Será que ondas sonoras transportam massa?

É perdoável pensar que nossa compreensão da física clássica já tenha atingido seu máximo ao longo dos quatro séculos desde que Isaac Newton inventou suas leis de movimento. Mas novas pesquisas surpreendentes mostram que ainda há segredos esperando para serem encontrados, escondidos à vista de todos; ou, pelo menos neste caso, ao alcance da voz.

© Shustterstock (ilustração de ondas sonoras)

Um grupo de cientistas teorizou que as ondas sonoras possuem massa, o que significa que os sons seriam diretamente afetados pela gravidade. Eles sugerem que os fônons, excitações coletivas parecidas com partículas, responsáveis pelo transporte de ondas sonoras através de um meio, podem exibir uma pequena quantidade de massa em um campo gravitacional. "Seria de se esperar que resultados de física clássica como esse já fossem conhecidos há muito tempo," diz Angelo Esposito, da Universidade de Columbia, principal autor do estudo.

Esposito e seus colegas se basearam em um artigo anterior, publicado no ano passado, no qual Alberto Nicolis, da Columbia, e Riccardo Penco, da Universidade Carnegie Mellon, sugeriram pela primeira vez que os fônons poderiam ter massa em um superfluido. O estudo mais recente, no entanto, mostra que este efeito também deve ser válido em outros materiais, incluindo líquidos e sólidos regulares, e até mesmo no próprio ar.

E, embora se espere que a quantidade de massa transportada pelos fônons seja pequena, comparável a um átomo de hidrogênio, cerca de 10^-24gramas, ela pode, na verdade, ser mensurável. Exceto que, se você fosse medí-la, encontraria algo profundamente estranho: a massa dos fônons seria negativa, significando que eles cairiam "para cima". Com o tempo, sua trajetória gradualmente se afastaria de uma fonte gravitacional como a Terra. "Se tivessem massa gravitacional positiva, eles cairiam para baixo," diz Penco.

E a extensão da "queda" é igualmente pequena, com a variação dependendo do meio pelo qual o fônon está passando. Na água, onde o som se move a 1,5 quilômetros por segundo, a massa negativa do fônon faz com que se desloque a cerca de 1 grau por segundo. Mas isso corresponde a uma mudança de 1 grau ao longo de 15 quilômetros, o que seria extremamente difícil de medir.

Ainda que possa ser difícil, tal medida ainda deve ser possível. Esposito observa que, para distinguir a massa dos fônons, é possível procurá-los em um meio onde a velocidade do som seja muito lenta. Isso pode ser possível no hélio superfluido, onde a velocidade do som pode cair para centenas de metros por segundo ou menos, e a passagem de um único fônon pode mudar o equivalente a um átomo de material.

Alternativamente, em vez de buscar efeitos minúsculos ampliados em substâncias exóticas, os pesquisadores podem procurar por sinais mais óbvios de fônons portadores de massa estudando de perto ondas sonoras extremamente intensas. Os terremotos oferecem uma possibilidade, diz Esposito. De acordo com seus cálculos, um tremor de magnitude 9 liberaria energia suficiente para que a mudança resultante na aceleração gravitacional da onda sonora do terremoto pudesse ser mensurável usando relógios atômicos. (Embora as técnicas atuais não sejam suficientemente sensíveis para detectar o campo gravitacional de uma onda sísmica, futuros avanços na tecnologia podem tornar isso possível.)

É improvável que as ondas sonoras que têm massa tenham um grande impacto na vida cotidiana, mas a possibilidade que algo tão fundamental tenha passado despercebida por tanto tempo é intrigante.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American

Levitação de objetos macroscópicos com luz

Pesquisadores da Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia) estão desenvolvendo uma maneira de fazer levitar e impulsionar objetos usando apenas a luz, através da criação de determinados padrões, em nanoescala, na superfície dos objetos.

© H. Atwater (ilustração de objeto nano-modelado reorientado)

Embora ainda esteja na etapa teórica, o trabalho é um passo em direção ao desenvolvimento de uma espaçonave que poderia alcançar o planeta mais próximo fora do nosso Sistema Solar em 20 anos, alimentada e acelerada apenas pela luz.

A pesquisa foi feita no laboratório de Harry Atwater, Howard Hughes Professor de Física Aplicada e Ciência de Materiais na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech.

Décadas atrás, o desenvolvimento das chamadas “pinças ópticas” permitiu que os cientistas movessem e manipulassem objetos minúsculos, como nanopartículas, usando a pressão radiativa de um feixe de luz do laser nitidamente focado. Este trabalho formou a base para o Prêmio Nobel de Física de 2018. No entanto, as pinças só são capazes de manipular objetos muito pequenos e apenas a distâncias muito curtas.

Ognjen Ilic, pós-doutorando e autor do estudo, oferece uma analogia: "Pode-se levitar uma bola de pingue-pongue usando um fluxo constante de ar de um secador de cabelo. Mas não funcionaria se a bola de pingue-pongue fosse muito grande ou se estivesse muito longe do secador de cabelo, e assim por diante".

Com essa nova pesquisa, objetos de diversas formas e tamanhos, de micrômetros a metros, poderiam ser manipulados com um feixe de luz. A chave é criar padrões específicos em nanoescala na superfície de um objeto. Esse padrão interage com a luz de tal forma que o objeto pode se endireitar quando perturbado, criando um torque de restauração para mantê-lo no feixe de luz. Assim, em vez de exigir raios laser altamente focalizados, o padrão dos objetos é projetado para "codificar" sua própria estabilidade. A fonte de luz também pode estar a milhões de quilômetros de distância.

"Nós criamos um método que pode levitar objetos macroscópicos", diz Atwater, que também é diretor do Centro Conjunto de Fotossíntese Artificial. "Há uma aplicação audaciosa e interessante para usar essa técnica como meio de propulsão de uma nova geração de naves espaciais. Estamos longe de realmente fazer isso, mas estamos no processo de testar os princípios."

Em teoria, essa espaçonave poderia ser modelada com estruturas em nanoescala e acelerada por uma luz laser baseada na Terra. Sem precisar carregar combustível, a espaçonave pode alcançar velocidades muito altas, até relativísticas, e possivelmente viajar para outras estrelas.

Atwater também prevê que a tecnologia poderia ser usada aqui na Terra para permitir a rápida fabricação de objetos cada vez menores, como placas de circuito.

Um artigo descrevendo a pesquisa aparece na edição on-line da revista Nature Photonics.

Fonte: Caltech