Observação da radiação Hawking

Físicos do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) confirmaram as previsões de uma teoria de Stephen Hawking sobre buracos negros, utilizando um análogo construído em laboratório.

© Revista Física (ilustração de um buraco negro)

Ao tentar aplicar as leis físicas que regem o calor nos buracos negros, o físico Stephen Hawking percebeu que estes objetos devem emitir radiação de suas superfícies, chamada Radiação Hawking. O mecanismo concatena a mecânica quântica com a gravidade.

Stephen Hawking apresentou sua teoria em 1974, depois de analisar o trabalho de outro físico, Jacob Bekenstein, da Universidade de Princeton. Para Bekenstein, a entropia de um buraco negro, ou seja, o caos de um sistema relativo ao seu volume, pressão, temperatura e energia, era proporcional à área de seu horizonte de eventos, ponto-limite do qual não é mais possível escapar desta região do espaço.

A entropia de um buraco negro é dada pela equação de Bekenstein-Hawking: S=k.A/4.l_P² , onde A é a área, k é a constante de Boltzmann e l_P é o comprimento de Planck que é expreso por l_P=G.h/2π.c³)^1/2  , sendo h a constante de Planck, G a constante gravitacional e c a velocidade da luz.

Infelizmente, ainda não é posível se aproximar o suficiente de um buraco negro para provar ou refutar a teoria. Assim, os físicos testaram um buraco negro análogo de laboratório.

Os pesquisadores construíram tal análogo de buraco negro usando um material quântico chamado de condensado de Bose-Einstein. Neste condensado de Bose-Einstein, o horizonte de eventos do buraco negro artificial representa o ponto sem retorno para o som, ao invés da luz.

Os cientistas criaram um condensado de Bose-Einstein capturando 8.000 átomos de rubídio em um feixe de laser. Os condensados ​​de Bose-Einstein são sistemas de átomos ultrafrios, onde estranhos fenômenos quânticos se tornam visíveis em escalas maiores.

Os pesquisadores em seguida utilizaram um segundo laser para aumentar a energia potencial de apenas um lado do condensado de Bose-Einstein, tornando-o mais denso naquele lado. Uma transição brusca (como um horizonte de eventos) separa a área mais densa (fora do buraco negro) da área menos densa (dentro do buraco negro).

Do ponto de vista dos cientistas, ao olhar para o experimento, parece que todos os átomos de rubídio estão se movendo. Fora do buraco negro, na região mais densa, a velocidade do som é mais rápida do que a velocidade deste fluxo, de modo que as ondas sonoras podem se mover em qualquer direção. Na região menos densa, dentro do buraco negro, a velocidade do som é mais lenta, então as ondas sonoras apenas se afastam da transição brusca e penetram no buraco negro.

Esta experiência imita uma das características mais importantes de um buraco negro: fora do objeto, a luz pode se afastar dele ou entrar nele. Mas, uma vez dentro, não pode escapar. O análogo de laboratório substitui a luz pelo som, e os pesquisadores podem medir as ondas sonoras dentro e fora de seu “horizonte de eventos”. O sinal da radiação Hawking é uma correlação entre estes dois tipos de ondas.

Isto foi suficiente para extrair informações importantes sobre a radiação, ou seja, que ela tem um espectro térmico com uma temperatura determinada pelo que seria o análogo da gravidade neste sistema artificial.

Isto significa que o buraco negro artificial emitiu um espectro contínuo de comprimentos de onda, em vez de comprimentos de onda preferidos. Estas observações e as temperaturas estavam de acordo com o que foi previsto na teoria de Hawking.

Segundo o principal autor do estudo, o físico Jeff Steinhauer, isso mostra que “os cálculos de Hawking estavam corretos”. Contudo, provavelmente são um efeito real que acontece nestes tipos de sistemas.

Esta pesquisa é mais um exemplo da utilização de análogos para estudarmos fenômenos físicos impossíveis de serem observados. Eles servem como uma verificação importante das teorias que orientam nossa compreensão de coisas inacessíveis.

Agora, os pesquisadores esperam refazer repetidamente o experimento, a fim de determinar como a radiação Hawking muda com o tempo.

Quem sabe um dia possamos medir essas propriedades em buracos negros reais.

Fonte: Nature

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

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.

© 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

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