Nobel de Física: Clima e Sistemas Complexos

O prêmio Nobel de Física de 2021 foi concedido para pesquisa de sistemas complexos, especialmente para predição do aquecimento global.

© Johan Jarnestad (ilustração da influência climática na Terra)

A Academia Real das Ciências da Suécia anunciou os ganhadores Syukuro Manabe, da Universidade de Princeton, EUA, Klaus Hasselmann, do Instituto Max Planck para Meteorologia, Alemanha, e Giorgio Parisi, da Universidade de Roma, Itália.

Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann estabeleceram a base de nosso conhecimento sobre o clima da Terra e como a humanidade o influencia. Giorgio Parisi é recompensado por suas contribuições revolucionárias à teoria de materiais desordenados e processos aleatórios. 

Os sistemas complexos são caracterizados pela aleatoriedade e desordem e são difíceis de entender. O prêmio deste ano reconhece novos métodos para descrevê-los e prever seu comportamento a longo prazo. Um sistema complexo de vital importância para a humanidade é o clima da Terra. 

Syukuro Manabe demonstrou como o aumento dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera leva ao aumento da temperatura na superfície da Terra. Na década de 1960, ele liderou o desenvolvimento de modelos físicos do clima da Terra e foi a primeira pessoa a explorar a interação entre o balanço de radiação e o transporte vertical de massas de ar. Seu trabalho lançou as bases para o desenvolvimento dos modelos climáticos atuais. 

Cerca de dez anos depois, Klaus Hasselmann criou um modelo que liga o tempo e o clima, demonstrando que os modelos climáticos podem ser confiáveis apesar do tempo ser mutável e caótico. Ele também desenvolveu métodos para identificar sinais específicos, impressões digitais, que os fenômenos naturais e as atividades humanas imprimem no clima. Seus métodos têm sido usados para provar que o aumento da temperatura na atmosfera é devido às emissões humanas de dióxido de carbono.

Duzentos anos atrás, o físico francês Joseph Fourier estudou o equilíbrio de energia entre a radiação do Sol em direção ao solo e a radiação emanada do solo. Ele entendeu a função da atmosfera neste equilíbrio; na superfície da Terra, a radiação solar incidente é transformada em radiação de corpo negro que é absorvida pela atmosfera, aquecendo-a. A atmosfera bloqueia esta radiação, caracterizando o efeito estufa. Este nome vem de sua semelhança com o vidro numa estufa, que permitem passar os raios solares, mas retêm o calor no interior, gerando aquecimento. 

No entanto, os processos radioativos na atmosfera são muito mais complicados. A tarefa é investigar o equilíbrio entre a radiação solar de onda curta vinda em direção ao nosso planeta e a radiação infravermelha de onda longa emitida da Terra. Os detalhes foram acrescentados por muitos cientistas do clima nos dois séculos seguintes. Os modelos climáticos contemporâneos são ferramentas incrivelmente poderosas, não só para compreender o clima, mas também para entender o aquecimento global pelo qual os humanos são responsáveis. Estes modelos são baseados nas leis da física e propriedades estatísticas, que foram desenvolvidos para prever o tempo, que é descrito por quantidades meteorológicas, como temperatura, precipitação, vento ou nuvens, e é afetado pelo que acontece nos oceanos e no solo. 

Os estudos modernos de sistemas complexos estão enraizados na mecânica estatística desenvolvida na segunda metade do século 19 por James C. Maxwell, Ludwig Boltzmann e J. Willard Gibbs, que nomeou este campo em 1884. A mecânica estatística evoluiu a partir de um novo tipo de método necessário para descrever sistemas, como gases ou líquidos, que consistem em um grande número de partículas. Este método teve que considerar os movimentos aleatórios das partículas, então a ideia básica era calcular o efeito médio das partículas em vez de estudar cada partícula individualmente. Por exemplo, a temperatura em um gás é uma medida do valor médio da energia das partículas do gás. 

A mecânica estatística fornece uma explicação microscópica para propriedades macroscópicas em gases e líquidos, como temperatura e pressão. As partículas em um gás podem ser consideradas como pequenas bolas se deslocando em velocidades que aumentam com a temperatura. Quando a temperatura cai ou a pressão aumenta, as bolas primeiro se condensam em um líquido e então em um sólido, que geralmente é um cristal. No entanto, se esta mudança acontecer rapidamente, as bolas podem formar um padrão irregular que não mude mesmo se o líquido for resfriado ou comprimido. Se o experimento for repetido, as bolas assumirão um novo padrão, apesar da mudança acontecer exatamente da mesma maneira. Por que os resultados são diferentes?

Por volta de 1980, Giorgio Parisi descobriu padrões ocultos em materiais complexos desordenados. Suas descobertas estão entre as contribuições mais importantes para a teoria dos sistemas complexos, da interação entre desordens e flutuações em sistemas físicos, de escalas atômicas até planetárias. Eles tornam possível compreender e descrever muitos materiais e fenômenos diferentes e aparentemente inteiramente aleatórios, não apenas na física, mas também em outras áreas muito diferentes, como matemática, biologia, neurociência e aprendizado de máquina. 

“As descobertas reconhecidas este ano demonstram que o nosso conhecimento sobre o clima assenta numa base científica sólida, baseada numa análise rigorosa das observações. Todos os laureados deste ano contribuíram para que obtivéssemos uma visão mais profunda das propriedades e da evolução de sistemas físicos complexos”, disse Thors Hans Hansson, presidente do Comitê Nobel de Física.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

Incorporando flutuações quânticas na entropia

A termodinâmica clássica nasceu, na primeira metade do século XIX, no rastro da revolução industrial, voltada para a otimização de máquinas e focada no cálculo de grandezas como trabalho útil, energia dissipada e eficiência.

© Revista Física (entrelaçamento quântico)

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia mecânica pode ser completamente convertida em energia térmica, mas a energia térmica não pode ser completamente convertida em energia mecânica. Dessa assimetria, que impõe um sentido aos processos materiais e por decorrência escoaria rumo a configurações de energia cada vez menos organizadas, surgiu o conceito de entropia com o físico alemão Rudolf Clausius, que se refere à parcela do calor que não pode mais ser transformada em trabalho, e, portanto, ao grau de irreversibilidade do sistema.

É possível estender os conceitos macroscópicos da termodinâmica à escala atômica ou subatômica? O que mudaria se fosse construído um motor com um único átomo? Como as leis termodinâmicas seriam afetadas pela mecânica quântica? Estas foram as cogitações que nortearam o estudo dos pesquisadores brasileiros Jader Pereira dos Santos (Universidade Federal do ABC), Gabriel Teixeira Landi (Universidade de São Paulo) e Mauro Paternostro (Queen’s University Belfast, Reino Unido). 

A aproximação da termodinâmica com a mecânica quântica é bem recente, algo das últimas décadas, quando se tornou possível exercer um controle muito fino na manipulação de átomos e, literalmente, construir motores em escala atômica. Apesar do estudo tratar de questões de física fundamental, de conhecimento puro, é possível visualizar diversas aplicações em sistemas microscópicos, como nanodispositivos, computação, criptografia e comunicação quânticas.

Os pesquisadores focalizaram especificamente na produção de entropia, isto é, da medida da irreversibilidade, em contextos quânticos, para a qual não havia, antes, uma teoria bem estabelecida. Existiam teorias muito boas para medir a irreversibilidade no contexto clássico, isto é, na escala macroscópica. Mas não existiam teorias que permitissem medir quão irreversível era um processo quântico. As teorias anteriores, propostas com tal objetivo, apresentavam várias lacunas, várias incompletudes. Isso se devia, basicamente, ao fato de terem sido concebidas para sistemas clássicos e não para sistemas quânticos.

Sabe-se, conforme a primeira lei da termodinâmica, que a energia de um sistema fechado é conservada. Mas, conforme a segunda lei da termodinâmica, a entropia tende sempre a aumentar. Isso porque a irreversibilidade faz com que, a cada transformação, a energia se reconfigure de forma menos organizada. Pode-se falar em degradação da energia e definir entropia como a medida desse aumento espontâneo da desordem.

O objetivo dos pesquisadores, com seu estudo puramente teórico, foi incorporar as contribuições quânticas ao processo. A ideia é que todo sistema apresenta, simultaneamente, dois tipos de flutuações: as flutuações térmicas, que advêm da agitação exterior das partículas, e as flutuações quânticas, que são um fenômeno intrínseco. Em altos patamares de energia, como aqueles obtidos em laboratório nos colisores de partículas, as flutuações quânticas são responsáveis pela criação e aniquilamento de pares de partículas e antipartículas. Mas tais flutuações ocorrem também em baixos patamares de energia, e, idealmente, até mesmo no zero absoluto. Nos processos macroscópicos, as flutuações térmicas são em geral mais importantes. Porém há situações em que as flutuações quânticas predominam e contribuem de forma mais significativa para a entropia.

A termodinâmica clássica trabalhou exclusivamente com as flutuações térmicas. Mas na escala atômica e subatômica, onde a física quântica se torna necessária para a descrição dos fenômenos, a desordem decorrente das flutuações quânticas precisa ser considerada e computada. Segundo a mecânica quântica, mesmo que um sistema se encontre em um estado ideal no qual não exista qualquer agitação térmica, ou seja, um estado definido como zero absoluto, ainda assim ele apresentará uma tendência implícita à desordem devido a flutuações quânticas, associadas ao Princípio da Incerteza, de Werner Heisenberg.

Segundo o Princípio da Incerteza, variáveis complementares, como por exemplo a posição e o momento linear, não podem ser determinadas de forma precisa ao mesmo tempo. A incerteza manifesta-se, por exemplo, na dualidade partícula-onda. Devido ao comportamento ondulatório, o objeto não pode ser perfeitamente localizado no espaço. E apresenta-se ao observador como que esparramado, podendo flutuar entre várias posições possíveis.

O Prêmio Nobel de Física de 1963, Eugene Wigner, apresentou uma interpretação probabilística da mecânica quântica. A chamada função de Wigner considera tanto as flutuações térmicas quanto as flutuações quânticas. Trabalhando com a função de Wigner, os pesquisadores conseguiram reformular a teoria de irreversibilidade, de modo a incorporar as flutuações quânticas ao conceito de entropia. Eles definiram a entropia como a desordem associada à distribuição estatística descrita pela função de Wigner. A partir dessa definição, a construção de uma nova teoria e sua aplicação a sistemas quânticos seguiu naturalmente.

A grande novidade foi que os resultados obtidos podem ser aplicados mesmo em sistemas a zero kelvin. Até o estudo em pauta, não havia repertório teórico capaz de explicar o efeito das flutuações quânticas no aumento da entropia no zero absoluto. Embora a temperatura zero nunca seja alcançada na prática, pode haver situações, inclusive em laboratório, de temperaturas suficientemente baixas, da ordem de alguns kelvins, nas quais as flutuações quânticas se tornem mais importantes do que as flutuações térmicas. Em sistemas de óptica quântica, envolvendo lasers, até mesmo em temperatura ambiente as flutuações quânticas podem ser dominantes.

O estudo possibilitará aplicações em comunicação, por meio de luz. A ideia é usar o conceito de irreversibilidade para quantificar perdas em processos de comunicação por fibra óptica. Além da perda de energia, existe também a perda de coerência da luz. O formalismo utilizado é capaz de dar conta de todos esses tipos de perda.

Outro foco de interesse é a propriedade do emaranhamento. O processo de emaranhamento ocorre quando pares ou grupos de partículas são gerados ou interagem de tal maneira que o estado quântico de cada partícula não pode mais ser descrito independentemente, já que depende do conjunto. A manutenção do emaranhamento é essencial para a computação quântica. Mas a interação do sistema com o ambiente produz perda de emaranhamento.

Fonte: Physical Review Letters

Um demônio de Maxwell autônomo

Em 1867, o físico escocês James Clerk Maxwell desafiou a segunda lei da termodinâmica, segundo a qual a entropia em um sistema fechado sempre deve aumentar.

© J. Koski (demônio de Maxwell autônomo)

Na ilustração acima, quando o demônio vê o elétron entrar na ilha (1), ele o aprisiona com uma carga positiva (2). Quando o elétron deixa a ilha (3), o demônio solta uma carga negativa (4).

Em seu experimento mental, Maxwell idealizou um recipiente fechado com gás, dividido em duas partes por uma parede interna, na qual existe uma pequena porta.

Abrindo e fechando a porta, uma criatura hipotética, que passou à história com o nome de "Demônio de Maxwell", poderia ordenar as partículas do gás, passando a lentas e frias para um lado e dirigindo as rápidas e quentes para o outro lado da parede, criando assim, uma diferença de temperatura que violaria as leis da termodinâmica.

No plano teórico, este experimento mental tem sido objeto de análises, interpretações e controvérsias nesses últimos 150 anos, mas testar experimentalmente a ideia vinha sendo impossível até há pouco tempo.

Então, em 2007, uma equipe escocesa finalmente construiu uma nanomáquina equivalente ao Demônio de Maxwell. Mas a controvérsia continuou, porque este experimento ainda dependia de um atuador externo, deixando a entropia total seguir seu caminho previsto e a segunda lei da termodinâmica intacta.

Agora, Jonne Koski da Universidade de Aalto, na Finlândia, através da pesquisa que faz parte de sua tese de doutorado, conseguiu construir um demônio de Maxwell autônomo, capaz de executar o experimento idealizado por Maxwell por conta própria e sem qualquer ajuda externa, permitindo analisar alterações microscópicas envolvendo a termodinâmica.

O sistema é constituído por dois transistores que separam os elétrons em termos de suas energias, efetivamente retirando energia de um dos transistores, que então se resfria, num processo adiabático.

"O sistema que construímos é um transístor de elétron único formado por uma pequena ilha metálica ligada a dois fios por junções túnel feitas de materiais supercondutores. O demônio ligado ao sistema também é um transístor de elétron único que monitora o movimento dos elétrons no sistema. Quando um elétron tunela para a ilha, o demônio o aprisiona com uma carga positiva. Inversamente, quando um elétron deixa a ilha, o demônio o repele com uma carga negativa e o força a se mover morro acima, contrariamente ao seu potencial, o que reduz a temperatura do sistema," explicou o professor Jukka Pekola.

O que torna este demônio autônomo é que ele executa a operação de medição e atuação sem qualquer comando ou energia vindos do exterior. As alterações de temperatura são indicativas da correlação entre o demônio e o sistema, ou, em termos simples, de quanto o demônio "sabe" sobre o sistema.

O sistema é operado em temperaturas extremamente baixas, e é tão bem isolado que é possível registrar mudanças extremamente pequenas de temperatura.

Um demônio eletrônico também permite um número muito grande de repetições da operação de medição e retorno em um tempo muito curto, enquanto que aqueles que, no resto do mundo, usnado moléculas para construir seus demônios teve de lidar com não mais do que algumas centenas de repetições.

O demônio de Maxwell poderá ter aplicações no resfriamento de chips e qubits e também na computação reversível, um conceito que prevê uma computação na qual o processo de cálculo pode ser revertido sem perda de energia.

"Como trabalhamos com circuitos supercondutores, também é possível para nós criar qubits de computadores quânticos. Como próximo passo, gostaríamos de examinar esses mesmos fenômenos em nível quântico," revela o professor Pekola.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Physical Review Letters.

Fonte: Aalto University

Desordem irreversível no mundo dos átomos

Físicos brasileiros e europeus demonstraram, pela primeira vez, que um minúsculo núcleo atômico também sofre um fenômeno comum, bem conhecido dos seres humanos: os efeitos irreversíveis da passagem do tempo.

© Revista Física (entropia da quebra de um copo)

Usando equipamentos de um laboratório no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, eles registraram um aumento irreversível no grau de desordem no interior de um átomo do elemento químico carbono.

Em física, o grau de desordem é medido por uma grandeza chamada entropia, que quase sempre é crescente nos fenômenos do mundo macroscópico, no máximo ela se mantém estável, mas nunca diminui em um sistema dito isolado. Uma das consequências de a entropia sempre aumentar é que, quanto maior a desordem, mais difícil se torna reverter um fenômeno perfeitamente. “Não é possível desfazer a mistura entre o café e o leite depois de misturá-los, por exemplo”, diz o físico Roberto Serra, pesquisador da Universidade Federal do ABC (UFABC) e integrante da equipe que fez os experimentos no CBPF.

Isso acontece porque o café e o leite, e tudo o mais no mundo macroscópico, são feitos de quantidades absurdamente elevadas de átomos se movimentando das maneiras as mais variadas possíveis, a maioria delas aleatórias e incontroláveis. Ante número tão elevado de combinações possíveis, até existe a probabilidade de os átomos de café se separarem dos de leite, mas ela é próxima a zero. É também por isso que não se veem os pedaços de uma taça de vinho que se parte voltarem a se unir espontaneamente.

No dia a dia, os seres humanos associam a irreversibilidade desses fenômenos à passagem do tempo e às noções de passado e futuro. Em condições normais, café e leite só existem separados antes de se misturarem e um prato perfeitamente íntegro só existe antes de se quebrar. A noção de irreversibilidade levou o astrônomo e matemático inglês Arthur Eddington a afirmar em 1928, no livro A natureza do mundo físico, que a única seta do tempo conhecida pela física era o aumento da entropia no Universo, determinado pela segunda lei da termodinâmica, a única lei irreversível da física. O conceito de seta do tempo expressa a ideia de que a passagem do tempo ocorre num sentido preferencial: do passado para o futuro.

“Embora a percepção de que o tempo não para e caminha sempre para o futuro seja óbvia em nossa experiência cotidiana, isso não é trivial do ponto de vista da física”, diz Serra. Essa dificuldade ocorre porque as leis que regem a natureza no nível microscópico são simétricas no tempo, ou seja, reversíveis. Isso significa que não haveria diferença entre ir do passado para o futuro e vice-versa.

Muitos físicos pensavam que o aumento da entropia pudesse ser um fenômeno exclusivo do mundo macroscópico porque no século XIX o físico austríaco  Ludwig Boltzmann explicou a segunda lei da termodinâmica pelos movimentos de um número elevado de átomos. Há 60 anos, porém, muitos pesquisadores trabalham para ampliar a teoria de Boltzmann para sistemas feitos de poucos ou mesmo um só átomo. E teorias atuais já estabelecem que uma única partícula deve obedecer à segunda lei da termodinâmica.

A equipe de Serra foi a primeira a medir variações de entropia em um sistema tão pequeno que só podia ser descrito pelas leis da mecânica quântica, que regem o mundo submicroscópico. O físico Tiago Batalhão, aluno de doutorado de Serra na UFABC e atualmente em um estágio de pesquisa na Áustria, realiza desde 2014 experimentos em parceria com Alexandre Souza, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, do CBPF, além de Mauro Paternostro, da Queen’s University, na Irlanda, e Eric Lutz, da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha.

Os experimentos usam campos eletromagnéticos para manipular os núcleos de átomos de carbono de uma solução de clorofórmio. Os núcleos possuem uma propriedade chamada spin, que funciona como a agulha de uma bússola e aponta para cima ou para baixo, cada sentido com uma energia diferente. Os testes começavam com os spins dos trilhões de núcleos apontando em alguma direção, a maioria para cima e uma fração para baixo, dependendo da temperatura. Em seguida, disparava-se um pulso de ondas de rádio no tubo com clorofórmio. Com duração de um microssegundo, o pulso era curto demais para que cada núcleo interagisse com os vizinhos ou o ambiente. Assim, o pulso afetava cada núcleo isoladamente. “É como se cada um deles estivesse isolado do resto do Universo”, explica Serra.

Formado por ondas cuja amplitude aumentava no tempo, o primeiro pulso perturbava os spins de cada núcleo, que flutuavam rapidamente e mudavam de direção. Após algum tempo, os pesquisadores disparavam um segundo pulso, idêntico ao primeiro em quase tudo, exceto pelo fato de a amplitude de suas ondas decrescer com o tempo. Com o segundo pulso, que representava uma versão do primeiro pulso invertida no tempo, esperava-se fazer o spin de cada núcleo retornar ao estado inicial. De fato, os spins retornaram a um estado bem próximo ao do início. Mas, medidas precisas mostraram que os estados final e inicial não eram iguais. Havia uma discrepância decorrente das transições entre os diferentes estados de energia dos spins, associadas à entropia produzida no processo de aumentar e diminuir a amplitude das ondas.

Vlatko Vedral, físico da Universidade de Oxford, Reino Unido, que faz experimentos semelhantes usando laser, considera o trabalho uma bela demonstração do que a termodinâmica quântica prevê. Ele diz que gostaria de saber se a entropia medida na escala subatômica é produzida por fenômenos descritos pelas leis da física ou se uma parte decorre de algum fenômeno desconhecido atuando sobre  a seta do tempo.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: FAPESP (Pesquisa)

Cristais quadrados de gelo

Quando a água está confinada em alta pressão entre folhas de grafeno suas moléculas adotam uma configuração quadrada.

© Universidade de Ulm (cristais de gelo entre folhas de grafeno)

A imagem mostra uma bolsa de gelo entre duas folhas de grafeno visto em um microscópio eletrônico de transmissão. As manchas escuras de alto contraste são átomos de oxigênio que indicam posições de moléculas de água. Os átomos de hidrogênio deu muito pouco contraste fornecendo baixa resolução.

Uma equipe de físicos da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, da Universidade de Manchester, Reino Unido, e da Universidade de Ulm, na Alemanha observaram esta configuração quadrada.
Em nosso cotidiano, estamos familiarizados com água em suas formas líquidas mais comum, de gelo e de vapor.

Os pesquisadores também analisaram a água sob condições mais extremas, incluindo com pressões elevadas, onde ela pode existir no estado sólido mesmo à temperatura ambiente.

Os cristais de gelo nas formas tetraédricas lindamente simétricas podem ser vistos em flocos de neve e na superfície de lagos congelados. Essas geometrias podem persistir em situações de pressões muito elevadas, mesmo que a estrutura subjacente sofre mudanças de fase tanto sutis e dramáticas com variação da pressão. Isso certamente se aplica à água sem restrições.

Quando confinado entre outros materiais, no entanto, o comportamento de água é influenciada por interações com superfícies de materiais nucleares.

Em um novo estudo realizado pelo Dr. Gerardo Algara-Siller da Universidade de Ulm, e seus colegas, uma monocamada grafeno foi primeiro depositada sobre uma grelha de microscópio eletrônico de transmissão, e em seguida exposta a uma gota de água e coberta com uma outra camada de grafeno.

Grande parte da água foi espremida para fora do sanduíche de grafeno pela força de van der Waals. O restante foi preso em bolsas com menos de um milionésimo de metro de diâmetro.

"Nós não sabíamos a princípio o que estávamos vendo, e apenas em discussão com os nossos colegas de Manchester foi concebida a ideia de gelo quadrado", disse o Prof. Ute Kaiser, da Universidade de Ulm, um co-autor do estudo.

Este estudo pode melhorar a nossa compreensão do transporte de água através de canais em escala nanométrica em membranas naturais e artificiais.

Os resultados foram publicados na revista Nature.

Fonte: Universitäten Ulm

Máquinas de spins

Uma equipe coordenada pelo físico Roberto Serra, da Universidade Federal do ABC (UFABC), determinou quanta energia um núcleo atômico pode ganhar ou perder quando é atingido por um pulso de ondas de rádio.

© Cornell University/LASSP (spins)

A maioria dos pesquisadores estava convencida de que o comportamento do núcleo seria imprevisível. Jamais se conheceriam as probabilidades de o núcleo absorver energia das ondas, tornando-se mais quente, ou de esfriar ao transmitir parte de sua energia para elas.

As novas experiências feitas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, demonstram que essa troca de energia obedece a leis da física nunca antes testadas no mundo subatômico. Essas leis podem ajudar a entender melhor reações químicas como a fotossíntese das plantas e a determinar quanta energia os computadores quânticos usarão para funcionar. “Esse é o primeiro experimento de uma nova área da física, a termodinâmica quântica”, diz Serra.

Computadores quânticos prometem usar as leis da mecânica quântica para superar exponencialmente o poder de cálculo dos computadores convencionais. Mas quanta energia esse novo tipo de computação gastará na prática? Quanto calor essas máquinas produzirão ao funcionar? Vão precisar de refrigeração? Responder a essas questões é um dos objetivos da termodinâmica quântica.

Perguntas semelhantes pairavam no ar durante a Revolução Industrial, no século XIX. Qual o mínimo de carvão que os fornos precisariam consumir e a que temperatura as caldeiras deveriam chegar para que as máquinas a vapor alcançassem sua eficiência máxima? Os cientistas da época perceberam que tanto o calor quanto a capacidade das máquinas de trabalharem são formas diferentes de uma mesma quantidade física, a energia, que nunca é criada a partir do nada nem destruída, apenas transformada. Ao investigar a conversão de uma forma de energia em outra, eles descobriram as leis da termodinâmica clássica.

De acordo com essas leis, a energia flui espontaneamente de um volume com temperatura quente para outro mais frio. E uma máquina, mesmo que ideal, só pode converter parte da energia disponível na forma de calor em energia capaz de realizar movimentos mecânicos, isto é, realizar o que se conhece em física como trabalho. “A termodinâmica impõe limites a qualquer tecnologia”, diz Serra.

Os engenheiros vitorianos resolveram seus problemas, mas à custa de um pequeno truque. Seus cálculos só funcionavam quando se considerava que as máquinas estavam isoladas termicamente do resto do mundo, trocando pouco calor com o ambiente. Era preciso ainda que esses processos fossem lentos. Mas essas aproximações não servem na maioria das situações que ocorrem na natureza, em muitas reações químicas, por exemplo. Quando é impossível isolar termicamente um objeto de seu ambiente por muito tempo, a temperatura aumenta e diminui de maneira aparentemente imprevisível, ao contrário do que ocorre nos sistemas isolados, onde tudo tende ao equilíbrio.

Foi apenas em 1997 que o físico-químico Christopher Jarzynski descobriu uma expressão matemática capaz de calcular as variações de energia e de trabalho mecânico que acontecem fora do equilíbrio. “A equação de Jarzynski e outros teoremas de flutuação permitem que os químicos meçam em laboratório a variação de energia de uma molécula antes e depois de uma reação”, explica Serra.

O próprio Jarzynski, em colaboração com uma equipe da Califórnia, confirmou sua equação em 2005, observando o trabalho mecânico de uma molécula de RNA esticada e comprimida como uma mola. Serra nota entretanto que, apesar de microscópico, o movimento da molécula de RNA era grande o suficiente para poder ser calculado usando a famosa fórmula derivada das leis da mecânica de Newton: “Trabalho é igual força vezes deslocamento”.

As equações da termodinâmica, seja dentro ou fora do equilíbrio, foram deduzidas usando a mecânica de Newton. Mas as leis de Newton perdem sentido para vários processos que acontecem nas moléculas e para todos os que ocorrem no interior dos átomos por não ser possível medir forças e deslocamentos com precisão. Nessas escalas valem outras leis, as da mecânica quântica. Serra queria saber se equações como a de Jarzinsky ainda valeriam nesse mundo subatômico. Esse conhecimento ajudaria a entender reações químicas como a fotossíntese. Na fotossíntese, moléculas nas células das folhas funcionam como máquinas quânticas que absorvem energia das partículas de luz e a armazenam na forma de moléculas de açúcar. “O processo é muito eficiente, quase não gera calor”, diz Serra. “Estudos sugerem que é um processo quântico.”

Serra, seus alunos e colegas na UFABC tentavam havia algum tempo estudar a termodinâmica quântica em laboratório, junto com a equipe dos físicos Alexandre Souza, Ruben Auccauise, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, que trabalham com a técnica de ressonância magnética nuclear no CBPF. Os dois grupos mantêm uma parceria que já rendeu várias descobertas.

No centro do equipamento no laboratório do CBPF fica um pequeno tubo de ensaio contendo uma solução puríssima de clorofórmio diluído em água. Cada uma dos cerca de 1 trilhão de moléculas de clorofórmio da solução possui um átomo de carbono-13. O núcleo desse tipo de carbono tem uma propriedade quântica chamada spin, que lembra um pouco a agulha de uma bússola magnética e pode ser representada por uma seta. Sob um forte campo magnético paralelo ao tubo, apontando de baixo para cima, as setas desses spins tendem a se alinhar com o campo, metade delas apontando para baixo e metade para cima. O campo magnético também faz com que os spins apontando para baixo tenham mais energia que os spins voltados para cima.

© UFABC/Roberto Serra (infográfico da máquina quântica)

Os físicos manipulam os spins por meio de campos eletromagnéticos, que oscilam com uma frequência de 125 MHz (megahertz); o equipamento precisa ser isolado para não captar as estações de rádio FM que transmitem nessa frequência. Essas manipulações são feitas por meio de pulsos de onda e não duram mais que alguns microssegundos. O experimento acontece tão rapidamente que é como se, por alguns instantes, cada átomo de carbono no tubo de ensaio estivesse isolado do resto do Universo, submetido a uma temperatura muito próxima do zero absoluto (-273º Celsius). Os pesquisadores conseguem diminuir ou aumentar a diferença de energia entre os spins para baixo e para cima quando reduzem ou aumentam a amplitude de suas ondas de rádio. Quando essa mudança de amplitude é muito rápida, os spins saem de seu isolamento térmico e começam tanto a absorver energia das ondas de rádio – situação em que as ondas realizam trabalho sobre os spins – quanto a transmitir parte de sua energia para as ondas, realizando trabalho sobre elas. “Isso é muito difícil de medir, pois os spins dos carbonos podem trocar energia de quatro maneiras diferentes, todas acontecendo ao mesmo tempo, de maneira probabilística”, explica Serra. “Conheci um grupo na Alemanha que tentou fazer esse mesmo experimento por cinco anos sem sucesso.”

O que impediu o sucesso do grupo alemão, segundo Serra, foi o fato de os físicos tentarem medir diretamente quantas vezes a energia era emitida ou absorvida pelos spins. “O erro acumulado nessas medidas era tão grande que no fim não conseguiam determinar nada”, explica.

A solução chegou mais cedo para Serra, em fevereiro de 2013, quando o físico Mauro Paternostro, da Queen’s University, em Belfast, Irlanda, apresentou um seminário na UFABC sobre propostas inéditas de se observar o trabalho produzido por partículas de luz de maneira indireta. Logo Paternostro, atualmente professor visitante na UFABC, e Laura Mazzola, sua colega em Belfast, começaram a discutir com Serra, Auccauise e o estudante de doutorado na UFABC Tiago Batalhão como adaptar essas técnicas para observar o trabalho dos spins de carbono indiretamente. Com John Good, da Universidade de Oxford, Inglaterra, a equipe descobriu um modo esperto de usar os spins dos núcleos de hidrogênio das moléculas de clorofórmio para espiar o que acontece com os spins dos átomos de carbono enquanto realizam trabalho, sem interferir no processo.

A precisão do experimento foi suficiente para registrar variações de temperatura nos spins de carbono da ordem de bilionésimos de graus e verificar que a equação de Jarzinsky vale na escala subatômica. Outro resultado interessante: os spins de carbono possuem uma tendência maior de extrair energia das ondas de rádio quando a amplitude do pulso de onda é reduzida. A tendência se inverte quando a amplitude de onda é aumentada: os spins tendem a transferir energia para as ondas, ou seja, fazer trabalho sobre as ondas.

“Podemos explorar essa diferença para criar uma máquina térmica quântica”, diz Serra. A máquina funcionaria alternando pulsos de amplitude reduzida e aumentada entre dois estados de equilíbrio térmico, cada um com uma temperatura diferente. A máquina funcionaria de maneira parecida com a de um motor a combustão, que realiza trabalho mecânico com parte da energia química transformada em calor com a explosão do combustível.

A máquina de spins teria pouca utilidade: o trabalho produzido forneceria uma energia ínfima para as ondas de rádio, apenas suficiente para mexer o spin de um núcleo atômico qualquer. Serra está mais interessado em medir quanta energia ela gasta e quanto calor ela dissipa durante seu funcionamento.

“A técnica aplicada nesse experimento tem grande potencial”, diz o físico Lucas Céleri, da Universidade Federal de Goiás, que planeja observar a termodinâmica de uma única partícula de luz em parceria com os físicos Paulo Souto Ribeiro e Stephen Walborn, da Universidade Federal do Rio de Janeiro. “Avanços experimentais são muito raros na termodinâmica quântica, devido à necessidade de controlar o sistema quântico e seu isolamento do ambiente.”

Fonte: FAPESP (Pesquisa)

Radiação do corpo negro atrativa

Os corpos negros são objetos não refletores perfeitos, que produzem radiação constante quando estão a uma temperatura uniforme.

© APS (interação entre um átomo e um corpo negro)

Assim, as propriedades de um corpo negro depende da temperatura em que este se encontra, sendo a energia da radiação de corpo negro proporcional à quarta potência da temperatura, e agora esta radiação teria um efeito repulsivo. Por intermédio de num novo artigo, foi demonstrado teoricamente que a radiação de um corpo negro induz uma segunda força nos átomos e moléculas que estão na sua vizinhança que é atrativa e mais forte do que a repulsiva, a pressão da radiação. Consequentemente, os átomos e moléculas são puxados para a superfície do corpo negro por uma uma força que poderá ser superior à da gravidade. A nova força atrativa, apelidada de “força do corpo negro”, sugere que uma variedade de cenários astrofísicos sejam revisitados.

Os cientistas verificaram aspectos interessantes na sua formulação. Primeiro, essa força decai com a terceira potência da distância ao corpo negro (F ∝ 1/r³). Segundo, a força é mais forte para objetos pequenos. Terceiro, a força é mais forte para os objetos mais quentes, até certo ponto. Acima de alguns milhares de graus Kelvin, a força de atração muda para repulsão.

Neste estudo, foi demonstrado que a força do corpo negro num grão de poeira, a uma temperatura de 100 K, é muito mais forte do que a atração gravitacional sobre este grão. No entanto, para uma estrela massiva, a uma temperatura de 6.000 K, a força do corpo negro é muito mais fraca do que a força gravitacional.

Os resultados também poderiam ter aplicações experimentais, como os efeitos de superfícies quentes microestruturadas em câmaras de vácuo. No entanto, a força do corpo negro atraente vai ser difícil de medir porque será muito débil em condições de laboratório normais.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Phys.Org

Lei de Planck violada em nanoescala

Em uma nova experiência, uma fibra de sílica com 500 nm através de ter sido demonstrado que não obedecem à lei de Planck da radiação.

© Christian Wuttke (esquema do experimento)

Em vez disso, dizem os físicos austríacos Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel que realizaram o trabalho, a fibra aquece e resfria de acordo com uma teoria mais geral, que considera a radiação térmica como um fenômeno fundamentalmente granel. O trabalho pode levar a mais eficientes lâmpadas incandescentes e poderia melhorar a nossa compreensão da mudança climática da Terra, afirmam os pesquisadores.
A pedra angular da termodinâmica, a lei de Planck descreve como a densidade de energia em comprimentos de onda diferentes da radiação electromagnética emitida por um "corpo negro" varia de acordo com a temperatura do corpo. Foi formulado pelo físico alemão Max Planck, no início do século 20 utilizando o conceito de quantização de energia que foi de ir e servir como base para a mecânica quântica. Enquanto um corpo negro é um objeto, idealizada perfeitamente emitindo e absorvendo, a lei prevê previsões muito precisas para os espectros de radiação de objetos reais uma vez aquelas propriedades dos objetos de superfície, tais como cor e rugosidade, são levados em conta.
No entanto, os físicos já sabiam há décadas que a lei não se aplica a objetos com dimensões menores que o comprimento de onda da radiação térmica. Planck assumido que toda a radiação atingindo um corpo negro será absorvida na superfície do referido corpo, o que implica que a superfície é também um emissor perfeito. Mas, se o objeto não é grossa o suficiente, a radiação pode sair do outro lado do objeto em vez de ser absorvido, o que por sua vez reduz sua emissão.

Através da medição do tempo entre ressonâncias, os investigadores descobriram que a fibra ser de aquecimento e arrefecimento muito mais lentamente do que o previsto pela lei de Stefan-Boltzmann. Esta lei é uma conseqüência da lei de Planck e define como a potência total irradiada por um objeto está relacionada com a sua temperatura. Em vez disso, eles encontraram a taxa observada para ser um jogo muito próximo do previsto pela teoria conhecida como fluctuational eletrodinâmica, que leva em conta não apenas as propriedades de um corpo de superfície, mas também o seu tamanho e forma mais seu comprimento de absorção característica.

A pesquisa também pode melhorar a compreensão de como pequenas partículas na atmosfera, tais como os produzidos pela erosão do solo, a combustão ou erupções vulcânicas, contribuem para as alterações climáticas. Tais partículas pode esfriar a Terra, refletindo a radiação solar, ou aquecer a Terra, absorvendo a radiação térmica do nosso planeta, devido aos gases do efeito estufa.

Fonte: Physics World

Gerador piroelétrico

Um fenômeno observado pela primeira vez por um filósofo grego, há 2.300 anos, está se tornando a base para um novo dispositivo que pretende nada menos do que aproveitar o calor desperdiçado hoje.

© Nano Letters (nanofios de óxido de zinco)

Zhong Lin Wang e seus colegas da Universidade de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, indagam que mais de 50% da energia gerada a cada ano vai para o lixo.

Em sua maior parte, ela é desperdiçada no ambiente na forma de calor, por computadores, carros, linhas de transmissão de longa distância, e uma infinidade de outros "vazamentos de energia".

Para tentar capturar esse calor, e reconvertê-lo em eletricidade, eles projetaram um gerador piroelétrico, que tem potencial para ser colocado ao lado dos dispositivos que aquecem quando funcionam, transformando esse calor em eletricidade.

O calor pode ser convertido em eletricidade aproveitando o chamado efeito piroelétrico, descrito pela primeira vez pelo filósofo grego Teofrasto, em 314 AC.

Teofrasto percebeu que a turmalina, quando aquecida, produzia eletricidade estática, atraindo pedaços de palha.

O aquecimento e o resfriamento rearranjam a estrutura molecular de certos materiais, incluindo a turmalina, criando um desequilíbrio de elétrons, gerando uma corrente elétrica.

A conversão termoelétrica geralmente é feita explorando o efeito Seebeck, mas os cientistas argumentam que o efeito piroelétrico é mais eficiente em ambientes onde a temperatura é espacialmente uniforme, sem gradientes térmicos.

Como provavelmente não seria economicamente viável usar a turmalina, os pesquisadores construíram seu gerador piroelétrico usando nanofios de óxido de zinco.

Fabricado com técnicas usadas pela indústria eletrônica, o gerador piroelétrico é pequeno, e produz correntes com potências na faixa dos microwatts.

Para demonstrar que todo o seu entusiasmo com a tecnologia pode ter um apelo prático, os pesquisadores terão antes que demonstrar a possibilidade de fabricar o gerador piroelétrico em uma estrutura flexível, que possa ser colada nos equipamentos que desperdiçam calor.

Por enquanto, o dispositivo pode se enquadrar como um nanogerador, capaz de realizar acúmulo de energia.

Fonte: Nano Letters

Gelo pode ficar fluido abaixo de -130°C

Quando a água é resfriada abaixo de zero grau, ela cristaliza, formando gelo, em condições normais de temperatura e pressão.

© Revista Física (água no estado sólido e líquido)

O físico sueco Ove Andersson, da Universidade de Umea, afirma ter conseguido pela primeira vez produzir uma água que flui lentamente a 130 graus abaixo de zero. Ele fez o experimento submetendo a água congelada a uma pressão 10.000 vezes maior do que a pressão atmosférica normal.

"A descoberta é também interessante na medida que nos ajuda a compreender as muitas propriedades anormais da água. Por exemplo, foi previsto que a água teria duas diferentes fases líquidas em baixas temperaturas. A descoberta confirma a existência de uma dessas duas fases," explica Andersson.

Recentemente foi descoberta uma nova fase quântica da água, mas essas "propriedades anormais" a que o pesquisador se refere estão longe de serem totalmente compreendidas.

O experimento foi feito expondo gelo cristalino comum, no qual os átomos estão dispostos de forma ordenada, a pressões crescentes em temperaturas abaixo de -130ºC.

A ordem das moléculas colapsou e o gelo se transformou em gelo amorfo, com uma disposição aleatória das moléculas de água.

"Quando eu então elevei a temperatura, o gelo transformou-se em água de fluidez lenta. Essa água é como a água comum, mas sua densidade é 35 por cento maior, e as moléculas de água se movem relativamente devagar, ou seja, a viscosidade é alta," explica o pesquisador.

A água tem algumas propriedades anômalas, como por exemplo, na água congelada, cuja temperatura está abaixo de zero, sua densidade diminui quando a temperatura decresce e aumenta quando a temperatura se eleva.

"Há desvios que são conhecidos há muitos anos, e eles são muito importantes. Contudo, não há nenhuma explicação geral para eles, mas a resposta pode estar na forma como as propriedades da água são afetadas quando ela é exposta a altas pressões," defende Andersson.

Teorias preveem que a água exista em duas diferentes fases líquidas, uma com baixa densidade e outra com alta densidade, com a transição entre as fases ocorrendo a baixas temperaturas e altas pressões.

Quando a água esfria e se aproxima dessa zona de transição, pode haver uma transformação gradual que afeta as propriedades da água.

Infelizmente, esta transformação é difícil de estudar, pois a água normalmente cristaliza. Uma forma alternativa de estudar essa zona é primeiro criar o gelo amorfo.

As novas descobertas mostram que o gelo amorfo provavelmente se converte em água de alta viscosidade quando é aquecido sob alta pressão.

É possível que essa água fria e de fluidez lenta exista em corpos celestes de grande massa.

Fonte: ScienceDaily

Temperaturas abaixo do zero absoluto podem ser alcançadas?

O zero absoluto é um limite inviolável para além do qual é impossível explorar. De fato, há um reino estranho de temperaturas negativas, que não só existe na teoria, mas também se mostrou acessível na prática, e poderia revelar novos estados da matéria.

© NewScientist (temperaturas absolutas negativas)

A temperatura é definida pela forma como a adição ou a remoção de energia afeta a quantidade de desordem, ou entropia, em um sistema.

Para os sistemas nas temperaturas positivas com as quais estamos acostumados, o acréscimo de energia aumenta a desordem: aquecer um cristal de gelo vai fazer com que ele se derreta em um líquido mais desordenado, por exemplo.

Continue a remover energia e você vai chegar cada vez mais perto do zero na escala absoluta, ou escala Kelvin, que é -273,15 °C, onde a energia do sistema e a entropia estarão no mínimo.

Sistemas de temperatura negativa, entendidas como abaixo do zero absoluto, têm comportamento oposto: acrescentar energia reduz sua desordem e, portanto, sua temperatura.

Mas eles não são frios no sentido convencional de que o calor irá fluir para eles a partir de sistemas com temperaturas positivas.

Na verdade, os sistemas com temperaturas absolutas negativas têm mais átomos em estados de alta energia do que é possível mesmo nas mais elevadas temperaturas na escala das "absolutas positivas".

Assim, o calor deve sempre fluir deles para os sistemas acima de zero Kelvin.

Criar sistemas de temperatura negativa para estudar as propriedades desse mundo bizarro, contudo, pode ser complicado.

Não dá para criá-los de maneira suave e contínua, sempre baixando a temperatura, já que não será possível romper a barreira do zero absoluto da maneira usual.

Mas é possível saltar sobre essa barreira, passando diretamente de uma determinada temperatura absoluta positiva (acima do zero absoluto) para uma temperatura absoluta negativa (abaixo do zero absoluto).

Isso já foi feito em experimentos nos quais núcleos atômicos foram colocados em um campo magnético, sob o qual eles agem como minúsculos ímãs, alinhando-se com o campo.

Quando o campo é subitamente revertido, os núcleos ficam momentaneamente alinhados na direção oposta àquela que corresponde ao seu menor estado de energia.

Na fração de tempo em que permanecem nesse estado fugaz, eles se comportam de forma coerente com a de um sistema com temperaturas absolutas negativas. Logo após eles se viram e se realinham com o campo.

© Physical Review Letters (entropia em função da energia)

Como os núcleos só podem alternar entre dois estados possíveis, paralelo ao campo ou oposto a ele, este sistema oferece poucas possibilidades para investigação.

Em 2005, Allard Mosk, atualmente na Universidade de Twente, na Holanda, idealizou um experimento que poderia oferecer mais possibilidades de estudos do regime de temperaturas negativas.

Primeiro, lasers são usados para agrupar os átomos até formar uma bola muito coesa, que estaria em um estado altamente ordenado, ou de baixa entropia.

Outros lasers são então disparados sobre a bola de átomos para criar uma matriz de luz, a chamada grade óptica, que circundaria a bola de átomos com uma série de "poços" de baixa energia. O primeiro conjunto de lasers é então reajustado de modo que eles passam a tentar desconstruir a bola de átomos. Isso deixa os átomos em um estado instável, como se estivessem equilibrados no pico de uma montanha, prestes a rolar ladeira abaixo. A grade óptica funciona como uma série de fendas ao longo da montanha, travando a "descida" dos átomos montanha abaixo.

Neste estado, remover parte da energia potencial dos átomos, levando-os a rolar e se distanciar uns dos outros, levaria a uma maior desordem, a exata definição de um sistema de temperaturas absolutas negativas.

Agora a ideia de Mosk foi refinada por Achim Rosch e seus colegas da Universidade de Colônia, na Alemanha.

A nova proposta de experimento é essencialmente a mesma, mas os cálculos de Rosch e sua equipe dão mais fundamento à ideia, sustentando que ela é realmente factível.

O grande avanço, contudo, é que eles sugerem uma maneira de testar se o experimento realmente produzirá temperaturas negativas absolutas.

Como os átomos no estado de temperaturas negativas têm energias relativamente altas, eles deverão se mover mais rapidamente quando liberados da armadilha do que ocorrerá com uma nuvem de átomos com temperatura positiva.

Este é um território desconhecido, nunca antes explorado, com grande potencial para revelar surpresas.

Fonte: NewScientist e Physical Review Letters