terça-feira, 12 de agosto de 2014

Assistindo a morte do gato de Schrödinger

Um dos famosos exemplos da estranheza da mecânica quântica é o paradoxo do gato de Schrödinger.

o gato de Schrödinger

© Revista Física (o gato de Schrödinger)

O gato de Schrödinger é um experimento mental, em que um gato é posto em uma caixa onde um frasco de veneno pode ser aberto pelo estado de uma partícula quântica. Se você colocar um gato dentro de uma caixa opaca e fazer a sua vida dependente de um evento aleatório, quando é que o gato morrerá? Quando eventos ocorrerem ao acaso, ou quando você abrir a caixa?

Embora o senso comum sugere que na mecânica quântica a interpretação de "Copenhagen" enunciada pelo físico dinamarquês Niels Bohr em 1920, diz que é o último. Alguém tem que observar o resultado antes que se torne definitiva. Até então, paradoxalmente, o gato está vivo e morto ao mesmo tempo.

Uma equipe de físicos das universidades de Rochester, Berkeley e Washington, pela primeira vez mostrou que, de fato, é possível acompanhar através de todo o processo, se o gato vive ou morre no final.

O paradoxo do gato de Schrödinger é uma questão crítica em computadores quânticos, onde a entrada é um emaranhado de estados, como a vida e morta embaralhada do gato, ainda a resposta para saber se o animal está vivo ou morto tem de ser definida.

"Para Bohr e outros, o processo foi instantâneo, quando você abriu a caixa, o sistema entrou em colapso emaranhado em um estado clássico definido. Este postulado agitado debate na mecânica quântica", disse Irfan Siddiqi, professor associado de física da Universidade da Califórnia, em Berkeley. "Mas o rastreamento em tempo real de um sistema quântico mostra que é um processo contínuo, e que podemos extrair constantemente informações do sistema, uma vez que vai do quântico ao clássico. Este nível de detalhe nunca foi considerado acessível pelos fundadores da teoria quântica".

Para os computadores quânticos, isso permitiria que a correção de erro fosse contínua. O mundo real, onde a luz e o calor hà vibração, um sistema quântico pode sair de seu estado quântico para um mundo real, o chamado estado clássico, como abrir a caixa para olhar o gato e forçando-o a estar morto ou vivo. A grande questão sobre os computadores quânticos é se é possível extrair informações sem destruir o sistema quântico inteiramente.

É possível sondar continuamente um sistema muito suavemente para obter um pouco de informação e continuamente corrigí-lo, empurrando-o de volta na trajetória, em direção ao objetivo final.

No mundo da física quântica, um sistema pode estar em dois estados superpostos ao mesmo tempo, desde que ninguém esteja observando. Uma observação perturba o sistema e obriga-o estar em um dos dois estados. As funções de onda emaranhadas originais colapsam em um estado clássico.

Nos últimos 10 anos, teóricos como Andrew N. Jordan, professor de física na Universidade de Rochester, desenvolveram teorias que predizem a forma mais provável em que um sistema quântico entrará em colapso.

trajetória quântica

© Irfan Siddiqi (trajetória quântica)

"A equipe de Rochester desenvolveu novos cálculos para prever o caminho mais provável, com alta precisão, da mesma forma pode-se usar equações de Newtown para prever o caminho menos complicado de uma bola rolando montanha abaixo", disse Siddiqi. "As implicações são significativas, como agora nós podemos projetar sequências de controle para dirigir um sistema ao longo de uma determinada trajetória. Por exemplo, em química pode-se usar isso para preferir certos produtos de uma reação sobre os outros."

O pesquisador Steve Weber, um estudante de graduação no grupo de Siddiqi, e ex-companheiro de pós-doutorado da Siddiqi Kater Murch, agora um professor assistente de física na Universidade de Washington em St. Louis, provou que Jordan tem razão. Eles mediram a trajetória da função de onda de um circuito quântico - um qubit, análogo ao bit em um computador normal - como ele mudou. O circuito, de um pêndulo supercondutor chamado de transmon, poderia estar em dois estados de energia diferentes e foi acoplado a um segundo circuito para obter a tensão final, correspondente à frequência da oscilação.

Se uma reação química for sondada em detalhes, por exemplo, será possível encontrar o caminho mais provável que a reação levaria e projetar uma forma de orientar a reação aos produtos que você quer.

"A experiência demonstra que, para qualquer escolha do estado quântico final, o mais provável ou 'caminho ideal' de conectá-los em um determinado momento pode ser encontrada e prevista", disse Jordan. "Isso confirma a teoria e abre caminho para técnicas de controle quântica ativas."

Fonte: Nature

segunda-feira, 11 de agosto de 2014

A velocidade da luz e a explosão de neutrinos

O efeito da gravidade sobre os pares elétron-pósitron virtuais que se propagam através do espaço pode levar a uma violação do princípio da equivalência de Einstein, segundo cálculos de James Franson da Universidade de Maryland, Baltimore County.

remanescente da supernova SN 1987A

© Chandra (remanescente da supernova SN 1987A)

Enquanto o efeito seria pequeno demais para ser medido diretamente utilizando técnicas experimentais atuais, poderia explicar a enigmática anomalia observada durante a famosa supernova SN1987A de 1987.
Em física teórica moderna, três das quatro forças fundamentais - eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte - são descritos pela mecânica quântica. A quarta força, a gravidade, não tem atualmente uma formulação quântica e é melhor descrita pela teoria geral da relatividade de Einstein. Conciliar relatividade com a mecânica quântica é, portanto, uma área importante e ativa da física.
Uma questão em aberto para os físicos teóricos é como a gravidade age sobre um objeto quântico, como um fóton. Observações astronômicas têm mostrado repetidamente que a luz é atraída por um campo gravitacional. Tradicionalmente, este é descrito usando a relatividade geral: o campo gravitacional curva o espaço-tempo, e a luz é levemente desviada quando passa pela região curvada. Na eletrodinâmica quântica, um fóton propagando através do espaço pode ocasionalmente se aniquilar, criando um par elétron-pósitron virtual. Logo depois, o elétron e o pósitron recombinam para recriar o fóton. Se eles estão em um potencial gravitacional, em seguida, para o pouco tempo que eles existem como partículas maciças, eles sofrem o efeito da gravidade. Quando eles se recombinam, eles vão criar um fóton com uma energia que está ligeiramente deslocada e que viaja um pouco mais lento do que se não houvesse potencial gravitacional. 
Franson analisou estas duas explicações para o porquê da luz diminuir à medida que passa através de um potencial gravitacional. Ele decidiu calcular o quanto a luz deve diminuir de acordo com cada teoria, prevendo que ele iria receber a mesma resposta. No entanto, surgiu uma surpresa: as mudanças previstas na velocidade da luz não combinam, e a discrepância tem algumas consequências muito estranhas.
Franson calculou que, considerando a luz como um objeto de quântico, a mudança na velocidade de um fóton não depende da intensidade do campo gravitacional, mas do próprio potencial gravitacional. No entanto, isso leva a uma violação do princípio da equivalência de Einstein, onde a gravidade e aceleração são indistinguíveis, porque o potencial gravitacional é criado junto com a massa, enquanto que em um referencial acelerado em queda livre, não é. Portanto, pode-se distinguir a gravidade da aceleração se um fóton diminui ou não durante a criação partícula-antipartícula.
Um exemplo importante é um fóton e um neutrino propagando em paralelo através do espaço. Um neutrino não pode aniquilar e criar um par elétron-pósitron, de modo que o fóton vai abrandar mais do que o neutrino que passam por um campo gravitacional, potencialmente permitindo que o neutrino viaje mais rápido do que a luz por aquela região do espaço. No entanto, se o problema é visto em um referencial em queda livre no campo gravitacional, nem o fóton nem o neutrino desacelera em tudo, de modo que o fóton continua a viajando mais rápido do que o neutrino.
Embora a ideia de que as leis da física pode ser dependente de um quadro de referência parece sem sentido, que poderia explicar uma anomalia em 1987 quando eclodiu a supernova SN1987A. Um pulso inicial de neutrinos foi detectado 7,7 horas antes da primeira luz da SN1987a chegar à Terra. Isto foi seguido por um segundo impulso de neutrinos, que chegou cerca de três horas antes da luz da supernova. Supernovas produzem grandes quantidades de neutrinos e o intervalo de três horas entre a segunda explosão de neutrinos e a chegada da luz está de acordo com a teoria atual de como uma estrela colapsa para criar uma supernova.
Pensa-se que o primeiro pulso de neutrinos está geralmente relacionado à supernova. No entanto, a probabilidade de uma tal coincidência é estatisticamente improvável. Se os resultados do Franson estão corretos, então a diferença de 7,7 horas entre o primeiro pulso de neutrinos e com a chegada da luz poderia ser explicado pelo potencial gravitacional da Via Láctea abrandar a luz. Isso não explica por dois pulsos de neutrinos precedeu a luz, mas Franson sugere que o segundo pulso pode estar relacionado a um colapso de duas etapas da estrela.
No entanto Franson é cauteloso, insistindo que "há razões muito sérias para ser cético sobre isso e a pesquisa não tem a pretensão de que é um efeito real, só que é uma possibilidade." Ele também é pessimista sobre as perspectivas para a ideia de ser comprovada ou refutada no futuro próximo, dizendo que as chances de outra supernova tão perto são muito baixas, e outros testes possíveis atualmente não têm precisão suficiente para detectar o efeito.
Raymond Chiao, da Universidade da Califórnia, concorda com Franson que, observacional e experimentalmente, "há uma série de ressalvas que precisam ser esclarecidas", mais notavelmente, que se a interpretação hipotética do Franson sobre SN1987A estiver correta, há dois claros pulsos de neutrinos separados em 5 horas, mas pouca evidência de dois pulsos de luz correspondentes. No entanto, ele diz: "Há uma tensão conceitual profundamente arraigada entre a relatividade geral e a mecânica quântica ... Se, de fato, Franson estiver certo, que é um passo enorme, na minha opinião: é a ponta do iceberg em que a mecânica quântica está correta e a relatividade geral deve estar errada."

Fonte: New Journal of Physics

sábado, 9 de agosto de 2014

Partícula dribla Princípio da Incerteza

A mecânica quântica impõe um limite sobre o que podemos saber sobre partículas subatômicas.

aparato para obter medidas da posição de uma luz laser

© UR (aparato para obter medidas da posição de uma luz laser)

Em teoria, se físicos determinarem a posição de uma partícula, eles não podem medir seu momento ao mesmo tempo. Mas um novo experimento conseguiu contornar essa regra, o famoso “Princípio da Incerteza”, ao definir a posição aproximada de uma partícula, mantendo sua capacidade de também medir seu momento.
O Princípio da Incerteza, formulado por Werner Heisenberg em 1927, é uma consequência da imprecisão do Universo em escalas miscroscópicas. A mecânica quântica revelou que partículas não são apenas mínusculas bolinhas de gude que agem como objetos comuns, que podemos ver e tocar. Em vez de ficarem em local e tempo específicos, partículas subatômicas existem em uma nuvem de probabilidade. Suas chances de estar em qualquer dado estado são descritas por uma equação chamada de “função de onda quântica”. Qualquer ato de medir uma partícula “colapsa” sua função de onda, forçando-a a escolher um valor para a característica medida e eliminando a possibilidade de saber qualquer coisa sobre suas propriedades relacionadas.
Recentemente, físicos decidiram verificar se poderiam superar essa limitação usando uma nova técnica de engenharia chamada de “sensoriamento compressivo”. Essa ferramenta para realizar medidas de precisão já foi aplicada com sucesso a fotografias digitais, ressonâncias magnéticas e muitas outras tecnologias. Normalmente, dispositivos de medição realizam uma leitura detalhada e, em seguida, comprimem essa leitura para facilitar seu uso. Câmeras fotográficas, por exemplo, pegam grandes arquivos em formato RAW e os comprimem em JPEG. No sensoriamento compressivo, porém, engenheiros tentam comprimir um sinal durante o processo de mensuração, o que lhes permite realizar muito menos medidas, o equivalente a capturar imagens diretamente como JPEG em vez de RAW.
Essa mesma técnica de obter a quantidade mínima de informação necessária para uma medida parecia oferecer uma maneira de contornar o Princípio da Incerteza. Para testar o sensoriamento compressivo no mundo quântico, o físico John C. Howell e sua equipe da University of Rochester se puseram a medir posição e momento de um fóton, uma partícula de luz. Eles ativaram um laser em uma caixa equipada com um arranjo de espelhos que poderiam apontar para um detector, ou para a direção oposta. Esses espelhos formavam um filtro, permitindo que fótons passassem por eles em alguns pontos e bloqueando-os em outros. Se um fóton chegasse ao detector, os físicos saberiam que ele havia passado por um dos locais em que os espelhos permitiam sua passagem. O filtro fornecia uma maneira de medir a posição de uma partícula sem saber exatamente onde ela estava, sem colapsar sua função de onda. “Tudo que sabemos é se o fóton consegue atravessar o arranjo ou não”, explica Gregory A. Howland, principal autor de um artigo que relata a pesquisa. “Com esse método ainda conseguimos descobrir seu momento, para onde ele está indo. Mas pagamos um preço por isso: sua medida de direção fica com um pouco de ruído”. Uma medida menos precisa de momento, porém, é melhor que nenhuma.
Os físicos salientam que não quebraram nenhuma lei da física. “Nós não violamos o Princípio da Incerteza”, observa Howland. “Nós só o usamos de maneira inteligente”. A técnica poderia se provar poderosa no desenvolvimento de algumas tecnologias, como criptografia e computação quântica, que procuram controlar as confusas propriedades quânticas de partículas para usá-las em aplicações tecnológicas. Quanto mais informações obtivermos de medições quânticas, melhor será o desempenho dessas tecnologias. O experimento de Howland oferece uma medida quântica mais eficiente do que era tradicionalmente possível, comenta Aephraim M. Steinberg, físico da University of Toronto que não se envolveu na pesquisa. “Essa é uma de várias novas técnicas que parecem determinadas a se provar indispensáveis para a avaliação de grandes sistemas de forma econômica”. Em outras palavras, os físicos parecem ter encontrado uma maneira de conseguir mais dados com menos medidas.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

sexta-feira, 8 de agosto de 2014

Medido rastro de “chuveiro atmosférico”

Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu uma nova forma de estudar os rastros deixados pelos "chuveiros atmosféricos".

raios cósmicos ultraenergéticos

© ASPERA (raios cósmicos ultraenergéticos)

O grupo é constituído por 102 cientistas de diversas universidades do mundo, entre eles o docente do Instituto de Física de São Carlos (IFSC/USP), Luiz Vitor de Souza Filho.

A união desse número expressivo de pesquisadores explica-se pela participação de todos eles em experimentos realizados no Observatório Pierre Auger, instalado aos pés da Cordilheira dos Andes, no Deserto de El Nihuil, na Argentina, e com o objetivo principal de detectar e estudar raios cósmicos ultra-energéticos, partículas que podem alcançar energias cerca de 1.000 vezes maiores do que as obtidas pelos atuais aceleradores de partículas.

Desde sua fundação, o Observatório Pierre Auger trabalha com duas ferramentas distintas para medição dos raios ultra-energéticos: a de "tanques de água", também conhecidos por "detectores de Cherenkov", e a de telescópios de fluorescência. Uma terceira, recém-descoberta, a "técnica de detectores de rádio", vem não para "aposentar" as anteriores, mas sim complementá-las. "Os membros do Observatório buscam, continuamente, o desenvolvimento de técnicas novas que tragam medidas mais precisas e detalhadas para, dessa forma, ampliar as possibilidades do Observatório como um todo", explica Luiz Vitor.

Através da técnica de detectores de rádio, descrita no artigo publicado na Physical Review D, intitulado Probing the radio emission from air showers with polarization measurements, são medidos os rastros deixados pelos "chuveiros atmosféricos" (air shower), cascatas de partículas que atravessam a atmosfera ininterruptamente. Invisível a olho nu, esse chuveiro, que é composto por prótons, elétrons, neutrinos, mésons e diversas outras partículas, atravessa os tanques de água deixando um tipo de "impressão digital", que será analisada pela nova técnica: "No trajeto entre a atmosfera e o solo, as partículas interagem com o hidrogênio presente no ar e emitem um flash luminoso muito fraco, visualizado pelos telescópios, e, ao mesmo tempo, emitem ondas de rádio", detalha Luiz Vitor.

A identificação e medição dessas ondas serão feitas por um conjunto de antenas espalhadas por uma grande área. Através de um sinal sincronizado entre elas, ondas de rádio emitidas pelo chuveiro atmosférico serão identificadas e, posteriormente, medidas.

Por ser largamente difundida para outros usos, a técnica de detectores de rádio não exige um grande desenvolvimento tecnológico para sua adaptação aos propósitos específicos do Observatório e tem um custo muito baixo. E, embora ainda não estejam sendo utilizados no Observatório, os detectores de rádio já estão hospedados no Pierre Auger há cinco anos. "No deserto, onde eles estão instalados, o local é ótimo para realização desses experimentos, pois a poluição de sinais e ruídos advindos de ondas de rádio em geral é quase nula", explica o docente.

O artigo trouxe detalhes sobre a operação dos novos detectores e a explicação e desenvolvimento da técnica de rádio. Por esse motivo, nenhum objetivo de astrofísica é mencionado. "Na literatura, duas teorias explicavam dois efeitos diferentes para emissão de ondas de rádio pelo chuveiro atmosférico: Efeito geomagnético e Efeito Askaryan, mas as evidências nunca haviam sido medidas. Esse, provavelmente, foi motivo pelo qual o artigo ganhou destaque e foi aceito numa importante revista científica da área", conta Luiz Vitor.

O próximo passo para o aprimoramento da pesquisa é o investimento, tanto financeiro quanto intelectual, no projeto. "Embora os resultados tenham sido positivos, a técnica de rádio mostrou algumas falhas, o que não a torna o 'carro-chefe' de uma nova etapa do Observatório. Apesar disso, os resultados são bons o suficiente para que continuemos investindo, mesmo que, paralelamente, outras técnicas também sejam investigadas", afirma Luiz Vitor. "Um dos objetivos do Observatório, inclusive, é se tornar um centro de medidas em astrofísica de partículas, o que reforça a intenção de reunir e estudar outros processos".

Mesmo que num primeiro momento a astrofísica não seja o foco do projeto, a técnica de rádio, apesar de suas limitações, poderá ajudar a trazer explicações que serão utilizadas para o constante melhoramento dos experimentos. Isso permitirá que diversas interrogações sejam finalmente esclarecidas e, consequentemente, possibilitará que a astrofísica avance no seu papel principal de desvendar os inúmeros enigmas de nosso Universo.

Fonte: IFSC/USP