Esboço para uma “Termodinâmica Quântica”

“A termodinâmica pode fornecer, em escala quântica, um meio natural de descrever a agitação do espaçotempo, pois sua estrutura matemática está tão bem formulada, que          é capaz de detalhar como ‘flutuações termais‘…podem fazer átomos e moléculas se agitarem… – A termodinâmica é uma teoria tão fundamental … que pode ser aplicada          a qualquer teoria física – inclusive…uma possível…teoria quântica da gravidade“.

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Cosmologistas postulam que, ao redor de 10-43 segundos após o Big Bang … a temperatura cósmica era da ordem de 1032 ºK (mesmo o núcleo do Solhoje com 15 milhões de ºC — é gelado…em comparação… com essa temperatura).

Quando um material se torna muito quente – suas partículas…absorvem uma grande quantidade de “energia térmica”. – Sólidos se fundem…e os líquidos vaporizam… – pois… nessa situação extrema, a ‘energia termal’, supera a força…que mantém juntos, seus próprios átomos… e moléculas.

Com temperaturas ainda maiores – os átomos se dissociam em elétrons e plasma de íons, que…por sua vez – é um outro estado da matéria… E, quanto mais energia for adicionada ao sistema, mais sua temperatura continua a subir. No entanto, considerando que há um limite para a energia total no universo, há também…uma temperatura mais alta possível.  Mas, então… – será que poderíamos conceber, fisicamente, o outro extremo da escala?…

Na verdade, podemos chegar muito perto… mas nunca ao zero absoluto.                          Isso porque…para chegar à ordem perfeita – teríamos que nos livrar de                              toda desordem. – Porém, quanto mais o sistema se aproxima desse zero                            absoluto… – mais e mais difícil torna-se excluí-la.

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Temperatura x Velocidade 

Para um gás cujos átomos são bósons…a este gás atribuímos valores de “grandezas físicas”, que o representam macroscopicamente, sem nos preocupar com sua ‘constituição interna’.  Algumas dessas variáveis são… volume que o gás ocupa…pressão sobre paredes do seu recipiente, sua temperatura… Esta última se relaciona com a “energia cinética” devido    à velocidade interna… das partículas do gás.

Assim, quando se mede a temperatura de um gás, se está realmente medindo a velocidade média das partículas que o compõem. – Quanto maior a temperatura do gás…mais rápido estas partículas se movem… – quase sempre… aleatoriamente (“movimento browniano“).

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Mas, graças a Maxwell e Boltzmann … entre outros … também sabemos, que a cada dada temperatura – corresponde um valor médio de velocidade mais frequente, em um maior número de partículas. — Isso pode ser visto, ao traçarmos um gráfico, com o ‘número de moléculas’ (eixo vertical) do gás, em função da ‘velocidade’ média das partículas… (eixo horizontal). Menor a temperatura, menor a velocidade média, e mais partículas agindo.

O aumento do pico de distribuição de partículas…se move para a esquerda…em menor temperatura e velocidade média. Em contrapartida, quanto maior a temperatura, sua distribuição se torna aleatória, com maior probabilidade de velocidades mais elevadas.

‘Condensado de Bose-Einstein’ 

Nos anos 1920 – os físicos Satyendra Bose e Albert Einstein previram, que a temperaturas muito baixas átomos de uma substância, se aglomerariam com o mesmo estado quântico, da menor energia possível. – Esse novo estado da matéria…é o “Condensado Bose-Einstein” (BEC em inglês). Em 1995…resfriando ‘átomos de rubídio’ à temperatura de 50 nanoK, afinal o fenômeno…expôs-se em laboratório.

A pesquisa com temperaturas muito baixas alcançou outro importante avanço em 2004, ao se descobrir que o “hélio sólido” também apresenta propriedades do tipo superfluido, abaixo de 0,2 ºK – indicando assim…que os 3 estados mais comuns da matéria … vapor, líquido e sólido…podem se tornar “condensados”… Consideremos agora, o que acontece quando diminuímos a temperatura do gás…

  • Quando baixamos a temperatura de um gás, sabemos que é mais provável que seus constituintes – os átomos do gás tenham a mesma velocidade…e, portanto, mesma ‘energia cinética (correspondente à uma… “velocidade média” – mais provável).
  • Quando reduzimos a temperatura do gás … o comprimento de onda associado com    suas partículas (átomos, neste caso) aumenta. Se o comprimento de onda aumenta, resulta que a incerteza na posição também aumenta. Mas, como sabemos cada vez mais qual a velocidade das partículas de gás, a diminuição da temperatura reduz a incerteza na velocidade…O que é coerente ao princípio da incerteza de Heisenberg.

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Se os átomos do gás são bósons, podem estar todos no mesmo estado… – Neste caso…a única variável que determina o estado de energia das partículas de gás – é a ‘velocidade’…que define a energia cinética… – Portanto…se reduzirmos a temperatura, saberemos que a maioria das partículas estará condensada no mesmo estado de energia…mais baixo.  Trata-se do principal fenômeno … que ocorre num “condensado“…mas o fato essencial…é a perda de identidade das partículas individuais de gás, todas no menor ‘nível coerente de energia’ – se comportando como se fossem apenas uma única partícula descrita por uma única função.

Da figura acima… podemos deduzir que a maioria das partículas do “gás de bósons“,  ao baixar a temperatura…atingem um mesmo “estado de energia mínima“… Nesse caso… o ‘Condensado de Bose-Einstein‘ age como um único sistema quântico…com características próprias, sendo impossível individualizar as partículas que o compõem. 

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“Temperatura crítica”

Considerando a imagem à direita…de um gás cujos átomos aleatoriamente colidem  uns com outros … os consideramos como ‘partículas pontuais…pois a distância média entre eles…supera o comprimento de onda médio … associado às partículas.

(Quanto menor a temperatura do gás, maior a distância média entre suas partículas.)

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Diminuindo a temperatura, cada vez mais, chega-se a um nível (imagem ao lado), em que o comprimento de onda, associado às partículas pontuais … faz-se comparável à distância média entre elas. Nesse instante, as partículas passam a apresentar … o seu ‘caráter ondulatório; onde suas ondas se combinam – e se sobrepõem… entre si.

(Esse ponto corresponde à ‘temperatura crítica, que faz com                          que o sistema… altera seu comportamento… drasticamente.)

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Quando então…isso acontece — o sistema passa a ser descrito… por uma única onda…onde partículas individuais…ficam despercebidas.  Além do que…temperaturas mais baixas…significam … velocidades médias menores – sendo assim… ocupados ‘níveis de energia’ cada vez mais baixos (imagem ao lado).

Diz-se que se tem um ‘condensado‘ quando uma fração significativa do número total de partículas está no seu estado de mais baixa energia – estando suas ondas…combinadas de modo que todo sistema é descrito por uma única função… revelando que o ‘condensado  é um sistema eminentemente quântico (mas, podendo ter tamanho macroscópico).

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Obviamente, se formos capazes de reduzir a temperatura de um gás de bósons à zero ºK, todas as partículas do gás (imagem ao lado) formariam o ‘condensado‘. Por isso este é um sistema que pode ter enorme ‘número de partículas‘ – todas no mesmo ‘estado’, no qual o conjunto se comporta de forma consistente… (sem ‘partículas individuais’).  Diz-se então…que esta é a manifestação macroscópica de um estado totalmente quântico.  ***********************************************************************************

Violações da 2ª Lei Termodinâmica (em nanoescala)                                                      “Quando damos um ‘zoom’ até o mundo nanoscópico dos                                                    átomos e moléculas… – esta lei perde seu rigor absoluto”.

A maioria dos processos na natureza não pode ser revertido, o que se caracteriza por umaseta do tempo‘. A lei da física para tal é a 2ª Lei da Termodinâmica… postulando que  a entropia de um sistema (medida da desordem) nunca diminui espontaneamente, o que implica naturalmente numa alta entropia, em vez de ‘ordenado’ (com baixa entropia).  Apesar da ‘2ª Lei Termodinâmica’ geralmente permanecer válida – em todos os sistemas, há alguns eventos raros que questionam a irreversibilidade temporal em nanoescala. Um teorema para tentar explicar essas exceções… foi proposto por Jan Gieseler, e sua equipe.  Os pesquisadores da ‘Harvard University’ colocaram seu teorema à prova utilizando uma ‘nanoesfera’ de vidro, com diâmetro inferior a 100 nanômetros… levitando num “aparato    a laser”… no qual a ‘nanoesfera’ é agitada por colisões – com as moléculas do ar ao redor.

Mantendo a nanoesfera estática, foi possível medir sua posição                        em todas as 3 dimensões espaciais com uma excelente precisão.

Usando resfriamento também a laser, os cientistas atingiram uma temperatura para a nanoesfera, inferior à do gás circundante…em um “estado de não-equilíbrio”…Depois,  desligaram o resfriamento, a monitorando, enquanto era naturalmente aquecida até à temperatura mais elevada do ‘gás ambiente’. – Como resultado…o experimento então, confirmou as limitações da 2ª Lei…em escala atômica e molecular; pois…ao substituir        o ‘determinismo’ da lei em macroescala, pela imprecisão probabilística da nanoescala,      ao invés de absorvera nanoesfera libera calorao ambiente mais quente.

Assim, o quadro experimental demonstra que… – conforme a miniaturização avança para escalas cada vez menores, as condições são cada vez mais aleatórias … inaugurando assim nova área de pesquisa em física de sistemas em nanoescala fora do equilíbrio. (texto base)  ************************************************************************************

(s) leis da termodinâmica (quântica)

Sabe-se que a 2ª lei termodinâmica (clássica)  assume que o Universo se situa…num ‘estado de crescente desordem‘…Agora, um grupo de pesquisadores da College University, London,  garantiu que em nanoescala quântica, não há só uma…mas, várias 2ªs leis termodinâmicas.

Aliás, por ser a 2ª Lei Termodinâmica, basicamente…uma descrição estatística… que só vale para um número suficientemente grande de partículas (num sistema fechado)… há alguma resistência em chamá-la de “lei”… Por isso…é muito importante saber se esta se manteria válida em ‘sistemas quânticos‘ — com um número extremamente reduzido de partículas. E surpreendentemente a pesquisa mostrou que a desordem também tende a crescer nos sistemas em nanoescala, validando a 2ª Lei Clássica em sistemas quânticos.

Há, porém “2ª leis adicionaisrestringindo a forma como essa desordem pode aumentar. E estas podem ser interpretadas como havendo muitos tipos diferentes            de desordem em nanoescala (todas diferentes da conhecida ‘entropia‘) tendendo a aumentar com o tempo… — como assim explica o professor Jonathan Oppenheim:

“Embora uma ‘casa quântica’ fique mais bagunçada, em vez de arrumada,                        como uma casa normal – nossa pesquisa mostra que… as formas com que                          ela fica mais bagunçada… – são limitadas … por uma série extras de leis”.

Se não fosse estranho o suficiente, a forma como estas segundas leis interagem umas com as outras, pode até mesmo, fazer com que pareça que a tradicional 2ª Lei Termodinâmica foi violada…Nessas aparentes violações, o que ocorre é que um pequeno sistema quântico pode ficar mais ordenado ao entrar em contato com outro sistema maior – mas este…por sua vez, fica mais desordenado, ainda que seja difícil de detetar…por ser o sistema muito maior do que o outro… Assim, o efeito líquido é uma desordem ainda maior. (texto base)  **********************************************************************************

Demônio atômico de Maxwell faz sua própria Lei Termodinâmica  (fev/2017)

demonio-maxwellQuando as coisas são muito miniaturizadas… – a ‘geração aleatória de calor’… passa a ser um forte obstáculo ao avanço nanotecnológico… À medida que “nanodispositivos” ficam cada vez menores e mais complexos; feitos com peças de tamanho de  moléculas, ou mesmo de átomos… – eles têm um risco maior de gerar flutuações quânticas em seu funcionamento. – Essas flutuações são variações abruptas e imprevisíveis de energia…regidas por leis probabilísticas da mecânica quântica. — São reduzidas… – mas com potencial suficiente para danificar os super-sensíveis “nano-mecanismos”.

Em vista disso…um grupo de físicos brasileiros acaba de elaborar uma técnica… capaz de atenuar a produção dessas flutuações de calor, baseando-se na chamada “termodinâmica quântica fora do equilíbrio”… novo campo de pesquisa que abrangerá o estudo prático de dispositivos em escalas molecular e atômica – como, por exemplo…chips de computador.   Para desenvolver essa nova técnica…os cientistas se inspiraram no demônio de Maxwell; um ser imaginado pelo físico e matemático James Maxwell (1831-1879). No experimento mental…o Ser controlava uma torneira, separando 2 recipientes iguais…ambos cheios de um gás, no início, à mesma temperatura. Ao abrir… e fechar a porta… a criatura poderia ordenar as partículas do gás… – passando as lentas e frias para um lado… e, dirigindo as rápidas e quentes para o outro lado da parede…criando assim uma diferença (gradiente) de temperatura. – Como a 2ª lei termodinâmica estaria sendo ‘violada’…o físico William Thomson (Lorde Kelvin), ironicamente… – batizou o ser de…”Demônio de Maxwell“.

Desde então já foram criados em laboratório mecanismos semelhantes ao imaginado por Maxwell, cada vez menores, mas a equipe brasileira é a 1ª    a projetar um demônio de Maxwell totalmente quântico… a nível atômico.

Em um ‘laboratório’ do “Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas” (CBPF), Rio de Janeiro,    os pesquisadores dispararam um pulso de ondas eletromagnéticas…contra uma solução    de moléculas de clorofórmio (CHCl3), precisamente ajustado para provocar ‘flutuações‘  na ‘energia nuclear’ dos “átomos de carbono”…das moléculas. – Adicionalmente, foram disparadas ondas eletromagnéticas ajustando a interação do núcleo de carbono de cada molécula, com o seu ‘núcleo de hidrogênio’. O controle dessas interações, permitiu usar este núcleo como um “demônio de Maxwell”, armazenando informações sobre o estado    do núcleo de carbono. Em função do seu nível de energia, o núcleo de hidrogênio ‘entra      em operação’, limitando flutuações energéticas do vizinho. A ação exercida por núcleos    de hidrogênio, faz com que flutuações de energia dos núcleos de carbono…produzam o mínimo de entropia possível… – como explicou Roberto Serra, coordenador da equipe:

“Projetamos esse processo, por meio de uma equação matemática               que deduzimos, relacionando…informação, entropia e energia. A               equação é bem geral…e poderá ser aplicada… – não só a núcleos       atômicos, mas a todo sistema quântico…como elétrons e fótons.” 

E o físico Vlatko Vedral, da Universidade de Oxford, Inglaterra… que participou do experimento realizado em 2016 no qual se usaram feixes de laser para produzir um demônio de Maxwell, assim comentou…“É um trabalho empolgante. Eles testaram        uma fórmula que descreve a produção de entropia em sistemas quânticos – e…essa abordagem pode ajudar a entender a origem da 2ª lei termodinâmica.” (texto base)

consulta: Cientistas constroem a nanomáquina conhecida como Demônio de Maxwell  (2007) ## Demônio de Maxwell manipula calor e balança leis da termodinâmica (2016)  **********************************************************************************

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Questionando a 3ª Lei Termodinâmica

A 3ª Lei da Termodinâmica estabelece que…à medida que a temperatura de uma substância move-se ao ‘zero absoluto’ (matematicamente, a menor temperatura possível)…sua entropia, ou melhor – o comportamento ‘desordenado‘ de suas moléculas — também se aproxima de zero… – e, estas assim… – deverão se alinhar num ‘padrão fractal’…previamente ordenado.

Mas, recentes pesquisas de John Cumings, da Universidade de Maryland /EUA, acabam de demonstrar que a coisa não é tão simples assim. No processo de cristalização da água, por exemplo, sua transformação em gelo não é um processo totalmente entendido. — Os livros-texto afirmam que as moléculas d’água movem-se cada vez mais devagar, quando      a temperatura começa a cair… – Até que…ao atingir 0º C … elas assumem posições fixas, fazendo com que a água passe do estado líquido… para o estado sólido – formando gelo.  O que acontece ao nível molecular…porém, é muito mais complicado do que isso, afirma Cumings… E, mais importante – parece estar em contradição com aquela que é uma das mais fundamentais leis da Física… a ‘3ª Lei Termodinâmica’… Muito embora os átomos de oxigênio fixem-se para formar uma estrutura cristalina bem ordenada…o mesmo não acontece com os átomos de hidrogênio. – Como Cumings…tenta assim, melhor explicar:

“Os átomos de hidrogênio param de se mover…mas…eles simplesmente param no lugar onde estão… em configurações diferentes ao longo do cristal… sem nenhuma correlação entre si, e nenhum deles baixa sua energia o suficiente para reduzir sua entropia a zero”.

Pela 3ª Lei termodinâmica…vimos que a entropia de todos materiais cristalinos puros move-se em direção a zero… quando suas temperaturas movem-se em direção ao zero absoluto… Ora, o gelo é uma substância cristalina pura – mas, parece que apenas seus átomos de oxigênio obedecem à Lei. Pode ser que o gelo venha ordenar-se totalmente, depois de longos períodos de tempo, sujeitos a temperaturas muito baixas…mas isto é      apenas uma mera suposição… não tendo sido ainda demonstrado experimentalmente.  ********************************************************************************

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“Transição de fase quântica”

Coloque um cubo de gelo em uma vasilha d’água quente…e ele perderá estabilidade, fundindo-se totalmente…As moléculas do gelo…e as moléculas da água…vão atingir o equilíbrio termal…alcançando a mesma temperatura, tornando-as indistinguíveis.  E assim…um cristal sólido bem ordenado acaba…na “forma caótica” de um líquido.

Do ponto de vista quântico, porém – nessa transição para um equilíbrio termal…entre o estado ordenado inicial e o estado amorfo final, emerge algo assim como um…”estado intermediário quase estacionário“.

As transições de fase mais conhecidas…são aquelas que marcam a passagem do gelo para água, e da água para o vapor. – Nessas transições…a matéria muda entre estados mais ou menos ordenados – dependendo se a temperatura desce ou sobe. – Entretanto, para uma temperatura hipoteticamente fixada no zero absoluto… e com um outro parâmetro, como   a pressão variando…essa transição de estado ocorrerá sem qualquer variação de entropia, ou seja, numa transição de “ordem para ordem“. Apenas para destacar a importância prática disso… é na vizinhança do zero absoluto que uma ‘transição de fase’ com entropia zero apresenta a emergência de um fenômeno bem conhecido… – a ‘supercondutividade‘.

Contudo, há outras possibilidades… — Os materiais “ferroelétricos”          contêm dipolos elétricos nas ‘células’ de sua rede cristalina. Devido                às interações entre eles … os dipolos podem alinhar-se, resultando                assim… – em “campos elétricos” ordenados… permeando o cristal.

Variando a pressão ou a química, os ferroelétricos podem ser ajustados para um ‘regime quântico crítico‘ – no qual… as flutuações dos dipolos passam a ocorrer em um ‘espaço quadridimensional’ – e assim… além das coordenadas espaciais x, y e z, deve-se levar em conta o tempo… — envolvido nas “vibrações internas“… — dentro da “rede cristalina”.  ***********************************************************************************

Radiação termal x Lei de Plack  

Em 1900 o físico Max Planck havia estruturado uma fórmula — “lei da radiação dos corpos negros“… que descreve a radiação de calor que os corpos emitem… como uma função   da sua temperatura, estabelecendo     as bases para a física quântica. Sua teoria descreve a ‘radiação’ de uma ampla variedade de objetos; da luz emitida por estrelas, até a invisível radiação de calor…registrada pelas …câmeras do infravermelho“.

Contudo, embora a teoria possa ser aplicada a muitos sistemas diferentes,                          o próprio Planck já sabia que não era universal, tendo que ser substituída                        por uma teoria mais geral, quando partículas diminutas fossem incluídas.

Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel da Universidade de Tecnologia de Viena, trabalhando não com distâncias…mas especificamente com dimensão e geometria            das partículas; conforme previsto por Planck, verificaram experimentalmente que, em objetos menores, que o comprimento de onda da radiação termal (‘fônons‘)…o        calor não se irradia do mesmo modo eficiente como verificado em corpos maiores

“A radiação térmica de um pedaço de carvão pode ser descrita pela lei de Planck,            mas o comportamento das partículas de fuligem…na atmosfera, por exemplo, só            pode ser descrito por uma teoria mais geral…pois, micropartículas levam muito              mais tempo para alcançar a ‘temperatura de equilíbrio’… – do que uma simples aplicação da… ‘lei de Planck’… – poderia então sugerir”. (Arno Rauschenbeutel)  ***************************************************************************

Uma nova definição de temperatura e calor                                                                      É fascinante que os seres humanos descobriram um jeito de medir                                        a temperatura… muito antes de sabermos realmente – o que ela é”.

Assim como o som, o calor é uma vibração da matéria, diferindo, na frequência de suas vibrações – enquanto o som é formado por vibrações de baixa frequência, até a faixa dos kilohertz (milhares de vibrações por seg)…o calor é formado por vibrações de altíssima frequência…na faixa dos terahertz (trilhões de vibrações por segundo). Tecnicamente…é uma vibração da rede atômica de um material – podendo ser descrita, como um feixe de fônons – uma espécie de “partícula virtual“… análoga aos fótons que transmitem a luz. 

O Sistema Internacional de Unidades definiu a unidade de temperatura – a ‘temperatura Kelvin’ – o grau Celsius etc; pela temperatura do ponto triplo da água … o ponto no qual, a água no estado líquido, bem como gelo sólido, e vapor…podem existir em equilíbrio. Esta temperatura padrão foi definida exatamente como 273,16ºK. – Todas medições de temperatura feitas…são uma avaliação de, quão mais quente, ou mais frio um objeto está…quando comparado a este ‘valor universal‘.

Porém, conforme se tornou necessária ‘precisão crescente’ na medição da temperatura, fixar uma única temperatura como padrão tem-se tornado cada vez mais problemático, especialmente quando se trata da medição de temperaturas extremamente quentes, ou extremamente frias. A solução então, é redefinir o ‘Kelvin’…usando uma constante fixa      da natureza…A sugestão hoje mais aceita consiste em usar a “constante de Boltzmann“, calculada pela técnica da “termometria acústica“… 

A “constante de Boltzmann” estabelece a quantidade de energia…ao nível                          das partículas individuais, que corresponde a cada grau de temperatura. 

Para isso, a equipe de Michael de Podesta do Laboratório Nacional de Física da Grã Bretanha, fez medições precisas da velocidade do som no “gás argônio“, por meio          de um “ressonador acústico“. As medições permitiram calcular a velocidade média          das moléculas do gás, e assim o valor médio da energia cinética delas… A partir daí,            a constante de Boltzmann foi calculada com uma precisão sem precedentes… Logo:

“Agora sabemos que a temperatura de um objeto se relaciona à ‘energia                            cinética’ dos constituintes. Ao tocarmos um objeto, e ele parecer ‘quente’,                          estamos sentindo o ‘zumbido’ das vibrações atômicas…A nova definição                            liga esta realidade física…diretamente…à sua unidade de temperatura”.  ********************************************************************

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Esquema da entropia como uma função da energia para sistemas com limites superior e inferior de energia. [Rapp et al./PRL]

Baixa entropia p/ temperaturas negativas

Em 2005, o físico Allard Mosk, da ‘Universidade de Twente’, Holanda, idealizou um experimento, que daria mais chances de estudar temperaturas negativas… – Inicialmente… ‘lasers‘ são usados para agrupar átomos…até formar uma bola bem coesa … em um estado altamente ordenado… ou seja, de baixa entropia. Logo após, outros lasers são disparados sobre os átomos..para criar uma matriz de luz (‘grade ótica’)…que circundaria os átomos … numa série de poços de baixa energia.

O 1º conjunto de lasers é então reajustado, de modo que eles passam a tentar desconstruir a ‘bola de átomos’, deixando os átomos num estado instável, como se equilibrados no pico de uma montanha, prestes a rolar ladeira abaixo. A grade ótica por sua vez funciona como  uma série de fendas ao longo da montanha, travando a ‘descida’ dos átomos. Neste estado, remover parte da energia potencial dos átomos, levando-os a rolar, e se distanciar uns dos outros…levaria à maior desordem – e…à um sistema de temperaturas absolutas negativas.

Isso já havia sido feito em experimentos com ‘núcleos atômicos’ colocados em um campo magnético – sob o qual estes agem como minúsculos ímãs…alinhando-se com o campo…Quando o campo é subitamente revertido – os núcleos momentaneamente se alinham na direção oposta àquela que corresponde ao seu menor…’estado de energia‘… Na fração de tempo em que permanecem nesse ‘estado transitório’ – se comportam de forma coerente com a de um sistema com temperaturas absolutas negativas…Porém, como os núcleos só alternam entre 2 estados possíveis (paralelo, ou oposto) – logo…se realinham ao ‘campo’.

A ideia de Mosk foi posteriormente refinada pelo físico alemão Achim Rosch, e colegas, da Universidade de Colônia. O grande avanço… é uma nova forma de testar se o experimento realmente produzirá temperaturas negativas absolutas…Assim, conforme explicou Rosch:  “Como átomos no estado de temperaturas negativas … têm energias relativamente altas, eles deverão se mover…mais rapidamente – quando liberados da ‘armadilha’… – do que ocorreria com uma nuvem de átomos com temperatura positiva. Pode-se usar isso para estudar a criação de novos estados da matéria…em regimes ainda não bem conhecidos”************************************************************************************

A relatividade do zero absoluto                                                                                              Zero ABSOLUTO é um termo que impressiona… Soa como um limite inviolável, além do qual é impossível pensar em qualquer experimento…Mas, na realidade, há um estranho reino de ‘temperaturas negativas absolutas’…abaixo do “zero absoluto”…que não só são previstas pela própria teoria – como também já se mostraram alcançáveis…na prática.

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A temperatura termodinâmica é definida pela forma como a adição…ou remoção de energia, afeta a quantidade de desordem…ou entropia, em um sistema. — Para aqueles sistemas com temperaturas positivas que nos acostumamos, o acréscimo de energia…aumenta a desordem. Por exemplo aquecer um cristal de gelo, vai transformá-loem um líquido desordenado

Entretanto…se quisermos remover a energia, podemos chegar cada vez mais perto do ‘zero graus absoluto’…que, na ‘escala de Kelvin‘…é estabelecido a (- 273,15 °C); representando o mínimo da entropia, e energia do sistema. Já para sistemas de temperatura abaixo do zero absoluto, somar energia reduz sua desordem, ou temperatura…Contudo, eles não são frios, no sentido de que o calor irá fluir para eles, a partir de sistemas, com temperatura positiva.

Na verdade…os sistemas com temperaturas absolutas negativas têm mais átomos em estados de alta energia do que é possível…mesmo nas mais elevadas temperaturas na escala das ‘absolutas positivas’… Desse modo, o calor deve sempre fluir deles, para os sistemas acima de zero Kelvin. Portanto…não dá para criar sistemas de temperatura negativa de forma suave e contínua sempre baixando a temperatura, já que não será possível romper a barreira do zero absoluto da maneira usual. Entretanto, é possível saltar sobre essa barreira, indo diretamente…de uma temperatura absoluta positiva, acima do 0º absoluto – a uma temperatura absoluta negativa abaixo do 0º absoluto. 

Temperaturas negativas “absurdas”para um “Calor absoluto”                            Devido à forma como a temperatura é definida… não há uma transição                            suave entre temperaturas absolutas…positivas e negativas – tão logo a                            distribuição de energia é invertida… – atinge-se um “calor descomunal”.

calor infernalA escala de temperaturas absolutas — conhecida como escala Kelvin…é um dos conceitos centrais da física. Por definição… nada pode ser mais frio do que o zero absoluto, estabelecido em K, ou (-273,15 °C). Contudo há muito os físicos sabem, que – abaixo do zero absoluto, há todo um reino de ‘temperaturas absolutas negativas’…Em 2011, um grupo de físicos teóricos… – (Mosk & Rosch) demonstrou que, se não é possível…suavemente, passar pelo zero absoluto, como acontece na escala Celsius…é possível saltar o 0ºK…e ir diretamente para esse reino ainda inexplorado. Agora, uma outra equipe demonstrou na prática como ir abaixo do zero absoluto. E a realidade mostrou-se impressionante… pois,

abaixo do quase inatingível frio absoluto… – estão algumas                              das temperaturas mais quentes, já observadas no Universo.

Distribuição de Boltzmann (normal & invertida)

Simon Braun e seus colegas da Universidade de Munique, obtiveram a temperatura absoluta negativa movendo átomos em um gás ultrafrio. – Na escala Kelvin normal,          de temperaturas absolutas positivas, temperatura é proporcional à ‘energia cinética’  média das partículas. Mas nem todas partículas têm a mesma energia – na verdade,          há uma distribuição de energia, onde… estados de baixa energia são mais ocupados,            do que estados de alta energia… isto é conhecido como “distribuição de Boltzmann”.

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O experimento pode ser comparado a esferas em uma superfície ondulada. Nas temperaturas positivas (esquerda) a maioria das esferas fica nos vales, em seu estado de energia mínimo, quase imóveis – uma distribuição de Boltzmann normal. Em uma temperatura infinita (centro), as esferas se distribuem uniformemente nos dois estados. Na temperatura absoluta negativa (direita), entretanto, a maioria das esferas vai para os picos, no limite superior de energia potencial (e cinética). Nos estados com energia total mais elevada ocorre mais frequentemente uma distribuição de Boltzmann invertida. [LMU/MPG]

No caso das temperaturas Kelvin negativas…a distribuição é invertida, e os estados de alta energia são mais ocupados do que os estados de baixa energia. O resultado é um calor que se aproxima do estado mais quente que se pode obter quanto mais próximo a temperatura absoluta negativa está do zero absoluto. A inversão drástica dos estados de energia…numa distribuição invertida de Boltzmann…faz com que a temperatura sub-Kelvin não seja mais fria, mas incrivelmente quente…Como Ulrich Schneider, coordenador da equipe, explicou:

“É ainda mais quente do que qualquer temperatura positiva – a escala de                          temperaturas não vai até ao infinito… – ela salta para valores negativos”. 

Segundo o pesquisador, essa contradição é apenas aparente…nascendo do                        modo como ‘temperatura absoluta’ tem sido definida, ao longo da história.                      Na verdade, o experimento abre a possibilidade de uma nova definição de    temperatura… – o que pode fazer com que esta “contradição” desapareça.

termometro

Átomos de potássio puderam atingir bilionésimos de 1 Kelvin abaixo do zero absoluto (FONTE)

Temperatura absoluta negativa

A inversão dos estados de energia das partículas num sistema ultrafrio não pode ser realizada em um sistema natural – como a água, por exemplo, porque o material teria que absorver quantidade infinita de energia…Mas a coisa é bem diferente, quando se trabalha com um sistema…no qual as partículas (‘átomos’) tenham um limite superior      de energia. — Simon Braun… trabalhou com um sistema artificial composto por cerca de 100 mil átomos numa ‘câmara de vácuo’…o que os torna perfeitamente isolados do ambiente externo. Os átomos foram resfriados, a uma temperatura de alguns bilionésimos de Kelvin… – Estes átomos foram então capturados por “armadilhas óticas”, produzidas por feixes de raios laser, e dispostos      em uma… “matriz”… – perfeitamente ordenada.

Cada átomo…por tunelamento, poderia mover-se do seu local na matriz ótica para o local vizinho, mas sem perder algo que é fundamental para o experimento… – ao contrário dos sistemas naturais – as partículas da matriz ótica…possuem um limite superior de energia. Assim, a temperatura do sistema não depende apenas da energia cinética, mas da energia total das partículas…incluindo as energias potencial e de interação, ambas igualmente com um limite superior impostas pelo experimento. – Em condições normais…os átomos tenderiam a escapar da rede ótica, colapsando e aglomerando-se de novo em uma nuvem disforme sugada para baixo pela gravidade…Mas a ‘rede ótica’ foi ajustada para que fosse energeticamente favorável aos átomos permanecer em suas posições ordenadas. – Sendo então levados até seu nível superior de ‘Energia total’ – materializando uma temperatura absoluta negativa de alguns bilionésimos de ºK … em um sistema que se manteve estável.

Motor com eficiência maior que 100%

Matéria em temperaturas negativas absolutas pode ter consequências sem precedentes…    Com um sistema robusto o suficiente poderá ser possível criar motores a combustão com uma eficiência energética que supere os 100%. E isso não significa uma violação da lei de conservação de energia…esse motor hipotético poderia… não apenas absorver energia do meio quente, executando um trabalho semelhante aos ‘motores normais‘ – mas também, extrair energia do meio mais frio, executando um trabalho adicional… Sob temperaturas absolutamente positivas – o meio mais frio inevitavelmente se aquece…absorvendo uma parte da energia do meio mais quente… – o que impõe um limite à “eficiência” do motor.  Contudo, se o meio quente tiver uma temperatura absoluta negativa, é possível absorver energia dos 2 meios simultaneamente. – O trabalho realizado pelo motor será, portanto, maior que a energia retirada apenas do meio quente; sua eficiência será superior a 100%.

“Desafiando a gravidade”                                                                                                      O experimento se baseia no fato de que os átomos no gás não se repelem                          uns aos outros, como nos gases normais… Na verdade, eles interagem de                            forma atrativa… ou seja… os átomos exercem uma pressão negativa“.                          

O experimento tem também um impacto direto para o campo da cosmologia, mais especificamente, sobre a “energia escura“, uma força ainda desconhecida que os cientistas utilizam para explicar a aceleração da expansão do Universo… O teste da temperatura absoluta negativa revelou um fenômeno que…desafiando a gravidade,          age no sentido contrário, exatamente como se propõe que a ‘energia escura‘ o faça.

Com base apenas nas forças conhecidas, o universo deveria estar se contraindo          devido à… atração gravitacional… – entre todas as massas que o compõem.                      A nuvem de átomos tenderia naturalmente a se contrair… — devendo colapsar,          exatamente como em um Universo onde apenas a gravidade estivesse atuando.                Mas isso não acontece justamente por causa da temperatura absoluta negativa, extremamente quente…e o gás não colapsa…exatamente como nosso Universo.  *************************************************************************

“Antes que o inferno congele…”                                                                                              Pensando na física clássica, essa ideia não faz sentido, mas, para sistemas                        quânticos… – a definição clássica de temperatura também não faz sentido.            

Aprendemos desde cedo que a temperatura de um gás se relaciona com a energia cinética das partículas – isto é…com a velocidade com que elas se movem… Pensando assim, deve existir um limite no qual as partículas têm o mínimo de energia cinética e estão ‘paradas’. Esse limite foi definido em 1849 por William Thomson…mais conhecido por Lord Kelvin, como sendo o zero absoluto, correspondente à -273,15 ºC. – Mas então, o que significaria ter uma temperatura abaixo do zero absoluto?…

temperatura

Entropia‘ é um conceito que tem a ver com a ‘desordem‘ de um sistema, e…a 2ª lei da termodinâmica diz que esta sempre aumenta, determinando então…o “fluxo dos acontecimentos”.

A definição de ‘temperatura‘… por sua vez, leva em conta a distribuição energética das partículas de um ‘gás’,  e…assim – determina a sua entropia. 

Para baixas temperaturas…usamos a temperatura termodinâmica, definida em termos da ‘variação de entropia’. – Nesse caso então, pode-se atingir uma ‘temperatura negativa‘  quando a variação de energia é positiva; isto é, todas partículas estão num estado de máxima energia, e a entropia decresce (nesse caso, só há 1 estado de ‘máxima energia’).  Em um sistema ‘sem energia máxima’, pode-se adicionar energia que as partículas vão se espalhar entre os níveis(cada vez para os mais altos) – representando uma situação em que ‘a temperatura aumenta. Porém, em um sistema com uma ‘energia máxima fixa’, conforme acrescentamos energia… – as partículas tendem a ficar juntas … diminuindo a entropia nesse estado de energia máxima … o que representa “temperatura negativa.

O importante é salientar que a ‘temperatura negativa’ é um estado formal, pois um estado com temperatura negativa sempre tem muito mais energia – que outro…com temperatura positiva (qualquer) – e, portanto…sempre cede calor a este… Assim, temperatura negativa é muito… mas, muito quente!… – E, além disso…apenas são alcançadas…por meio de uma ‘transição brusca‘… – não passando pelo zero absoluto, que continua sendo inatingível ************************************************************************************

gelo_quebrado

‘O Grande Resfriamento’                                  Segundo a teoria, o universo pode ter trincas em        sua estrutura – geradas em seu “congelamento”. 

Um grupo de físicos está propondo… — que aqueles  problemáticos femtossegundos iniciais do universo, quando, nada do que se conhece em física funciona, podem ser semelhantes…ao congelamento da água. Para eles, esses “momentos primordiais” poderiam ser modelados de uma forma que lembra a água se congelando. A teoria é conhecida como “Big Chill” (“Grande Resfriamento“)… – e teria ocorrido… imediatamente após o acontecimento…”Big Bang”.

O Big Bang é imaginado como um tipo de expansão que gerou algo similar ao plasma – extremamente quente e denso… – que desde o início, começou a esfriar. Mas, a forma como algo esfria, depende da estrutura desse algo.

James Quach e seus colegas afirmam que… o nosso entendimento da natureza do Cosmo pode melhorar – se prestarmos atenção às trincas e rachaduras…comuns a todos cristais, incluindo gelo d’água. Para ele…“Einstein assumiu o espaço e o tempo contínuos, fluindo uniformemente, mas agora acreditamos que esta hipótese não pode ser válida em escalas reduzidas. – Uma nova teoria… conhecida como ‘Quantum Graphity‘… – sugere que o espaço pode ser formado por blocos indivisíveis… – como os átomos… – Esses ‘blocos de construção do espaço’ podem ser pensados como semelhantes aos ‘pixels‘…que formam uma imagem em uma tela… porém, tão pequenos…que é impossível vê-los diretamente”. 

A teoria ‘Quantum Graphity‘ – proposta em 2006… estabelece que o espaço emerge de estados de baixa energia dos graus de liberdade de uma rede dinâmica. Dessa maneira, propriedades como a velocidade da luz, e o nº de dimensões do Universo…emergiriam     de “interações” (como a massa das partículas emerge do campo do “bóson de Higgs“.)        Os pontos no ‘espaçotempo’ … (os pixels usados na comparação do pesquisador) – são representados por diminutos ‘nós‘ conectados por links, que podem estar “ligados” ou “desligados” … os nós “ligados” possuem variáveis de estado adicionais que definem o Universo resultante. – A novidade…é que Quach e colegas acreditam ter achado agora,       um modo de ver essas ‘partículas de espaço‘ indiretamente…Como ele mesmo explica:

“Pense no início do Universo como sendo um líquido. Então, conforme o Universo vai se esfriando, ele ‘cristaliza’ para as 3 dimensões espaciais, e uma temporal que vemos hoje. Teorizado desta forma…conforme o universo esfria… seria de se esperar que se formem rachaduras, semelhantes às fendas que se formam quando a água se converte em gelo.”

Se assim for…acreditam eles, alguns desses defeitos na estrutura do espaço poderiam ser detetáveis. Afinal, se o universo passou por uma fase de congelamento, com suas ‘trincas’ decorrentes, então estas poderiam ser observadas, pois – a princípio, deveriam interferir com a propagação da luz … como defende Andrew Greentree — um dos autores da teoria:

“A luz deveria se curvar, ou ser refletida nessas ‘reentrâncias’,                         e… assim – em teoria – poderíamos ser capazes de detetá-las”.  **********************************************************

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Experimento revela efeitos quânticos na Termodinâmica 

destaqueA termodinâmica é um dos pilares da física clássica. Contudo, investigá-la em termos quânticos envolve o cômputo da aleatoriedade de certas propriedades de cada partícula individual…e exige experimentos, até agora difíceis de realizar. Mas…em colaboração com colegas britânicos – pesquisadores brasileiros reconstruíram uma ‘distribuição de probabilidade’, num sistema quântico fechado, ‘fora do equilíbrio’.

Trabalho” é classicamente definido pelo produto da força feita sobre um objeto – pelo deslocamento que ele executa… — Na mecânica quântica, porém… o conceito precisa ser redefinido, em razão: (1) da natureza não-determinística dos sistemas quânticos (pois      é impossível prevê-los, com exatidão, a cada momento)…e (2) dos efeitos de flutuações quânticas, que também introduzem incertezas. — Diversas investigações produziram a descrição de efeitos teoricamente observáveis sem qualquer comprovação experimental.

Mas agora, com o estudo publicado na “Physical Review Letters” em 3 de outubro, que      tem por autores Tiago Batalhão e Roberto Serra…da Universidade Federal do ABC, em Santo André (SP), além de Alexandre Souza, Ruben Auccaise, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, do CBPF (“Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas”), Rio de Janeiro, foi criado        um dispositivo que usa espectroscopia de ressonância magnética nuclear para medir o spin individual dos núcleos atômicos de hidrogênio e carbono contidos numa amostra        de clorofórmio líquida. E, como explicam os pesquisadores, em seu artigo: “O resto da molécula pode ser desconsiderado, fornecendo efeitos ambientais leves, que na escala          de tempo dos nossos experimentos… — são não-essenciais para os nossos resultados”.

Apesar dos resultados obtidos se limitarem à termodinâmica das partículas individualmente, os pesquisadores acreditam que o trabalho possa inspirar                  técnicas experimentais que possam investigar outros fenômenos, incluindo                    problemas quânticos de muitos corpos – bem mais complexos. (texto base)

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Testando a Termodinâmica Quântica 

Uma equipe coordenada pelo físico Roberto Serra da Universidade Federal do ‘ABC’, em um experimento surpreendente…mensurou a quantidade de energia — que um ‘núcleo atômico‘ pode ganhar…ou perder … ao ser atingido por um “pulso” de ‘ondas de rádio’.

A maioria dos pesquisadores estava certa do comportamento imprevisível do núcleo. Jamais se poderia conhecer suas probabilidades de absorver energia das ondas … ao tornar-se mais quente, ou de esfriar, ao transmitir parte de sua energia para elas. As      novas experiências realizadas no ‘Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas’ (CBPF/RJ), entretanto, mostraram que essa ‘troca de energia‘ obedece a leis físicas nunca antes testadas no ‘mundo subatômico’…Segundo o pesquisador Roberto Serra: “Essas leis        podem ajudar a entender melhor reações químicas como a fotossíntese das plantas;            ou determinar quanta energia computadores quânticos usarão para funcionar. Esse            é o primeiro experimento de uma nova área da física: termodinâmica quântica”.

“Termodinâmica Clássica”                                                                                                        Em muitas das reações químicas, quando é impossível isolar termicamente um objeto de seu ambiente por muito tempo…a temperatura aumenta e diminui de modo imprevisível; ao contrário do que ocorre em… ‘sistemas isolados‘… – onde tudo tende ao equilíbrio”.

“Computadores quânticos” prometem empregar leis da mecânica quântica, para superar exponencialmente o poder de cálculo dos computadores convencionais… – Mas…quanta energia esse novo tipo de computação gastará na prática?…Quanto calor essas máquinas produzirão…funcionando?…Irão precisar de “refrigeração“?… – Perguntas semelhantes pairavam no ar durante a ‘Revolução Industrial’, no século 19…Qual o mínimo de carvão que os fornos precisariam consumir?… – A que temperatura as caldeiras chegariam, até que as máquinas a vapor alcançassem sua eficiência máxima?…

Os cientistas da época perceberam então…que tanto o calor… quanto            a capacidade das máquinas de trabalharem … são formas diferentes              de uma mesma quantidade física – a energia… que, nunca é criada              a partir do nada…nem pode ser destruída… – apenas transformada.

E assim, ao investigar a conversão de uma forma de energia em outra, eles descobriram as leis da termodinâmica clássica. E, esta impõe limites a qualquer tecnologia. De acordo com suas leis… – a energia flui espontaneamente, de um volume com temperatura quente, para outro mais frio… Enquanto que… uma máquina, mesmo que ideal, só pode converter parte da energia disponível…na forma de calor…em energia capaz de realizar movimentos mecânicos… – o que significa, produzir aquilo que se conhece em física como “trabalho.

Os engenheiros vitorianos resolveram seus problemas, às custas de um pequeno truque. Seus cálculos só funcionavam quando se considerava que as máquinas estavam isoladas termicamente do resto do mundo … trocando, em ritmo lento, um pouco de calor com o ambiente…Mas, essas aproximações são inúteis – às situações que ocorrem na natureza.

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‘Sistemas abertos’ (‘fora do equilíbrio’) 

Foi apenas em 1997…que o físico-químico  Christopher Jarzynski… desenvolveu uma “expressão matemática” capaz de calcular as ‘variações mecânicas’… de trabalho, e energia fora do equilíbrio. A equação de Jarzynski … além de outros “teoremas de flutuação”… — permitem aos químicos medirem…”variações” na energia de uma molécula…antes…e depois de uma reação.

O próprio Jarzynski confirmou sua equação em 2005…observando o trabalho mecânico de uma molécula de RNA esticada e comprimida como uma mola…Apesar de microscópico, o movimento da molécula de RNA era grande o suficiente para poder ser calculado usando a fórmula derivada das leis da mecânica de Newton: “Trabalho é força vezes deslocamento”.  As equações da termodinâmica, seja dentro ou fora do equilíbrio, foram deduzidas usando a ‘mecânica de Newton’. Mas, as leis de Newton perdem sentido para vários processos que acontecem nas moléculas…e para todos, no interior dos átomos, por ser impossível medir forças e deslocamentos com precisão. Nessas escalas valem as leis da ‘mecânica quântica’.

Roberto Serra queria saber se equações, como a de Jarzinsky, ainda valeriam nesse mundo subatômico. Esse conhecimento ajudaria a entender reações químicas como a fotossintese. Nela, moléculas nas células das folhas funcionam como máquinas quânticas que absorvem energia das partículas de luz e a armazenam na forma de moléculas de açúcar…O processo é muito eficiente  —  quase não gera calor…  E, estudos sugerem ser um processo quântico.

No laboratório de ressonância magnética nuclear do – ‘CBPF‘… existe um pequeno ‘tubo de ensaio‘ contendo uma solução puríssima de clorofórmio… diluído em  água. Cada uma das cerca de 1 trilhão de moléculas de… clorofórmio – possui um átomo de carbono-13… O núcleo desse carbono possui uma propriedade (spin) quântica, que se parece com a agulha de uma…’bússola magnética’…podendo ser representada por uma seta… – Sob um forte campo magnético paralelo ao tubo (indo de baixo para cima) tais setas, tendem a se alinhar com o campo; metade delas apontando para baixo – e, a outra metade, para cima.

O “campo magnético” também faz com que os spins apontando                  para baixo tenham mais energia que os spins voltados para cima.

Os físicos manipulam os spins por meio de campos eletromagnéticos…oscilando com uma frequência de 125 megahertz (o equipamento precisa ser isolado das estações de rádio FM que transmitem nessa frequência). Essas manipulações são feitas por pulsos de onda, não durando mais que uns microssegundos. – O experimento acontece tão rapidamente que é como se, por alguns instantes, cada átomo de carbono no tubo de ensaio estivesse isolado do resto do mundo – submetido à temperatura muito próxima do zero absoluto (-273º C).  Quando reduzem ou aumentam a amplitude das ondas de rádio, os pesquisadores podem diminuir ou aumentar a diferença de energia entre os spins… – para baixo…ou para cima.

Quando essa mudança de amplitude é muito rápida… — os spins saem de seu isolamento térmico… e começam… tanto a absorver energia das ondas de rádio – situação em que as ondas realizam trabalho sobre os spins…quanto a transmitir parte de sua energia para as ondas…realizando trabalho sobre elas. E nesse caso, o físico Roberto Serra ainda explica:  “Podemos explorar essa variação, para criar uma…’máquina térmica quântica‘…que funcionaria…alternando pulsos de amplitude reduzida e aumentada…entre 2 estados de ‘equilíbrio térmico’, cada um com uma temperatura diferente; de maneira parecida com um “motor a combustão“…realizando trabalho mecânico, com parte da energia química irreversivelmente dissipada em calor… – através da ‘explosão química’ do combustível”.

O físico Lucas Céleri, da “Universidade Federal de Goiás”, que – em parceria com Paulo Souto Ribeiro e Stephen Walborn – da UFRJ, trabalha na termodinâmica de uma única partícula de luz, comentou que: “A técnica aplicada aqui nesse experimento tem grande potencial. Avanços experimentais são raros na termodinâmica quântica…pelo enorme controle do sistema quântico em seu isolamento do ambiente”. (texto base) (Dez/2014) ****************************** (texto complementar)******************************

A Revolucionária “Termodinâmica Quântica” (maio/2017)                                              A relação entre “informação”, “energia”, e outras quantidades conserváveis, que podem ser trocadas…mas, nunca destruídas – com 2 trabalhos publicados simultaneamente em julho deste ano (2017) na “Nature”, um pela equipe do físico Sandu Popescu (Bristol University), e outro, pelo grupo de Jonathan Oppenheim, da College University de Londres, tomou um novo rumo. Ambos estudos criaram um hipotético sistema quântico, usando “informação” como uma espécie de “moeda de troca“, entre a termodinâmica…e os domínios quânticos.

Quantum-EngineTARICARDO BESSA FOR QUANTA MAGAZINE

“Quantum-Engine” Ricardo Bessa – QUANTA MAGAZINE

Imagine um vasto reservatório de partículas – todas se movendo e girando… com energia e momento angular. Este reservatório é conectado tanto a um peso… consumindo energia ao ser levantado; quanto a uma…”plataforma giratória”, que demanda momento angular para acelerar ou desacelerar. – Normalmente, segundo ‘Carnot‘…um único reservatório (quente ou frio) não pode realizar trabalho algum…Todavia, os pesquisadores descobriram que um reservatório com propriedades conservativas segue diferentes regras. E, Popescu comenta:

“Se você tem 2 quantidades físicas diferentes que são conservadas,                  como energia e momento angular…dentro de um sistema com          ambas as propriedades – então é possível trocar uma pelo outra.”

Nesse hipotético sistema, o peso pode ser erguido à medida que a plataforma desacelera, ou por outro lado, a redução do peso fazer com que a mesa giratória gire mais rápido. Os cientistas descobriram que a informação quântica ao descrever os estados de “energia” e “spin” das partículas pode agir como uma espécie de “moeda de troca”, permitindo uma “negociação”…entre a energia do reservatório…e o suprimento de “momento angular”.

Essa noção de que quantidades conservadas podem ser trocadas umas pelas outras em sistemas quânticos é uma novidade… – podendo sugerir a necessidade de uma ‘teoria termodinâmica‘ mais completa, que descreva não apenas o “fluxo de energia”, como também a interação efetuada … entre todas as “quantidades conservadas” no universo.

Simetria termodinâmica

O fato da energia ter dominado a história da termodinâmica até hoje pode ser mais circunstancial do que fundamental, disse Oppenheim… – Carnot e seus seguidores poderiam ter criado – com base no fluxo, digamos, do…”momento angular“…uma teoria termodinâmica…para desenvolver teoricamente seu ‘motor’ – se precisasse.

Para Popescu…certas realizações estão em evidência…entre elas, um novo experimento mental que ilustra uma distinção entre informação e outras quantidades conservadas – e indica como as simetrias na natureza podem separá-las. E, ele próprio explica…“Suponha que você e eu vivamos em planetas diversos de remotas galáxias, e que…queiramos nos comunicar…como fazer então para localizar nossos planetas? O único problema é que isso é fisicamente impossível. Posso    lhe enviar a história de Hamlet, mas não posso lhe indicar uma única direção espacial“.

Não há como expressar em qualquer ‘sequência binária’ uma maneira definitiva de localizar a direção de estrelas e/ou galáxias, porque a natureza não nos fornece um “referencial universal”. E, se acaso o fizesse – se, por exemplo…minúsculas flechas      fossem anexadas em toda estrutura do tecido espaçotempo, indicando sua direção            de movimento – isso violaria a simetria do universo chamada ‘invariância angular’.

As galáxias começariam a girar mais rápido… – quando alinhadas com a                          rotação do universo, e o ‘momento angular’ não pareceria ser conservado.

noethers-theoremA matemática Emmy Noether, no início do século 20… – mostrou que a toda simetria na natureza… corresponde uma “lei de conservação”. A simetria rotacional…do universo – por exemplo… – reflete a preservação de uma quantidade, denominada – “momento angular”… O ‘experimento mental‘ de Popescu sugere assim – que a impossibilidade de se expressar “direção espacial” com informações, pode ​​estar relacionada com a ‘lei de conservação’.

A aparente incapacidade de se expressar tudo sobre o universo em termos de informação poderia ser relevante para a busca de uma descrição mais fundamental da natureza…Nos últimos anos, muitos teóricos passaram a acreditar que o espaçotempo (tecido flexível do universo), mais a matéria e energia dentro dele podem ser um “holograma”, que surge de uma rede de informações quânticas emaranhadas. E Oppenheim também explicou que…

“É preciso ter cuidado, porque a informação se comporta de modo   diferente de outras propriedades físicas … como o espaço-tempo”.

Nesse sentido…conhecer as ‘ligações lógicas’ entre os conceitos também poderia ajudar os físicos a raciocinar dentro de “buracos negros”, misteriosos objetos engolidores de espaço-tempo, conhecidos pelas propriedades: temperatura, momento angular, e entropia;  e que, de alguma forma (radiação Hawking) irradiam informações… Segundo Popescu:  “Um dos aspectos mais importantes do buraco negro é a sua termodinâmica…Mas, o tipo de termodinâmica discutida nos BNs, por ser assunto tão complicado, não é a tradicional. Para tanto, estamos desenvolvendo uma perspectiva totalmente nova…e, é inevitável que essa nova ferramenta…depois de aperfeiçoada, seja usada no estudo dos buracos negros”.

Uma abordagem tecnológica                                                                                                “Se formos mais e mais fundo (em escala), vamos atingir uma região para a qual não temos uma boa teoria; e a questão se torna então, o que precisamos saber sobre essa região, em termos tecnológicos?” (Janet Anders … cientista da informação quântica)

QUANTIFYING_QUBITS

Popescu…Oppenheim…e seus colaboradores estão buscando soluções mais concretas. Em março…Oppenheim… – e seu ex-aluno Lluis Masanes, publicaram um artigo derivando a 3ª lei termodinâmica (impossibilidade de se chegar a uma temperatura zero-absoluta), com base na ‘teoria quântica da informação‘.    Eles mostraram que…o limite de velocidade de resfriamento, impedindo se alcançar um    zero absoluto, vem do limite de quão rápido    a informação pode ser extraída das partículas em um objeto de tamanho finito. Tal limite de velocidade pode ser relevante aos processos de resfriamento quântico. – A seguir…em 2015, Oppenheim e equipe provaram que a 2ª lei termodinâmica – em escalas quânticas, pode ser substituída por uma série de “2ªs leis”, ao definir ‘estados físicos’ das partículas conforme distribuições de probabilidade.

À medida que o campo da termodinâmica quântica se desenvolve rapidamente, gerando uma série de abordagens e descobertas … alguns pesquisadores tradicionais consideram esse, um crescimento desordenado. – Peter Hänggi, da Augsburg University, Alemanha, por exemplo, considera que a importância da…”informação”…está sendo superestimada, quando, como ele diz…’adoradores’ da computação quântica, confundem universo físico com um gigantesco processador de “informação quântica”. Ele acusa teóricos dessa área de confundir tipos diferentes de entropia – a termodinâmica e a informacional teórica – aplicando esta última em domínios “inaplicáveis”…“O demônio de Maxwell me arrepia”, disse Hänggi. Quando perguntado sobre Oppenheim e as “2ªs leis” termodinâmicas, ele prontamente respondeu: “Você acaba de saber porque minha pressão arterial aumenta”.

Enquanto Hänggi é visto como muito conservador em sua crítica termodinâmica…outros teóricos disseram que ele aborda alguns pontos válidos. Por exemplo, quando teóricos da informação quântica, estudando conexões entre uma ‘entropia termodinâmica’ e a ‘teoria da informação’, evocam abstratas máquinas quânticas, supondo conseguir trabalhar com elas, às vezes evitam a questão de como, exatamente, extrair trabalho de um ‘mecanismo quântico’, dado que a medição destrói(viacolapso‘)…suas simultâneas probabilidades.  Recentemente, Janet Anders – em seu estudo… abordou com ‘novas ideias‘ essa questão, sobre extração e armazenamento de trabalho quântico…Contudo, segundo ela própria, o problema maior…é a completa desorganização de uma literatura teórica sobre o assunto:

“Muitos temas empolgantes foram jogados aleatoriamente no ar; precisamos organizá-los. Precisamos de um pouco de síntese para entender como as ideias se encaixam. Nós temos várias definições quânticas de ‘trabalho…talvez devêssemos tentar descobrir qual delas está correta…e em qual situação…antes de chegar a mais uma nova definição de trabalho”.

Oppenheim e Popescu, por outro lado, concordam com Hänggi – no sentido de que existe o risco de se banalizar as características físicas do universo. E Oppenheim assim comenta:  “Eu sou bem cauteloso com aquelas teorias que fazem acreditar que tudo seja informação. Quando a máquina a vapor estava sendo desenvolvida – e a termodinâmica em seu pleno desenvolvimento, havia pessoas afirmando que o universo era um grande ‘motor a vapor’. Mas, a verdade é que a coisa é bem mais complicada… O que eu gosto da ‘termodinâmica quântica’… – é a união dessas duas grandezas fundamentais…’energia‘ e ‘informação‘, caminhando juntas. Isso para mim é o… ‘grande lance‘… – que torna a teoria tão bonita”.

Texto original reimpresso com permissão da ‘Quanta Magazine,                                          uma publicação editorial independente da “Simons Foundation************************************************************

Incorporando flutuações quânticas na entropia (jul/2017)

A termodinâmica clássica nasceu na primeira metade do século 19 no rastro da revolução industrial, com vistas à otimização das máquinas, e focada no cálculo de grandezas como “trabalho útil”, ‘energia dissipada’…e “eficiência”….De acordo com a ‘2ª lei termodinâmica’, a ‘energia mecânica’ pode ser ‘completamente’ convertida em ‘energia térmica’ – mas a energia térmica não poderia ser…totalmente convertida… — em energia mecânica.

Dessa assimetria, que impõe um sentido aos processos materiais e portanto escoaria rumo a configurações de energia cada vez menos organizadas, surgiu o conceito de entropia com o físico Rudolf Clausius, que se refere à parcela do calor que não se pode mais transformar em trabalho, sendo este, o grau de irreversibilidade do sistema. – Mas então seria possível estender os conceitos macroscópicos da termodinâmica à escala atômica…ou subatômica? O que mudaria se fosse construído um motor com um único átomo? E ainda…como as leis termodinâmicas seriam afetadas pela mecânica quântica? – Estas questões nortearam o estudo dos cientistas Jader Pereira dos Santos (Universidade Federal do ABC)Gabriel T. Landi (“Universidade de São Paulo”) e Mauro Paternostro, da ‘Queen’s University Belfast’.

A aproximação da termodinâmica com a mecânica quântica é bem recente – algo das últimas décadas, quando se tornou possível exercer um fino controle na manipulação          de átomos…e construir motores em escala atômica. – Apesar de se tratar de questões fundamentais de física…é possível visualizar várias aplicações do estudo em sistemas microscópicos – do tipo…nanodispositivos…em computação e criptografia quânticas.

Os pesquisadores focalizaram especificamente na produção de entropia, isto é, da medida da irreversibilidade, em contextos quânticos, para a qual ainda não havia uma teoria bem estabelecida… Existiam ótimas teorias para medir a irreversibilidade no contexto clássico, isto é, na escala macroscópica – mas não que permitissem medir quão irreversível era um processo quântico. As teorias anteriores, propostas com tal objetivo, apresentavam várias lacunas, basicamente pelo fato de terem sido concebidas para sistemas clássicos. Sabe-se, conforme a 1ª lei termodinâmica que a energia de um sistema fechado é conservada; mas conforme a 2ª lei – a entropia tende sempre a aumentar…pois a irreversibilidade faz com que, a cada transformação, a energia se reconfigure de forma menos organizada. Pode-se então falar em degradação da energia – e definir entropia como a medida desse aumento espontâneo da desordem.

Flutuações térmicas e flutuações quânticas                                                                        O objetivo dos pesquisadores, com seu estudo teórico,                                                                  foi incorporar as contribuições quânticas ao processo. 

A ideia é que, simultaneamente, todo sistema possui 2 tipos de ‘flutuações’: as flutuações térmicas, que advêm da agitação exterior das partículase as flutuações quânticas – um fenômeno intrínseco. A altos valores de energia, como aquelas ‘normalmente’ obtidas no LHC…as flutuações quânticas são responsáveis exclusivas, pela criação e aniquilamento sumário … de todos pares de ‘partículas e antipartículas’. Entretanto… tais flutuações também podem ocorrem, em baixos níveis de energia, eidealmente – até mesmo no…impossível…”zero absoluto“.

Nos processos macroscópicos, flutuações térmicas são em geral mais importantes. Contudo, há situações em que as flutuações quânticas predominam, e contribuem              de forma mais significativa para a ‘entropia’. A termodinâmica clássica trabalha exclusivamente com flutuações térmicas…Porém, na escala atômica e subatômica,        onde a física quântica se torna necessária na descrição de fenômenos, a desordem decorrente das flutuações quânticas…precisa ser considerada, e computada. – De      acordo com a ‘mecânica quântica’, mesmo que o sistema se encontre num “estado        ideal”, no qual não exista qualquer agitação térmicaou seja, um estado definido          como zero absoluto…ainda assim – devido a “flutuações quânticas” – apresentará tendência implícita à desordem, associada ao Princípio da Incerteza (Heisenberg).

Segundo o Princípio da Incerteza, variáveis complementarescomo por exemplo posição e o momento linear, não podem ser determinadas, ao mesmo tempo, de forma precisa. A incerteza manifesta-se, por exemplo, na dualidade partícula-onda.        Pelo comportamento ondulatório o objeto não pode ser perfeitamente localizado no espaço, flutuando entre posições possíveis – como que esparramado ao observador.

Wigner0

função de Wigner para o oscilador (ordem 0)

Eugene Wigner Prêmio Nobel de Física em 1963, logrou apresentar em 1932 uma ‘interpretação probabilística’ da mecânica quântica…A chamada “função de Wigner” considera tanto flutuações térmicas como flutuações quânticas. Trabalhando com ela…os pesquisadores conseguiram então reformular a “teoria de irreversibilidade”, de um modo a incorporar as flutuações quânticas ao conceito de ‘entropia‘. Para fomentar esse propósito…definiram entropia como uma ‘desordem’ associada    à “distribuição estatística”… descrita pela “função de Wigner”. Partindo dessa definição a construção por eles de uma nova teoria… incluindo sua aplicação a sistemas quânticos, seguiu naturalmente.

Wigner2

função de Wigner para o oscilador (ordem 2)

A grande novidade…é que os resultados obtidos…podem se aplicar – mesmo em sistemas a zero kelvin…Até o estudo em pauta, não havia um ‘repertório teórico’  capaz de explicar o efeito de ‘flutuações quânticas’ no…”acréscimo de entropia”      para o “zero absoluto”. — Mesmo que a temperatura zero nunca seja alcançada        na prática…podem acontecer situações,        até…em laboratório – de temperaturas suficientemente baixas da ordem de      alguns kelvins … onde estas flutuações quânticas se tornem mais importantes        que flutuações térmicas…Em sistemas          de óptica quântica com lasers, mesmo          à temperatura ambiente, as flutuações quânticas — podem ser…dominantes.

O estudo permitirá aplicações em comunicação por meio da luz. A ideia é usar o conceito de irreversibilidade para quantificar perdas em processos de comunicação por fibra ótica. Além da “perda de energia”, existe também a “perda de coerência” da luz… O formalismo utilizado é capaz de dar conta de todos esses tipos de perda. – Outro foco de interesse é a propriedade do emaranhamento, que ocorre quando pares ou grupos de partículas são gerados ou interagem – de tal forma, que o “estado quântico” de cada partícula não pode mais ser descrito independentemente, pois depende de todo conjunto. A manutenção do emaranhamento é essencial à computação quântica — pois a interação do sistema com o ambiente produz perda de emaranhamento. Fonte Physical Review Letters (texto base**********************************************************************************

Perto do zero absoluto, a matéria sempre tende a se ordenar (jul/2020)

transicao-de-fase-quantica

A matéria sempre tende a se ordenar em baixas temperaturas. Em (a), o ponto crítico (azul claro) muda de fase quando o campo magnético externo atinge um valor crítico. Em (b), é mostrado um ponto crítico hipotético (ponto em vermelho). O gradiente em vermelho representa o papel das interações mútuas entre momentos magnéticos, que se tornam cada vez mais relevantes ao se diminuir a temperatura. As linhas tracejadas representam linhas de transição. [Lucas Squillante et al.]

Quando coisas sólidas esquentam o suficiente, derretem e passam para a fase líquida – e, a seguir, para a fase gasosa; e quando o gradiente de temperatura inverte – as coisas gasosas atingirão um ponto em que ficarão líquidas, e a seguir, outro ponto no qual ficarão sólidas. Os físicos descrevem isso afirmando que “transições de fase” são regidas pela temperatura. Mas parece que essa não é uma lei assim tão geral. – Quando a temperatura tende aozero absoluto‘, as transições de fase passam a ser influenciadas também por outros parâmetros. Entre eles destacam-se pressão, campo magnético, e a pureza do material, pois impurezas, também chamadas de elementos dopantes…instauram desordem na estrutura molecular.

Esta surpreendente descoberta de Lucas Squillante e Isys Mello, juntamente com uma equipe do Departamento de Física da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro … esboça uma nova imagem da matéria … ao se alcançar seus constituintes mais básicos. Em vez de átomos diminuírem continuamente sua agitação com a redução da temperatura, o que ocorre é que, próximo ao zero absoluto…partículas não estão mais    naquela do “cada uma por si”…com interações levando-as a buscar um ordenamento.    Em materiais paramagnéticos (sob a influência de um campo magnético)sempre há          uma micro contribuição de muitos corpos para a energia do sistema. Tal contribuição        pode ser considerada como um pequeno campo magnético local efetivo‘. Geralmente    esse campo é desprezado devido a energia associada a ele ser muito pequena, quando comparada à energia associada a flutuações térmicas ou campos magnéticos externos.

Mas quando a temperatura e o campo magnético externo tendem a zero,                            as… “contribuições de muitos corpos” se tornam bastante expressivas.

modelo-teorico-quantico

Pesquisadores da Unesp desenvolveram modelos teóricos para explicar resultados de pesquisas experimentais sobre o condensado de Bose-Einstein, que, próximo ao zero absoluto, permite estudar fenômenos quânticos em escala visível. [Adhikari et al.]

Condensado de Bose-Einstein              Previsto em 1924 por Satyendra Nath Bose e Albert Einstein a realização do experimento valeu o “Nobel” de 2001.

O que Squillante e Isys descobriramé que, devido à múltiplas interações, não mais apenas da temperatura, a matéria sempre tende a se ordenar, próximo ao zero absoluto. Assim, coisas até agora descritas com certas propriedadesde fato nunca atingem o “estado pleno” desse ‘estado’É o caso, dos “gases de spin” e do condensado Bose-Einstein.

Com importantes aplicações na computação quântica, os gases, líquidos e gelos de spin      são “fases magnéticas” – assim como vapor, líquido e gelo…são fases materiais da água.  Acreditava-se até hoje que nesses materiais, as interações concorrentes, ou “frustradas”, fariam com que a direção dos spins (‘momento magnético’ das partículas) … flutuasse continuamente semelhante às diferentes desordens observadas nas fases da matéria.      O que se viu agora é quepor exemplo, o modelo de um gás de spins não interagentes nunca ocorre na realidade, pois a interação de muitos corpos entre spins constituintes      do sistema impõe um ordenamento. Mariano de Souza, supervisor do grupo, comenta:

“Verificamos que, em materiais reais, é impossível um ‘ponto crítico’…no qual ocorra transição de fase quântica genuína em campo zero…pois sempre perdura esse campo magnético residual, decorrente das interações de muitos corpos… Por essa interação,            num contexto mais amplo, é impossível obter uma condensação Bose-Einstein ideal”.

A condensação Bose-Einstein é obtida quando um conjunto de átomos tem sua temperatura resfriada quase ao zero absoluto…É uma condição muito especial,                  muitas vezes chamada…”5º estado da matéria” sendo os 4 primeiros…sólido,                    líquido, gasoso e plasma. Nessas condições, partículas já não possuem ‘energia                  livre’ para se movimentar entre sipassando a compartilhar mesmos “estados                  quânticos”, comportando-se como uma única partícula, tipo…’átomo artificial’.

O estudo mostrou que, embora possa se obter experimentalmente uma condensação          Bose-Einstein não ideal…a condição ideal não pode ser alcançada. — Isso porque ela pressupõe que as partículas não interajam entre si. E essa interação residual sempre ocorre, mesmo nas vizinhanças do zero absoluto. Uma outra descoberta de interesse,          foi constatar a possibilidade de se magnetizar o material…’adiabaticamente‘ (sem          ganho ou perda de calor)…valendo-se apenas dessas interações mútuas. (texto base)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para Esboço para uma “Termodinâmica Quântica”

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