Qual a Cor do Sol?

Esta é mais uma das muitas questões disparatadas (do género “porque razão a noite é escura?”) que proferida em sociedade receberia na melhor das hipóteses um pálido sorriso de comiseração.

É sabido (desde que Prévost em 1790 o demonstrou) que qualquer corpo com temperatura emite calor por radiação. Este simples facto iria, 100 anos mais tarde, desencadear uma das maiores revoluções do pensamento humano: o surgimento dos quanta. Mas isso poderá ser tema para um futuro post…

As leis da Física (lei do deslocamento de Wien,Nobel 1911) permitem estimar a temperatura de uma fonte de radiação a partir do conhecimento do seu espectro de emissão.

A temperatura da superfície do Sol é aproximadamente 6000 ºC. A essa temperatura o Sol, tal como todas as estrelas com essa temperatura superficial, aparece branco a um observador acima da nossa atmosfera ( tal como aparece aos astronautas da Estação Espacial Internacional) pois todas as cores chegam à retina ao mesmo tempo. E como se sabe desde o tempo do grande (pequeno em estatura) Newton a soma de todas as cores resulta na cor branca.

                                                          

                                                         Sol visto pela Estação Espacial Internacional

Sim…mas nós vemos um Sol amarelo. A vista não engana (a não ser para um daltónico)…

É verdade que vemos o Sol amarelo…mas não nos podemos esquecer que estamos mergulhados numa atmosfera de diferentes gases. O efeito da atmosfera terreste é difundir a luz do Sol, eliminando as cores violenta e azul (pequeno comprimento de onda), e com a redução dessas cores o sol torna-se….amarelo a um observador situado na superfície da Terra? Se tivéssemos na superfície da Lua tornaríamos a ver um sol branco.

E porque razão o sol difunde essencialmente o violeta e o azul?

Isto foi explicado por Rayleigh (1909)que disse basicamente o seguinte: para a difusão de uma onda é necessário que as dimensões das partículas difusoras,r, sejam da mesma ordem de grandeza do comprimento da radiação excitante, c.d.o. Por isso a difusão é selectiva, quer dizer, uma partícula pode ser difusora para uma radiação de um dado c.d.o. e não ser para outra. O parâmetro fundamental é:

p=(2.pi.r)/c.d.o. 

Se p<1 tem-se a difusão de Rayleigh.

E apesar de me afastar um pouco do tema do post tenho que realçar a importância da difusão da luz solar (coisa que não é feita nas nossas escolas, onde se enfatiza a reflexão). 

Se não houvesse difusão da luz solar não veríamos os objetos à sombra. Só poderíamos ver e observar os objetos que fossem iluminados diretamente pelo Sol. Num dia coberto de nuvens, sem a difusão,ficaríamos praticamente às escuras. E o nosso belo azul português, sem a difusão, seria escuro como breu.

E para terminar…Quem mereceria o tal sorriso de comiseração?

Teleportação

A teleportação (do género que se vê nos filmes de ficção científica) sempre foi considerada impossível pelos físicos. A razão é simples e fundamental: para teletransportar um objecto de um ponto A para outro ponto B teremos que conhecer o estado de todas as partículas que constituem o corpo de modo a desmaterializá-lo  no ponto A e construir uma réplica no ponto B.Ora isso é impossível pela princípio de incerteza de Heisenberg que proíbe que uma partícula quântica tenha ao mesmo tempo posição e velocidade bem definida.

No entanto o mundo da física está sempre a reservar-nos surpresas sobre a realidade! Um físico ,Charles Bennet, mostrou como contornar  o referido princípio, pondo-o a funcionar a favor da teleportação e não contra.A ideia é explorar as estranhas propriedades dos objectos quânticos.

Suponhamos que criamos um par de electrões com uma propriedade especial:são representados por um único estado quântico. Isto quer dizer que as propriedades de um dependem das propriedades de outro ( tecnicamente é um estado EPR).Por exemplo, se o sistema estava inicialmente em repouso e se verificar que um dos fotões se move numa certa direção o outro automaticamente tem de mover-se no sentido oposto, para existir conservação do momento linear. Um par de partículas nestas condições chama-se par entrelaçado. Bennet usou fotões por ser mais fácil a nível experimental trabalhar com a polarização dos fotões: se se conhecer o plano de polarização de um dos fotões , o do segundo fica  automaticamente  determinado como sendo perpendicular ao primeiro mesmo sem necessidade de o observar.

É aqui que entra a estranha natureza do mundo quântico.Um sistema quântico, sem ser observado, não tem propriedades bem definidas.: só ao ser observado as adquire.Até lá sobrevive numa espécie de limbo numa sobreposição de estados possíveis.

O paradoxo EPR é o seguinte:criamos um par de fotões entrelaçados e deixamos que se separem milhares de km.Na ausência de observação nenhum deles tem polarização bem definida, estão ambos numa sobreposição de polarizações,sujeitos à restrição de serem complementares.Se medimos o fotão A que tem polarização horizontal instantaneamente o fotão B tem polarização vertical, o que parece violar a relatividade.Digo parece violar porque não há comunicação entre A e B ,ambos constituem um único sistema! Hoje já se observam pares entrelaçados separados por mais de 10 Km.

Bennet propôs um esquema de teleportação de fotões  usando o efeito EPR .Suponhamos que temos um par de fotões entrelaçados A e B.O Observador O1 fica com o fotão A e o Observador O2 com o fotão B. O1 quer transmitir o estado de um terceiro fotão C a O2 sem o enviar fisicamente através do espaço.Além do mais pelo princípio de incerteza de Heisenberg nunca pode medir todas as propriedades do fotão C.

A ideia de Bennet foi: O1 põe o fotão C num estado entrelaçado com o fotão A, adquirindo estes propriedades complementares ( por exemplo a polarização). Mas O2 tem o seu fotão B também entrelaçado com o fotão A, e portanto tem um estado complementar ao do fotão A..

Conclusão: A é complementar de C e B complementar de A . Ou seja, o estado C é igual ao estado B! Eis como transmitimos instantaneamente , sem comunicação, o estado físico de C para o de B! Teletransportamos assim o fotão C para O2. Só me apetece exclamar: elementar meu caro Watson!

Em 1997 um grupo de investigação da Universidade de Innsbruck,liderado por Anton Zeillinger publicou na Nature o artigo " Teleportação Quântica Experimental" , onde descreve os seus resultados.

Uma observação final: a teleportação quântica é mesmo quântica:depende do facto de de um sistema quântico não ter  estados bem definidos até ser observado.Mas não se aplica ao nosso mundo macroscópico constituídos por 10^23 partículas pois as correlações quânticas desaparecem quase instantaneamente! Nunca ninguém viu um gato simultaneamente vivo e morto!

Computador Quântico

A tecnologia utilizada pelos computadores tem evoluído a um ritmo exponencial. Mas esta evolução não pode prosseguir indefinidamente devido aos limites físicos para a computação. O paradigma teórico do computador digital é a Máquina Universal de Turing. A máquina de Turing exige componentes básicos que possam assumir dois estados diferentes, 0 e 1, sobre os quais são realizados as operações lógicas que constituem a computação. Mas estes componentes hoje em dia têm dimensões que se aproximam das centenas de átomos e parece que nos estamos a atingir os limites do fisicamente possível…

No início da década de 80 foi proposto que à medida que os componentes dos computadores se aproximassem da escala atómica se tirasse partido das leis da mecânica quântica. Era uma sugestão meramente teórica…Até que surgiu um matemático, Peter Shor, que anunciou ter descoberto um algoritmo quântico para o problema da factorização de números inteiros. Este resultado puramente matemático impulsionou muitos físicos teóricos e experimentais a dedicar-se à ciência da computação e os cientistas da computação foram a correr aprender mecânica quântica…

Em que consiste a computação quântica e em que difere da computação clássica?

Os nossos computadores atuais que não são mais que a implementação do computador teórico de Turing  funcionam do seguinte modo: compõe-se de um conjunto de registos que podem assumir dois estados distintos, 0 e 1 – bits, abreviatura de binary digit – e de uma máquina que executa operações lógicas elementares sobre esses registos, alterando o estado de cada um. Uma computação consiste em fornecer à máquina a informação de entrada, consistindo numa cadeia de bits, na operação da máquina sobre essa cadeia e na leitura da nova cadeia assim produzida.

A computação quântica tira partido da estranha natureza do mundo quântico.

De acordo com a Mecânica Quântica um qualquer sistema quântico (átomo, electrão…) não existe só por si num estado bem definido. Um estado quântico pode existir em vários estados quânticos ao mesmo tempo. Esta é a base do famoso paradoxo de Schrodinger em que um gato pode estar simultaneamente morto e vivo antes do acto de medição/observação.

Este estranho estado de coisas é a base da computação quântica. Suponhamos que temos um sistema quântico com dois estados possíveis. Chamamos a estes estados quânticos 0 e 1. O estado quântico do sistema será uma soma (sobreposição) de estados 0 e 1. Se interpretarmos este sistema como representado 1 bit de informação  chegaremos a uma estranhíssima conclusão: ao contrário do que acontece a uma máquina de Turing em que umº bit tem o valor 0 ou 1 um bit quântico (ou qbit) pode ter ao mesmo tempo os valores 0 e 1!

É esta a fonte de poder da computação quântica: o facto de os qbit poderem existir em estado de sobreposição faz que se possam comportar como vários processadores em paralelo. Por exemplo, suponhamos que queremos testar uma propriedade para todos os inteiros menores do que 2^N. Classicamente representando esses números por N bits testamos a propriedade para cada um deles separadamente, repetindo o teste 2^N vezes. Mas quanticamente N qbits podem existir em todos os 2^N estados simultaneamente. Assim podemos testar a propriedade para todos os 2^N  números de uma única vez.

Agora se percebe porque o algoritmo de Shor levantou tanto furor. É tão difícil factorizar um inteiro que este facto é usado para encriptar as mensagens   em código(estão na base dos códigos dos nossos cartões multibanco, por exemplo).Mas Shor encontrou o algoritmo quântico para o factorizar e adeus segurança! Claro que os militares logo avançaram com milhões de dólares logo que ouviram falar no teorema de Shor. E ainda há quem afirme que a matemática nada tem a ver com a realidade! O que é a realidade? Mas isso será assunto para futuros post, e eu não me quero afastar do assunto…

Mas neste momento a tecnologia da computação quântica ainda está no seu ínicio: só existem neste momento computadores quânticos com 1 qbit. O desafio está em construir sistemas quânticos com vários qbits. Neste momento dois grupos, um do MIT e outro de Oxford, estão construir computadores com dois ou três qbits. E para factorizar o inteiro 15 serão necessários pelo menos dez qbits…

E só para se ter uma ideia do poder da computação quântica avanço este número que retirei da revista Scientific American: com um computador quântico com cerca de 50 qbits  factorizar um número de 400 algarismos demoraria cerca de 1 ano, em comparação o supercomputador mais rápido para executar a mesma tarefa levaria um tempo superior à idade do universo! 

(Nova) Explosão solar

O Sol volta a acordar...Voltou a lançar toneladas da sua massa coronal para  o espaço (Ejecção de Massa Coronal). Como sabem, segundo os astrónomos, o Sol tem ciclos ( 11 anos) de maior e menor actividade. E neste momento estamos a aproximarmos-nos da actividade máxima cujo pico está previsto para 2013 (entre Junho e Julho segundo prevêem  os astrónomos).

Esta semana verificou-se a mais forte erupção solar dos últimos cinco anos. A última foi a de 23 de Janeiro (recordam-se?).Vejam a foto:

Contudo só os países mais a norte sentirão as consequências dessa tempestade geomagnética ao nível das comunicações por satélite , distribuição de electricidade e os sistemas GPS. Mas serão recompensados com magníficas auroras boreais...

A fotografia recolhida pela SOHO  da mais recente explosão solar está aqui:

http://sohowww.nascom.nasa.gov/pickoftheweek/C3_X5_flare.jpg

.

Anti-matéria

Hoje, 7 de Março, a revista Nature descreveu um novo avanço obtido pelos físicos do CERN no sentido de compreender melhor a antimatéria. Concretamente trata-se do anti-Hidrogénio.

O que é a antimatéria?

Como é indicado pelo próprio nome é o "oposto" da matéria.E tem esta espectacular propriedade: se um pedaço de matéria colidir com outro pedaço de matéria ambos desaparecem simplesmente. Suponhamos que eu, matéria, dou um aperto de mão a um amigo meu feito de antimatéria.No instante em que apertamos as mãos aniquilamos-nos imediatamente, resultando num flash intenso de luz.As pessoas em redor deixarão de me ver instantaneamente para serem iluminadas apenas pela luz que resultou dessa aniquilação.

Como se descobriu essa anti-matéria?

Foi uma equação que a descobriu! A teoria precedeu a observação. Com efeito o grande físico Paulo Dirac quanto tentava perceber o comportamento do electrão com velocidades próximas da luz, foi conduzido à equação que leva o seu nome- Equação de Dirac. No início não quis acreditar nos resultados do seu cálculo matemático.Mas sentiu-se obrigado a aceitá-la unicamente bela beleza contida na sua equação.E viu confirmado a predição da sua teoria  4 anos depois por Carl Anderson.

E onde anda essa antimatéria? Anda por aí, mas apenas na forma de anti-partículas infinitesimais: anti-electrões, anti-protões, na radiação cósmica...Não são conhecidos anti-planetas, nem anti-estrelas. Porquê? Mistério.Assunto da investigação actual.

No entanto o   CERN  em 1995 conseguiu produzir 9 anti-átomos de  anti- hidrogénio.Em 2002 novas experiências conseguiram já produzir uma grande quantidade de anti-hidrogénio.

E hoje físicos da colaboração ALPHA do CERN relatam na revista Nature as primeiras medidas do especto do anti-hidrogénio.Fazendo incidir radiação de microondas nos anti-hidrogénio conseguiram libertá-los da sua prisão magnética, e aqueles, ao saírem,colidiram inevitavelmente com a matéria deixando um padrão característico nos detectores. Com esta experiência esperam no futuro serem capazes de manipular os átomos de anti-hidrogénio.

Master Class 2012

Neste link

estão amostras de dados  recolhidos em 2010 pelo detector ATLAS.
http://kjende.web.cern.ch/kjende/pt/zpath_teilchenid3.htm
As MasteerClass irão usar estes dados para a identificação das partículas elementares.
Quem tiver dúvidas é favor de as colocar na caixa de comentários que será imediatamente respondido.

Um novo estado de matéria- O Condensado Bose-Einstein

Consideremos um gás de bosões (partículas de spin = 1), por exemplo fotões. Mas para o condensado Bose-Einstein vamos considerar átomos. E aproveito para explicar a razão destes dois nomes estarem associados.

Bose  ( físico indiano ,1894-197) enviou um artigo a Einstein sobre a lei de Planck (a tal lei que descreve a irradiação de luz por um corpo negro), mas ao contrário deste não fez qualquer referência à eletrodinâmica clássica e  usando apenas argumentos estatísticos obteve a distribuição de fotões do corpo negro.

Einstein não se limitou a receber e reenviar o artigo de Bose para publicação. Ele próprio se pôs a trabalhar sobre o assunto (de onde resultou a célebre estatística Bose-Einstein).

E Einstein fez uma observação decisiva: se o número de bosões for conservado como acontece com os átomos (ao contrário do número de  fotões que não se conserva) o sistema de bosões independentes exibe uma transição de fase a baixas temperaturas (tal como a água líquida sobre uma transição de fase a 0ºC).

Em que consiste esta transição de fase?

Para isso precisamos de saber que na natureza as partículas se dividem em duas categorias:

1-      Partículas “individualistas”- fermiões, spin semi-inteiro (1 estado é ocupado exclusivamente por 1 partícula- nada de partilhas!)

2-      Partículas “sociáveis” – bosões, spin inteiro ( 1 estado pode ser ocupado por muitas partículas, ou mesmo todas- “na minha casa  cabe toda a gente!)

E é agora que o post começa…

Imaginemos o gás de bosões como bolinhas chocando entre si e contra as paredes do  recipiente que os contenha. A energia do gás é  tão elevada que nos podemos esquecer que a energia está quantizada(a energia está sempre quantizada à semelhança do espectro do átomo de Hidrogénio- é a grande, enorme, fundamental descoberta da Mecânica Quântica), pois a sua energia térmica é muito superior à diferença de energia entre dois estados de energia consecutiva (  energia térmica = constante Boltzman x temperatura absoluta). A energia está distribuída por todas as partículas do gás- as com menor velocidade com menor energia.

Quando a temperatura desce abaixo de um valor crítico não existem estados de energia suficientes para distribuir por todas as partículas ( de acordo com a distribuição clássica) . Mas se as partículas são bosões não há problema: vão todas para o estado fundamental! No limite termodinâmico, isto é, para um conjunto de muitas partículas, o sistema transita para um novo estado de forma brusca- e temos um novo estado de matéria, o Condensado Bose - Einstein . Os átomos perdem a sua individualidade e o sistema comporta-se como um superátomo! Imaginem 500 000 átomos de sódio comportando-se apenas como um átomo só! ( uma equipa do MIT conseguiu esta proeza em 1995, mas o condensado só se “aguentou” durante 9 segundos…).

Uma propriedade muito interessante dos condensados Bose-Einstein é a sua superfluidez ou escoamento sem atrito.

E no ano 2000 uma equipa de Harvard conseguiu algo “engraçado”:  criou um condensado no interior do qual a luz se desloca a….1,5km/h/ (isto sucede devido à enorme descontinuidade do índice de refração da luz quando penetra no condensado) A minha filha desloca-se mais depressa do que a luz!!

E para terminar porque o post já vai longo (e muitíssima coisa omiti): Einstein não acreditava que o seu condensado pudesse ser observado….Mesmo a mente do visionário Einstein era tão limitada que não acreditava nas surpresas e maravilhas sempre escondidas que a mãe- Natureza encerra!