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585: Um mundo invertido no tecido da realidade: cientistas vêem “Anéis de Alice” pela primeira vez

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CIÊNCIA // FÍSICA // ANÉIS DE ALICE

“O mundo assume uma forma diferente ao espreitar através do centro do anel”. Emocionante observação abre portas à descoberta dos componentes mais profundos do Universo e pode ajudar-nos a entender a verdadeira realidade.

Heikka Valja/Aalto University
A ilustração artística de um “Anel de Alice”, observado agora pela primeira vez na natureza

Manipulando átomos “gelados” para formar uma estrutura anelar, físicos conseguiram ver os átomos mais além: quando objectos passam (ou são observados) através deste objecto agora criado — denominado “Anel de Alice” — as propriedades de objectos quânticos mudam e o mundo… vira-se ao contrário (literalmente).

A formação de estranhos loops no tecido da realidade foi assim observada pela primeira vez e registada num estudo publicado esta terça-feira na Nature.

Os “Anéis de Alice” — assim denominados em homenagem a Alice no País das Maravilhas por terem a mesma propriedade do famoso espelho de Alice — foram vistos a formar-se no gás extremamente frio, de acordo com o Science Alert, numa distorção nos campos quânticos conhecida como monopolos (ou defeitos) topológicos.

Apesar de serem muito difíceis de criar, em 2015, apenas um ano após provar a existência de um monopolo topológico, o físico e membro da Colaboração Monopolo da Universidade de Aalto na Finlândia, Mikko Möttönen e os seus colegas conseguiram observar um isolado pela primeira vez num estado ultra-frio de átomos de rubídio chamado condensado de Bose-Einstein (BEC).

“O mundo é diferente” no centro do Anel

Nesta última investigação, os investigadores observaram novamente um monopolo topológico, mas desta vez o resultado final, pode-se dizer que era como uma pequena porta para o País das Maravilhas: estruturas denominadas cordas de Alice. Após alguns milissegundos, cada monopolo que a equipa criou expandiu-se num destes anéis com uma propriedade peculiar.

“De longe, o anel de Alice parece apenas um monopolo, mas o mundo assume uma forma diferente ao espreitar através do centro do anel”, diz David Hall, um físico da Universidade de Amherst, nos EUA.

Tal como o próprio espelho de Alice, passar pelo estranho loop magnético num campo quântico de BEC pode virar tudo de cabeça para baixo.

“Há uma peculiaridade neste anel Alice. Dependendo de se olhar para algum monopolo próximo através do anel, ou do lado do anel, a sua carga parece diferente. Portanto, o anel está a inverter a carga dos objectos que se olha”, explica Möttönen.

Simulações de computador mostraram ainda que a carga de um monopolo inverteria completamente — de positiva para negativa, por exemplo — se passasse pelo anel Alice.

Outros monopolos que passam por esta “força anelar” tornam-se invertidos nas suas versões espelhadas, virando o anel para o seu oposto à medida que deslizam.

É um progresso que a equipa entende como emocionante: quanto mais aprendermos sobre a natureza instável dos campos quânticos, melhor poderemos mapeá-la e entender as verdades mais profundas da realidade.

“A descoberta ilumina e inspira a procura dos componentes mais profundos do Universo, da matéria e da informação.”, diz Möttönen.

 Tomás Guimarães, ZAP //
30 Agosto, 2023


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538: Cientistas a um passo da Quinta Força da Natureza — ou de uma nova dimensão

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CIÊNCIA // ⚛️FÍSICA // QUINTA FORÇA FUNDAMENTAL

Uma equipa de investigadores do Laboratório Fermilab, em Chicago, encontrou evidências de que os muões apresentam comportamentos imprevisíveis — que só podem ser explicados se houver uma Quinta Força da Natureza.

Durante anos, o nosso entendimento do Universo baseou-se em quatro forças fundamentais: gravidade, electromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca.

No entanto, há décadas que os cientistas procuram uma quinta força fundamental da natureza — que parecia ter sido detectada por cientistas húngaros em 2016, e quase anunciada em 2019 pela mesma equipa de investigadores.

Agora, investigadores do Laboratório Fermilab, em Chicago, nos EUA, afirma ter identificado comportamento imprevisíveis em muões, partículas subatómicas semelhantes a electrões, que apenas podem ser explicados se existir essa Quinta Força Fundamental.

O estudo da equipa do Fermilab baseou-se numa experiência denominada “g menos dois (g-2)“, na qual muões são aceleradas até uma velocidade próxima à velocidade da luz num anel de aceleração de partículas com 15 metros de diâmetro.

A experiência permitiu concluir que o comportamento dos muões assim acelerados não é consistente com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas.

Esta inconsistência aponta para a existência de uma força desconhecida, que exerce influência no comportamento dos muões.

O Modelo Padrão da Física, que descreve as partículas subatómicas que constituem a matéria e as forças através das quais interagem, é há mais de 50 anos  a pedra angular da física de partículas.

Este modelo tem previsto com precisão inúmeros fenómenos experimentais, tornando-o uma das teorias mais robustas da física. No entanto, certas observações astronómicas continuam a desafiar o Modelo Padrão.

Por exemplo, a expansão acelerada das galáxias após o Big Bang, impulsionada pela enigmática “energia escura”, e o movimento mais rápido das galáxias devido à misteriosa “matéria escura”, são fenómenos que o modelo actual não consegue explicar.

No estudo do Fermilab, que foi apresentado esta quinta feira para publicação na Physical Review Letters, os muões — essencialmente, electrões com uma massa 200 vezes superior — oscilaram a uma taxa mais rápida do que o previsto.

“Este comportamento pode ser influenciado por uma nova força desconhecida”, explica à BBC o professor Graziano Venanzoni, investigador da Universidade de Liverpool e um dos autores do estudo.

A descoberta desta ‘quinta força’ seria comparável às teorias da relatividade de Albert Einstein em termos de importância.

“Estamos à procura de evidências de que estes muões estão a interagir com alguma coisa que desconhecemos. Pode ser qualquer coisa: novas partículas,  novas dimensões, novas forças, novas características do espaço-tempo”, explica à Reuters Brendan Casey, o autor principal do estudo e investigador sénior do Fermilab.

Apesar das evidências, não é possível para já concluir em definitivo que tenha sido encontrada a Quinta Força Fundamental da Natureza — nem determinar as suas características.

Também o Large Hadron Collider (LHC), do CERN, na Europa, está a investigar estas anomalias, na esperança de identificar falhas no Modelo Padrão e potencialmente antecipar-se ao Fermilab na descoberta deste Santo Graal da física de partículas.

A comunidade científica aguarda ansiosamente mais resultados, ciente de que a descoberta de uma quinta força poderia redefinir o nosso entendimento do Universo.

ZAP //
11 Agosto, 2023


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Físicos vão ouvir atentamente o “timbre” dos buracos negros

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CIÊNCIA // FÍSICA // BURACOS NEGROS

A teoria da relatividade geral de Albert Einstein descreve a forma como o tecido do espaço e do tempo, ou espaço-tempo, é curvado em resposta à massa. O nosso Sol, por exemplo, deforma o espaço à nossa volta de tal forma que o planeta Terra orbita o Sol como um berlinde atirado para um funil (a Terra não cai para o Sol devido ao impulso lateral do planeta).

Representação artística do espaço-tempo de um buraco negro em teorias da gravidade modificadas. O buraco negro no centro é o remanescente da fusão de um buraco negro binário e está a emitir as suas últimas ondas gravitacionais antes de assentar. As ondas gravitacionais previstas pela relatividade geral são representadas pelas espirais azuis que se afastam do buraco negro. Os desvios da relatividade geral podem aparecer como deformações das ondas gravitacionais e são representados pelas espirais vermelhas.
Crédito: Yasmine Steele da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign

A teoria, que foi revolucionária na altura em que foi proposta em 1915, reformulou a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Por muito fundamental que esta teoria seja para a própria natureza do espaço à nossa volta, os físicos dizem que pode não ser o fim da história.

Em vez disso, defendem que as teorias quânticas da gravidade, que tentam unificar a relatividade geral com a física quântica, contêm segredos sobre o funcionamento do nosso Universo a níveis mais profundos.

Um dos sítios onde se podem procurar assinaturas quânticas de gravidade é nas poderosas colisões entre buracos negros, onde a gravidade atinge o seu ponto mais extremo.

Os buracos negros são os objectos mais densos do Universo – a sua gravidade é tão forte que espremem os objectos que neles caem como se fossem esparguete. Quando dois buracos negros colidem e se fundem num corpo maior, perturbam o espaço-tempo em redor, enviando ondas gravitacionais em todas as direcções.

O LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), financiado pela NSF (National Science Foundation) e gerido pelo Caltech e pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology), tem vindo a detectar regularmente ondas gravitacionais geradas por fusões de buracos negros desde 2015 (os seus observatórios parceiros, Virgo e KAGRA, juntaram-se à caça em 2017 e 2020, respectivamente). No entanto, até agora, a teoria da relatividade geral tem passado teste após teste, sem sinais de ruptura.

Agora, dois novos artigos científicos liderados pelo Caltech, publicados na revista Physical Review X e na revista Physical Review Letters, descrevem novos métodos para submeter a relatividade geral a testes ainda mais rigorosos.

Observando mais de perto as estruturas dos buracos negros e as ondulações no espaço-tempo que produzem, os cientistas procuram sinais de pequenos desvios da relatividade geral que indiciem a presença de gravitação quântica.

“Quando dois buracos negros se fundem para produzir um buraco negro maior, o buraco negro final toca como um sino”, explica Yanbei Chen, professor de física no Caltech e co-autor de ambos os estudos.

“A qualidade do toque, ou o seu timbre, pode ser diferente das previsões da relatividade geral se certas teorias da gravitação quântica estiverem corretas.

Os nossos métodos foram concebidos para procurar diferenças na qualidade desta fase de descida do zumbido, como os harmónicos e os sobre-tons, por exemplo”.

O primeiro artigo, coliderado por Dongjun Li, estudante do Caltech, e Pratik Wagle, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, apresenta uma nova equação para descrever o ‘toque’ dos buracos negros no âmbito de certas teorias quânticas da gravidade, ou naquilo a que os cientistas chamam o regime para lá da relatividade geral.

O trabalho baseia-se numa equação inovadora desenvolvida há 50 anos por Saul Teukolsky, professor de astrofísica teórica no Caltech. Teukolsky tinha desenvolvido uma equação completa para compreender melhor a forma como as ondulações da geometria do espaço-tempo se propagam à volta dos buracos negros.

Em contraste com os métodos numéricos da relatividade, em que são necessários supercomputadores para resolver simultaneamente muitas equações diferenciais da relatividade geral, a equação de Teukolsky é muito mais simples de utilizar e, como Li explica, fornece uma visão física directa do problema.

“Se alguém quiser resolver todas as equações de Einstein da fusão de um buraco negro para a simular com precisão, tem de recorrer a supercomputadores”, diz Li.

“Os métodos numéricos da relatividade são extremamente importantes para simular com exactidão as fusões de buracos negros e constituem uma base crucial para a interpretação dos dados do LIGO.

Mas é extremamente difícil para os físicos extrair intuições directamente dos resultados numéricos. A equação de Teukolsky dá-nos uma visão intuitiva do que se está a passar na fase de descida do zumbido”.

Li e os seus colaboradores conseguiram, pela primeira vez, pegar na equação de Teukolsky e adaptá-la a buracos negros no regime para lá da relatividade geral.

“A nossa nova equação permite-nos modelar e compreender as ondas gravitacionais que se propagam à volta dos buracos negros, que são mais exóticas do que Einstein previu”, afirma.

O segundo artigo, publicado na revista Physical Review Letters, liderado pelo estudante de Caltech, Sizheng Ma, descreve uma nova forma de aplicar a equação de Li aos dados reais obtidos pelo LIGO e pelos seus parceiros na sua próxima série de observações.

Esta abordagem de análise de dados utiliza uma série de filtros para remover características do “toque” de um buraco negro previstas pela relatividade geral, de modo a que possam ser reveladas assinaturas potencialmente subtis para lá da relatividade geral.

“Podemos procurar características descritas pela equação de Dongjun nos dados que o LIGO, o Virgo e o KAGRA irão recolher”, diz Ma. “Dongjun encontrou uma forma de traduzir um grande conjunto de equações complexas numa só equação, o que é extremamente útil.

Esta equação é mais eficiente e mais fácil de usar do que os métodos que usámos anteriormente”.

Os dois estudos complementam-se bem, diz Li. “Estava inicialmente preocupado que as assinaturas que a minha equação prevê ficassem enterradas sob múltiplos sobre-tons e harmónicos; felizmente, os filtros de Sizheng conseguem remover todas estas características conhecidas, o que nos permite focar apenas nas diferenças”, afirma.

Chen acrescentou: “Trabalhando em conjunto, as descobertas de Li e Ma podem aumentar significativamente a capacidade da nossa comunidade para sondar a gravidade”.

// Caltech (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (Physical Review X)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (Physical Review Letters)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)

Astronomia – Centro Ciência Viva do Algarve
30 de Maio de 2023


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260: Os buracos negros podem ser defeitos no espaço-tempo

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CIÊNCIA // FÍSICA // BURACOS NEGROS

Uma equipa de físicos de uma universidade norte-americana descobriu, recentemente, uma estranha estrutura no espaço-tempo que se assemelha a um buraco negro, mas é, na verdade, um “defeito” no próprio tecido do Universo.

LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (Aurore Simonnet)
Conceito artístico de um buraco negro binário

A Teoria Geral da Relatividade, de Albert Einstein, prevê a existência de buracos negros no Universo, formados pelo colapso de estrelas gigantes.

Deste ponto de vista teórico, o centro de um buraco negro atrai toda a matéria e energia que o formou. Ora, isto significa que, neste centro, a gravidade se torna infinita, mas densidades infinitas não são possíveis no Universo.

Isto leva-nos a uma única conclusão: a Teoria Geral da Relatividade não é capaz de descrever o interior de um buraco negro.

Após quase um século de procura por uma solução, a comunidade científica ainda não encontrou uma Teoria tão capaz quanto a de Einstein, embora haja fortes candidatas.

É o caso da Teoria das Cordas, que defende que todas as partículas do Universo são, na verdade, laços microscópicos vibratórios de cordas.

Para suportar a grande variedade de partículas e forças que existem no Universo, estas cordas não podem apenas vibrar nas nossas três dimensões espaciais.

Em vez disso, têm de existir dimensões espaciais extra que se enrolam sobre si próprias em formas tão pequenas que escapam à observação dos cientistas.

Segundo o Universe Today, esta estrutura exótica no espaço-tempo deu a uma equipa de investigadores as ferramentas necessárias para concluir que alguns objectos que parecem buracos negros ao longe podem ser outra coisa completamente diferente ao perto.

No fundo, os cientistas identificaram, através de simulações de computador, uma nova classe de objectos, a que deram o nome de solitão topológico.

“Ficamos muito surpreendidos”, disse Pierre Heidmann, membro da equipa da Universidade Johns Hopkins, nos Estados Unidos. “O objecto parece idêntico a um buraco negro, mas com a pequena peculiaridade de haver luz a sair do seu centro escuro.”

Heidmann, Phys. Rev. D., 2023
Simulação de duas estrelas topológicas (esquerda e centro) e de um solitão topológico (direita)

De acordo com a investigação, os solitões topológicos são “defeitos” estáveis no próprio espaço-tempo que não necessitam de matéria ou de outras forças para existir.

Os investigadores estudaram estes solitões através da análise do comportamento da luz. Como são objectos de um espaço-tempo extremo, dobram o espaço e o tempo à sua volta, afectando assim o percurso da luz.

O portal descreve que, para um observador distante, estes solitões apareceriam exactamente como prevemos que os buracos negros apareçam.

Teriam sombras, anéis de luz e as imagens derivadas do Telescópio Event Horizon e as assinaturas de ondas gravitacionais detectadas comportar-se-iam todas da mesma forma.

Só quando nos aproximamos é que nos apercebemos que não estamos a olhar para um buraco negro. Uma das principais características deste objecto cósmico é o seu horizonte de eventos, uma superfície imaginária que, se a atravessássemos, não nos seria possível escapar. Mas os solitões topológicos não apresentam horizontes de eventos.

“A luz é fortemente curvada, mas em vez de ser absorvida, como seria no caso de se tratar de um buraco negro, espalha-se em movimentos esquisitos até que volta de maneira caótica”, detalhou Heidmann.

“Não vemos uma mancha escura. Em vez disso, vemos uma espécie de borrão, o que significa que a luz orbita em torno deste estranho objecto.”

Os solitões topológicos são meramente hipotéticos, baseados na compreensão da teoria das cordas, que ainda não provou ser uma actualização viável da própria Física. No entanto, estes objectos exóticos servem como importantes estudos de teste.

Se os investigadores conseguirem descobrir uma diferença observacional importante entre os solitões topológicos e os buracos negros tradicionais, poderão abrir caminho para encontrar uma forma de testar a própria Teoria das Cordas.

O artigo científico foi aceite para publicação na Physical Review D, mas ainda carece de revisão por pares.

Liliana Malainho, ZAP //
16 Maio, 2023

 


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206: Físicos descobrem uma nova fase de hidrogénio sólido (em forma de ovo)

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CIÊNCIA // FÍSICA // HIDROGÉNIO SÓLIDO

Físicos teóricos descobriram uma nova fase do hidrogénio sólido, usando um algoritmo actualizado de Machine Learning. A descoberta pode ajudar-nos a compreender o comportamento da matéria em várias escalas — das mais pequenas partículas aos maiores planetas do Universo.

ZAP // Pixabay; Rawpixel

Ao estudar moléculas de hidrogénio sob condições extremas, uma equipa internacional de investigadores observou que a sua forma mudou de esferas semelhantes a laranjas para uma forma mais parecida com ovos.

O hidrogénio requer geralmente temperaturas extremamente baixas e altas pressões para formar um sólido. No novo estudo, reporta o Science Alert, os investigadores usaram novos modelos de Machine Learning para observar esta nova disposição molecular do hidrogénio.

“Inicialmente, estávamos apenas a procurar refinar teorias conhecidas, mas acabámos por descobrir um novo comportamento, que se manifestava a altas temperaturas e pressões, que não tinha sido sugerido até agora em nenhuma teoria”, explica Scott Jensen, físico da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, numa nota de imprensa publicada no site da universidade.

Wesley Moore
A estrutura habitual das moléculas de hidrogénio sólido (esq.) e da nova fase agora descoberta (dir.)

O algoritmo actualizado de Machine Learning desempenhou um papel crucial no estudo, pois permitiu a modelagem das acções de milhares de átomos em vez das centenas típicas em estudos de fenómenos quânticos.

Os investigadores utilizaram uma versão melhorada de uma técnica computacional designada Quantum Monte Carlo (QMC), que usa amostragens aleatórias e teorias probabilísticas para analisar o comportamento de grandes grupos de átomos — que seriam muito difíceis de estudar empiricamente.

Um segundo método computacional, capaz de lidar com mais átomos, mas com menos precisão, foi usado para verificar os resultados do estudo, que foi publicado recentemente na Physical Review Letters.

David Ceperley, também investigador da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, realça a importância dos conhecimentos que foi possível adquirir através com a ajuda de Machine Learning. — que permitiu aos investigadores obter uma compreensão mais clara dos fenómenos observados

“Esta descoberta pode ser útil no estudo de planetas ricos em hidrogénio, como Júpiter e Saturno”, explica Ceperley. “Se queremos entender tudo, devemos começar por estudar sistemas simples, com que possamos lidar. É o caso do hidrogénio”.

O hidrogénio é o elemento mais abundante e simples do universo, representando cerca de 75% da sua massa e 93% de todos os seus átomos. Assim, adquirir novos conhecimentos acerca do seu comportamento pode ter um impacto significativo em todas as áreas da física.

ZAP //
1 Maio, 2023

28.04.2023


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158: A gravidade pode transformar-se em luz. Foi o que aconteceu depois do Big Bang

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CIÊNCIA // FÍSICA // GRAVIDADE // BIG BANG

Uma tese “alucinante” defende que a primeira luz gerada no Universo foi mesmo criada pela gravidade.

NASA

Nova teoria sobre os primeiros tempos do Universo. Esta é “alucinante”, repetindo a descrição do portal Live Science.

A primeira luz que surgiu no Universo pode ter sido criada pela…gravidade.

A tese, que já está disponível em pré-impressão no serviço arXiv, admite que a gravidade pode transformar-se em luz. E sugere que foi isso que aconteceu depois do Big Bang.

A gravidade criou forças tão extremas, depois do Big Bang, que criou a primeira luz do Universo.

Mas isso só acontece se o espaço-tempo se comportar da maneira certa, de acordo com os investigadores.

Em circunstâncias normais, não conseguimos obter algo do nada. O modelo padrão da física de partículas “proíbe” a transformação de partículas sem massa em partículas com massa.

Nesse modelo, as partículas mudam constantemente entre si, através de várias reacções e processos; o fotão – sem massa – não se pode transformar noutras partículas, em princípio.

Mas se as condições forem adequadas, isso é possível. Por exemplo, quando um fotão interage com um átomo pesado, pode dividir-se espontaneamente para se tornar um electrão e um positrão (ambos são partículas com massa).

A equipa que defende esta teoria perguntou se a própria gravidade se poderia transformar noutras partículas.

É muito difícil imaginar a gravidade a criar partículas (se olharmos para o assunto seguindo a teoria da relatividade geral).

Mas também podemos ver a gravidade através de lentes quânticas, retratando a força gravitacional como uma força carregada por inúmeras partículas invisíveis chamadas gravitões – que supostamente se comportariam como qualquer outra partícula fundamental, incluindo potencialmente transformadores.

Esta equipa estudou profundamente o Universo extremamente primitivo. Um Universo, como se sabe, pequeno, quente e denso. Onde todas as formas de matéria e energia foram aumentadas para escalas inimagináveis, muito maiores do que os nossos aceleradores de partículas mais poderosos são capazes de alcançar.

Nesse cenário, as ondas gravitacionais desempenham um papel importante, descobriram os físicos.

Normalmente, as ondas gravitacionais são extremamente fracas, capazes de empurrar um átomo por uma distância menor do que a largura do seu próprio núcleo.

Contudo, no início do Universo, as ondas poderiam ter sido muito mais fortes – e isso poderia ter influenciado seriamente tudo o resto.

Essas primeiras ondas ter-se-iam espalhado para frente e para trás, amplificando-se. Qualquer outro objecto no Universo teria sido apanhada pelo “empurra-puxa” das ondas, levando a um efeito de ressonância.

As ondas gravitacionais teriam agido como uma bomba, conduzindo a matéria em aglomerados apertados repetidamente.

E as mesmas ondas podem afectar o campo electromagnético. Como as ondas são ondulações no próprio espaço-tempo, não se limitam a interacções com objectos com massa.

À medida que as ondas continuam a bombear, podem conduzir a radiação no universo a energias extremamente altas, causando o aparecimento espontâneo de fotões.

Ou seja, a gravidade a gerar a própria luz.

Mas é um processo bastante ineficiente. Os padrões das ondas gravitacionais não teriam durado muito, numa fase em que o Universo ainda estava nos seus primórdios, a expandir-se.

Mesmo assim, os físicos descobriram que, se o Universo primitivo contivesse matéria suficiente para que a velocidade da luz fosse reduzida (da mesma forma que a luz viaja mais lentamente através do ar ou da água), as ondas poderiam ter permanecido por tempo suficiente para o processo desenrolar-se mesmo, criando inundações de fotões extras.

ZAP //
17 Abril, 2023


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147: Matéria escura distorce luz antiga do Big Bang e confirma teoria de Einstein

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CIÊNCIA // FÍSICA // MATÉRIA ESCURA // EINSTEIN

Um novo mapa da matéria escura revelou que Einstein estava certo — outra vez. Usando a radiação cósmica de fundo (CMB), cientistas observaram que a matéria escura age como uma lente gravitacional, distorcendo a primeira luz emitida no Universo.

(dr)
Albert Einstein, Prémio Nobel da Física em 1921

Com dados do Atacama Cosmology Telescope (ACT), da National Science Foundation, mais de 160 colaboradores criaram o mapa da CMB, luz emitida quando o Universo tinha apenas 380 mil anos, pouco tempo após o Big Bang.

Essa luz viajou pelo cosmos durante quase 14 mil milhões de anos até chegar aos telescópios terrestres. No caminho, passou por aglomerados de galáxias e de matéria escura, a ser afectada por esses objectos massivos.

Segundo as regras da Relatividade Geral de Albert Einstein, toda luz será distorcida por objectos massivos, como galáxias e aglomerados de galáxias.

Esse efeito é conhecido como lente gravitacional porque, além de distorcida, a luz distante é ampliada devido à gravidade dos objectos mais próximos.

A CMB não é uma excepção: a matéria do Universo também distorce a luz que é uma espécie de “fóssil” do Big Bang. Embora a matéria escura não interaja com a luz ou com a matéria visível, ela ainda exerce a sua força gravitacional sobre ambas.

Assim, a matéria escura também cria lentes gravitacionais que distorcem a CMB.

Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation / ACT Collaboration
O gráfico mostra como a radiação cósmica de fundo (círculo em azul, verde e laranja) viaja à medida que o Universo expande e é distorcido pela matéria que encontra pelo caminho. Abaixo, o mapa da matéria escura que distorceu a CMB.

Usando este conceito, a equipa do estudo procurou por lentes gravitacionais nas imagens da CMB, isto é, distorções na luz inicial do universo causadas por grandes quantidades de matéria invisível.

O resultado confirmou mais uma vez que as teorias de Einstein estavam certas: a imagem final corresponde ao que a relatividade geral prevê.

Como explicou Mathew Madhavacheril, estudante de pós-doutoramento de Princeton e autor principal de um dos artigos sobre o estudo, o novo mapa “fornece medições que mostram que tanto a ‘irregularidade’ do Universo quanto a taxa em que ele está a crescer […] são exactamente o que você esperaria de nosso modelo padrão de cosmologia baseado na teoria da gravidade de Einstein”.

A irregularidade do Universo é uma discrepância entre a imagem da CMB e a distribuição da matéria no Universo actual. A luz fóssil é bastante “lisa” em termos de distribuição de temperaturas, o que não combina com a imagem das estruturas actuais de galáxias, estrelas e planetas. Isto é conhecido como “a grande crise cosmológica”.

Uma das evidências que ampliaram essa discrepância foram observações que sugeriam que a matéria escura não era irregular o suficiente, mas, para Sherwin, o novo mapa fornece “novos insights” sobre esse problema — a matéria escura observada nele é do tamanho exacto previsto pela teoria.

ZAP // Canaltech
15 Abril, 2023


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108: Hawking pode estar errado quanto ao seu paradoxo de buracos negros

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CIÊNCIA // FÍSICA // PARADOXO HAWKING

O paradoxo da informação do buraco negro é um quebra-cabeças que resulta da combinação das previsões da mecânica quântica e da relatividade geral.

NASA/JPL-Calteech

Nos anos 70, Stephen Hawking aplicou as regras da mecânica quântica e descobriu que um buraco negro isolado emitia uma forma de radiação à qual chamou de radiação de Hawking.

O cientista também argumentou que a forma da radiação seria independente do estado inicial do buraco negro e dependeria apenas da sua massa, carga eléctrica e momento angular.

O paradoxo da informação aparece quando se considera um processo no qual um buraco negro é formado através de um processo físico e depois evapora-se inteiramente através da radiação de Hawking

Isto por si só já gera controvérsia. Se um buraco negro pode deixar de existir, isso implica dizer que as informações contidas nele também evaporariam. É uma contradição da mecânica quântica e da gravidade, ambas teorias que explicam a própria existência dos buracos negros.

Um novo estudo afirma ter encontrado a solução para o mistério. Se os cientistas estiverem correctos, quer dizer que Hawking estava errado e a descoberta teria implicações na ciência e na física quântica.

O estudo explica como é que os buracos negros funcionam e qual é o mecanismo que pode permitir que informações supostamente destruídas sobrevivam e escapem. Isto é algo que o conceituado cientista britânico dizia ser impossível.

“É o último prego no caixão para o paradoxo porque agora entendemos o fenómeno físico exacto pelo qual a informação escapa de um buraco negro em decomposição”, explica o autor principal do artigo Xavier Calmet em declarações à LiveScience.

Calmet e os seus colegas argumentam que a informação fica guardada naquilo que chamam de “cabelo quântico”, um resto de matéria que é destruída ao ser absorvida pelo buraco negro.

Isto funciona como uma espécie de impressão digital que nos diz daquilo que é feito o buraco negro, explica o El Confidencial. É esta impressão digital que afecta como as partículas são criadas e como é que elas escapam do buraco negro.

A confirmar-se, o estudo resolveria o quebra-cabeças e poderia levar a novas ideias sobre a teoria das cordas e a gravidade quântica. Os resultados do estudo foram recentemente publicados na revista científica Physics Letters B.

ZAP //
6 Abril, 2023


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50: A cor da água determina o tom de tudo o que vemos

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CIÊNCIA // FÍSICA // ÁGUA

Já houve momentos em que nos perguntamos por que alguns objectos têm determinadas cores ou por que algumas coisas são quase transparentes, como é o caso da água.

Manki Kim / Unsplash

A resposta a esta pergunta está relacionada com o olho humano, com a água e, sobretudo, com algo fascinante: com os nossos antepassados de há biliões de anos. A BBC News Mundo ouviu o físico espanhol Alberto Aparici para decifrá-la.

A nossa viagem em busca das respostas começa com um ponto básico: em que consiste a luz, que nos permite ver o que há à nossa volta.

A luz, ou luz visível, é a parte da radiação electromagnética que é transmitida em forma de ondas e pode ser percebida pelo olho humano. Dentro das ondas electromagnéticas, existe todo um espectro ou classificação de acordo com o comprimento de onda, ou seja, a distância entre os picos de cada onda.

É desta forma que dividimos o espectro electromagnético, do maior comprimento de onda para o menor, em ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X e raios gama.

“Quanto menor o comprimento de onda, mais energia ela contém e, por isso, pode produzir efeitos físicos mais importantes”, explicou Aparici. “Elas podem causar mais danos, no caso de seres vivos, ou queimar mais, no caso de materiais”, continuou.

Por isso é que, por exemplo, enquanto as ondas de rádio e as micro-ondas são praticamente inofensivas para os seres humanos, os raios X e os raios gama podem ser prejudiciais.

Sabemos que podemos ver noutras faixas, com equipamentos como o de raio X. Mas, quando o assunto é o olho humano, só podemos contar com a faixa de luz visível.

Mas Aparici esclareceu que “não existe uma fronteira física entre uma faixa e outra. A fronteira é definida pelos nossos olhos, pelo que conseguimos ver”.

E, dentro da reduzida faixa que os nossos olhos são capazes de observar, definimos um espectro de cores similar ao que entendemos como arco-íris.

Isaac Newton foi o primeiro a explicar o espectro visível. Dividiu-o em sete cores: vermelha, laranja, amarela, verde, azul, azul-escuro e violeta. No espectro electromagnético existem duas faixas com nomes referentes às cores nos dois extremos da luz visível – o infravermelho e o ultravioleta.

Mas se dois objectos recebem a mesma luz visível, por que vemos um de uma cor e o outro de outra? “Quando um objecto recebe a luz, absorve algumas cores e reflecte outras.

Isso tem que ver com a estrutura interna dos átomos que compõem o objecto. E a cor que vemos é definida pelas cores que ele não absorve”, explicou Aparici.

Se temos um livro azul é porque, na sua composição, absorve todos os tons vermelhos e verdes, mas reflecte o azul ou o violeta. E, se observarmos uma banana com a cor amarela, isso significa que a sua estrutura faz com que absorva a cor azul, reflectindo o verde e o vermelho que nos fazem ver o amarelo, quando sobrepostos.

Se observarmos um copo de água sem impurezas, podemos verificar que ela é incolor, ou transparente. Mas, se olharmos para o mar, tudo muda. A explicação da transparência é que “a água, por ser líquida, permite que a luz a atravesse”.

“Nos objectos sólidos, aos quais estamos habituados, existe todo tipo de superfície interna que a luz encontra e acaba por se reflectir – gerando cores para a nossa visão. Na água, a luz entra, não é absorvida, mas também não é reflectida. A luz simplesmente atravessa a água”, esclareceu o físico.

Mas, quando a água se apresenta em grandes quantidades, outros factores entram em jogo. Em relação ao mar, com sete ou oito metros de profundidade, a água é capaz de absorver a cor vermelha, enquanto o azul chega a profundidades maiores sem ser absorvido, nem reflectido.

Vemos o mar em azul porque as impurezas existentes são capazes de fazer reflectir a única cor que sobra. Se houvesse uma grande massa de água totalmente imóvel e sem impurezas, veríamos o fundo – a não ser que fosse tão grande que também pudesse absorver a cor azul, o que faria com que a víssemos a cor preta.

A transparência da água pode parecer algo natural. Mas, se olharmos para o espectro electromagnético, percebemos que só é verificada na luz visível. No ultravioleta e no infravermelho, a água não é transparente, já que absorve as cores com muita facilidade. E é essa particularidade que explica como é fascinante a nossa evolução.

Quando éramos apenas bactérias unicelulares e vivíamos debaixo de água, a luz começou a tornar-se um elemento essencial.

“Porque grande parte dos nossos antepassados vivia graças à luz, seja porque faziam fotossíntese, como as plantas hoje em dia, ou porque moviam-se em lugares onde alguém os comeria se os visse”, referiu Aparici.

“Para esses seres, interessava saber onde havia luz e onde não havia. Os que fossem foto-sintéticos queriam ir para a luz e os que queriam fugir dos predadores iam para o escuro esconder-se”, continuou.

Essas bactérias desenvolveram uma espécie de órgãos ou sensores para detectar a origem da luz. E esses sensores só conseguiam funcionar na única faixa do espectro em que a água é quase transparente e a luz chegava até eles, ou seja, na faixa de luz visível.

Esta necessidade de poder deslocar-se pela água foi o que levou os nossos ancestrais unicelulares a desenvolver proto-olhos. Mas estes sensores de luz evoluíram de tal forma que calcula-se que, há 550 milhões de anos, já existiam as primeiras versões de olhos animais.

Por isso, se hoje podemos ver um tomate vermelho ou uma planta verde, é graças aos nossos antepassados unicelulares, que apostaram a sua sobrevivência naquela pequena faixa em que a água é quase transparente.

ZAP // BBC News Brasil
26 Março, 2023


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46: Físicos manipularam a “luz quântica” pela primeira vez

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CIÊNCIA // FÍSICA // LUZ QUÂNTICA

Pela primeira vez, uma equipa internacional de físicos manipulou com sucesso pequenas partículas leves, conhecidas como fotões, que têm uma forte relação umas com as outras.

LaDarius Dennison / Dartmouth College
Um fotão dividido em dois

Este é um avanço no domínio quântico, que pode levar à criação de tecnologia com a qual nem sonhamos actualmente. “Isto abre a porta à manipulação daquilo a que podemos chamar de “luz quântica””, referiu a física Sahand Mahmoodian, da Universidade de Sidney, citado pelo Science Alert.

“Esta ciência fundamental abre o caminho para avanços em técnicas de medição quântica e computação quântica fotónica”, acrescentou.

Embora os físicos estejam a ficar muito bons a controlar átomos quânticos, provou-se ser muito mais desafiador conseguir o mesmo com a luz.

Nesta nova experiência, uma equipa da Universidade de Sidney e da Universidade de Basileia, na Suíça, disparou um único fotão e também um par de fotões ligados a um ponto quântico (um átomo criado artificialmente), medindo um atraso de tempo directo entre o fotão que estava sozinho e os que estavam ligados.

“O dispositivo que construímos induziu interacções tão fortes entre os fotões que pudemos observar a diferença entre um fotão que interage sozinho em comparação com” aqueles que interagem com dois, disse a física Natasha Tomm, da Universidade de Basileia, uma das autoras do estudo, publicado recentemente na Nature Physics.

“Observámos que um fotão foi atrasa-se por um tempo mais longo em comparação com dois fotões. Com esta interacção realmente forte entre fotões, os dois fotões ficam enredados sob a forma do que se chama um estado ligado a dois fotões”, explicou.

A equipa estabeleceu este estado utilizando emissão estimulada – um fenómeno descrito pela primeira vez por Albert Einstein, em 1916, e que constitui a base dos lasers modernos.

No interior de um laser, uma corrente eléctrica é utilizada para produzir electrões dentro dos átomos de um material óptico, como o vidro ou o cristal.

Essa excitação faz com que os electrões subam uma órbita no núcleo do seu átomo. E quando regressam ao seu estado normal, emitem energia sob a forma de fotões.

Estas são as emissões “estimuladas” e este processo significa que todas as fotos resultantes têm comprimentos de onda idênticos, ao contrário da luz branca normal, que é uma mistura de diferentes frequências (cores).

Um espelho é então utilizado para ressaltar os fotões antigos e novos de volta para os átomos, estimulando a produção de fotões mais idênticos.

Esses fotões movem-se em uníssono, viajando com a mesma velocidade e direcção, e acumulam-se até ultrapassarem os espelhos e o meio óptico e libertarem a explosão num feixe de luz perfeitamente sincronizado, que pode manter-se fortemente focado em longas distâncias.

Este tipo de interacção fria entre luz e matéria é a base de todos os tipos de tecnologia, tais como GPS, computadores, imagens médicas e redes de comunicações globais.

Mesmo o LIGO, o observatório de ondas gravitacionais de interferómetro laser que detectou ondas gravitacionais pela primeira vez em 2015, baseia-se em lasers.

Mas toda esta tecnologia ainda requer uma grande quantidade de fotões, o que limita o quão sensíveis podem ser.

O novo avanço conseguiu agora estimular a emissão e detecção de fotões únicos, bem como de pequenos grupos de fotões de um único átomo, levando a que estes fiquem fortemente relacionados – por outras palavras, “luz quântica”.

“Ao demonstrar que podemos identificar e manipular estados ligados a fotões, demos um primeiro passo vital para o aproveitamento da luz quântica para uso prático”, indicou Sahand Mahmoodian.

Os próximos passos, explicou, passam por utilizar a abordagem para gerar estados de luz que possam fazer melhores computadores quânticos.

“Esta experiência é bela, não só porque valida um efeito fundamental – emissão estimulada – no seu limite máximo, mas também representa um enorme passo tecnológico no sentido de aplicações avançadas”, acrescentou Natasha Tomm.

“Podemos aplicar os mesmos princípios para desenvolver dispositivos mais eficientes que nos dão estados ligados ao fotão. Isto é muito promissor para aplicações numa vasta gama de áreas: desde a biologia ao fabrico avançado e ao processamento de informação quântica”, concluiu.

ZAP //
25 Março, 2023


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