,                            tenha entusiasmado os pesquisadores com a possibilidade de identificar                            essa não-partícula… – os resultados até agora… têm sido inconclusivos.

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O estudo resultou em um mapa da magnitude e direção dos spins dos elétrons através da Terra, criado a partir de um modelo do interior da Terra e de medições precisas das linhas do campo geomagnético. [Imagem: Daniel Ang/Larry Hunter]

Interações spin-spin de longo alcance

Larry Hunter e seus colegas da Universidade Amherst, Massachusettsderam um impulso totalmente novo à busca pela ‘não-partícula’, ao projetar um…’equipamento‘, para detetar interações entre ‘geoelétrons‘ no manto…e partículas subatômicas na (superfície) Terra.  Essencialmente… eles estudaram se os spins de elétrons, neutrons e prótons medidos em vários laboratórios ao redor da Terra podem mudar sua energia…segundo sua orientação em relação à Terra (analogia muito próxima ao mecanismo de uma bússola). – Os “spins polarizados” se originam principalmente de elétrons de minerais ricos em ferro atuando no manto da Terra…se alinhando ao ‘campo magnético’ do planeta… — explicou Hunter:

“Nossos experimentos eliminaram a possibilidade da interação magnética,                      então procuramos por alguma outra interação – nos ‘spins experimentais’.                          Uma das interpretações dessa…’outra interação’… é que pode ser de longo                          alcance; entre os spins em nosso equipamentoe, os spins dos elétrons no                      interior da Terra — que estão alinhados pelo  campo geomagnético“.

Encurralando a 5ª força                                                                                                Embora os dados não tenham sido conclusivos, eles serviram para estipular                  limites muito mais precisos, para a faixa de valores que a 5º força possa ter.

Graças ao grande número de elétrons polarizados, a equipe foi capaz de limitar a magnitude da interação spin-spin entre 2 elétrons muito distantes um do outro,            para um valor cerca de 1 milhão de vezes menor do que sua atração gravitacional.                O estudo resultou em um mapa da magnitude e direção dos spins dos elétrons,      através da Terra, criado a partir de um modelo do interior da Terra…e, medições        precisas das linhas do “campo geomagnético”. – Os resultados deverão ajudar na elaboração de novos experimentos mais precisos, que possam finalmente detetar                  a quinta força fundamental – se ela de fato existir.

Para os físicos, os resultados poderão ser positivos…mudando a posição                    geográfica e orientação de 2 aparelhos de medição…que possam detetar                            com maior precisão… diferenças entre os valores dos spins. (texto base*******************************************************************

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Representação gráfica do núcleo do átomo de rádio 224, que pode ajudar a explicar por que há mais matéria do que antimatéria no Universo e revelar uma 5ª Força Fundamental da natureza. [Imagem: Liam Gaffney/Peter Butler/Universidade de Liverpool]

Uma nova5ª força fundamental?

O que o formato do núcleo de um átomo teria a ver com o início do Universo?… E com a antimatéria? E, com teorias sobre      o próprio átomo? (nucleo-formato-pera)

Na verdade um ‘núcleo atômico’ em forma de pera…pode se transformar em uma das descobertas mais relevantes da física…nos últimos tempos. – Mas, o que pode ser tão interessante nessa “pera atômica”?… Bem, um núcleo atômico é formado por prótons e neutrons – mantidos juntos pela ‘Força Nuclear Forte‘… – a qual se contrapõe à repulsão eletrostática, tendendo a separar os prótons – dentro do núcleo atômico.

A teoria mais simples diria que os núcleos atômicos são esféricos – mas, já se sabia que alguns são ligeiramente alongados, e também já se conhecia um, em formato de pera, o rádio 226, descoberto em 1993. O grande interesse está na necessidade de explicar este formato…Como a Força Nuclear Forte e a Eletrostática se correlacionam no interior do núcleo para obterem formatos diferentes? Ou, será que tudo é ainda mais interessante,      e haveria então uma outra força fundamental da natureza… agindo no núcleo atômico?

Os físicos já estavam precisando de uma nova força fundamental da natureza que pudesse ajudar explicar a assimetria entre matéria e antimatéria…pois o modelo cosmológico do Big Bang estabelece que ambas foram criadas, em quantidades iguais, no início do universo;      mas, nesse caso então, onde é que foi parar toda a antimatéria?…

É aí que entra o núcleo atômico em formato de pera – Não é fácil criar novas teorias estudando uma única pera…no caso, o já conhecido rádio 226. Então, um grupo    de pesquisadores utilizou um espectrômetro no CERN… para procurar mais átomos com núcleos neste formato. E agora, eles descobriram que o núcleo do rádio 224 tem o formato perfeito de uma peraO experimento também mostrou que o núcleo do átomo      de radônio 220 oscila entre uma esfera irregular, e uma pera. Os núcleos neste formato seriam assimétricos porque prótons estariam sendo empurrados para longe do centro      do núcleo pela força ainda desconhecida, não esfericamente simétrica – tipo gravidade.

Podendo estudar e comparar as 2 peras, os físicos esperam  –  não apenas descobrir uma nova força fundamental da natureza, como também explicar a assimetria entre matéria e antimatéria no início do universo, e desenvolver novos modelos do que seria um ‘átomo’.  Modelos ainda especulativos… propõem que alguns núcleos atômicos gerariam um fraco campo magnético. Esta hipótese agora poderá ser testada porque…se essa ‘polaridade magnética’ realmente existe…então “núcleos tipo pera” deverão apresentar dipolos mais fortes do que núcleos esféricos. E, como assim concluiu Tim Chupp…cientista da equipe:

O formato de pera é especial… Ele significa que os neutrons e prótons que compõem o núcleo estão em posições ligeiramente diferentes ao longo de um eixo interno. – Assim, como a maçã de Newton mudou nossa concepção do mundo…talvez agora seja a hora       e a vez da pera cumprir seu papel na inauguração de uma Nova Física. (09/05/2013) **********************************************************************************

Pode ter sido encontrada a 5ª força fundamental da natureza (ago/2016)

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Até onde se sabe, o Universo é composto  por 4 forças fundamentais“nuclear forte”,eletromagnética“, “nuclear fraca” e a “gravidadeque se tornou  a “bola da vez”…depois da comprovação da existência das “ondas gravitacionais”.

Estas forças definem a ‘interação‘ das ‘partículas fundamentais’ … se aplicando a todos os fenômenos físicos conhecidos. – E, por isso, a vida dos cientistas ficou ainda mais agitada, quando uma equipe de físicos descobriu evidências de uma “5ª força fundamental da natureza“, que poderia explicar um dos maiores mistérios do universo… – as origens da “matéria escura”. Quando agora, outro grupo de cientistas analisando esses resultados, publicou um estudo no periódico “Physical Review Letters“, confirmando que, de fato, as evidências da existência desta “5ª força da natureza”…fazem sentido. — E Jonathan Feng, da “Universidade da Califórnia”…no artigo de divulgação da pesquisa… ainda afirma que:

“É verdade que nosso estudo ainda está em uma fase preliminar – mas, a confirmação da existência dessa 5ª força, muda todo nosso entendimento do universo…pois unificará as 4 forças existentes, com a matéria escura”. 

Os autores basearam-se em um estudo anterior (2015) – publicado por físicos nucleares experimentais da Academia das Ciências da Hungria…que procuravam “fótons escuros”; partículas elementares hipotéticas (cuja existência não foi totalmente comprovada) que poderiam estar na origem de uma força eletromagnética que transporta ‘matéria escura’. Em teoria, tais partículas hipotéticas poderiam ser detetadas, se misturados com fótons normais – a interação entre os 2 tipos de partículas geraria efeitos nas partículas de luz.

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Espectrômetro de elétrons e pósitrons do Instituto de Pesquisa Nuclear Debrecen, onde os físicos alegam ter encontrado sinais de uma nova partícula de força.

A pesquisa inicial – Hungria (2015)

A investigação dos cientistas húngaros… revelava a descoberta de uma ‘anomalia’, relacionada a um decaimento radioativo  (ao disparar fótons no lítio-7) indicando umbóson mais leve– só 34 vezes mais pesado que o elétron. Na hora não ficou claro se a “anomalia” era devida…a uma partícula de matéria, ou de força. Nesse último caso, poderia ser a assinatura de uma força de natureza desconhecida; uma (hipotética) ‘5ª força fundamental’.

 De acordo com o ‘Modelo Padrão’ da “física de partículas” – a cada força fundamental é associado um ‘bóson‘, com exceção da “gravidadecujo bóson previsto pelo ‘Modelo Padrão’…chamado “gráviton”, ainda não foi confirmado. O estranho deste novo bóson, não previsto no…’Modelo Padrão‘, é que ele interage apenas com elétrons e neutrons, e mesmo assimde forma muito limitada o que o torna bastante difícil de ser detetado. Por não existir outro bóson com tais características – passou a ser chamado…”Bóson X.

O trabalho teórico dos investigadores da Universidade da Califórnia…que se baseia, entre outros, no estudo experimental dos húngaros… – informa que as evidências contrariam a ideia de que a anomalia deva-se a uma partícula de matéria, ou a supostos fótons escuros. O estudo dos pesquisadores – agora apresentado – reforça a ideia de que se trata de uma espécie de ‘bóson de Higgs’, que por ser tão leve, praticamente não interage com prótons, apenas com elétrons e neutrons, e somente a uma distância bem curta… ao contrário das    4 forças conhecidas, que se aplicam a todas partículas subatômicas. – Uma possibilidade interessante a ser explorada no futuro, seria o fato desta 5ª força potencial unir as forças fundamentais já conhecidas, como manifestações de uma força ainda mais fundamental. *****************************(texto base 1(texto base 2)****************************

Descoberta uma “força quântica” que pode agir à distância (jun/2019)

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Haste metálica, campo magnético ao redor e feixe de elétrons, revelando a “força quântica”. [Becker et al.]

Não é qualquer dia que um físico descobre uma nova força…menos ainda uma “força quântica”. Por isso, quando Maria Becker,  e colegas da Nebraska-Lincoln University, EUA, submeteram seu artigo descrevendo o caso de uma “força não-newtoniana”…a revista pediu que colocassem ‘entre aspas’. Afinal de contas a palavra ‘força’ pertence ao vocabulário da física newtoniana…Mas, Maria Becker e sua equipe, empregaram a palavra no contexto da…”física quântica”,  reino onde dominam as ‘contra-intuições’.

E esse reino ficou ainda mais confuso em 1959, quando foi sugerido um experimento no qual a mera proximidade de uma força clássica… – em vez da própria força – poderia se impor ao mundo físico. No experimento…2 correntes de elétrons navegam de cada lado    de uma bobina, cujo campo magnético é totalmente protegido desses elétrons… Apesar    de nenhum dos “fluxos elétricos”…passar através do…”campo magnético real”… – ficou provado que as “probabilidades quânticas” dos elétrons sofrem mudanças mensuráveis que dependem da força do campo magnético. Experimentos posteriores confirmaram a presença desse chamado “efeito Aharonov-Bohm“. Mas…se a existência desse estranho efeito era indiscutível, sua natureza…não era… Anton Zeilinger, que já havia colocado a causalidade em xeque, introduziu um teorema sugerindo que o ‘efeito Aharonov-Bohm’ não representa e nem resulta de uma força. – Anos mais tarde porém, os físicos Andrei Shelankov e Michael Berry contra-argumentaram – afirmando que tal efeitosurge do equivalente quântico de uma força. Mesmo que tal força não retarde os elétrons… ficou previsto que poderia modificar suas…”trajetórias de voo” — desviando-os ligeiramente.

Herman Batelaan, que faz parte do grupo de pesquisadores, disse que…”Em cada caso, você pode entender a derivação de cada teoria. – As 2 parecem certas, mas em conflito umas com as outras. Por isso, quebramos a cabeça para elaborar uma nova teoria, que        pudesse abranger as 2 respostas. Entendemos que deveria haver uma estrutura maior, para definir o conflito teórico”. Foi quando Maria Becker incumbiu-se de um ‘objetivo grandioso’…demonstrar a previsão de Shelankov, acomodando o teorema de Zeilinger.

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O experimento não é complicado, mas seus efeitos são revolucionários – uma força atuando de forma não-local. [Imagem: Becker et al.]

O experimento realizado na Universidade de Antuérpia, Bélgica, lembra muitos dos que o precederam. – Feixes de elétrons navegando rumo a uma‘haste nanoscópica’. Quando a magnetização da haste é zero…os padrões de ondas que os elétrons formamdepois de se refletirem no escudo tal como ondulações sobrepostas na água…tornam-se ‘simétricos’.  Contudoao aumentar a magnetização – os padrões de difração ficam assimétricosum indício indireto de 1 “força não-newtoniana” cutucando os elétrons para a esquerda, ou direita. – E além dissoinverter a direção da magnetização, também inverte a assimetria.

E quanto ao teorema de Zeilinger, pela análise da equipe, os pressupostos teóricos feitos por ele não se aplicam ao “movimento lateral” implícito ao experimento, assim portanto, em vez de invalidar Zeilinger, o estudo prova matematicamente, que a atual previsão de Shelankov representa 2…’casos especiais’…de um teorema mais abrangente. (texto base**********************************************************************************

ondas sonoras

Os mesmos fônons envolvidos na massa das ondas sonoras podem explicar como o calor pode ser manipulado como luz.[M. Maldovan]

Ondas sonoras/antigravidade/massa negativa  “Ondas sonoras”são uma forma de “antigravidade” porque têm ‘massa negativa‘…Esta foi a conclusão impressionante – de um trio internacional de físicos.

“Nós demonstramos que…de fato, as ondas sonoras carregam massa…em especial…massa gravitacional. Isto implica que, uma onda sonora não só é afetada pela gravidade…como também, gera um minúsculo campo gravitacional; um aspecto não apreciado até agora. Nossas descobertas são também válidas para “meios não-relativísticos”; podendo ter implicações experimentais intrigantes” como assim relatou Angelo Esposito…’Universidade de Colúmbia’/EUA.

A teoria assume “condições newtonianas” – ou seja… o efeito não está relacionado à teoria quântica ou à conhecida equivalência energia/massa da relatividade… Em outras palavras, mesmo ignorando a “relatividade geral” – que associa energia e massa… as ondas sonoras continuam transportando uma pequena quantidade de massa… — de acordo com a teoria.  Isto ocorre graças aos fônons, unidades quânticas das ondas de som, que interagem com um campo gravitacional “exigindo” que elas transportem massa, à medida que se movem.

Para uma onda sonora de 1 watt, e duração de 1 segundo…viajando na água, por exemplo, a quantidade de massa seria de cerca de 0,1 miligrama; o que é simplesmente uma fração da massa total do sistema que viaja com a onda, sendo deslocada de um lugar para outro.  Em termos mais gerais, os cálculos indicam que para ondas sonoras…comuns na maioria dos materiais…a massa transportada é igual à energia da onda sonora – multiplicada por um fator – que depende da “velocidade”…do som – e, da “densidade de massa”…do meio.

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Será que os átomos de antimatéria pesam o mesmo que os átomos de matéria, ou será que existe um “peso negativo”? [Chukman So]

“Antigravidade”

O mais intrigante … é que a massa transportada pelas ondas sonoras revela-se negativa. Quando as ondas sonoras entram em um material… elas fazem uma ‘sangria’…uma depleção de massa, e não uma adição de massa. Dessa forma…ondas sonoras em um campo gravitacional flutuariam um pouco para cima, como umaantigravidade‘.

Os pesquisadores não têm ainda uma definição física dos resultados matemáticos – mas, têm a confiança de obtê-los – pois a matemática, que descreve sólidos e fluidos…é muito semelhante. Todavia, tentar interpretar esses resultados…a nível microscópico aos sólidos ainda é confuso.

De fato, explicar como a massa flui parece razoável nos… líquidos… onde uma parte das partículas do meio pode viajar na direção contrária ao movimento da onda sonora. Mas, como isso pode ocorrer nos sólidos é algo ainda aberto à imaginação, apesar da ideia de que esta nova teoria possa ser testável em experimentos com átomos ultrafrios – ou até mesmo em observações de terremotos…gerando fortes ondas sonoras através da crosta terrestre…a massa associada a elas pode chegar a 100 bilhões de kgs…o que poderia ser registrado num sensível sensor de monitoramento gravitacional. (texto base) abr/2019    ******************************(texto complementar)*******************************

‘Cristais de tempo’ – um estranho estado da matéria                                                    “Cristais de tempo são objetos tão estranhos, que suas aplicações mais                                    interessantes – certamente serão aquelas que ainda não conhecemos”.

cristais do tempoEm 2012, o físico norte-americano Frank Wilczek propôs um conceito controverso – para descrever um novo estado da matéria…que desafiava as leis da física. Wilczekque os chamou de “cristais do tempo”, ganhou o Prêmio Nobel de Física (2004).  A princípio – vários de seus colegas disseram ser simplesmente impossível criar cristais de tempo, mas várias pesquisas em andamento… incluindo recente estudo da ‘Universidade de Granada’, na Espanhacomeçaram a mostrar sua viabilidade.

A produção desses cristais nos permitiria medir o tempo e as distâncias com…“precisão requintada”, como Wilczek escreveu em um artigo na revista ‘Scientific American’. Mas      o conhecimento sobre o assunto é tão incipiente … que mal se consegue imaginar como estes chamados…“cristais do tempo” — poderiam revolucionar áreas como a tecnologia quântica… – telecomunicações… – mineração…ou a própria compreensão do Universo.

De acordo com o físico Pablo Hurtado, professor da “Universidade de Granada”, Espanha,  também co-autor de recente estudo sobre um método para criar … “cristais de tempofisicamente o ‘cristal’ é definido como um objeto cujos átomos estão dispostos de forma a criar um padrão repetitivo. Em um líquido, por exemplo, as moléculas são distribuídas simétrica e uniformemente, como um enxame…Já no cristal, as moléculas são agrupadas formando redes e estruturas que criam sequências. Como pode-se ver… “cristais são as substâncias mais organizadas da natureza” – sendo, naturalmente, formados por átomos, ou moléculas … organizados espacialmente em estruturas 3D que se formam abaixo de dada temperatura…a fim de minimizar a energia potencial no interior do material. – Por outro lado se a temperatura subiros átomos podem existir em muitos outros estados desordenados, eventualmente se desorganizando totalmente quando o material se funde.

Padrões repetidosRompendo a simetria                                                                          Sabendo que um cristal é feito de padrões que se repetem no espaço,                                        podemos perguntar…se é possível criar um cristal cujos padrões não                                        se repetem a cada certa distância… – mas a cada intervalo de tempo.

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Quando a água congela, se cristaliza. Vemos sob o microscópio os padrões…quando o gelo se forma.

As propriedades (simétricas) de um líquido são as mesmasem qualquer ponto. Se, de alguma forma essa simetria for rompida…o líquido deixa de ser líquido, e se torna…por exemplo…um cristal. No caso da água…seu estado líquido é…’simétrico’ mas quando suas partículas congelamse transformam em cristais que rompem essa simetria, produzindodesse modo, um certo tipo de padrão que regularmente se repete ao longo de toda sua “estrutura cristalina”.

Em sua pesquisa, Hurtado e sua equipe queriam romper a simetria de um fluido, não        no espaço, mas sim…no tempo. Para fazer isso…simularam num supercomputador, a aplicação de um chamadocampo externo de empacotamentoa este fluido, empurrando algumas de suas partículas … e parando outras … de maneira a produzir assim uma onda correspondente que… ia e vinha… constantemente pelo sistema.          É como se…paradoxalmente, o estado de repouso desse grupo de partículas fosse um movimento incessante ao longo do tempo…Como explica Hurtado: “O sistema forma          um pacote compacto de partículas…viajando no tempo”Surge assim um estado da matéria que não se comporta como fluido – mas como um conhecido ‘cristal sólido’.

O trabalho teórico de Hurtado era num sistema clássico, ou seja, macroscópico.                Entretanto – em 2017 … alguns estudos já mostravam … experimentalmente, a possibilidade da criação de outros tipos de cristais de tempo em nível quântico.                  Diz-se que um cristal normal quebra a simetria espacial porque suas partículas constituintes se alinham em direções específicas, irregularmente espaçadas; ao      contrário de quando o material é aquecido até sua fusão. Segundo Wilczek: “Os              cristais representam a vitória da energia sobre a entropia”. – Lógico que isso se            refere à organização espacial do cristal. Mas, ele também propõe a organização                  de um cristal no tempo um…“cristal quântico do tempo”…como ele o chama.

De forma análoga, quebrar a simetria temporal significa que as partículas terão que sofrer alterações sistemáticas ao longo do tempo. De certa forma, isso já acontece, naturalmente, no Sistema Solar, ou nos relógios; mas Wilczek argumenta que tais sistemas foram postos em movimento por forças externas, e irão eventualmente perder energia e parar. Então, o que ele propõe é um sistema que continue se movimentando mesmo isolado…sem, para tanto, depender de qualquer força externa…e em seu estado fundamental de energia. Terá sido criado, desse modo, um “cristal do tempo”; ou “cristal espaço-temporal”. (texto base************************************************************************************

Sobrevivendo ao fim do Universo (ago/2012)                                                                  Mesmo se não houver muita gente interessada … em deixar ‘mensagens’                                  para quem possa surgir depois do fim do Universo, esses cristais podem                                ser empregados como ‘memórias quânticas’ muito robustas e confiáveis.

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O grande interesse prático nos cristais do tempo está na criação de memórias quânticas robustas, que sobrevivam à decoerência. [Stef Simmons/CC BY]

Imagine que a entropia finalmente triunfou … e, embora o universo ainda não tenha atingido seu ‘final definitivo’…ele chegou a uma era onde a    uma ‘temperatura homogênea’… será muito frio    por toda parte. Ainda assim pode ser possível construir um cristal…que seguirá ‘funcionando’, sobrevivendo ao ‘resfriamento cósmico’ — e até, eventualmente…operando como uma memória    pós-universo‘. – Tais estruturas exóticas, assim batizadas de ‘cristais quânticos’, ‘cristais espaço-temporais’, ou…‘cristais do tempo’…poderão seguir girando — de forma persistentemesmo      em seu mais baixo nível de energia; permitindo quebrar a simetria espacial e simetria temporal.

O físico Frank Wilczek, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, idealizador dos cristais do espaço-tempo, admite que a ideia está perigosamente próxima da de uma máquina de movimento perpétuo (“moto contínuo”). O pesquisador ressalta…porém,      que atingido seu estado fundamental de energia, os cristais não poderiam ser usados        para produzir trabalho útil, afastando-se da fronteira do irrealizável… Contudo, para serem parados, exigiriam energia externa: “Com efeito, poderão gerar uma forma de movimento perpétuo – o que é assustador para alguém com alguma reputação física.”

Os cristais de tempo são uma área de estudo em desenvolvimentoque já nos permitem sonhar com usos impressionantes na ciência e tecnologia. O inusitado estado da matéria nos permite especular, por exemplo, a possibilidade de que no futuro existam máquinas    de movimento perpétuo. Wilczek também menciona que cristais de tempo poderiam ser usados para tornar os relógios muito mais precisos e estáveis, do que os atômicos atuais.

Por fim, Wilczek comenta que descobrir novas maneiras de organizar a matéria pode      nos levar a compreender melhor “buracos negros” e o espaço-tempo cósmico. “Ainda        há muita especulação sobre o assunto; mas talvez chegue o dia em que um “cristal de tempo” seja mais útil e valioso – que o mais fino dos diamantes”…ele assim concluiu.
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Esquema de construção do cristal do tempo, com estruturas periódicas tanto no espaço quanto no tempo. As partículas ficarão rodando em uma direção mesmo em seu estado fundamental de energia. [Imagem: Li et al.]

Anel (supercondutor) do tempo

A pergunta então, é… como construir um ‘cristal do tempo’?Wilczek fez os cálculos teóricos, e, ao procurar formas de torná-los realidade … pensou nossupercondutores“, materiais quemesmo em seu estado mais baixo de energia, transmitem uma corrente elétrica…Como esta é ‘invariável’ no tempo, ele propôs usar um… “anel supercondutor”, variando a supercorrente…de modo a criar um pico temporal. – Matematicamente ele demonstrou que funciona … mas não pôde vislumbrar como na prática fazer isso, pois exigiria que os elétrons, todos sempre com carga de mesmo sinal … reagissem de forma diferente uns em relação aos outros, para criar num dado momento um tipo de quebra-molas quântico e variar a corrente.

Tongcang Li…e seus colegas da Universidade de Berkeley, ao lerem o artigo, acharam          que a ideia não é assim tão estranha, e conseguiram idealizar uma forma de construir efetivamente um cristal do tempo. A proposta é aprisionar íons a temperaturas muito baixas, explorando sua repulsão mútua de modo a que se arranjem sozinhos… para formar o anel. – Segundo o grupo, o anel seria muito similar a um cristal normal. Por      meio de ajustes precisos de um campo magnético – que deve assumir determinados valores ao longo do anel – seria possível fazê-lo girar continuamente… em seu estado      mais baixo de energia. Noutras palavras, ele se tornaria um “cristal espaço-temporal”.

Eles calculam que, para construir um cristal do tempo com 0,1 milímetro de comprimento, serão necessários 100 átomos de berílio…resfriados a 1 bilionésimo de ºK. Quanto maior o anel, mais baixa a temperatura necessária. A tecnologia de armadilhas iônicas ainda não é tão precisa…mas isso seria uma questão de tempo – e os próprios pesquisadores mostram-se bastante interessados em conseguir construir o primeiro ‘cristal do tempo’. (texto base************************************************************************************

Criado o primeiro Cristal do Tempo (out/2016)                                                                    A ideia básica do cristal espaço-temporal é que gire de modo persistente,                                em um nível muito baixo de energia… — sem precisar de energia externa,                              permitindo quebrar tanto a simetria espacial quanto a simetria temporal.

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Cristais do tempo formados na fileira de átomos de itérbio, oscilando por conta própria. [J. Zhang]

Embora vários artigos tenham sido publicados tentando demonstrar a ‘impossibilidade’    desses cristais do tempo – desde que sua existência foi prevista por Frank Wilczek…em 2012, a equipe do físico Chris Monroe…”Maryland University” – EUA, não se importou com o ceticismo, e anunciou agora ter criado, na prática, o primeiro…”cristal do tempo”.

Ao invés de um bonito cristal brilhante – os pesquisadores trabalharam com sistemas quânticos que não estão em equilíbrio, mais especificamente com uma fileira de íons do elemento químico ‘itérbio’, com spins que interagem uns com os outros. O spin dos íons pode ser ajustado, para cima ou para baixo, com a ajuda de um laser. – Como eles estão acoplados, quando o spin do 1º íon é invertido — o íon seguinte o acompanha — e assim por dianteaté o final da fileira. A oscilação da velocidade dos spins derivados depende    da regularidade com que o laser inverte o spin do 1º íon – significando que a frequência original determina a taxa de oscilação do conjunto Contudo, quando se permite que o sistema ‘evolua’, as interações passam a ocorrer a uma taxa que é o dobro da frequência original. E, tais períodos mais longos só se explicam pela ‘quebra da simetria’ do tempo.

Para checar tudo, a equipe mediu as propriedades do cristal do tempo, confirmando que alterações na frequência original (a frequência do laser que altera o primeiro spin)não conseguem mais alterar a frequência do “cristal do tempo”Ele então passa a funcionar      de forma estável em seu próprio ritmo – podendo… portanto, vir a funcionar como uma memória quântica extremamente robusta – que exigirá injeção externa de energia, para que o registro inicial seja apagado… – ao contrário das memórias quânticas atuais…que sofrem com perda de dados devido ao fenômeno quântico da decoerência. (texto base) ********************************************************************************

“Cristais do tempo” permitirão simular uma internet inteira (nov/2020)              Cristais do tempo ainda parecem coisa de ficção científica só que não são, e podem        se tornar a principal tecnologia das redes que obedecem as leis da mecânica quântica.

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“Partículas” de um cristal do tempo não se organizam no espaço, mas sim num ritmo periódico no tempo. 

Pensando na utilidade dos…”cristais do tempo” … Marta Estarellas e sua equipe do Instituto Nacional de Informática, no Japão, acabam de desenvolver um método          para empregá-los na simulação de ‘gigantescas redes’, reduzindo muito a demanda computacional, de modo a permitir estudá-las, e prever o funcionamento de novas            redes – antes mesmo de sua implantação…Dessa maneira, testariam se a natureza quântica destes cristais (mudando de momento a momento num padrão previsível              e repetitivo) permitiria a utilização deles comosimuladores no estudo de grandes      redes, tais como…as de comunicação…ou inteligência artificial. E ela completou:

“No mundo clássico, essa tarefa seria impossívelpois exigiria uma quantidade descomunal de recursos computacionais. – Nós então, estamos não só trazendo                    um novo método de representar e entender processos quânticos, como também                uma maneira diferente de explorar os benefícios dos computadores quânticos“.

O trabalho da equipe consistiu em representar o derretimento de um cristal do tempo em termos de redes, e isso revelou o surgimento de um tipo muito especial de estrutura:      as “redes sem escala“. Tais redes complexas têm as mesmas propriedades estruturais    da internet, ou do tráfego aéreo, por exemplo…Assim, ter um sistema físico que permita sua simulação eficiente em laboratório…tem enormes implicações na área de tecnologia. Usando experimentalmente um modelo de cristal do tempo discreto, a equipe ‘derreteu’      a estrutura, adicionando um erro ao sistema; o que, para um experimento prático, pode ser feito com um aumento de temperatura. E Estarellas ainda explicou: “Auxiliados por uma técnica de visualização de rede… – identificamos pela primeira vez os mecanismos pelos quais o cristal do tempo derrete”… — E seu colega Victor M. Bastidas acrescentou: 

“Além disso, ficou claro que, com um valor crescente de erro – o derretimento                        do cristal do tempo se comporta como uma transição de fase, algo semelhante                      à maneira como cristais como um bloco de gelo normalmente derretem”.

Simuladores quânticos                                                                                                      Simuladores quânticosestão ganhando uso práticoaté mesmo antes dos    computadores quânticos – porque permitem simular diretamente – usando                roteiro clássico, via software, eventos impraticáveis em supercomputadores. 

O próximo passo, naturalmente, será construir o dispositivo prático…e a equipe já tem planos para usá-lo, criando um novo nível de capacidade aos processadores quânticos; embutindo neles (em alguns qubits) redes complexas exponencialmente grandes, para assim viabilizar a simulação de eventos muito complexos. Por exemplo, para descobrir novos materiais ou medicamentos é preciso simular reações químicas que só podem        ser simuladas por um dispositivo no qual os elementos fundamentais se comportem exatamente como no mundo real – ou seja… seguindo as leis da…”mecânica quântica”.        E o professor Kae Nemoto concluiu: “Usando este método, com alguns qubits pode-se      até simular uma rede complexa, do tamanho de toda a internet mundial”. (texto base********************************************************************************

“Cristal do tempo” é filmado pela primeira vez (mar/2021)

molécula-azul-cristalVocê pode apreciar a beleza de um cristal comum… com seus átomos precisamente arranjados em preciso padrão no espaço; apenas olhando para ele… Uma foto será o suficiente…Mas, para apreciar a beleza de umcristal do tempoem seus átomos se rearranjando por padrões que variam no tempo — é preciso observá-lo por um período mínimo de tempo. Nesse caso então — iremos precisar de um … filme.

E foi justamente isso que uma equipe internacional de pesquisadores conseguiu fazer pela 1ª vez… Eles filmaram um cristal do tempo – conforme seus átomos se reorganizavam em seu padrão repetitivo, que ao menos teoricamente, pode durar a eternidade. Esta equipe é a mesma que há poucos dias criou um cristal do tempo usando nanopartículas (mágnons), e mostrou que tal efeito pode ser útil para uma nova arquitetura de computação analógica.

Como disse o pesquisador Nick Trager… – “Agora filmamos tudo… – Pegamos o padrão regularmente recorrente de mágnons no espaço e no tempo, enviamos mais mágnons, e eles eventualmente se espalharam… – Mostramos assim a possibilidade de interação do cristal do tempo com outras quasipartículas. A verdade é que ninguém ainda havia sido capaz de mostrar isso diretamente em um experimento… — quanto mais em um vídeo”. 

40 bilhões de quadros por segundo                                                                                      Para filmar tudo, a equipe usou uma câmera de raios X que, não só pode tornar as          frentes de onda visíveis com resolução muito alta20 vezes melhor do que o melhor microscópio de luz…como pode fazer isso em até 40 bilhões de quadros por segundo,          incluindo aí também uma sensibilidade extremamente alta a fenômenos magnéticos.

Em seu experimento, Trager colocou uma tira de material magnético em uma antena microscópica – através da qual uma corrente de radiofrequência funcionou como um campo de micro-ondas, induzindo a criação de um campo magnético oscilanteuma    fonte de energia que estimulava as quasipartículas (mágnons)…As ondas magnéticas migram pela tira – pela esquerda e direita … condensando-se espontaneamente num padrão recorrente no espaço, e tempo. Ao contrário das ondas estacionárias comuns,    esse padrão se forma antes que as duas ondas convergentes possam se encontrar e interferir uma com a outra…O padrão, que regularmente desaparece e reaparece por    conta própria, deve portanto, ser um efeito quânticoainda não bem compreendido.

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Como tudo acontece a temperatura ambiente – a equipe comprovou adicionalmente        que os cristais do tempo são robustos, abrindo caminho para seu uso prático. Para o professor Pawel Gruszecki:“Cristais clássicos têm um campo de aplicações muito amplo. Agora, se os cristais podem interagir não apenas no espaço, mas também no tempo, acrescentamos outra dimensão de possíveis aplicações… – E, sendo assim, o          seu potencial para … comunicação – radar… ou ‘tecnologia de imagem’… é enorme”.     

Cristais do tempo são arranjos de matéria que se repetem no tempo. Teorizados                em 2012por Frank Wilczek – quando o físico descobriu a simetria da matéria no        tempo, e experimentalmente observados em 2016…inicialmente foram tidos como            uma mera curiosidade científica. Cristais normais, como diamante, grão de sal, ou          gelo d’água…repetem sua auto-organização atômica no espaço. ‘Cristais do tempo’                se auto-organizam – repetindo seus próprios padrões no tempo…significando que            sua estrutura muda periodicamente, com o passar do tempo. – Por esse motivo, é      comum se dizer que tais cristais podem sobreviver ao fim do Universo. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para Muito além dos limites da “Física fundamental”

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