Conteudos Extras de Física

Supermateriais: Física quântica diante dos seus olhos 

A física quântica contém mistérios capazes de surpreender até mesmo as mentes mais criativas. Imagine você um líquido capaz de desafiar a gravidade e subir pelas laterais do recipiente que o contém, escapando logo em seguida. Ou então um disco de metal que simplesmente fica parado no ar, no eixo que você escolher.

Está duvidando? Pois então, assista ao vídeo abaixo. Podemos esperar dois minutos antes de encher a sua cabeça com a explicação de fenômenos incríveis, que parecem ter saído de mundos inventados por escritores doidões e pintores surrealistas.

Supercondutores: solução para a crise de energia? 

Ao serem resfriados a uma temperatura perto de zero absoluto (-273,15 ºC), muitos metais perdem sua resistência à eletricidade de maneira drástica, transformando-se em supercondutores. Cabos comuns, responsáveis por conduzir a eletricidade dos geradores até as nossas casas, acabam perdendo cerca de 10 por cento da energia em forma de calor, por causa de sua resistência. Já os supercondutores não perdem energia alguma.

Como se não bastasse, esses materiais geram um campo magnético muito forte e, não por acaso, são usados na construção do Grande Colisor de Hádrons (LHC) para conduzir as partículas por um caminho específico e, também, auxiliar na detecção de eventos causados por uma colisão.

Além disso, há também a possibilidade de supercondutores armazenarem grandes quantidades de energia. Isso poderia ser usado, por exemplo, em conjunto com recursos renováveis. Como a produção de energia eólica, solar e hidráulica é um bocado imprevisível, esses supercondutores poderiam guardar a quantidade extra produzida quando a demanda fosse baixa. Assim, o problema de energia do mundo poderia ser resolvido.

Descobertos em 1911, esses metais gelados também possuem outra característica impressionante: o efeito de flutuação demonstrado no vídeo acima. Basta soltar um supercondutor sobre um ímã para que ele fique parado no ar. Isso acontece porque o  campo magnético do ímã acaba fazendo com que o supercondutor também crie o seu próprio campo. A repulsão mútua entre eles faz, então, com que o supercondutor paire sobre o ímã.

Isso poderia ser usado, por exemplo, em sistemas de transporte: um trem flutuando sobre os trilhos não teria atrito e, portanto, se deslocaria a uma velocidade muito alta. Já existem trens experimentais no Japão e na China que se beneficiam dessa tecnologia. Entretanto, os tais maglev, como são conhecidos os trens, não usam metal como supercondutor, já que o custo para mantê-lo resfriado seria muito alto. Em vez disso, é empregada uma cerâmica que pode superconduzir a temperaturas bem mais altas, sendo refrigerada com nitrogênio líquido e tornando o processo mais barato.

Neste ponto, é provável que o leitor mais atento esteja se perguntando: se os trens precisam de uma refrigeração especial para continuar a levitar, como pode os supercondutores funcionarem tão bem no LHC? A resposta, é claro, está em outro material fantástico. O superfluido

Superfluido: o primo líquido do supercondutor

Ao esfriar o hélio líquido a uma temperatura abaixo de -271 ºC, o elemento também ganha supercapacidades. Para começar, ele perde toda a sua viscosidade, ou seja, o seu atrito interno, chegando a possuir menos resistência do que qualquer gás. Dessa forma, ao ser armazenado com equipamentos comuns, o superfluido pode escapar pelos minúsculos poros de uma vasilha e até mesmo escalar suas laterais para escapar da “prisão”, já que de tão fluído o líquido não possui sequer tensão superficial.

Apesar de bacanas de serem observados (assista ao vídeo acima), esses fenômenos não possuem muita aplicação prática. Em compensação, não podemos dizer o mesmo das capacidades térmicas do superfluido. Se retirarmos um líquido comum da geladeira, por exemplo, ele esquentará à medida em que o tempo for passando. O mesmo ocorre se o fluido for agitado depois de sair da refrigeração.

Mas com o superfluido, isso não acontece. Ele é capaz de manter a temperatura absurdamente baixa por um longo período de tempo, sendo empregado, inclusive, para resfriar os supercondutores espalhados ao longo dos 27 quilômetros de circunferência que compõem o LHC. Para se ter uma ideia, a temperatura do “super-hélio” aumenta em menos de 0,10 ºC a cada quilômetro percorrido. Sem o superfluido, seria impossível a construção dessa máquina.

Por que isso tudo acontece?

Basicamente, esses fenômenos são resultados do mundo quântico, ou seja, de ações que acontecem dentro dos átomos de um elemento. A temperatura próxima ao zero absoluto faz com que as partículas subatômicas (bósons) de um elemento se comportem de maneira que chega a alterar o estado da matéria, transformando-se no que os físicos chamam de condensado de Bose-Einstein.

No caso do superfluido, a temperatura baixíssima faz com que os átomos de hélio acabem se comportando como se fossem um único átomo gigante, com o menor nível de energia possível. Suas características estranhas surgem a partir desse momento.

A viscosidade de um líquido é a dissipação de energia por meio da fricção interna de suas partículas, mas como o condensado já possui o menor nível de energia possível, ele não tem como dissipá-la ainda mais, perdendo assim essa característica.

Além disso, se você suspender uma porção desse superátomo, ele acaba adquirindo mais energia potencial gravitacional, criando uma situação de desequilíbrio para o superfluido. Assim, o líquido acaba “escalando” as laterais de um recipiente como forma de voltar ao equilíbrio original.

Os supercondutores também são um condensado de Bose-Einstein, mas por razões diferentes das do superfluido. Grosso modo, sob o frio congelante de quase zero absoluto, os pares de elétrons também perdem a capacidade de dissipar energia e passam a se comportar do modo estranho que vimos neste artigo.

Sem supermateriais, a construção do LHC não seria possível (Fonte da imagem: Boston.com)

E, de acordo com a revista New Scientist, isso não é tudo: há estados ainda mais estranhos da matéria. O hélio, por exemplo, pode ser manipulado até se tornar sólido. Para isso, é necessária uma temperatura ainda mais baixa (-272 ºC) e uma pressão atmosférica 25 vezes maior do que a da Terra. Nesse estado, o hélio bagunça completamente a nossa noção de solidez, permitindo que, sob condições especiais, esse sólido possa atravessar por dentro de outro, como se fosse um fantasma passando por uma parede.

Esse fenômeno ainda mais esquisito foi observado, pela primeira vez, em 2004, por pesquisadores de uma universidade na Pensilvânia. Na ocasião, eles observaram que uma frequência ressonante na vasilha que agitava um pouco de hélio sólido se comportava como se houvessem dois “objetos” lá dentro, que atravessavam um o outro.

Depois disso tudo, esperamos que você consiga dormir novamente. Aqui, na redação do Tecmundo, ainda estamos passando algumas noites em claro, pensando em quão esquisito é o mundo quântico e torcendo, ansiosamente, para que a ciência faça descobertas ainda mais intrigantes.

Big Bang

Durante muito tempo, os homens se questionaram sobre como o Universo teria surgido. Aos poucos, foi necessário abandonarmos a ideia de que ocupamos uma posição central no Universo e adotarmos a concepção de que nossa localização no Universo é insignificante.

A teoria do Big Bang considera que as galáxias estão se afastando umas das outras, conforme observado por Edwin Hubble, em 1930. Assim, admite-se que, em um passado distante, em torno de 10 a 15 bilhões de anos atrás, todas as galáxias encontravam-se em um mesmo ponto, a uma temperatura muito alta, que se expandiu no Big Bang.

 Hubble

Portanto, embora o nome "Big Bang" nos remeta à ideia de uma espécie de explosão, na verdade, o que ocorreu foi uma expansão, a partir de um estado minúsculo (e muito denso) para o que é hoje. Em outras palavras, a Teoria do Big Bang não tem a finalidade de explicar o que iniciou a criação do Universo, o que existia antes do Big Bang ou até o que existe fora do Universo e, sim, como ele se "transformou" no que hoje chamamos de Universo.

O padre, engenheiro civil e cosmólogo belga Georges-Henri Lemaître foi, muito provavelmente, o primeiro a propor um modelo para o Big Bang, em 1927. Ele imaginou que toda a matéria estivesse concentrada em um ponto, que ele chamou de átomo primordial, e que este átomo havia se partido em muitos pedaços, os quais iam se fragmentando mais e mais, até chegarem aos átomos que conhecemos hoje. A hipótese levantada por Lemaître é a primeira ideia de que teria ocorrido uma fissão nuclear (processo no qual um átomo pesado se fragmenta em núcleos mais leves e estáveis).

 Lemaître

Apesar de incorreta, uma vez que a hipótese desenvolvida por Lemaître viola as leis da estrutura da matéria, ela inspirou os modelos modernos de teorias sobre a origem do Universo.

Independemente de Lemaître, o matemático e metereologista russo Alexander Friedmann descobriu toda uma família de soluções para as equações da Teoria da Relatividade Geral (trata-se da teoria da gravidade, descrevendo a gravitação como a ação das massas nas propriedadades do espaço e do tempo, que acaba não só afetando o movimento dos corpos, mas também de outras prop

riedades físicas)

Mas, então, como funciona a teoria do Big Bang?

Conforme já dito, embora a expressão remeta à uma situação de explosão, a teoria do Big Bang busca explicar o desenvolvimento do Universo a partir do instante imediatamente posterior ao seu surgimento até o que temos conhecimento nos dias atuais.

Assim, a maioria dos estudiosos do assunto concebem o Big Bang como o momento no qual toda a matéria e toda a energia do Universo estavam concentradas em um único ponto, extremamente pequeno, semelhante ao que Lemaître havia proposto. Este ponto teria expandido, arremessando matéria por todo o espaço, fazendo surgir o Universo. Assim, quando falamos em Big Bang, nos referimos à expansão do espaço em si. A figura abaixo ilustra melhor esta situação.

Ao observarmos o céu à noite, percebemos que as galáxias estão afastadas umas das outras como se o céu fosse "preenchido" por espaços vazios.

No início do Big Bang, toda a matéria, toda a energia e todo o espaço que hoje observamos estavam comprimidos em uma área de volume zero e densidade infinita que, para os cosmólogos, recebe a denominação de singularidade.

Assim, no início do Big Bang, o Universo era muito denso e quente, além de possuir uma energia extremamente grande. Entretanto, expandiu-se muito rapidamente, tornando-se menos denso e resfriando-se.

À medida que sofria expansão, a matéria começou a se formar, ao mesmo tempo que a radiação foi perdendo energia. E, em apenas alguns segundos, o Universo estava formado a partir de uma singularidade que se estendeu pelo espaço.

Após a formação do Universo, surgiram as quatro forças fundamentais da natureza:

• Força Gravitacional;
• Eletromagnetismo;
• Força Nuclear Forte;
• Força Nuclear Fraca.

Isso significa que, no início do Big Bang, estas quatro teorias eram unificadas. Pouco tempo depois do início do Universo estas teorias se dividiram e passaram a ser como nós as conhecemos hoje.

No entanto, ainda é um enigma para os cientistas saber como estas forças já estiveram unidas. Muitos cientistam ainda persistem trabalhando para desenvolver a Teoria da Grande Unificação (GUT - Grand Unified Theory), que explicaria como isso aconteceu e de que maneira essas forças se relacionam entre si.

por: sofisica.com.br

   A Física Quântica: o que é, e para que serve

Já faz cem anos que Planck teve de lançar mão de uma expressão inusitada para explicar os seus resultados da medida da intensidade da radiação emitida por um radiador ideal - o corpo negro - levando-o assim a estabelecer o valor de uma nova constante universal que ficou conhecida como a constante de Planck. A partir daí, e também em função de outras experiências que apresentavam resultados igualmente surpreendentes no contexto da mecânica de Newton e do eletromagnetismo de Maxwell, os pesquisadores do começo do século passado se viram obrigados a formular hipóteses revolucionárias que culminaram com a elaboração de uma nova física capaz de descrever os estranhos fenômenos que ocorriam na escala atômica; a mecânica quântica.

Esta teoria, com a sua nova conceituação sobre a matéria e os seus intrigantes postulados, gerou debates não só no âmbito das ciências exatas mas também no da filosofia, provocando assim uma grande revolução intelectual no século XX. Obviamente que, além das discussões sérias e conceitualmente sólidas, as características não cotidianas dos fenômenos quânticos levaram muitos pesquisadores, e também leigos, a formular interpretações equivocadas da nova teoria, o que infelizmente, ainda nos nossos dias, atrai a atenção das pessoas menos informadas.

Mas, no final das contas, quais são estes efeitos tão estranhos dos quais estamos falando e qual é a sua relevância para o nosso cotidiano, se existe alguma? Bem, para provar que não estamos falando de coisas inúteis, comecemos pela segunda parte desta pergunta.

O leitor certamente se surpreenderia se disséssemos que sem a mecânica quântica não conheceríamos inúmeros objetos com os quais lidamos corriqueiramante hoje em dia. Só para se ter uma idéia podemos mencionar o nosso aparelho de CD, o controle remoto de nossas TVs, os aparelhos de ressonância magnética em hospitais ou até mesmo o micro-computador que ora usamos na elaboração deste artigo. Todos os dispositivos eletrônicos usados nos equipamentos da chamada high-tech só puderam ser projetados porque conhecemos a mecânica quântica. A título de informação, 30% do PIB americano é devido a estas tecnologias.

Esperando ter convencido o leitor de que estamos longe do terreno da especulação, vamos, então, abordar a primeira parte da pergunta acima lançada. O que é a mecânica quântica?

A mecânica quântica é a teoria que descreve o comportamento da matéria na escala do "muito pequeno", ou seja, é a física dos componentes da matéria; átomos, moléculas e núcleos, que por sua vez são compostos pelas partículas elementares. Muito interessante mas…o que isto nos traz de novo?

A fim de podermos apreciar as novidades que a física quântica pode nos proporcionar, vamos estabelecer alguns conceitos clássicos que nos serão muito úteis adiante.

O primeiro conceito é o de partícula. Para nós este termo significa um objeto que possui massa e é extremamente pequeno, como uma minúscula bolinha de gude. Podemos imaginar que os corpos grandes sejam compostos de um número imenso destas partículas. Este é um conceito com o qual estamos bem acostumados porque lidamos diariamente com objetos dotados de massa e que ocupam uma certa região do espaço.

O segundo conceito é o de onda. Este, apesar de ser também observado no nosso dia a dia, escapa à atenção de muitos de nós. Um exemplo bem simples do movimento ondulatório é o das oscilações da superfície da água de uma piscina. Se mexermos sistematicamente a nossa mão sobre esta superfície, observaremos uma ondulação se afastando, igualmente em todas as direções, do ponto onde a superfície foi perturbada.

O caso particular aqui mencionado é o de onda material, ou seja, aquela que precisa de um meio material para se propagar (a água da piscina no nosso caso). Entretanto, esse não é o caso geral. Há ondas que não precisam de meios materiais para a sua propagação, como é o caso da radiação eletromagnética. Aqui, a energia emitida por cargas elétricas aceleradas se propaga no espaço vazio (o vácuo) como as ondas na superfície da piscina.

Apesar da sua origem mais sutil, a radiação eletromagnética está também presente na nossa experiência diária. Dependendo da sua frequência ela é conhecida como: onda de rádio, FM, radiação infravermelha, luz visível, raios-X e muito mais.

Pois bem, até o final do século XIX tudo o que era partícula tinha o seu movimento descrito pela mecânica newtoniana enquanto que a radiação eletromagnética era descrita pelas equações de Maxwell do eletromagnetismo.

O que ocorreu no primeiro quarto do século XX foi que um determinado conjunto de experiências apresentou resultados conflitantes com essa distinção entre os comportamentos de onda e de partícula. Estes resultados podem ser resumidos em uma única experiência que passamos a descrever, em seguida, na sua versão clássica.

Imagine que uma onda, material ou não, incida sobre um anteparo opaco onde haja duas fendas (ver figura abaixo). Cada uma das fendas passa então a ser fonte de um novo movimento ondulatório. Uma característica fundamental deste movimento é o fenômeno deinterferência, que reflete o fato das oscilações provenientes de cada uma das fendas poderem ser somadas ou subtraídas uma da outra. Colocando-se agora um segundo anteparo, distante do primeiro, onde iremos detetar a intensidade da onda que o atinge, observaremos como resultado uma figura que alterna franjas com máximos e mínimos da intensidade da onda. Esta é a chamada figura de interferência.

a) arranjo experimental	b) visão frontal do segundo anteparo

Vamos agora repetir a mesma experiência com a diferença que, ao invés de ondas, incidimos partículas sobre o primeiro anteparo. O que ocorre nesta nova situação é a presença de duas concentrações distintas de partículas atingindo o segundo anteparo. Aquelas que passam por uma ou outra fenda, como mostra a figura abaixo.

Este seria, portanto, o resultado esperado pela física clássica. Entretanto, quando esta experiência é feita com partículas como elétrons ou nêutrons, ocorre o inesperado: forma-se no segundo anteparo uma figura de interferência na concentração de partículas que a atingem, como mostramos em seguida.

Ainda mais estranho é a repetição desta mesma experiência com apenas uma partícula. Ela passa pelo primeiro anteparo e atinge o segundo em apenas um ponto. Vamos, então, repetir esta mesma experiência um número enorme de vezes. O resultado é que em cada experimento o ponto de deteção no segundo anteparo é diferente. Entretanto, sobrepondo todos os resultados obtidos nos segundos anteparos de cada experiência obtém-se, novamente, a mesma figura de interferência da figura anterior!

Assim, mesmo falando de apenas uma partícula, nos vemos obrigados a associá-la a uma onda para que possamos dar conta da característica ondulatória presente no nosso exemplo. Por outro lado, devemos relacionar esta onda à probabilidade de se encontrar a partícula em um determinado ponto do espaço para podermos entender os resultados de uma única experiência de apenas uma partícula. Este é o chamado princípio da dualidade onda-partícula.

Um outro fato intrigante ocorre quando tentamos determinar por que fenda a partícula passou. Para resolver esta questão podemos proceder fechando uma das fendas para ter certeza que ela passou pela outra fenda. Outra surpresa: a figura de interferência é destruida dando lugar a apenas uma concentração bem localizada de partículas, a daquelas que passaram pela fenda aberta! Portanto, ao montarmos um experimento que evidencia o carater corpuscular da matéria, destruimos completamente o seu carater ondulatório, ou seja, o oposto ao caso com as duas fendas abertas. Este é o princípio da complementaridade.

De uma forma geral podemos interpretar os resultados do experimento aqui descrito como os de um sistema sujeito a uma montagem na qual o seu comportamento depende de alternativas A e B (no nosso caso, a passagem da partícula por uma das fendas). Enquanto que na mecânica clássica o sistema escolhe A ou B, aleatoriamente, na mecânica quântica estas duas alternativas interferem. Entretanto, ao questionarmos, ou melhor, medirmos, por qual alternativa o sistema opta, obteremos o resultado clássico.

Um sistema quântico, ao contrário do clássico, só pode ser descrito através das possíveis alternativas (não necessariamente apenas duas) que a nossa montagem apresente para ele. A onda associada ao sistema carrega a possibilidade de interferência entre as diferentes alternativas e é a informação máxima que podemos ter sobre o sistema em questão.

A aplicação desta teoria a problemas nas escalas atômicas e sub-atômicas apresenta resultados como a quantização da energia ou otunelamento quântico que, por si só, já mereceriam a elaboração de um outro artigo para que o leitor pudesse apreciá-los.

O mais interessante é que a mecânica quântica descreve, com sucesso, o comportamento da matéria desde altíssimas energias (física das partículas elementares) até a escala de energia das reações químicas ou, ainda de sistemas biológicos. O comportamento termodinâmico dos corpos macroscópicos, em determinadas condições, requer também o uso da mecânica quântica.

A questão que nos resta é então; por quê não observamos estes fenômenos no nosso cotidiano, ou seja, com objetos macroscópicos? Bem, há duas razões para isso. A primeira é que a constante de Planck é extremamente pequena comparada com as grandezas macroscópicas que têm a sua mesma dimensão. Baseados neste fato, podemos inferir que os efeitos devidos ao seu valor não nulo, ficarão cada vez mais imperceptíveis à medida que aumentamos o tamanho dos sistemas. Em segundo lugar, há o chamado efeito dedescoerência. Este efeito só recentemente começou a ser estudado e trata do fato de não podermos separar um corpo macroscópico do meio onde ele se encontra. Assim, o meio terá uma influência decisiva na dinâmica do sistema fazendo com que as condições necessárias para a manutenção dos efeitos quânticos desapareçam em uma escala de tempo extremamente curta.

Entretanto, as novas tecnologias de manipulação dos sistemas físicos nas escalas micro ou até mesmo nanoscópicas nos permitem fabricar dispositivos que apresentam efeitos quânticos envolvendo, coletivamente, um enorme número de partículas. Nestes sistemas a descoerência, apesar de ainda existir, tem a sua influência um pouco reduzida, o que nos permite observar os efeitos quânticos durante algum tempo.

Uma aplicação importante para alguns destes dispositivos seria a construção de processadores quânticos, o que tornaria os nossos computadores ainda mais rápidos. Nesta situação a minimização dos efeitos da descoerência é altamente desejável pois, em caso contrário, estes processadores de nada iriam diferir dos processadores clássicos.

Como podemos ver, tudo indica que a mecânica quântica seja a teoria correta para descrever os fenômenos físicos em qualquer escala de energia. O universo macroscópico só seria um caso particular para o qual há uma forma mais eficiente de descrição; a mecânica newtoniana. Esta pode ser obtida como um caso particular da mecânica quântica mas a recíproca não é verdadeira.

Muitos autores, por não se sentirem confortáveis com a chamada interpretação ortodoxa ou de Copenhagen da mecânica quântica, tentam criar teorias alternativas para substituí-la. Entretanto, cabe notar que, apesar da sua estranheza, a mecânica quântica não apresentou qualquer falha desde que foi elaborada na década de 20, o que não nos proporciona evidência experimental que aponte para onde buscar as questões capazes de derrubá-la. 


por: Almir Caldeira