Religião é Veneno

Turbulência no superfluido

26/8/2009

Por Fábio de Castro

Agência FAPESP – Um estudo realizado por cientistas da Universidade de São Paulo (USP) e da Universidade de Florença (Itália) demonstrou que o fenômeno da turbulência ocorre também no condensado de Bose-Einstein – uma fase da matéria formada por átomos em temperaturas próximas do zero absoluto e que permite a observação de efeitos quânticos em escala macroscópica.

De acordo com os autores, a descoberta abre uma nova janela para a investigação dos fenômenos de turbulência – um dos principais desafios da física contemporânea – e para o estudo de superfluidos.

O estudo foi publicado no periódico Physical Review Letters, um dos principais na área. Em editorial, a revista destacou a relevância do trabalho, afirmando que os autores “apresentaram uma elegante e eficiente técnica” para produzir turbulências em um sistema de átomos em temperaturas ultrafrias.

Segundo o autor principal do estudo, Vanderlei Salvador Bagnato, do Instituto de Física de São Carlos (IFSC), da USP, até agora os fenômenos de turbulência eram estudados em modelos de hélio líquido a baixíssimas temperaturas. No entanto, nesses modelos, a formação de vórtices não pode ser observada a olho nu.

“A vantagem é que no condensado de Bose-Einstein podemos observar esses fenômenos diretamente. Sabendo que a turbulência quântica está associada a qualquer superfluido quântico – e não apenas ao hélio líquido – temos novos caminhos de investigação à disposição”, disse à Agência FAPESP.

O grupo, liderado por Bagnato, está ligado ao Centro de Óptica e Fotônica (Cepof) de São Carlos – um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) da FAPESP, coordenado pelo pesquisador.

Turbulências são fenômenos que ocorrem em fluidos – líquidos e gases –, geralmente submetidos a movimentos completamente desordenados, conhecidos como vórtices. “Quando um fluido apresenta muitos vórtices em movimento completamente desordenado, caracteriza-se a turbulência. Trata-se de um fenômeno muito difícil de ser estudado e, atualmente, é uma das principais fronteiras do conhecimento na física”, explicou Bagnato.

A Sociedade Norte-Americana de Física (APS, na sigla em inglês) encara o entendimento desses fenômenos como um dos grandes desafios da física moderna. Segundo Bagnato, a turbulência vem sendo estudada há vários anos, especialmente com o uso de um fluido especial: o hélio líquido.

“É um dos chamados superfluidos, nos quais a mecânica quântica predomina. Nesse sistema, os vórtices estão muito bem comportados, ao contrário do que ocorre com um líquido comum. Esses superfluidos, que escoam sem esforço, são fundamentais para o estudo dos fenômenos de turbulência”, explicou o também coordenador do Instituto Nacional de Óptica e Fotônica.

Até agora, no entanto, o hélio líquido era o único sistema quântico à disposição para análise dos fenômenos de turbulência. “Aprendeu-se muito, mas ainda há um longo caminho pela frente, porque não é possível observar a olho nu a turbulência no hélio líquido, como observamos a turbulência em uma xícara de café, por exemplo”, disse.

De Einstein ao Nobel

Em 1995, surgiu um novo superfluido: o condensado de Bose-Einstein. A existência desse estado da matéria foi prevista por Albert Einstein em 1925, a partir do trabalho de Satyendra Nath Bose, como consequência teórica da mecânica quântica. Mas apenas 70 anos depois, na Universidade do Colorado (Estados Unidos), Eric Cornell e Carl Wieman produziram pela primeira vez o condensado – recebendo, por conta disso, o Prêmio Nobel da Física, em 2001.

“Esse condensado se transforma em um superfluido quando é submetido a uma temperatura próxima do zero absoluto. A questão era saber se nesse sistema também há possibilidade de existência do fenômeno da turbulência”, explicou Bagnato.

“A questão da turbulência nos superfluidos líquidos é uma área de pesquisa muito ativa. Sabíamos que seria importante identificar outros superfluidos que permitissem fazer esse estudo, porque essa nova opção criaria situações alternativas de investigação”, disse.

De acordo com o cientista, no caso do hélio líquido é preciso diminuir a temperatura do fluido ainda mais do que na produção do condensado de Bose-Einstein: a 80 nanokelvin – ou seja, 80 bilionésimos acima do zero absoluto.

“É muito mais fácil produzir o Bose-Einstein, que é menos denso e apresenta vórtices maiores, sendo também um fluido quântico. Agora verificamos que a turbulência ocorre também no condensado, onde podemos observar esses fenômenos a olho nu. Poderemos estudar coisas que seriam de realização impossível com o hélio líquido”, afirmou.

Os experimentos são feitos em armadilhas de átomos com resfriamento a laser, dentro da chamada condensação de Bose-Einstein. O condensado não existe naturalmente no Universo e, por isso, é preciso produzi-lo em laboratório.

“Atualmente estamos programando um experimento com o objetivo de observar, em grau mais detalhado, fatos relevantes, como, por exemplo, quanto tempo a turbulência demora para desaparecer do fluido quântico e quais são suas consequências”, disse Bagnato.

O artigo Emergence of turbulence in an oscillating Bose-Einstein condensate , de Vanderlei Salvador Bagnato e outros, pode ser lido por assinantes da Physical Review Letters em http://prl.aps.org.

Ainda não foi desta vez
Novos dados não têm evidência de ondas gravitacionais, mas ajudam a entender evolução do universo


Representação artística de ondas gravitacionais formadas na colisão de duas anãs brancas (arte: Nasa).
Há mais de 40 anos astrônomos do mundo todo buscam sinais das chamadas ondas gravitacionais – flutuações do espaço-tempo previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein que seriam causadas por objetos cósmicos densos e acelerados, como buracos negros.

Uma das principais iniciativas criadas para detectá-las divulgou esta semana os resultados de suas mais recentes tentativas. As ondas gravitacionais ainda não foram detectadas diretamente, mas os cientistas têm o que comemorar.

Os dados foram gerados pelo Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser – ou Ligo, na sigla em inglês. Os detectores do Ligo ficam situados em dois pontos dos Estados Unidos e estão em atividade desde 2002. Os resultados de sua busca foram publicados esta semana na revista Nature, em um artigo assinado por mais de 600 cientistas.

Para o leigo, o resultado pode soar como um fracasso, mas a avaliação do cosmólogo Vuk Mandic, pesquisador da Universidade de Minnesota (EUA) e um dos coordenadores do estudo, é bem diferente. Segundo ele, as observações ajudam a entender a evolução do universo nos segundos seguintes à sua origem.

“Mesmo a não detecção das ondas gravitacionais nos permite aprender algo sobre o universo”, explica Mandic em entrevista à CH On-line. “Em outras palavras, o resultado de nossas pesquisas nos diz o que o universo não é.”

Revendo os modelos
O cosmólogo se refere a modelos do universo que precisarão ser revistos em função desses resultados. Os novos dados permitiram aos cientistas descartar a posibilidade de haver ondas que teriam uma fração de energia em relação à energia total do universo acima do novo limite estabelecido pelo Ligo na frequência que seus aparelhos detectam.

No entanto, será preciso redefinir modelos que previam ondas gravitacionais de grande amplitude, como o das supercordas. Acreditava-se que essas estruturas previstas em algumas teorias produziriam grandes quantidades de ondas gravitacionais perceptíveis na frequência varrida pelos interferômetros do Ligo. Como não foram detectadas essas ondas, mesmo que existam as supercordas, agora se sabe que elas devem ser diferentes do que se postulava até aqui. “Nossos resultados delimitam os parâmetros e valores referentes às supercordas”, resume Mandic. “Se esses objetos existem, seus parâmetros têm que ser mudados para se adaptar às medições que fizemos.”

Vista aérea das instalações do observatório Ligo em Hanford, no estado de Washington, nos Estados Unidos (foto: Ligo Laboratory).
Os novos dados ainda não permitem determinar qual dos três modelos mais aceitos para a evolução do universo (se o da inflação – ou do Big Bang –, o das cordas cósmicas ou o do “sem Big Bang”) é o mais condizente com as observações.

“Ainda não é possível descartar nenhuma dessas principais teorias sobre o universo, pois elas têm frações de energia da total abaixo daquela que o Ligo estabelece para aquelas frequências“, explica o astrofísico brasileiro Odylio Aguiar, do lnstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), que não participou do estudo.

Mas os pesquisadores esperam que isso seja possível já em 2014. Para isso, eles contam com o Advanced Ligo, projeto de 205 milhões de dólares para aperfeiçoar os interferômetros desse observatório. Os novos detectores serão dez vezes mais sensíveis em amplitude que os atuais. “Com esses detectores poderemos aprender sobre como era o universo no momento em que as primeiras ondas gravitacionais foram produzidas”, acredita Mandic.

Brasil também está na corrida
O Brasil também está inserido no cenário de busca pelas ondas gravitacionais e possui o detector Mario Schenberg, em fase de aperfeiçoamento na Universidade de São Paulo (USP). Diferentemente dos aparelhos do Ligo, que operaram em bandas largas de frequência, o brasileiro é um detector esférico, do tipo massa ressonante, e opera em bandas mais estreitas.

Segundo Odylio Aguiar, que trabalha no desenvolvimento desse observatório, o detector brasileiro possui uma importante vantagem sobre o americano: é capaz de identificar a direção das ondas gravitacionais. Isso permite conhecer que objeto gerou a onda. “Nosso detector é mais sofisticado que o do Ligo porque separa melhor o que pode ser sinal do que é ruído”, explica. “Ainda não temos condições de contribuir com dados científicos, mas acredito que antes de 2014 ele já esteja funcionando a pleno vapor”, prevê.


Sofia Moutinho
Ciência Hoje On-line
19/08/2009

Não tem nada na Bíblia sobre vórtices, Bose-Einstein ou nanokelvin. Logo, isto tudo aí se refere ao perispírito e ao ectoplasma, coisas que os "cientistas kardecistas" brasileiros já dominam há séculos.

Parece uma pomba gira gaúcha, que horror!