Novo Estado da Matéria- O Mais Quente e o Mais Frio Fluido do Mundo

No mês anterior os físicos do CERN  da experiência ALICE fizeram colidir um feixe de protões com velocidade próxima da velocidade da luz  com outro de iões de chumbo com a mesma velocidade (imaginem o núcleo de chumbo despido dos seus 82 electrões), e o resultado dessa super-energética colisão foi um novo estado da matéria: o plasma quark-gluão.
Às três fases vulgares da matéria há que acrescentar agora este quarto estado.
Esse novo estado estado de plasma não é tão invulgar como poderia parecer à primeira vista:existe  numa corriqueira lâmpada de néon. Uma intensidade de corrente muita intensa consegue despir o néon dos seus electrões, e no interior do tubo circulam os iões e os electrões incapazes de se recombinarem em virtude em virtude de estarem "muito energéticos" ( com a energia fornecida pelo campo eléctrico externo).
Do mesmo modo a energia alcançada pelo LHC (relembro, 7 TeV) permite que os fragmentos-os quarks e os gluões- da colisão protão-ião estejam num estado livre numa espécie de novo fluido simultaneamente muito quente porque as colisões são muito energéticas e muito frio porque como todos sabem as experiências do CERN são efectuadas a muito baixas temperaturas.
O que é verdadeiramente espectacular é que, apesar de livres, os gluões e os quarks têm um incrível comportamento colectivo! Esse comportamento colectivo exprime-se na ausência de viscosidade (lembrem -se do Hélio-4) e se tentarmos conter  esse novo estado da matéria- o plasma quark-gluão-num recipiente este "sobe" parede acima, foge  da sua prisão....
Segundo parece este novo estado da matéria surge apenas nestas colisões protão-ião ou ião-ião devido à colossal quantidade de energia envolvida numa tão pequeno volume ( que correponde ao tamanho de um núcleo atómico)

Novo Planeta que orbita 4 sóis

Os caçadores de planetas que se agrupam no site http://www.planethunters.org/ descobriram através do método da variação do brilho um novo planeta com a massa de 100 vezes a massa do nosso planeta.
O curioso é que este novo planeta orbita em torno de  4 sóis!
Bem na verdade existe um hierarquia entre essas estrelas que garante a estabilidade do sistema.Duas dessas estrelas estão próximas uma da outra e formam um binário; as outras duas estrelas formam o outro binário. Assim temos um binário de estrelas orbitando um outro binário, mas o novo planeta baptizado de
PH1 sente  apenas a infuência  de um destes binários, que "vê" como um objecto único. As leis de Kepler continuam a ser válidas em primeira aproximação.
Esta descoberta resulta do trabalho voluntário de membros do  website Planet Hunters  que estudam curvas de luz retirados das amostras de 160 000 estrelas.
Para quem quiser dar uma vista de olhos ao artigo que anuncia a descoberta:
http://arxiv.org/abs/1210.3612

Prémio Nobel da Física 2012

A importância do  trabalho dos físicos Serge Haroche (francês) e David Wineland (norte americano) que mereceram a atenção do comité Nobel é tanto de ordem prática (tecnológica) como de ordem teórica. Ambos estão intimamente relacionados, e deles falarei com algum pormenor.

O físico francês fez uma “caixa” (tecnicamente, “cavidade QED”) que contêm radiação no domínio do micro-ondas, e tornou-se no mais famoso  “domador” de fotões.  Ele conseguiu esta proeza com espelhos que reflectem milhões de vezes a radiação contida na caixa antes de ser absorvida pelas paredes ou “decair”.

O físico americano também construiu uma caixa não para a radiação micro-ondas mas para iões e incidindo luz laser sobre os pobres iões prisioneiros  arrefeceu-os por este método, impedindo-os de escapar da ratoeira, e deste modo as suas propriedades podiam ser investigadas mais facilmente na ausência de movimento térmico. , Os iões mantêm-se separados pela sua repulsão electrostática, a uma distância de pelo menos 2  exp -5) m.

Qual a razão de se manterem prisioneiros fotões e iões?

Aqui entra a teoria, mais exactamente a mecânica quântica (MQ). O que os dois laureados nobel pretendiam era simplesmente implementar experimentalmente o famoso princípio da sobreposição.

O princípio da sobreposição apesar de fundamental para a  MQ é um dos princípios mais controversos e incompreendidos. Schrodinger inventou uma pequena história para ilustrar o referido princípio.

Imaginemos o interior de uma caixa fechada, e um gato (não um ião ou fotão…) nele contido. Alguém dispara para o seu interior e o nosso senso comum pensará: o pobre gato está vivo OU morto. Erro! Segundo o princípio da sobreposição o gato está simultaneamente vivo E morto. Esta é a essência do princípio da sobreposição.

Se o estado do gato morto for denotado por |0> e gato vivo por |1> o princípio  da sobreposição permite-nos escrever:

                                          Estado do gato = |0>  + |1>

Vamos dar um salto e pensar nos computadores. O estado do sistema pode ser descrito por ligado = 1 ou desligado = 0, e temos 1 bit de informação. O estado do sistema pode ser descrito como

                                              |0> + |1> = 1 qbit

Esta é a essência do computador quântico: 1 qbit representa que o estado do sistema pode estar simultaneamente nos estados |1> E |0>, e voltamos à era dos computadores analógicos ( agora baptizados de computadores quânticos por razões óbvias) mas agora com uma velocidade exponencialmente superior à dos actuais computadores digitais.

Há outra propriedade fundamental da MQ que se incorpora nos computadores quânticos – o “entanglement of states” ou estados emaranhados (detesto essa tradução, mas é a que existe…) - mas como o texto já vai longo prometo outro post para escrever sobre essa realidade tão fundamental e maravilhosa.

Voltando aos laureados. Com os seus trabalhos de alta precisão conseguem manipular sistemas atómicos de forma a criar estados de sobreposição para os futuros computadores quânticos ( para os mais entusiastas estamos a pouco mais de 5 anos dessa nova geração de computadores.

Outra curiosidade: estes trabalhos já permitiram a construção de um relógio atómico de mais alta precisão, com tal precisão que se esse relógio estivesse a funcionar desde o Big- Bang ( aproximadamente 14 mil milhões) o seu desvio da hora não seria mais de 5 segundos. Espantoso!

Mas para mim o mais espantoso é de ordem teórica.

Era uma crença arreigada dos pais fundadores da MQ (Bohr, Heisenberg, Scrodinger) que era impossível estudar sistemas atómicos individuais.  Mas agora existem iões isolados em caixas especiais!!!

E mesmo para terminar: estas experiências que mereceram o Nobel foram incomparavelmente mais baratas que as experiências da CERN !!

E assim avança a Ciência.

De Novo o Bosão de Higgs…e as Dimensões Extra

Como já me referi num post anterior a sensacional descoberta do bosão de Higgs não é o final de uma emocionante e dispendiosa história mas o começo de outra não menos emocionante, apenas mais barata porque poderá ter um final feliz na mesma máquina que o descobriu, o LHC.

Porque razão o Higgs é  tão“levezinho” (recordo valor da sua massa encontrado pelos físicos do CERN, 126 Gev)? Esta pergunta não é tão fútil como poderá parecer à primeira vista. No domínio das altas energias as partículas obedecem à mecânica quântica (MQ), e uma (outra!) consequência inevitável desta é a existência de partículas virtuais, espécie de partículas-fantasmas que devem a sua existência ao princípio de incerteza de Heisenberg: num curtíssimo intervalo de tempo a MQ permite a violação do princípio da conservação de energia e, “aproveitando-se” dessa “brecha” chegam à existência novas partículas, mas só enquanto dura aquela violação ao princípio sagrado da conservação de energia, depois voltam à não-existência – daí o seu nome, partículas virtuais. Mas enquanto duram comportam-se como vulgares partículas, e um dos seus efeitos (devastador!) é contribuir para a massa do Higgs. Somando todas as contribuição das partículas virtuais o seu “verdadeiro” valor teria que ser 10^19 GeV e não esses misérrimos 126 GeV descobertos no LHC. Este problema é tão fundamental que foi baptizado como o problema da hierarquia.

Neste momento existem três soluções teóricas que procuram responder ao  problema da hierarquia e que competem entre si: 1- Uma teoria chamada technicolor; 2- A teoria supersimétrica; 3-Dimensões extra (de grandes dimensões). É esta última o objecto deste post. Para isso é necessário reformular o problema da hierarquia:

Porque razão a gravidade é uma força tão pequena, desprezável mesmo, quando comparada com a força electromagnética, a força fraca e a força forte?

A pergunta acima não é absolutamente rigorosa. Na verdade a débil força gravítica pode rivalizar com o Sansão da Física, a força forte, quando as massas das partículas são comparáveis a uma grandeza que se chama massa de Planck, que é da ordem de 10^19 GeV. Mas infelizmente no nosso mundo as partículas são “magrinhas”, veja-se  a massa do famoso Higgs: 126 GeV!!!!!!!Que desprezível.

Mas…talvez a gravidade seja mesmo uma força muito intensa mas apenas em…universos com dimensão extra! E exiba uma intensidade tão fraca apenas no nosso universo com 3 dimensões espaciais (e uma dimensão temporal), pois a sua intensidade está distribuída pelas outras dimensões espaciais que apesar de não serem minúsculas são indetectáveis.  

Como poderemos saber que existem? Graças ao LHC, esperam alguns teóricos. A energia da gravidade extra dimensional está ao alcance da energia alcançada pelo LHC- 14 TeV. Da colisão dos protões poderá resultar um novo par de partículas, as partículas KK (KK é uma abreviatura dos dois primeiros físicos,Kaluza e Klein que conceberam novas dimensões para além do Universo de Einstein a 4 dimensões,4D) , que são uma manifestação do gravitão extradimensional (a partícula que transporta a força gravítica no universo multidimensional)  no nosso pobre mundo 3D. E como as identificamos? Pela a energia e o momento linear em falta (é a maneira como se detecta o neutrino).

Resumindo, a interacção gravítica apenas parece fraca no nosso universo, pois em dimensões extra é um autêntico Sansão! Que as partículas KK surjam da fornalha do LHC! E expliquem o mistério do problema da hierarquia!

3,4...n-dimensões

Há dois mil anos, para os Gregos, o Universo tinha 3 dimensões, com base nos sentidos e nos princípios da geometria: comprimento, largura e altura.Estes 3 atributos, de acordo com Euclides, correspondem ao que hoje designamos como dimensão.
O Homem é um ser insatisfeito, e era inevitável que especulasse sobre a existência de uma 4ª dimensão.Henry Moore (filósofo inglês, séc. XVII)foi ao ponto de afirmar que os fantasmas existem e são habitantes da 4ª dimensão...


A abordagem da geometria cartesiana  diferia da euclidiana. As dimensões de um corpo estão correlacionadas com o número de coordenadas necessárias  para a sua descrição, como todos sabemos.Mas o simples facto de  mudar de perspectiva permitiu-lhe, com toda a naturalidade, alargar o número de dimensões para a descrição de um objecto. Contudo essa ideia era tão contra intuitiva que o próprio Descartes a rejeitou como irrealista! A geometria analítica era encarada por todos matemáticos, fisícos e filósofos do seu tempo, unicamente como um mero instrumento matemático, melhor apenas  porque nos libertava das limitações dos sentidos, e não como uma uma porta aberta para a existência de um universo mais rico e multidimensional.


No século XIX Riemann provou matematicamente que ao lado da geometria de Euclides havia outras que se referiam a espaços de qualquer número de dimensões, desde zero ao infinito.Desde então o mundo tridimensional descrito por Euclides passou a ser tido como apenas uma das muitas possibilidades igualmente lógicas.


Riemman foi ainda mais longe: a dimensão matemática não necessita apenas de se referir a espaços sensíveis.Pode referir-se a espaços meramente conceptuais- seja as reservas de mercado ou o conjunto de todas as rotações. A estes espaços que se libertaram definitivamente das limitações impostas pelos nossos sentidos, deu Riemman o nome de variedades.



Einstein foi mais longe com o mundo de 4-dimensões da Relatividade Restrita: não necessitamos apenas de mais um 4º número ( uma 4ª dimensão) para descrever um acontecimento, o tempo;este , de certo modo, comporta-se como espaço, quando se muda de referencial. O tempo não é algo de fundamentalmente diferente do espaço, pois quando se muda para outro referencial transforma-se "um bocadinho" em espaço, como se pode ler nas equações das transformações de Lorentz. O espaço e  o tempo não estão rigidamente separados. O que existe é o espaço-tempo doravante. Usando a nova linguagem- a linguagem de Riemman- o espaço-tempo é uma variedade


a 4-dimensões. Existirão outras variedades muldimensionais? Variedades a 10- dimensões como estipulam as teorias das cordas? O LHC conseguirá descobrir esssas variedades a 10-dimensões? A pergunta está em aberto...


Com Riemman e Einstein o fim do século XIX e princípios do século XX assistiu a uma enorme excitação com a descoberta ( ou melhor, a possibilidade de existência) de novas dimensões. Por exemplo, os pintores encontraram uma base teórica para se libertarem da perspectiva renascentista que procurava a representação do que via no olho do artista. Como todos sabemos esta perpectiva dominou a pintura durante cinco séculos. A solução encontrada pelo cubismo foi tentar pintar o objecto não como ele é e vê mas  introduzir diferentes pontos de vista seus na tela.