[Física] Ondas eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas são ondas formadas pela combinação dos campos magnético e elétrico que se propagam no espaço perpendicularmente um em relação ao outro e na direção de propagação da energia. 

James Clerk Maxwell, físico escocês, ficou conhecido por desenvolver o trabalho mais notável na área do eletromagnetismo no século XIX. Maxwell se apoiou nas leis experimentais que foram descobertas pelos célebres cientistas Coulomb, Ampère, Faraday e deu a essas teorias uma nova visão, estruturando um conjunto de equações que resume todos os conhecimentos sobre o eletromagnetismo, as quais ficaram conhecidas como equações de Maxwell.

Além de descrever o comportamento do campo elétrico e do campo magnético, as equações de Maxwell possibilitaram a previsão da existência das ondas eletromagnéticas, as quais são muito conhecidas e empregadas na ciência e na tecnologia. São ondas eletromagnéticas: as ondas de rádio, as microondas, a radiação infravermelha, os raios X e raios gama e a luz visível ao olho humano.

Fonte: Brasil Escola - Física

[Curiosidade] 15 fatos assustadores sobre o desastre de Chernobyl (Ucrânia)

O acidente nuclear de Chernobyl ocorreu dia 26 de abril de 1986, na Usina Nuclear de Chernobyl  na Ucrânia (então parte da União Soviética). É considerado o pior acidente nuclear da história, produzindo uma nuvem de radioatividade que atingiu a União Soviética, Europa Oriental, Escandinávia e Reino Unido, com a liberação de 400 vezes mais contaminação que a bomba que foi lançada sobre Hiroshima. Grandes áreas da Ucrânia, Bielorrússia e Rússia foram muito contaminadas, resultando na evacuação e reassentamento de aproximadamente 200 mil pessoas.

1. O desastre de Chernobyl continua sendo o único incidente nível 7 na Escala Internacional de Eventos Nucleares (INES), tornando-se o maior desastre provocado pelo homem em toda a história.

2. Não é de se surpreender que o acidente custou a União Soviética centenas de bilhões de dólares.

3. 800.000 homens arriscaram suas vidas para se expor à radiação a fim de conter a situação. 25.000 deles morreram e 70.000 estão inativos.

4. 20% dessas mortes foram suicídios.

5. O grupo ambientalista Greenpeace coloca o eventual número de mortos em 93 mil por câncer no mundo inteiro.

6. Algumas pessoas voltaram para a área afetada com as suas famílias, a fim de tirar proveito do benefício de compensação do governo.

7. Há planos de usar as áreas imediatamente em torno do reator para atividades como processamento de resíduos radioativos ou o desenvolvimento de reservas naturais.

8. Mais de 5 milhões de pessoas vivem em áreas que são consideradas "contaminadas" com material radioativo do acidente.

9. A região tornou-se um dos santuários da vida selvagem mais exclusivos do mundo, com prósperas populações de lobos, veados, castores, águias e outros animais.

10. O vazamento de radiação fez com que uma floresta próxima ganhasse uma cor de gengibre brilhante. Assim, a floresta foi nomeada "Floresta Vermelha".

 11. De acordo com o Nuclear Regulatory Comission (NRC), 28 dos trabalhadores de Chernobyl morreram nos quatro meses após o acidente.

12. O Greenpeace espera até 60 mil casos de câncer de tireoide causados pelo incidente

13. Cerca de 97% do material radioativo permanece em um sarcófago em ruínas.

14. 200 toneladas de materiais radioativos estão ainda dentro do reator.

15. Autoridades dizem que pode demorar até 100 mil anos antes que o local esteja completamente livre da radiação.

[Física]

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[Física] Arco elétrico

Um arco elétrico é resultante de uma ruptura dielétrica de um gás a qual produz uma descarga de plasma, similar a uma fagulha instantânea, resultante de um fluxo de corrente em meio normalmente isolante tal como o ar. Um termo arcaico para ele é arco voltaico como usado na expressão lâmpada de arco voltaico.

O arco ocorre em um espaço preenchido de gás entre dois eletrodos condutivos (frequentemente feitos de carbono) e isto resulta em uma temperatura muito alta, capaz de fundir ou vaporizar virtualmente qualquer coisa.

Em uma visão comercial, arcos elétricos são usados para soldagem, corte a plasma, e como uma lâmpada de arco voltaico em projetores de filme e holofotes. Fornos a arco elétrico são usado para produzir aço e outras substâncias. O Carbureto de cálcio é feito desta forma por requerer um grande aporte de energia para promover uma reação endotérmica (a uma temperatura de 2 500 °C).

Arcos elétricos de baixa pressão são usados para iluminação, por exemplo na forma de lâmpadas fluorescente, lâmpadas de vapor mercúrio e sódio, lâmpadas de câmera de flash, monitores de plasma e letreiros de néon. Arcos elétricos indesejáveis podem levar a deterioração de sistemas transmissão de energia elétrica e equipamentos eletrônicos.

Exemplos

1. O relâmpago da trovoada é um arco eléctrico de grandes dimensões que permite se escapem as cargas eléctricas entre as nuvens ou entre as nuvens e a terra;
2. A soldagem elétrica a arco produzem uma grande quantidade de calor bem localizada o que provoca a fusão dos materiais;
3. O forno a arco utilizados na metalurgia para a fusão de metais;
4. Arco elétrico provocado por curto-circuito em equipamentos elétricos devido a acúmulo de sujeira, cavacos, água, presença de insetos ou outros animais;
5. A norma IEC 61641 regulamenta painéis de baixa tensão à prova de arco interno e contempla critérios para segurança pessoal e estrutural com os comportamentos adequados quando da ocorrência de arcos elétricos.

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Fonte: Wikipédia

[Física] Ponte Tacoma Narrows

A ponte pênsil Tacoma Narrows (Tacoma Narrows Bridge) de 1600 metros, localizada sobre o Estreito de Tacoma, Washington (EUA) oscilou e caiu no dia 7 de novembro de 1940. Este acontecimento foi devido a um colapso gerado por fortes ventos. 

A Ponte de Tacoma sempre balançava, porém neste dia o vento atingiu uma velocidade de aproximadamente 70 km por hora; com isto começou a gerar movimentos de torção, vindo a estrutura a colapsar. 

Ao contrário do que se publica em alguns livros de física (como Halliday* et al e Tipler et al.**), acredita-se que os grandes movimentos foram causados devido ao fenômeno de flutter aeroelástico e não de simples ressonância.

"Flutter é uma auto excitação de dois ou mais modos de vibração de um sistema, devidamente alterada e realimentada pelo escoamento de um fluido. Pode vir a causar oscilações de amplitude que crescem exponencialmente levando a estrutura a uma falha dinâmica". (ver fonte)

O vídeo abaixo mostra a oscilação e queda da ponte:

- De madrugada, os ventos atingiram os 70 km/h, fazendo a estrutura oscilar muito, deslizando a alta velocidade. A polícia fechou então a ponte ao tráfego;

- Às 9h30 a ponte oscilava em 8 ou 9 segmentos com amplitude de 0,9 m e frequência de 36 ciclos por minuto;

- Às 10h00 dá-se um afrouxamento da ligação do cabo de suspensão norte ao tabuleiro, o que faz a ponte entrar num modo de vibração torcional a 14 ciclos por minuto. O eixo da via, os dois pilares e o meio da ponte são nodos. A partir daí a situação não se alterou muito durante cerca de uma hora;

- Às 11h00 se desprende um primeiro pedaço de pavimento e às 11h10 a ponte entra em colapso, caindo no rio.

Os grandes defeitos da ponte foram a sua enorme falta de rigidez transversal e torcional, pois estava ausente o reticulado por baixo do tabuleiro, e a frente aerodinâmica do perfil.

Não houve vítimas deste acidente e uma nova ponte foi construída no local, a qual ainda se encontra em funcionamento.

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*Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl. Fundamentals of Physics, (Chapters 21-44). [S.l.]: John Wiley & Sons.

**Tipler, Paul Allen; Mosca, Gene. Physics for Scientists and Engineers : Volume 1B: Oscillations and Waves; Thermodynamics (Physics for Scientists and Engineers).

[Física] Quem chega ao chão primeiro?

O senso comum diz que, se dois objetos de massas diferentes forem abandonados da mesma altura, aquele que for mais pesado chegará ao chão primeiro. Esse foi o pensamento do filósofo Aristóteles. A comprovação do erro do ilustre pensador só veio séculos depois com as contribuições de Galileu Galilei.

As leis do movimento vertical de objetos mostram que o tempo de queda independe da massa dos corpos. Assim, se uma bola de boliche e uma pena de galinha forem abandonadas do mesmo ponto, ambas chegarão juntas ao solo. É claro que essa verificação só é possível se a resistência do ar for desprezada. Veja o experimento a seguir:

Fonte: Brasil Escola

[Física] Ponto triplo de uma substância

Os três estados físicos da matéria  — sólido, líquido e gasoso — podem coexistir em equilíbrio num sistema, em certas condições de temperatura e pressão. O encontro destas três fases simultaneamente numa mesma substância ou solução recebe o nome de ponto triplo (ou ponto tríplice).

Gráfico do ponto triplo da água
[Fonte: Colégio WEB]  

Cada substância ou solução tem seu ponto triplo e para atingi-lo são necessárias condições muito específicas de pressão e temperatura. No caso das substâncias puras, o ponto triplo é uma propriedade física constante. A água, por exemplo, alcança seu ponto triplo a uma temperatura de 0,01 °C (que, na escala Kelvin corresponde a 273,16 graus) e pressão de 611 Pa, exatamente. Assim, quando submetida a tais condições, há uma coexistência equilibrada de gelo (sólido), água líquida e vapor d’água. Nenhuma combinação de pressão e temperatura diferente fará com que ocorra o ponto triplo da água.

Já o dióxido de carbono (CO₂) chega ao seu ponto triplo sob temperatura de 56 °C abaixo de zero e pressão de 5,11 atm. Note que a pressão do ponto triplo do gás carbônico é maior que a pressão atmosférica (1 atm), por isso, esse gás sofre sublimação, ou seja, passa diretamente do estado sólido para o gasoso sob pressão ambiente, formando o conhecido gelo-seco.

O ponto triplo é uma propriedade muito importante de uma substância, pois representa o limite para a ocorrência da fase líquida, ou seja, marca a mínima pressão em que um líquido pode existir. Numa pressão menor que a do ponto triplo, nenhuma substância pura pode existir estavelmente na fase líquida, existindo somente o equilíbrio entre os estados sólido e gasoso.

A temperatura do ponto triplo da água é útil na definição da escala Kelvin (K), que é a escala termométrica recomendada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI). Um Kelvin corresponde à fração de 1/273,16 da temperatura do ponto triplo da água. A pressão do ponto triplo da água foi aplicada como ponto de referência do nível do mar durante a missão Mariner 9 da Nasa, uma sonda espacial lançada para exploração do planeta Marte.

Você dificilmente verá isso na natureza, mas pode saber como isso acontece no vídeo abaixo. A parte mais impressionante acontece em 0:40 s. O vídeo foi enviado por Tom Enstone, estudante de física e astrofísica na Universidade de Manchester, Reino Unido. Ele está trabalhando com cicloexano, um composto orgânico formado por átomos de carbono e hidrogênio – não é água! Não é sempre que pessoas fora de um laboratório podem ver isso, pois é necessário usar uma bomba de vácuo e um kit de química para se chegar ao ponto triplo. Mas é incrível ver um fluido congelar e borbulhar e parecer líquido, tudo ao mesmo tempo.

Fonte do texto: Site Info Escola

[Astronomia] O que é matéria escura?

É uma parte do Universo que os astrônomos sabem que existe, mas ainda não sabem exatamente o que seja. É matéria, porque se consegue medir sua existência por meio da força gravitacional que ela exerce. E é escura, porque não emite nenhuma luz. Essa segunda propriedade é justamente o que dificulta seu estudo. Todas as observações de corpos no espaço são feitas a partir da luz ou de outro tipo de radiação eletromagnética emitida ou refletida pelos astros. Como a matéria escura não faz nenhuma dessas coisas, é "invisível". Ainda assim, sabe-se que ela está lá. 

Na década de 1930, o astrônomo Fritz Zwicky, um húngaro radicado nos Estados Unidos, calculou a massa de algumas galáxias e percebeu que ela era 400 vezes maior do que sugeriam as estrelas observadas! A diferença está justamente na massa de matéria escura. E quanta diferença! Pelas contas do professor Fritz, você deve ter percebido que ela não é apenas um detalhe na composição do Universo, e, sim, seu principal ingrediente. Hoje em dia, calcula-se que ele corresponda a mais ou menos 95% do Universo. 

Existem várias teorias sobre o que seria a tal massa escura. O mais provável é que ela seja feita de partículas subatômicas, menores que nêutrons, prótons e elétrons e ainda indetectáveis pelos atuais instrumentos de medição dos cientistas. Para terminar, vale um esclarecimento: apesar da semelhança no nome, matéria escura não tem nada a ver com buraco negro. "A massa escura é um componente do Universo, sem luz, enquanto o buraco negro é um objeto astrofísico com um campo gravitacional tão forte que não deixa nem mesmo a luz escapar", afirma o astrônomo Enos Picazzio, da Universidade de São Paulo (USP).

(Tarso Araújo - mundoestranho.abril.com.br)

Foto de John Dubinski, Universidade de Toronto

Ninguém consegue vê-la, senti-la, ou mesmo saber o que é. Mas sem a misteriosa substância chamada matéria escura, as galáxias se fragmentariam. Uma simulação feita em computador por John Dubinski, um astrofísico da Universidade de Toronto, representa a matéria escura como uma enorme rede de filamentos espalhada pelo espaço, mostrada em branco acima. Segundo os cálculos de Dubinski e outros astrofísicos, o universo visível – estrelas e galáxias – é uma mera farpa do que há lá fora. A matéria escura é uma partícula grande sem carga elétrica; sua única marca é sua força gravitacional. Os especialistas calculam que os experimentos dos próximos dez anos conseguirão finalmente isolar partículas da matéria escura e desvendar o maior mistério do universo.

(Fonte: http://www.guia.heu.nom.br/materia_escura.htm). 

Vídeo recomendado:

[Física] Barreira do som

O som, como sabemos, viaja através de ondas, usando um meio de propagação, no nosso caso o ar. Essas ondas, chamadas ondas de pressão, desenvolvem-se da mesma maneira quando jogamos uma pedra sobre um lago. Uma onda circular se forma no ponto em que a pedra atinge o lago e se afasta, expandindo-se a uma velocidade constante. Se atirarmos várias pedras no mesmo ponto em intervalos regulares, formaremos ondas concêntricas.

É o que ocorre com um emissor de som, como o avião. A velocidade de propagação dessas ondas é o que chamamos de velocidade do som, que ao nível do mar em condições de atmosfera padrão é de 1.226 km/h, e diminui com a queda da temperatura do ar. Ficou convencionado que, quando um avião se desloca com uma velocidade igual à do som, ele está voando a Mach 1. Esta unidade é uma homenagem ao físico austríaco Ernst Mach que, pela primeira vez, mediu a velocidade de propagação do som no ar.

(1) Subsônico; (2) Mach 1; (3) supersônico e (4) onda de choque.

Quando um objeto qualquer, como um avião, se desloca na atmosfera, comprime o ar à sua volta, principalmente à frente. Desta forma cria ondas de pressão, da mesma maneira que a pedra atirada no lago.

Quando um avião voa a uma velocidade inferior à do som, as ondas de pressão viajam mais rápido, espalhando-se para todos os lados, inclusive à frente do avião. Assim, o som vai sempre na frente.

Se o avião acelerar para uma velocidade igual a do som (Mach 1), ou seja, da velocidade de deslocamento de suas ondas de pressão, este estará comprimindo o ar à sua frente e acompanhando as ondas de pressão (o seu próprio som) com a mesma velocidade de sua propagação. Isso resulta num acúmulo de ondas no nariz do avião. Se o avião persistir com essa velocidade exata por algum tempo, à sua frente se formaria uma verdadeira muralha de ar, pois todas as ondas formadas ainda continuariam no mesmo lugar em relação ao avião. Esse fenômeno é conhecido como Barreira Sônica.
Se o avião continuar a acelerar, ultrapassando a velocidade do som, ele estará deixando para trás as ondas de pressão que vai produzindo.

Um avião só pode atingir velocidades supersônicas se, entre outras coisas, sua aceleração permitir uma passagem rápida pela velocidade de Mach 1, evitando a formação da Barreira Sônica.

Estrondo Sônico (Sonic Boom)

Quando o ar em fluxo supersônico é comprimido, sua pressão e densidade aumentam, formando uma onda de choque. Em voo supersônico (com velocidades acima de Mach 1), o avião produz inúmeras ondas de choque, sendo mais intensas as que se originam no nariz do avião, nas partes dianteira (bordo de ataque) e posterior (bordo de fuga) das asas e na parte terminal da fuselagem.

As ondas de choque geradas por um avião em voo supersônico atingirão o solo depois da passagem do avião que as está produzindo, pois esse é mais veloz. Um observador no solo ouvirá um forte estampido assim que as ondas de choque o alcançarem.

Esse estampido é conhecido como 'estrondo sônico', e sua intensidade depende de vários fatores, tais como dimensões do avião, forma do avião, velocidade do voo e altitude. Esse fenômeno pode, em certas circunstâncias, ser forte o suficiente para produzir danos materiais no solo, como quebra de vidros, rachaduras em paredes, muros e outros estragos. Essas possibilidades limitam a operação de voos em velocidades supersônicas sobre os continentes.

O Concorde operava em velocidades supersônicas (Mach 2.02) sobre o mar, acelerando após deixar o continente e alcançar altitudes elevadas, minimizando os efeitos do estrondo sônico.

Quando um avião se aproxima da velocidade do som o ar passa a fluir de uma maneira diferente ao redor de suas superfícies e se torna um fluido compressível. Além de uma série de mudanças na forma como a força de sustentação é gerada, esta mudança também produz um incremento elevado no arrasto, conhecido como onda de arrasto.

Inicialmente a onda de arrasto não era devidamente compreendida. Acreditava-se que ela crescesse exponencialmente, o que efetivamente ocorre dentro de uma pequena faixa de velocidades. Com a força limitada que motores à explosão são capazes de gerar, os aviões não podiam superar este rápido aumento no arrasto: grandes incrementos de potência produziam pequenos incrementos de velocidade. Aparentemente seria necessária uma quantidade infinita de força para alcançar-se velocidades supersônicas e daí surgiu a noção da barreira do som.

Membros da artilharia já haviam superado esta noção. Começando com Ernst Mach no século XIX, eles compreendiam que após determinado ponto, o arrasto não aumentava mais. Na verdade voltava a cair. O desafio passou a ser como produzir o empuxo necessário. Com a criação da asa em V que reduz o arrasto, e do motor a jato capaz de produzir a potência necessária, nos anos 1950 diversas aeronaves eram capazes de voos supersônicos com relativa facilidade.

Bell Chuck Yeager (então um major da Força Aérea dos Estados Unidos, mais tarde um general de brigada) foi a primeira pessoa a quebrar a barreira do som em um voo horizontal em 14 de outubro de 1947, pilotando um l X-1 experimental e alcançando Mach 1 a uma altitude de 15 000 m (45 000 pés).

George W. Welch fez uma alegação plausível mas não verificada de que teria quebrado a barreira do som 14 dias antes de Yeager durante um mergulho em um F-86 Sabre. Ele também alegou ter repetido seu voo supersônico 30 minutos antes do voo de Yeager.

[Física] Simulador de campo elétrico

O Simulador de Campo Elétrico é um programa computacional que apresenta a atuação do campo elétrico sobre cargas elétricas em diversas situações que são comumente abordadas no Ensino Médio e que também representa o campo elétrico por intermédio dos vetores campo elétrico, linhas de força e superfícies equipotenciais, em duas e três dimensões, tudo de forma interativa e dinâmica. Recomendado para professores que queiram enriquecer suas aulas, ajudando os estudantes a “visualizarem” o campo elétrico.

| Clique aqui para baixar o programa |

Fonte: Einsteinmania - Física Acessível e Interativa.

[Curiosidade] Viagem no tempo

O que é o tempo? A resposta a essa pergunta está contida na Ciência, como também na Filosofia e mais modernamente na Física. 

Na Filosofia, o tempo não existe em escala cósmica. Já de acordo com a Ciência, a noção em senso comum de tempo é inerente ao ser humano, visto que todos somos, em princípio, capazes de reconhecer e ordenar a ocorrência dos eventos percebidos pelos nossos sentidos. Contudo a Ciência evidenciou várias vezes que nossos sentidos e percepções são mestres em nos enganar. A percepção de tempo inferida a partir de nossos sentidos é estabelecida via processos psicossomáticos, onde variadas variáveis, muitas com origem puramente psicológica, tomam parte - em síntese, a Ciência concorda com a Filosofia: "O tempo depende da percepção que dele temos!". Já na Física, o conceito de viagem no tempo diz respeito à possibilidade de mover-se para trás e para frente através de pontos diferentes no tempo, em um modo análogo à mobilidade pelo espaço. Algumas interpretações de viagem no tempo sugerem a possibilidade de viajar através de realidades paralelas - algo que, aliás, teoricamente é possível! Já na Física de Vanguarda, os Wormholes, que podem ser artificialmente gerados, foram propostos como caminhos para viajar no tempo. Um Wormlhole, ou "buraco de minhoca", funcionaria hipoteticamente com uma das suas extremidades acelerada até velocidades próximas da luz - talvez com a ajuda de uma módulo, ou uma nave espacial, e em seguida desacelerado até à velocidade original. Assim, devido à dilatação do tempo, na parte acelerada do seu interior o tempo passará muito mais devagar. Portanto, um objeto qualquer que entre no Wormhole a partir da região não acelerada viajará até o outro lado... Até o passado! Desde algum tempo, órgãos científicos e militares secretos das grandes potências mundiais, como também alguns projetos particulares e de Cientistas isolados, nutrem a ambição de viajar no tempo. Isso pode, à primeira vista, parecer um simples exercício de ficção científica... Mas, será que alguém, em algum lugar, já teria conseguido isso? Nada é impossível, nada pode ser inteiramente desprezado. Em se tratando de Realismo Fantástico, somente o impossível é mesmo possível. E nesse estonteante particular, as evidências existem!...

A nível de curiosidade, coloquei algumas fotos típicas que circulam na Internet:

Antelope Springs, Utah, EUA - uma pegada de alguém que usava botas há milhões de anos atrás. Note-se as marcas do solado que ficaram gravadas na rocha.

Foto de 1940, achada em um museu, na qual aparece um cidadão totalmente destoante da cena e da época, usando modernos óculos escuros, corte de cabelo também moderno, camisa fashion e máquina fotográfica inexistente na época.

Através de um jornal de 1918, cientistas confirmam a morte de um viajante do tempo - estampa a notícia acima - um homem misterioso encontrado morto em um "tubo espacial" de 66 centímetros de comprimento.

Foto, datada de 1931, mostrando um cidadão "inocentemente" e sem despertar maiores suspeitas, usando algo como um telefone celular, ou um outro avançado dispositivo de comunicação qualquer! lembremos que os telefones celulares somente foram inventados em 03 de abril de 1973.



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Fonte:  http://www.dominiosfantasticos.xpg.com.br/id843.htm 

[Física] Bóson de Higgs é detectado fora do LHC

Fig 1. O bóson de Higgs, representado pela esfera vermelha, é descrito por uma oscilação de potencial em um sistema bidimensional. [Imagem: MPQ/Quantum Many-Body Division]

Escalas diferentes

Esqueça um pouco o LHC e a festa feita há poucos dias para anunciar a descoberta de um bóson do tipo Higgs.

Agora, uma equipe de físicos da Alemanha e dos Estados Unidos acaba de anunciar uma descoberta similar - um bóson do tipo Higgs.

Se o achado é similar, contudo, as técnicas utilizadas são radicalmente diferentes.

O LHC, que é maior experimento científico da história, com um túnel de 27 km na fronteira entre a Suíça e França, custou US$8 bilhões e foi projetado para operar a até 14 tera-elétron volts (TeV) - por problemas técnicos, hoje ele funciona a apenas 8 TeV.

Manuel Endres e seus colegas do Instituto Max Planck, por outro lado, encontraram as excitações do tipo Higgs na transição entre diferentes fases da matéria, em um sistema de átomos ultrafrios, próximos ao zero absoluto, em um equipamento do tamanho de uma mesa.

De fato, o que realmente separa os dois experimentos é a escala - não apenas a dimensão, mas principalmente a escala de energia.

Enquanto as experiências do LHC são executadas nas energias mais altas que se pode alcançar, o novo experimento foi realizado nas menores faixas de energia possíveis.

Pondo em números, os experimentos do LHC são realizados em energias 12 ordens de grandeza maiores do que as energias típicas à temperatura ambiente; o novo experimento foi realizado em uma magnitude 11 ordens de grandeza menores do que as energias típicas à temperatura ambiente.

Campo de Higgs

No novo experimento, um material magnético foi resfriado abaixo da temperatura Curie, desenvolvendo uma "ordem global", a seguir excitada para produzir uma oscilação coletiva, na qual todas as partículas se movem de forma coordenada.

Se o comportamento coletivo das partículas segue as regras da relatividade, pode-se desenvolver um tipo especial de oscilação, a chamada excitação de Higgs.

Esse campo é fundamental para o modelo padrão das partículas elementares, onde ele é chamado de bóson de Higgs.

Em tese, sistemas sólidos também podem apresentar excitações de Higgs, desde que o movimento coletivo das suas partículas sigam regras similares às da teoria da relatividade.

O experimento começou com o resfriamento de átomos de rubídio até temperaturas próximas ao zero absoluto.

Eles foram a seguir injetados em uma rede óptica bidimensional, parecida com um tabuleiro de damas, onde os quadros claros e escuros são produzidos por feixes de laser interferindo uns com os outros.

Nessas redes, os átomos ultrafrios podem assumir diversos estados da matéria. E foi nessas transições que os cientistas detectaram o bóson de Higgs.

Teoria de campo relativística efetiva

Fig2. Em contraste com o túnel de 27 km do LHC, o novo experimento foi realizado com uma óptica complexa, mas que cabe sobre uma mesa. [Imagem: MPQ/Quantum Many-Body Division]

Em redes ópticas muito intensas - o que significa um contraste muito forte entre os espaços escuros e as áreas brilhantes -, desenvolve-se um estado altamente ordenado, chamado isolante de Mott.

Neste estado, cada quadro da rede é ocupado por exatamente um átomo, que fica fixo no lugar. Se a intensidade da rede for diminuída continuamente, ocorre uma transição de fase para um superfluido.

Em um superfluido, todos os átomos são parte de um único campo, que se estende ao longo de toda a rede, com o movimento coletivo do sistema sendo descrito por uma onda quântica estendida.

A dinâmica desse campo quântico segue as leis da chamada "teoria de campo relativística efetiva", na qual a velocidade da luz é substituída pela velocidade do som.

Finalmente, quando o sistema é forçado para fora do seu equilíbrio, são geradas oscilações coletivas na forma de excitações de Higgs.

A existência de excitações de Higgs em sistemas desse tipo tem sido alvo de intensos debates entre os físicos teóricos.

"Nós detectamos um fenômeno que, atualmente, não pode ser calculado precisamente. Isto torna nossa observação experimental ainda mais importante," conclui Manuel Endres, principal idealizador do experimento.

Como comparar o bóson de Higgs do LHC com o "novo" bóson de Higgs?

É muito difícil comparar os dois resultados, a partícula tipo Higgs encontrada pelo LHC, e a excitação de campo tipo Higgs encontrada na transição de fases do sistema ultrafrio.

É uma situação, de resto muito comum na física, onde o mesmo conceito teórico é usado para descrever diferentes sistemas físicos.

Pense, por exemplo, no conceito de onda.

O movimento coletivo de partículas é descrito por "equações de onda" em situações físicas muito diferentes, que podem ser as ondas na água, ondas de som no ar ou em sólidos, ou ondas eletromagnéticas.

Na descrição teórica desses sistemas, as "ondas" aparecem como um conceito comum. No entanto, os sistemas são muito diferentes e a descrição teórica de cada um pode ter diferentes níveis de complexidade - ondas eletromagnéticas são muito mais complicadas do que ondas de som.

Da mesma forma que pode haver ondas em todos esses sistemas, bósons de Higgs podem aparecer em situações muito diferentes (Fig. 3).

Fig 3. A principal distinção entre os dois experimentos é a escala de energia utilizada. [Imagem: Manuel Endres]

O experimento agora realizado na Alemanha é o mais simples que permite o surgimento de uma excitação do tipo Higgs. Ele pode, portanto, ser considerado como um sistema modelo. A descrição da física que está sendo feita no LHC é muito mais complexa.

Um aspecto importante é que o Higgs do LHC e o Higgs do sistema ultrafrio aparecem em escalas de energia muito diferentes.

No entanto, em ambos os casos, a descrição teórica é semelhante.

Assim, é como comparar as ondas gigantescas no oceano com ondas que você consegue fazer em um copo d'água. A física é semelhante, mas as escalas de energia são totalmente diferentes.

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Bibliografia:

The 'Higgs' amplitude mode at the two-dimensional superfluid/Mott insulator transition.

Manuel Endres, Takeshi Fukuhara, David Pekker, Marc Cheneau, Peter Schaub, Christian Gross, Eugene Demler, Stefan Kuhr, Immanuel Bloch

Nature

Vol.: 487 (7408): 454

DOI: 10.1038/nature11255

Fonte da redação e figuras:

Site Inovação Tecnológica - 02/08/2012 (http://www.inovacaotecnologica.com.br/)

[Física] Átomos de antimatéria são capturados pela primeira vez

Uma equipe internacional de cientistas conseguiu pela primeira capturar átomos de antihidrogênio - a antimatéria equivalente ao átomo de hidrogênio. "Esta é uma realização fenomenal. Ela vai nos permitir fazer experimentos que resultarão em alterações dramáticas na visão atual da física fundamental ou na confirmação daquilo que nós já damos por certo," afirmou Rob Thompson, membro da colaboração ALPHA, instalada no CERN, na Suíça. A corrida pela captura da antimatéria já durava 10 anos, em uma disputa entre as equipes ALPHA, que utiliza os laboratórios do CERN, e ATRAP, sediada na Universidade de Harvard, nos Estados Unidos. A equipe ALPHA tem atualmente mais de 40 membros, de 15 universidades ao redor do mundo, incluindo os brasileiros Cláudio Lenz César, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, e Daniel de Miranda Silveira, atualmente no Laboratório Riken, no Japão.

Tanque de antimatéria

A quantidade de antimatéria aprisionada ainda é pequena, e não seria suficiente para alimentar os motores da nave Enterprise e nem para ameaçar o Vaticano, como no filme Anjos e Demônios. Mas é o suficiente para que os cientistas comecem a estudar aonde foi parar a antimatéria que se acredita ter sido criada no Big Bang. Foram aprisionados 38 átomos de antihidrogênio no "tanque de antimatéria" criado pelos cientistas, cada um deles ficando retido por mais de um décimo de segundo. O resultado foi obtido depois de 335 rodadas do experimento, misturando 10 milhões de antiprótons e 700 milhões de antipósitrons.

Átomos de antimatéria são capturados pela primeira vez

A antimatéria foi capturada durante 335 rodadas do experimento, misturando 10 milhões de antiprótons e 700 milhões de antipósitrons. O rendimento no aprisionamento dos átomos de antimatéria ainda é baixo - por volta de 0,005% - mas os cientistas afirmam que estão trabalhando para elevá-lo. Na verdade, o artigo que descreve a pesquisa apresenta uma série de inovações que tornaram possível a realização do experimento - a maioria das quais mereceria um artigo científico à parte. O experimento ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) já havia feito história em 2006, quando os físicos conseguiram fazer uma reação química entre matéria e antimatéria, usando átomos de antihidrogênio para criar uma matéria híbrida. Os primeiros átomos de antihidrogênio de baixa energia produzidos artificialmente - constituídos por um pósitron ou elétron de antimatéria, orbitando em um núcleo de antiprótons - foram criados lá mesmo, no CERN, em 2002. Mas até agora tinha sido impossível isolá-los, e eles acabam se chocando com átomos de matéria normal, aniquilando-se em um flash de raios gama apenas alguns microssegundos depois de serem criados - algo que pode ser extremamente útil para a construção de um laser de raios gama. Em um experimento não diretamente relacionado, realizado em 2005, um grupo de físicos conseguiu criar o positrônio, um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron (anti-elétron) ligados um ao outro, mas sem um núcleo.

Simetria de CPT

"Estamos chegando perto do ponto em que poderemos fazer algumas classes de experimentos sobre as propriedades do antihidrogênio," disse Joel Fajans, outro membro da equipe. "Inicialmente, serão experiências simples para testar a simetria CPT, mas já que ninguém foi capaz de fazer esse tipo de medição em átomos de antimatéria até hoje, será um bom começo," explica o cientista. A simetria CPT (carga-paridade-tempo) é a hipótese de que as interações físicas não se alteram se você inverter a carga de todas as partículas, mudar sua paridade - isto é, inverter suas coordenadas no espaço - e reverter o tempo. Quaisquer diferenças entre o antihidrogênio e o hidrogênio, como diferenças no espectro atômico, violariam automaticamente a CPT, derrubando o Modelo Padrão da física de partículas e suas interações, e poderia explicar por que a antimatéria praticamente não existe no Universo hoje, apesar de ambas, matéria e antimatéria, terem sido criadas em quantidades iguais no Big Bang.

Tanque de antimatéria

Para aprisionar a antimatéria, os físicos resfriaram os antiprótons e os comprimiram em uma nuvem com um tamanho equivalente à metade de um palito de dentes - 20 milímetros de comprimento e 1,4 milímetro de diâmetro). Em seguida, usando uma técnica chamada autorressonância, a nuvem de antiprótons frios e comprimidos foi superposta a uma nuvem de pósitrons de dimensões semelhantes. Os dois tipos de partículas então se juntaram para formar o antihidrogênio. Tudo isto acontece dentro de uma garrafa magnética, que prende os átomos de antihidrogênio. A armadilha magnética é um campo magnético especial, que usa um estranho e caríssimo ímã supercondutor de oito pólos - um octupólo - para criar um plasma mais estável. "Atualmente nós conseguimos manter os átomos de antihidrogênio presos por pelo menos 172 milésimos de segundo - cerca de um sexto de segundo - tempo suficiente para nos certificarmos de que os apanhamos," disse Jonathan Würtele, outro membro da equipe. De Agosto a Setembro de 2010, a equipe detectou um átomo de antihidrogênio em 38 dos 335 ciclos de injeção de antiprótons. Dado que a eficiência do detector usado é de aproximadamente 50 por cento, a equipe calculou ter capturado cerca de 80 dos vários milhões de átomos de antihidrogênio produzidos durante esses ciclos.

(Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br)