Físicos encontram uma força inesperada agindo sobre nanopartículas no vácuo – 22.04.2017
Pesquisadores da Universidade do Novo México descobriram uma força nova que atua sobre nanopartículas no vácuo, permitindo que elas sejam empurradas pelo “nada”. Em outras palavras, parece que a física quântica está nos mostrando que o “nada”, como nós gostamos de pensar nele, não existe de fato – até mesmo os vazios estão cheios de pequenas flutuações eletromagnéticas.
— Como pode um vácuo transportar força?
Uma das primeiras coisas que aprendemos na física clássica é que em um vácuo perfeito – um lugar inteiramente desprovido de matéria – o atrito não pode existir, porque o espaço vazio não pode exercer uma força sobre os objetos que viajam através dele. Mas, nos últimos anos, os físicos quânticos mostraram que os vácuos são na verdade preenchidos por pequenas flutuações eletromagnéticas que podem interferir com a atividade dos fótons – partículas de luz – e produzir uma força mensurável sobre os objetos. Isto é chamado de Efeito Casimir, predito primeiramente em 1948. Agora, o novo estudo mostrou que este efeito é ainda mais poderoso do que imaginávamos.
— Implicações
O Efeito Casimir só pode ser mensurável na escala quântica, mas influencia o nosso mundo visível também.
“Esses estudos são importantes porque estamos desenvolvendo nanotecnologias com distâncias e tamanhos tão pequenos que esses tipos de forças podem dominar tudo”, disse o pesquisador Alejandro Manjavacas, da Universidade do Novo México, nos EUA. “Sabemos que essas forças de Casimir existem, então, o que estamos tentando fazer é descobrir o impacto global que têm sobre partículas muito pequenas”.
— O estudo
Para descobrir isso, a equipe verificou o que acontecia com nanopartículas girando perto de uma superfície plana no vácuo. O que eles descobriram foi que o Efeito Casimir pode realmente empurrar essas nanopartículas lateralmente – mesmo que não estivessem tocando a superfície.
Isso é um pouco estranho, mas imagine a seguinte cena: você tem uma pequena esfera girando sobre uma superfície que está constantemente sendo bombardeada com fótons. Enquanto os fótons retardam a rotação da esfera, também fazem com que ela se mova em uma direção lateral. No mundo da física clássica, a fricção seria necessária entre a esfera e a superfície para conseguir esse movimento lateral, mas o mundo quântico não segue os mesmos princípios.
“A nanopartícula experimenta uma força lateral como se estivesse em contato com a superfície, mesmo que esteja realmente separada dela”, explica Manjavacas. “É uma reação estranha, mas que pode ter um impacto significativo para os engenheiros”.
— Aplicações
A descoberta poderia desempenhar um papel importante no desenvolvimento de tecnologias cada vez menores, bem como computadores quânticos.
Curiosamente, os pesquisadores conseguiram controlar a direção da força mudando a distância entre a partícula e a superfície, o que poderia ser útil para engenheiros e pesquisadores que estão constantemente procurando maneiras eficazes de manipular a matéria em nanoescala.
Os resultados do estudo precisam ser replicados e verificados por outras equipes de pesquisa. Mas o fato de que agora temos provas de uma intrigante nova força que poderia ser usada para direcionar nanopartículas dentro do “nada” é bastante emocionante.
— Físicos afirmam ter manipulado o vácuo e observado as consequências
De acordo com a mecânica quântica, o vácuo não é vazio, mas sim preenchido por energia quântica e partículas que entram e saem de existência a cada momento – estranhos sinais conhecidos como flutuações quânticas.
Por décadas, havia apenas evidências indiretas dessas flutuações, mas em 2015 pesquisadores afirmaram que detectaram essas flutuações diretamente. Agora os mesmos cientistas alegam que eles deram um passo adiante, manipulando o próprio vácuo e detectando as mudanças nesses estranhos sinais.
Se os resultados forem confirmados, os pesquisadores podem ter descoberto uma nova forma de observar e testar a esfera da física quântica sem interferir nela. Isso é importante porque um dos maiores problemas com a mecânica quântica é que sempre que tentamos medir ou observar um sistema quântico, nós o destruímos.
É aí que o vácuo quântico entra em cena. Primeiro vamos pensar nele de forma clássica: um espaço totalmente vazio de matéria, com a menor energia possível. Não há partículas ali, e nada para interferir com a física pura. Mas um resultado de um dos princípios fundamentais da mecânica quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg, diz que há um limite para o quanto podemos saber sobre partículas quânticas, e como resultado, o vácuo não é vazio, mas cheio de energia e de pares de partícula-antipartícula que aparecem e desaparecem de forma aleatória.
— Flutuações quânticas
Essas partículas do vácuo são invisíveis, mas influenciam o mundo. Essas flutuações quânticas produzem flutuações nos campos elétricos que podem afetar elétrons. Foi desta forma que cientistas puderam demonstrar indiretamente a sua presença na década de 1940. E por décadas, não houve muita novidade nesta área.
Aí, em 2015, um grupo liderado por Alfred Leitenstorfer da Universidade de Konstanz (Alemanha) afirmou que as flutuações foram detectadas diretamente ao observar a influência delas nas ondas de luz. Esses resultados foram publicados na revista Science. Para fazer isso, eles dispararam no vácuo um laser de pulso curto, que dura apenas alguns femtossegundos, ou seja, um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Como resultado, eles puderam observar pequenas mudanças na polarização da luz. Eles afirmam que essas mudanças foram causadas diretamente por flutuações quânticas.
Essa afirmação ainda está sendo discutida, mas os pesquisadores levaram o experimento para o próximo nível ao “espremer” o vácuo, e dizem que eles puderam observar as estranhas mudanças nas flutuações quânticas. “Podemos analisar estados quânticos sem alterá-los na primeira aproximação”, diz Leitenstorfer.
Normalmente, quando você procura pelos efeitos das flutuações quânticas em uma única partícula de luz, você tem que detectar essa partícula, ou aumenta-la, para conseguir ver o efeito. E isso poderia remover a assinatura quântica deixada naquele fóton, que é semelhante ao que a equipe fez no experimento de 2015.
— Vácuo x balão
Desta vez, ao invés de ampliar os fótons, o grupo estudou a luz no domínio do tempo. Isso pode parecer estranho, mas no vácuo, espaço e tempo se comportam da mesma forma, então é possível examinar um deles para aprender mais sobre o outro. Ao fazer isso, a equipe viu que quando eles espremem o vácuo, ele reagiu mais ou menos como um balão, redistribuindo as flutuações ali.
Em alguns pontos, as flutuações ficaram mais barulhentas que o som de fundo do vácuo espremido, e em outros, ficaram mais quietas. Leitenstorfer compara isso com o trânsito de carros: quando há um funil que faz os carros se acumularem atrás dele, assim que os carros conseguem passar por ele a densidade de carros vai diminuir novamente.
O mesmo acontece no vácuo. Conforme ele é espremido em um lugar, a distribuição de flutuações quânticas muda, e elas podem acelerar ou diminuir de velocidade como resultado. Este efeito pode ser medido no domínio do tempo, que você pode observar na imagem abaixo. O pico no centro é a compressão no vácuo:
Outra coisa estranha também acontece: as flutuações em alguns lugares parecem diminuir abaixo do nível de barulho de fundo, que é menor que o estado normal de locais vazios, algo que os cientistas chamam de “fenômeno espantoso”.
“Como a nova técnica de medição não precisa absorver os fótons ou ampliá-los para conseguir medi-los, então é possível detectar o som de fundo eletromagnético do vácuo e consequentemente também os desvios controlados desse estado normal, criados pelos pesquisadores”, diz uma nota publicada para a imprensa.
A equipe agora está testando o quão precisa a técnica é, e quanto podem aprender com ela. Mesmo com resultados impressionantes, é possível que os pesquisadores só tenham alcançado medições fracas, um tipo de medição que não interfere no estado quântico, mas também não diz aos pesquisadores muita coisa sobre esses sistemas. Se a técnica for comprovada eficaz, os pesquisadores podem usá-la para examinar o “estado quântico da luz”, que é o comportamento invisível da luz no nível quântico que estamos apenas começando a entender….
Visão pessoal…
Tudo o que você vê, ouve, toca ou cheira pode ser fruto das vibrações de cordas infinitamente finas que existem em um mundo de dez dimensões. Uma espécie de holograma – enquanto o mundo “real” seria um cosmo de uma dimensão e sem gravidade, ditado pelas leis da física quântica. Esta fase de transição entre um espaço vazio e sem graça para um universo em expansão contendo massa foi agora descrita matematicamente por uma equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, juntamente com colegas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, também nos EUA, e da Universidade de Edimburgo, na Escócia. A ideia por trás deste resultado é uma conexão notável entre a teoria quântica de campos e teoria da relatividade de Einstein. Todo mundo sabe das transições entre as fases líquida, sólida e gasosa da matéria. No entanto, os físicos Stephen Hawking e Don Page já apontaram, em 1983, que o tempo e o espaço também podem sofrer uma transição de fase semelhante. Eles calcularam que um determinado espaço vazio pode se transformar em um buraco negro a uma temperatura específica. Pode um processo similar a este criar todo um universo em expansão assim como o nosso? Daniel Grumiller, da Universidade de Tecnologia de Viena, pesquisou este assunto juntamente com colegas dos EUA e da Grã-Bretanha. Seus cálculos mostram que há realmente uma temperatura crítica em que um espaço-tempo plano e vazio se transforma em um universo em expansão com massa. “O espaço-tempo vazio começa a ferver, forma pequenas bolhas. Uma destas bolhas se expande e, eventualmente, domina todo o espaço-tempo”, explica Grumiller. Para que isso seja possível, o universo tem de rotacionar – ou seja, a receita para a criação do universo é fundamentalmente “aquecer e agitar”. Entretanto, a rotação necessária pode ser arbitrariamente pequena. Primeiramente, um espaço-tempo com apenas duas dimensões espaciais foi considerado. Mas não há nenhuma razão para que o mesmo não seja verdade para um universo com três dimensões espaciais. O modelo de fase de transição não tem o objetivo de substituir a teoria do Big Bang. Hoje, os cosmólogos sabem muito sobre o início do universo – não estamos desafiando suas descobertas. Estamos interessados na questão de que as transições de fase são possíveis para o tempo e o espaço e como a estrutura matemática do espaço-tempo pode ser descrita. Estamos apenas começando a entender estas incríveis relações de correspondência. Quais novas ideias sobre nosso próprio universo podem resultar a partir desta descoberta é difícil dizer – apenas o espaço-tempo nos dirá….
Inspiração…
Mecânica Quântica Aplicada – IFSC/USP
Meio Interestelar – Astronomia – USP
Os Blocos de Edificação do Universo
Revista científica Physical Review Letters
Recomendo…
Fonte – Monicavox
Senhora de Sírius 