Físicos enxergam “universo” em gota d’água

 


Gotas d’água que levitam e giram pela força de campos eletromagnéticos podem ajudar a entender planetas, núcleos atômicos e até buracos negros. Até parece que, como canta o Chico, qualquer interação pode ser a gota d´água…

Quando giram rapidamente, as gotas criadas pelos físicos Richard Hill e Laurence Eaves, da Universidade de Nottingham (Reino Unido) se transformam em “amendoins” e triângulos.

A tecnologia que faz as gotas pararem no meio do ar é a mesma que fez um sapo levitar, em uma pesquisa ganhadora do infame Prêmio IgNobel, em 1997. Um campo magnético 10 vezes mais intenso que o de um imã de autofalante faz com que a água das gotas produza seu próprio campo magnético em reposta. “A força magnética [da água] contrabalança a força da gravidade em nível molecular, por todo o objeto”, explicou Hill. “Podemos investigar como as coisas se comportam no espaço, aqui no solo.”

Em “gravidade zero”, a gota que teria normalmente a forma de uma lágrima vira uma esfera perfeita. Se a gota começar a girar em torno de si mesma, porém, o equilíbrio entre a coesão das moléculas e a tendência da água de “escapar pela tangente”, faz a gota assumir o formato de um bola de futebol americano ou de uma melancia.

Cálculos teóricos feitos em 1980 sugeriam que à medida que girasse cada vez mais depressa, a gota-melancia assumiria a forma de um amendoim, depois a de um triângulo arredondado, podendo chegar até ao extremo da forma de uma rosquinha. Segundo os cálculos a forma triangular seria muito instável. Experimentos em órbita chegaram a ver de relance gotas triangulares, mas que logo se desmanchavam.

Agora, no conforto de seu laboratório bem aqui na Terra, Eaves e Hill fizeram gotas flutuantes girarem graças à força de correntes elétricas passando por um par de pequenos eletrodos nelas. Os pesquisadores gravaram vídeos das gotas com mais ou menos 1,5 cm de diâmetro, girando em várias velocidades, chegando até seis rotações por segundo. As gotas assumiram todas as formas previstas pela teoria, exceto a forma de rosquinha.

Eles ficaram surpresos ao verem que, diferente do previsto, suas gotas triangulares eram estáveis. Hill explica que, de alguma forma ainda desconhecida, pequenas ondas na superfície da gota provocadas por variações na corrente elétrica passando pelos eletrodos mantêm intacta a forma de triângulo. “Gostariámos de fazer mais estudos para investigar esse efeito”, disse.

Controlando essas ondas de superfície, os pesquisadores conseguiram também moldar as gotas girando, de modo a assumir as formas estáticas de um quadrado e um pentágono.

Veja as gotas girando neste vídeo, junto com outras experiências de levitação magnética do mesmo laboratório:


A dupla de físicos afirma, em seu artigo científico no periódico Physical Review Letters de 5 de dezembro, que estudar o comportamento dessas gotas pode ajudar a entender objetos criados por outros tipos de forças coesivas, como a força nuclear e a gravitacional, sugerindo que certos núcleos atômicos ou planetas girando tenham formas semelhantes as das gotas.

Vitor Cardoso, do Instituto Superior Técnico de Lisboa (Portugal), é um entusiasta dessa analogia. Ele explica que, se o universo tiver mais dimensões espaciais do que três, como sugere a cosmologia da teoria das supercordas, então as mesmas equações que descrevem as gotas líquidas servem para descrever buracos negros–regiões no espaço normalmente esféricas, onde a gravidade é tão forte que nada escapa de dentro. “Estamos a tentar compreender agora se buracos negros com forma de amendoim ou outras formas podem existir”, disse Cardoso.

Mais cauteloso é o astrônomo também português Pedro Lacerda, da Universidade do Havaí (EUA). Lacerda observa o brilho fraquíssimo de planetas anãos orbitando o Sol em uma região além de Plutão, chamada de cinturão de Kuiper. Lacerda explica que ali devem existem objetos em forma de amendoim. “Eles nem precisam de rodar muito depressa”, ele disse. “Têm é que termassa suficiente para que a sua forma seja moldada pela auto-gravidade e não pela força do material de que são feitos (gelo e poeira). Um bom exemplo é o objeto Haumea“.


Se a analogia com as gotas for válida, então talvez existam planetas anãos triangulares. “Seria muito interessante se os encontrasse”, disse Lacerda.

Quanto a comparar núcleos atômicos com gotas líquidas, a física Alinka Lépine, da Universidade de São Paulo, explica que certas propriedades do núcleo há muito tempo são explicadas dessa maneira. Se sabe, por exemplo, que núcleos que giram depressa têm forma de melancia. “Há evidências recentes que apontam para a existência de núcleos ainda mais deformados”, ela disse. Hill e Eaves sugerem que suas gotas possam ajudar a entender esses núcleos hiperdeformados.


Por enquanto, Hill conta que planeja continuar o experimento para ver se consegue produzir as outras formas, como a de rosquinha. “Se ela é alcançável, não sabemos, porém”, ele disse.

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Figura 1: gota triangular girando três vezes por segundo.
Figura 2: Planeta anão Haumea, crédito: Wikimedia Commons
Figura 3: Gráfico das formas teoricamente possíveis de uma gota girando, em função de sua velocidade e momento angular. Extraído daqui.

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Essa é uma versão extendida da reportagem publicada originalmente na Folha de S.Paulo, dia 23 de dezembro de 2008. Veja a versão online aqui.

Estudo esclarece “constantes fundamentais” da física

Atenção: os primeiros sete parágrafos deste post são pura ladainha. Se quiser, pule direto para o filé, logo em seguida.
O historiador e filósofo da ciência Robert Crease citou meu nome em sua coluna na edição de dezembro da revista PhysicsWorld. O motivo foi um email que enviei ao editor da Physics World em fevereiro do ano passado, chamando a atenção da revista para uma pesquisa brasileira que lidava com o assunto da coluna do Crease daquele mês: as constantes fundamentais na matemática e na física são expressas da maneira mais eficiente possível?
A citação:

Meanwhile, Igor Zolnerkevic, a former physics graduate student and now a science writer in Brazil, observed that a maximally efficient theory only requires two dimensional constants. He cited a paper by George Matsas from the Universidade Estadual Paulista in Brazil and colleagues, entitled “The number of dimensional fundamental constants” (arXiv:0711.4276), which has implications for what a brutally efficient approach to constants would look like, and suggests that certain constants are more fundamental than others. LINK

Traduzindo: Enquanto isso, Igor Zolnerkevic, um ex-estudante de pós-graduação em física e agora escritor de ciência no Brasil, notou que uma teoria de eficiência máxima requer apenas duas constantes dimensionais. Ele citou um artigo de Geoge Matsas da Universidade Estadual Paulista, no Brasil, e colegas, com o título “O número de constantes fundamentais dimensionais” (arXiv:0711.4276), que tem implicações sobre como seria uma abordagem brutalmente eficiente às constantes, e sugere que certas constantes são mais fundamentais que outras.
O Crease está certo sobre a “abordagem brutalmente eficiente”. O estudo dos brasileros, porém, não sugere que certas constantes sejam mais fundamentais que outras. De fato, a conclusão deles foi a de que existe um número mínimo de constantes (duas) e que alguém pode reescrever as leis da física usando duas constantes independentes quaisquer.
Essa importante sutileza também confundiu o jornalista Philip Ball, quando escreveu sobre essa pesquisa para o site da Nature, em dezembro de 2007:

How many physical constants does it take to describe the Universe? The answer, according to a team of physicists in Brazil, is just two.
The two can be chosen, according to taste, from a list of three: the speed of light, the strength of gravity, and Planck’s constant, which relates the energy to the frequency of a particle of light, say George Matsas of the São Paulo State University and his colleagues.LINK(só para assinantes)

Traduzindo:  Quantas constantes físicas é preciso para descrever o universo? A resposta, de acordo com uma equipe de físicos no Brasil, é apenas duas. As duas podem ser escolhidas, de acordo com o gosto, de uma lista de três: a velocidade da luz, a intensidade da força da gravidade e a cosntante de Planck, que relaciona a energia com a freqüência de uma partícula de luz, dizem George Matsas da Univerisade Estadual Paulista e colegas.
Na verdade, as duas constantes não precisam ser somente as três citadas pelo Ball. Podem ser duas constantes quaisquer, desde que sejam independentes, isto é, desde que a medida de uma não dependa da outra.
Nessa altura do texto, imagino que a maioria dos leitores esteja confusa e se perguntando sobre que raios estou falando. Espero que o artigo abaixo que escrevi originalmente para a revista Pesquisa Fapesp no começo de 2008, mas que nunca foi publicado, esclareça o assunto aos que tiveram paciência de chegar até este parágrafo…

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A medida de todas as coisas
Estudo esclarece o papel das constantes fundamentais da física
Dê-me uma régua e um relógio, e eu descreverei a realidade. Esse poderia ser o lema da física moderna, concluiu uma equipe de teóricos brasileiros ao tentar passar a limpo uma questão fundamental: quantos e quais são os números mais importantes das leis da física? Embora cada físico pareça ter uma resposta diferente a essa questão, e a controvérsia esteja longe de ser resolvida, a equipe brasileira conseguiu colocar um pouco de ordem na casa, provando de maneira simples e direta que o número mínimo de constantes fundamentais é dois.
“Nossa contribuição não foi trazer uma física nova, mas escrever a física padrão da forma mais econômica possível, eliminando o desnecessário para enxergar mais longe”, diz George Matsas, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, um dos quatro autores do estudo. “Um pouco dessa controvérsia vem da falta de consenso do que é uma constante fundamental”, explica Matsas.
Os físicos usam números para descrever e tentar explicar o mundo. A maioria dos números que os físicos usam, aparecem quando eles comparam alguma coisa com outra. É como quando queremos mudar de casa e comparamos o tamanho das salas de estar e dos dormitórios de vários imóveis anunciados no jornal; usamos um padrão (metros quadrados) para comparar, ou melhor, para medir os imóveis. Assim, padrões são necessários para medir quantidades; o atual padrão de medida de tempo, por exemplo, é quanto demora para um elétron em um átomo de Césio transitar entre certos dois movimentos básicos; todas as unidades de tempo, como o segundo e o minuto, são definidas como múltiplos ou frações deste padrão. Os físicos, porém, não medem somente as coisas; eles constroem relações matemáticas entre quantidades de natureza diferente, como a equação E = mc2, que relaciona a energia E, a massa m de um objeto e a velocidade da luz no vácuo c. Certos números, como o valor de c que é sempre o mesmo, aparecem freqüentemente multiplicando quantidades diferentes nas equações da física. São esses números que, em geral, são chamados de constantes fundamentais.
A opinião mais comum atualmente é a de que as constantes fundamentais são três–a velocidade da luz c, que é o limite absoluto de velocidade para todos os corpos; a constante G, que expressa na lei da gravidade de Newton a intensidade da atração entre duas massas; e a constante de Planck h, que relaciona a energia de uma partícula da luz com o seu comprimento de onda.
Ainda assim, perguntar em uma roda de físicos se as constantes fundamentais são mesmo c, G, e h, pode gerar debates intermináveis. Um famoso debate desses começou em 1992, na cafeteria do Cern (Organização Européia para Pesquisa Nuclear), entre os físicos Gabriele Veneziano, Lev Okun e Michael Duff, resultando em um artigo publicado em 2002, em que Veneziano defendia que existem apenas duas, Okun acreditava nas três tradicionais e Duff dizia que não existem constantes fundamentais.
O artigo foi mencionado em 2004, em um dos seminários do grupo de pesquisa de Matsas, no IFT. “Achamos escandaloso que nessa altura do campeonato da ciência ainda haja controvérsia sobre quantas são as constantes fundamentais”, lembra Matsas. A partir daí, por três anos, os autores do estudo–Matsas e Vicente Pleitez, do IFT, Alberto Saa, do Instituto de Física de Unicamp, e Daniel Vanzella, do Instituto de Física de São Carlos da USP–, junto com seus alunos e colaboradores, passaram de vez em quando a dedicar o seminário para discutir o assunto.
Em um seminário em maio de 2005, Matsas estava convencido de que a resposta definitiva seria dada somente por uma futura “teoria final”, que teria uma explicação para os valores de todas as propriedades do universo. A idéia de que quanto mais sofisticada a teoria, menos constantes fundamentais ela tem, e que portanto a “teoria final” teria o número mínimo possível de constantes, é defendida atualmente pelo prêmio Nobel de física de 2004, Frank Wilczek. “Quanto mais leis você assume, menos constantes independentes você precisa”, explica Wilczek.
Todavia, Matsas e seus colegas logo perceberam que não precisavam esperar pela teoria final para obter uma resposta. Eles começaram a imaginar um laboratório ideal com todos os instrumentos necessários para verificar todas as leis físicas que conheçemos. Eles perceberam que os cientistas desse laboratório imaginário precisariam definir apenas dois padrões de medida, usando duas propriedades constantes e independentes, para realizarem as medidas de todas as demais propriedades, tais como massa, corrente elétrica e temperatura. Isso porque, em última instância, tudo o que se mede são comprimentos e intervalos de tempo.
“Mas, e a massa?”, alguém que se lembre de aprender na escola sobre o sistema MKS (metro, kilograma, segundo) pode perguntar. “A maneira mais direta de medir massa é pelo experimento de Cavendish”, exemplifica Matsas. Esse experimento, desenvolvido por Henry Cavendish, em 1798, mede a massa de um corpo registrando apenas distâncias e aceleração de movimentos. Poderíamos, portanto, expressar massas por uma combinação de unidades de tempo e espaço, em vez de usar kilogramas. O mesmo vale para todas as demais propriedades.
Os pesquisadores deduziram que a partir de dois padrões fundamentais surgem necessariamente duas constantes fundamentais nas equações. Todas as constantes além das duas são opcionais, definidas por mera conveniência.
Um ponto importante é que a conclusão deles pode ser refutada por um experimento científico. Se a medida de uma quantidade física não puder ser expressa em termos de dois padrõesindependentes, então o mínimo de constantes fundamentais não poderá ser duas.
“Note também que não estamos dizendo quais constantes são mais fundamentais que as outras; não há um par preferencial”, ressalta Matsas. O estudo afirma apenas que, em princípio, basta escolher quaisquer duas constantes independentes dentre todas a possíveis–c, G, h, carga do elétron, etc.– para expressar todas as demais propriedades do universo em termos de combinações delas. Expressar, é claro, não é o mesmo que deduzir tudo o que existe; isso seria trabalho para uma teoria final.
Os pesquisadores observam no estudo, entretanto, as vantagens conceituais de se eliminar G, ao redefinir a massa em termos de unidades de espaço e tempo, ficando apenas com duas constantes fundamentais, c e h(G), esta última nada mais sendo que h multiplicado por G. Essa escolha de constantes parece a mais natural para estudar como as partículas elementares são afetadas pela gravidade e vice-versa.
Foi com prazer que a equipe de teóricos verificou mais tarde que pesquisadores de outras disciplinas chegaram a conclusões semelhantes.
A filha de Saa, Olívia, estudante de engenharia, escutando as conversas do pai com Matsas ao telefone, chamou a atenção dos dois para um resultado de 1914, do físico Edgar Buckingham, muito usado por engenheiros ao estudarem a estabilidade de suas máquinas por meio de maquetes. Buckingham já pregava naquela época a necessidade de no mínimo dois padrões fundamentais de medida.
Mais recentemente, metrólogos–físicos que estudam a definição de padrões de medida–estão concluíndo o mesmo. Entre outros, John Wignall, da Universidade de Melbourne, Austrália, defende que o padrão de massa do Sistema Internacional de unidades seja substituído por uma definição de massa em termos de unidades de tempo e comprimento. “Há possibilidade de que a massa venha a ser determinada através de oscilações de íons aprisionados em armadilhas; determinada a massa atômica, o kilograma seria apenas um múltiplo dela”, explica Vanderlei Bagnato, do Instituto de Física de São Carlos, da USP.

Ordens de Magnitude

Mais um achado na Wikipedia, em inglês. Procurando saber o quão forte é um campo magnético de 10 Tesla se comparado com campos magnéticos do dia-a-dia, achei uma série de entradas na Wikipédia com listas comparando as ordens de grandeza de vários quantidades: área, velocidade angular, dinheiro, dados, energia, freqüência, comprimento, campo magnético, massa, números, potência, pressão, densidade de energia específica, capacidade de calor específico, velocidade, temperatura, tempo e volume. LINK

A bagunça do Einstein

Crédito: Ralph Morse, Time Inc.O escritório do Einstein, em Princeton. Bom para mostrar quando a sua mãe reclamar da bagunça do seu quarto…

A foto tirada em 1955, ano da morte de Einstein, faz parte do arquivo da revista Time Life que foi recentmente aberto ao público via internet. LINK (via Symmetry Breaking)

Geladeira “ecológica” de Einstein e suas outras invenções

Desenho da patente de Einstein e Szilard para projeto de geladeira. Crédito: domínio público

Engenheiros britânicos construiram um projeto de geladeira “ecológica” inventado por Albert Einstein . O mecanismo do refrigerador não tem partes móveis, e funciona sem eletricidade (via DiscoBlog).

Malcolm McCulloch, da Universidade de Oxford, construiu o protótipo da geladeira de Einstein como parte de um projeto de pesquisa para desenvolver aparelhos domésticos que não precisam de eletricidade para funcionar. O engenheiro pretende aperfeiçoar o design de Einstein, para torná-lo viável comercialmente. Vai usar gases diferentes do modelo original e painéis coletores de energia solar.

A geladeira é uma invenção de Einstein e de seu amigo, o físico Leo Szilard, patenteada em 1930. Funciona a base amônia, butano (gás de cozinha) e água. De um lado do aparelho fica um reservatório de butano líquido. Quando vapor de amônia entra no reservatório de butano, uma mudança na pressão do ar no reservatório faz com que o butano ferva. Ao fever, o butano extrai calor do ambiente, que esfria. A mistura de vapor de amônia e butano passa por canos contendo água. A amônia se mistura na água e se separa do butano, e logo os gases estão prontos para um novo ciclo. A energia para os ciclos pode vir de qualquer fonte de calor.

A patente da geladeira de Einstein-Szilard chegou a ser comprada pela Electrolux, mas nunca foi construída, porque não é tão eficiente quanto os refrigeradores que funcionam a base de compressão de gases freon, usados atualmente.

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Novo portal explica física… para físicos

Sim, os físicos andam precisando de uma ajudinha para entender o que anda acontecendo em sua própria disciplina. A American Physical Society, fundação responsável pelo mais pretigioso dos periódicos de física, o Physical Review Letters, inaugurou mês passado o portal Physics, que publica breves comentários resumindo ou contextualizando o conteúdo de um artigo científico, ou analisando as tendências de uma subárea de pesquisa em particular.

Conversei com Daniel Ucko, editor assistente do Physical Review Letters, durante a 5ª PASPS, uma conferência internacional sobre spintrônica, que aconteceu em Foz do Iguaçu no começo do mês. Ucko estava animado com as sinopses de artigos que escreveu para para o portal Physics, onde pôde deixar de lado longos parágrafos detalhando a pesquisa e ir direto ao ponto, explicando porque ela é interessante.

“Dada a quantidade do que é publicado, encontrar os melhores artigos é como achar uma agulha no palheiro; temos de fazer todo o possível para fazer o periódico mais legível”, disse Ucko. O físico Richard Feynman (1918-1988) lembrava com saudade do tempo em que podia ler um exemplar da Physical Review de cabo a rabo. Quem já visitou uma biblioteca de instituto de física sabe que, faz muitas décadas, cada volume semanal da Physical Review ocupa quase uma estante de livros inteira, dividido, de acordo com a subárea da física, em Physical Review A, B, C, D e E, cada um com a grossura de uma lista telefônica. A Physical Review publicou 18 mil artigos ano passado.

Segundo Ucko, a APS está trabalhando em vários “fronts” para divulgar os resultados mais relevantes publicados em seus periódicos. “Temos uma pessoa, James Riordon, em nosso escritório principal em College Park, Maryland, passando dicas de artigos interessantes para a imprensa”, ele disse. A APS também mantém desde 1998, outro site de divulgação, o Physical Review Focus. “O Focus començou voltado para estudantes de graduação e seleciona resultados que tem uma história interessante. Mas os textos não dizem nada a respeito da relevância do artigo em relação aos outros do periódico”, explica Ucko. “O “Physics” pretende trazer a luz os resultados publicados em nossas revistas, não apenas para a imprensa, mas principalmente para os pesquisadores.”

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