O Nobel de Física de 2012

O Nobel de Física de 2012 foi anunciado a quase um mês e nós ainda não falamos dele. 🙁

Pois hoje nos redimiremos dessa falha grotesca… 😀

O Nobel deste ano foi dividido por um francês e um americano, Serge Haroche e David Wineland, por, numa tradução livre, “desenvolvimento de métodos experimentais revolucionários que permitem medir e manipular sistemas quânticos individuais”.

E porque o que eles fizeram merece o Nobel, um dos mais (se não o mais) prestigiados prêmios em Física? A questão é razoavelmente simples de se responder, e vai ao encontro da razão pela qual muitos outros também ganharam esse mesmo prêmio: o que eles fizeram é muito, muito, muito difícil de se fazer. Mas, como diria Jack, vamos por partes.

Sistemas Quânticos Individuais

As leis fundamentais que regem o que quer que seja no Universo conhecido (não, iso não é um exagero) são as Leis da Física Quântica. Elas foram estabelecidas no início do século passado, com Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Dirac e vários outros. Dentre as muitas facetas da Física Quântica, algumas das mais fascinantes dizem respeito ao estado em que um sistema quântico pode existir. De fato, ao contrário do que vemos no nosso dia-a-dia, em que algo que é branco não é preto e vice-versa, um sistema quântico individual pode ser branco, preto ou uma mistura de ambos, nos mais variados tons de cinza que você imaginar. É a chamada superposição de estados. Mas você nunca vai realmente ver esse sistema em nenhum tom de cinza: quando você olhar pra ele, o sistema vai escolher se é branco ou preto, e isso destruirá o estado superposto do sistema. Você só é capaz de saber qual o tom de cinza, se medir o mesmíssimo sistema quântico (=cópias exatamente iguais) muitas vezes. Mas a cada vez, você o destrói. Complicado? Sim, especialmente porque não é o tipo de coisa que nos deparamos todo dia. Mas é esse tipo de comportamento que causa tanto frenesi nas propostas de computação quântica (o bit deixa de ser 1 ou 0, mas pode ser qualquer mistura entre os dois) e criptografia quântica (meça um estado uma vez e ele é destruído: a proteção perfeita contra bisbilhoteiros na comunicação de dados sigilosos).

Apesar de tão importantes, sistemas quânticos são muitíssimo frágeis. Coloque vários deles juntos e o que você tem é exatamente o que a gente conhece bem como “dia-a-dia”, a física clássica, Leis de Newton e companhia bela. Coloque eles em contato com o ambiente e pode dizer adeus à qualquer superposição de estados. É por essas e outras que sistemas quânticos individuais são dificílimos de observar e por isso mesmo, todos esse fenômenos exóticos e promissores ficam muitas vezes restritos a elucubrações teóricas e longe do mundo experimental.

O que os dois ganhadores do Nobel deste ano fizeram foi desenvolver formas de se estudar experimentalmente sistemas quânticos isolados, ultrapassando essas limitações fundamentais e abrindo a possibilidade de se estudar e entender os fenômenos quânticos.

Dois lados da mesma moeda

Bom, agora que a ideia está exposta, vejamos o que eles fizeram, individualmente.

Há uma simetria muito bonita nesses dois experimentos: enquanto Wineland estuda e manipula átomos aprisionados (íons, na verdade) usando para isso luz, Haroche estuda partículas de luz (fótons) aprisionadas numa cavidade, usando para isso átomos.

No caso de Wineland, ele resfria os íons, usando luz, de forma que o seu movimento vai para o menor grau possível (é impossível parar totalmente um sistema no contexto da Física Quâtica) e usando luz ele efetivamente coloca o íon em um estado superposto, exclusivamente quântico, e pode estudar esse sistema, completamente isolado do ambiente. De fato, esse tipo de estado é o que se convencionou chamar de estados do tipo “gato”, em homenagem ao famoso gato de Schrödinger.

No caso de Haroche, ele possui uma cavidade (dois espelhos, um de frente pro outro) super especial, resfriada, ultra-refletora e na qual ele coloca um ou alguns fótons que vivem dentro dessa cavidade um tempo longuíssimo (décimos de segundo) o que permite estudá-los. Para isso ele passa pela cavidade átomos especiais, chamados de átomos de Rydberg que são super-sensíveis. Quando os átomos saem da cavidade, após interagir com os fótons (sem destruí-los!!!) ele consegue medir, a partir do que aconteceu com os átomos, quantos fótons havia na cavidade. Uma das conseqüência mais interessantes do seu experimento é que ele consegue observar o “desaparecimento” dos fótons de dentro da cavidade em passos inteiros: o fóton desaparece e não apenas metade dele ou um terço, mas sempre um por vez.

Ambos os sistemas permitem fazer uma infinidade de experimentos interessantes nos fundamentos da Física Quântica e abrem possibilidades efetivas de se estudar experimentalmente as bases do que podem ser futuros sistemas aplicáveis, baseados nas leis fundamentais da Física Quântica.

Uma nota pessoal

Lá pelos idos de 2007 eu fui a uma conferência na Cidade do México. Lá estava Serge Haroche, os primeiros resultados que levaram ao Nobel deste ano tinham acabado de aparecer e ele era “a bola da vez” na maioria das conferêcias da área. Por coincidência, meu ex-orientador também estava lá, é amigo do Haroche e por isso tivemos a chance de ir jantar juntos: eu, dois colegas mexicanos, meu ex-orientador o Haroche e a esposa. [Há uma história ótima desse jantar que está perdida em algum rascunho pra virar um post aqui… vou ver se recupero.]

Não, o jantar não foram Tacos mexicanos… Mas que eles são apetitosos, isso são…

Ele então começou a contar algumas das dificuldades que nunca aparecem para o público que envolvem esse experimento que lhe deu o prêmio. Dentre muitas questões técnicas, como o fato de a cavidade ser mantida resfriada (a -270 oC) o tempo todo (fins de semana, Natal e feriados inclusos) ou de que eles nunca podem colocar a mão nela porque isso a destrói, um fato em especial me chamou a atenção.

Ele disse algo como: “eu sacrifiquei 3 a 4 gerações de estudantes, 12 anos de vai-e-vém, testes, resultados negativos, aprimoramentos, mais testes e pouquíssimos resultados efetivos.” Esse é o que eu chamo de “custo humano” de um projeto, muito mais difícil de mensurar que gastos com equipamentos, reagentes, viagens, etc. Os estudantes dessa fase, claro, tiveram suas carreiras comprometidas, doutorados e mais doutorados com pouquíssimo resultado efetivo. Um custo humano alto para um resultado científico igualmente alto. Infelizmente, é assim que funciona muitas vezes: muitíssimo esforço e sacrifício por um objetivo maior em algum momento do futuro. Para a ciência é super-válido. Mas e do ponto de vista humano? Valeu? Isso eu não sei responder.

Habemus Higgs

Annuntio vobis gaudium magnum 

Habemus Higgs 

ou em português:

Anuncio-vos uma grande alegria

Temos um Higgs

 Não foi bem assim que, hoje pela manhã, o diretor do CERN (o grande acelerador de partículas europeu) anunciou a confirmação de uma nova partícula que tem tudo para ser o tão sonhado Bóson de Higgs, mas eu aposto que se ele pudesse, era assim que teria feito. Afinal, o anúncio de hoje guarda semelhanças com o anúncio de um novo papa: ele virá com certeza e será positivo, mas ainda assim, a espera enche seus fiéis de expectativa, e o anúncio, de júbilo.

Mas por quê? Apesar de não entender quase nada de física de partículas, é essa a questão que eu quero tentar responder aqui.

  • O que é o Bóson de Higgs?

Eu vou pedir permissão para adaptar a explicação do diretor do CERN, dada hoje na coletiva de imprensa. Imagine uma sala cheia de jornalistas, mais ou menos igualmente distribuídos. Eles formam o campo de Higgs. Agora entram na sala, digamos, eu e a Angelina Jolie. Quem vai se mover com mais facilidade? Eu, claro, um ilustre desconhecido. Ao contrário, os jornalistas vão se aglomerar em torno da Angelina Jolie e ela vai se mover mais devagar. Ora, em Física, uma partícula que se move livremente, sem restrições (eu, no caso) é uma partícula muito leve, sendo o caso limite, as partículas de luz, que se movem (faça cara de surpresa!) com a velocidade da luz. Partículas que se movem mais lentamente (Angelina, nesse caso) são mais  pesadas. Bom, você já entendeu, o campo de Higgs é o que dá massa às partículas sub-atômicas. E o bóson de Higgs? Bom, pegue a Angelina Jolie e o aglomerado de jornalista e retire, de repente, a Angelina. O aglomerado de jornalistas é o Bóson de Higgs (para os iniciados, o bóson de Higgs é a partícula que advém da quantizacão do campo de Higgs).
  • Qual a causa desse frisson todo em torno dessa descoberta?
Bom, primeiro de tudo, pelo que já foi falado ali em cima. O Bóson de Higgs é a partícula responsável pelas características relacionadas à massa das partículas sub-atômicas. E isso é um marco importante. Segundo, o modelo que descreve essas partículas e suas interações, chamado de Modelo Padrão, sempre foi muito bem sucedido nas suas predições. Trocando em miúdos: usando esse modelo, os físicos teóricos apontavam: há uma partícula com massa X. Os experimentais iam lá e a dita cuja partícula estava mesmo onde era previsto. E foi assim para todas as partículas subatômicas, quarks e afins. A última partícula que faltava era exatamente o Bóson de Higgs. Pois agora não falta mais: exatamente onde ele foi previsto, com massa de 125 GeV, os físicos de partículas acharam uma partícula. Pra ser mais exato: um bóson. Este é o bóson de Higgs? Provavelmente, mas leia mais à frente que tem mais sobre isso. Bom, a confirmação dessa partícula completa o Modelo Padrão e, de certa forma, finaliza uma grande etapa nesse mundo das partículas fundamentais. Terceiro e último: faz 50 anos que ele foi previsto e mais de 30 que se fazem experimentos na busca dessa partícula. Tem muita gente que dedicou a vida a isso. E isso faz essa partícula muito importante.
  • Mas como eles têm certeza de que este é o Bóson de Higgs?
Eles não têm. E o diretor do CERN deixou isso muito claro. A rigor, um bóson foi identificado nas medidas e ele tem a massa prevista para o bóson de Higgs. E foi isso que o CERN anunciou hoje. Estritamente falando, medidas adicionais são necessárias para identificar as características desse bóson e mesmo sua natureza. Apenas quando essas medidas forem feitas será possível bater o martelo e batizar oficialmente esta partícula como o Bóson de Higgs.
  • E agora?
Agora, uma porta se fecha, outra talvez se abra. O Modelo Padrão é absolutamente bem sucedido e o descobrimento dessa partícula fecha esse história. Mas o Modelo Padrão é certamente incompleto, afinal, cadê as explicações para a matéria/energia escura? Não estão lá. Os estudos sobre a natureza do Bóson de Higgs é que dirão que porta se abrirá. Se ele for um escalar, na linguagem de partículas, isso o fará cair exatamente na predição teórica e alguém vai ter que abrir uma nova porta à marretadas. Se ele for um pseudo-escalar, isso abre espaço para teorias mais abrangentes, novas partículas, explicações da matéria escura e, no fim das contas, emprego garantido pra todo no CERN e muitos teóricos ao redor do mundo. A venda do LHC será cancelada.
Bom, acho que deu pra fazer uma imagem razoável do que aconteceu hoje. Se você quiser ler mais, eu recomendo os textos do “Física, Futebol e Falácias”, do Carlos Orsi ou do blog da Nature (em inglês) aqui em Lindau.

>As muito feias que me perdoem, mas beleza é fundamental

>

O título deste post, frase famosa de Vinícius de Morais, complementa um pouco a discussão por trás do post passado (leia aqui: “O estranho mundo quântico”). No fundo, quando afirmamos que a luz (energia num sentido mais amplo) e os elétrons ou os átomos, enfim, o que nós chamamos de “matéria” se comportam da mesma maneira, estamos afirmando que há uma simetria fundamental permeando todas as coisas. Todas as entidades físicas se comportam da mesma forma. 
Simetria = Beleza
O mesmo vale para o desenvolvimento das famosas teorias da relatividade de Einstein, a especial e a geral. No fundo, ele colocou todos os fenômenos físicos sob um mesmo chapéu, obedecendo as mesmas leis. Ele recobrou a simetria que esteve em dado momento perdida.
O mesmo vale para a teoria eletromagnética: se você vai um pouco mais a fundo, sabe que todas as equações de Maxwell podem ser escritas numa forma muito simplificada, elegante e que, acima de tudo, reforça a simetria entre os campos elétrico e magnético.
Enfim, a busca por simetrias, comportamentos universais, leis fundamentais são alguns dos “grandes objetos de desejo” dos que levam sua vida estudando a natureza mais fundamental das coisas. Uma busca tão grande quanto a busca pelas quebras espontâneas de simetria, desvios do comportamento universal, quebra das leis que se acreditavam fundamentais. De fato, estas últimas acabam, em última instância, por levar as primeiras a outros níveis, de modo a englobar tudo de novo e mais uma vez. Mas esse é uma outra história. 😉
Num nível mais geral, a busca por simetria na ciência é a busca por beleza, por uma consistência entre as partes de um todo bem amplo, por algo que agrade aos nossos olhos, a nossa mente, o nosso entendimento do mundo. Então, tal qual Vinícius falou, se referindo às mulheres, poderíamos falar nós, nos referindo às teorias físicas: as muito feias (pouco simétricas) que nos perdoem, mas beleza, simetria, é fundamental.

>O estranho mundo quântico

>

Direto ao ponto: sabe por quê todo mundo fala (inclusive o título deste post) que o mundo quântico é estranho? Porque no mundo quântico entidades incompatíveis coexistem em paz e harmonia. 
No mundo clássico, partículas são partículas e ondas são ondas. Imiscíveis, como água e óleo. Suas propriedades são incompatíveis. No mundo quântico, as partículas entidades são partículas, às vezes, e ondas, em outras vezes. E por isso é tão estranho.
Mas, de verdade, o problema é semântico. Veja só: ondas que eram apenas ondas e partículas que eram apenas partículas estão no nosso dia-a-dia, desde sempre. Desde quando a gente ainda andava pelado e morava em cavernas. Toda a nossa linguagem, entendimento, modelo do mundo cresceu e sedimentou-se sobre esses dois conceitos díspares. Resultado: quando a gente descobre algo que é mais fundamental e onde coabitam os dois conceitos torna-se complicado, estranho até, descrever esse algo – o mundo quântico – com as mesmas palavras (e mesmos conceitos de antes). E por isso a coisa é estranha.
A melhor forma que eu vejo de resolver esse problema é invertendo a situação: “descrever” as entidades do mundo quântico como entidades únicas, que tem um comportamento bem estabelecido e entendido. Chame isso do nome que você quiser, menos onda ou partícula. Porque a luz é assim, o elétron é assim, os átomos são assim. E, finalmente, dizer que esse comportamento de vez em quando se parece com o comportamento do que a gente conhece como partículas e em outras do que a gente conhece como ondas.
Melhor assim? 😉

>O estranho mundo quântico

>

Imagine você alguém andando calmamente. Você mesmo, por exemplo, na sala da sua casa… De repente, oh meu Deus!, uma batente aparece na sua frente: pode ser a soleira da porta ou o primeiro degrau de uma escada, enfim, um degrau, desnível ou seja lá o que for…

Por acaso isso é motivo de angústia no seu coração? Aperreio, aporrinhação, descontrole emocional? “Não, é claro!”, vão me responder 99.99999% de vocês, certo?

Pois saiba você que, no mundo quântico, não é bem assim. O senhor Elétron morre de medo de um degrauzinho, faz xixi nas calças só de imaginar um um desnível em seu caminho, tem pesadelos com escadas quase toda noite!

E você faz ideia porque é assim? Porque o mundo quântico é estranho.

Quando o mr. E (pseudônimo do sr. Elétron) encontra um degrau, várias coisas podem acontecer com ele. Primeiro, o comum, que acontece com todos nós, ele vem e sobe o degrau, vai embora. Geralmente é isso que acontece quando ele vem bem rápido… Nem vê o degrau direito! Mas quando ele vem mais devagar, aí o bicho pega! Pois mr. E bate no degrau e volta! Já imaginou um degrau, pequenino que seja, simplesmente agir como uma parede e devolver você para onde você veio?

Mas isso nem é o pior. No mundo quântico, se duas coisas são possíveis ao mesmo tempo, então elas acontecem juntas. Assim, veja, mr. E chega ao degrau e “se divide”: parte dele passa, parte volta! Agora imagine isso com você: chega na soleira da porta da sua casa, vai subir e, surpresa!, a sua cabeça passa e o seu corpo volta, ou o seu tronco vai em frente e as suas pernas são mandadas de volta! É ou não é de dar dor de barriga em qualquer um?

Mas então, alguém de vocês pode dizer: besteira! Bobagem! Mentira! Nunca vi isso acontecer! Nem comigo nem com ninguém! Onde já se viu, bater na soleira da porta e se dividir?! Pois eu te respondo: você está certo (uma soleira nunca dividiu ninguém no meio), mas está errado, isso é, ainda assim, a verdade.

O mundo quântico, estranho como ele pode ser, é quem, no fundo, no fundo, rege a natureza. As leis fundamentais são invariavelmente quânticas. Mas o “mundo real”, esse onde a gente vive, não é quântico, ou melhor, é um mundo onde a gente não vê as estranhezas do mundo quântico.

Ficou curioso pra saber o porquê? Eu te conto num outro post… 😉

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