Captando os momentos mais curtos

Os três ganhadores do Nobel de Física 2023 estão sendo reconhecidos por seus experimentos no âmbito da física quântica, que deram à humanidade novas ferramentas para explorar o mundo dos elétrons dentro dos átomos e moléculas.

© Revista Física (nuvem eletrônica)

Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier demonstraram uma maneira de criar pulsos de luz extremamente curtos que podem ser usados para medir os processos rápidos nos quais os elétrons se movem ou mudam de energia. 

Em 1987, a física francesa Anne L'Huillier, professora de Física Atômica na Universidade de Lund, Suécia, descobriu que quando a luz laser infravermelha era transmitida por meio de um gás nobre surgiam muitos tons diferentes de luz. Depois disso, a cientista continuou explorando o fenômeno, preparando a construção para descobertas posteriores. Ela é a quinta mulher a ganhar um Prêmio Nobel de Física, seguindo a Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018) e Andrea Ghez (2020). 

Já o franco-americano Pierre Agostini, professor da Universidade Estadual de Ohio, EUA, conseguiu em 2001 produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, em que cada pulso durava apenas 250 attosegundos, inventando com a sua equipe o chamado RABBIT, ou seja, a reconstrução de batimentos de attossegundos por interferência de transições de dois fótons. 

Na mesma época, um experimento científico do húngaro Ferenc Krausz, professor da Ludwig-Maximilians-University Munique, Alemanha, possibilitou o isolamento de um único pulso de luz com duração de 650 attosegundos. 

As contribuições dos laureados permitiram a pesquisa de processos tão rápidos que antes eram impossíveis de acompanhar. Um pequeno colibri pode bater as asas 80 vezes por segundo. Só conseguimos perceber isso como um zumbido e movimento turvo. Para o sentidos humanos, movimentos rápidos se confundem, e eventos extremamente curtos são impossíveis de observar. Precisamos usar truques tecnológicos para capturar ou retratar esses breves instantes. Fotografia de alta velocidade e iluminação estroboscópica permite capturar imagens detalhadas de fenômenos rápidos. Uma fotografia altamente focada de um beija-flor em ação requer uma exposição tempo que é muito mais curto do que uma única batida de asas. Quanto mais rápido o evento, mais rápido a imagem precisa ser tomada se for para capturar o instante. 

O mesmo princípio se aplica a todos os métodos utilizados para medir ou representar processos rápidos; qualquer medida deve ser realizada mais rapidamente do que o tempo que leva para o sistema em estudo sofrer uma mudança perceptível, caso contrário o resultado será vago. 

Os laureados deste ano realizaram experiências que demonstram um método para produzir pulsos de luz que são breves o suficiente para capturar imagens de processos dentro dos átomos e moléculas. A escala de tempo natural dos átomos é incrivelmente curta. Em uma molécula, os átomos podem se mover e girar em femtosegundos (milionésimos de um bilionésimo de segundo). Esses movimentos podem ser estudados com o mais curto pulsos que podem ser produzidos com um laser, mas quando átomos inteiros se movem a escala de tempo é determinada por seus núcleos grandes e pesados, que são extremamente lentos em comparação com elétrons leves e ágeis. Quando os elétrons se movem dentro de átomos ou moléculas, eles fazem isso tão rapidamente que as mudanças ficam próximas de um femtosegundo. 

No mundo dos elétrons, as posições e as energias mudam a velocidades entre um e algumas centenas de attosegundos (bilionésimo de bilionésimo de segundo). Um attosegundo é tão curto que o número deles em um segundo é igual ao número de segundos que se passaram desde que o Universo surgiu, 13,8 bilhões de anos atrás. Um femtosegundo foi considerado por muito tempo o limite para os flashes de luz que era possível produzir. Melhorar a tecnologia existente não foi suficiente para ver os processos ocorrendo em um período surpreendentemente breve em escalas de tempo de elétrons; algo inteiramente novo era necessário. 

A luz consiste em ondas, ou seja, vibrações em campos elétricos e magnéticos, que se movem através do vácuo mais rápido do que qualquer outra coisa. Estes têm comprimentos de onda diferentes, equivalentes a cores diferentes. Por exemplo, a luz vermelha tem um comprimento de onda de cerca de 700  nm (nanômetros), um centésimo da largura de um fio de cabelo, e ele circula cerca de 430 trilhões de vezes por segundo. Podemos pensar em o pulso de luz mais curto possível como a duração de um único período na onda de luz, o ciclo onde ele sobe até um pico, desce até um vale e volta ao ponto inicial. Neste caso, os comprimentos de onda usados em sistemas de laser comuns nunca conseguem chegar abaixo de um femtosegundo, então na década de 1980 isso foi considerado como um limite rígido para as emissões de luz mais curtas possíveis. 

No experimento projetado, quando a luz do laser entra no gás e afeta seus átomos, causa vibrações eletromagnéticas que distorcem o campo elétrico que mantém os elétrons ao redor do núcleo atômico. Os elétrons podem então escapar dos átomos. No entanto, o campo elétrico da luz vibra continuamente e, quando ele muda de direção, um elétron solto pode retornar ao núcleo do seu átomo. Durante excursão do elétron, ele coletou muita energia extra do campo elétrico da luz laser e, para reconectar ao núcleo, ele deve liberar seu excesso de energia como um pulso de luz, no caso, no ultravioleta. Esses pulsos de luz dos elétrons criam as conotações que aparecem nos experimentos. 

Pulsos de attossegundos permitem medir o tempo que leva para um elétron ser puxado de um átomo, e examinar como o tempo que isso leva depende de quão fortemente o elétron está ligado ao núcleo do átomo. É possível reconstruir como a distribuição de elétrons oscila posicionalmente em moléculas e materiais; anteriormente a sua posição só poderia ser medida como uma média. 

Estes pulsos podem ser usados para testar os processos internos da matéria e para identificar diferentes eventos. Existem aplicações potenciais em muitas áreas diferentes. Na eletrônica, por exemplo, é importante compreender e controlar como os elétrons se comportam em um material. Eles também podem ser usados para identificar diferentes moléculas, como em diagnósticos médicos, possibilitando nova técnica analítica de diagnóstico in vitro para detectar traços moleculares característicos de doenças em amostras de sangue.

O Prêmio Nobel da Física deste ano abre janelas que antes eram inimaginável para Heisenberg, explorar fenômenos que antes eram impossíveis de observar.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

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

Buracos negros e o centro da Via Láctea

O Prêmio Nobel de Física de 2020 foi concedido a três pesquisadores que fizeram descobertas sobre buracos negros, anunciou hoje a Academia Real das Ciências da Suécia.

© NASA (ilustração de região próxima de um buraco negro)

Roger Penrose, da Universidade de Oxford vai receber metade do prêmio de 10 milhões de coroas suecas (6,2 milhões de reais) por ter provado, em 1965, que a teoria geral da relatividade leva à formação de buracos negros. A outra metade da premiação foi concedida ao alemão Reinhard Genzel e à americana Andrea Ghez, que lideraram dois grupos de astrônomos na descoberta de um objeto invisível e extremamente pesado que governa as órbitas das estrelas no centro de nossa galáxia. Um buraco negro supermassivo é a única explicação atualmente conhecida.

O cientista Roger Penrose usou métodos matemáticos engenhosos para provar que os buracos negros são uma consequência direta da teoria geral da relatividade de Albert Einstein. O próprio Einstein não acreditava que buracos negros realmente existissem, estes monstros supermassivos ​​que capturam tudo que entra neles. Nada pode escapar, nem mesmo a luz.

Em janeiro de 1965, dez anos após a morte de Einstein, Roger Penrose provou que os buracos negros realmente podem se formar e os descreveu em detalhes; no fundo, os buracos negros escondem uma singularidade em que cessam todas as leis conhecidas da natureza. Seu artigo inovador ainda é considerado a contribuição mais importante para a teoria geral da relatividade desde Einstein.

Reinhard Genzel, diretor do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, na Alemanha, e professor da Universidade da Califórnia, nos EUA, e Andrea Ghez, professora da Universidade da Califórnia, lideram dois grupos de astrônomos que, desde o início dos anos 1990, se concentra em estudar uma região no centro da Via Láctea, onde está localizado o buraco negro supermassivo, denominado Sagitário A*.

© UCLA (animação de estrelas girando ao redor de buraco negro)

Uma animação das órbitas estelares no centro de 0,5 segundos de arco. Imagens tiradas dos anos de 1995 a 2016 são usadas para rastrear estrelas específicas orbitando o buraco negro proposto no centro da Galáxia. Estas órbitas, Aplicando as Leis de Kepler, estas órbitas fornecem a melhor evidência de um buraco negro supermassivo. Especialmente importante é a estrela S0-2, pois foi observada por mais de um período orbital completo, que é de apenas 16,17 anos. Veja também a notícia: Estrela "dançando" em torno de buraco negro supermassivo.

Usando os maiores telescópios do mundo, Genzel e Ghez desenvolveram métodos para ver através das enormes nuvens de gás interestelar e poeira até o centro da Via Láctea. Estendendo os limites da tecnologia, eles refinaram novas técnicas para compensar as distorções causadas pela atmosfera da Terra, construindo instrumentos exclusivos e se comprometendo com pesquisas de longo prazo. Seu trabalho pioneiro nos deu a evidência mais convincente de um buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea.

Desta maneira foi possível mapear as órbitas das estrelas mais brilhantes próximas ao centro da nossa Galáxia e encontraram um objeto invisível extremamente pesado que puxa este amontoado de estrelas, fazendo-as orbitar em velocidades vertiginosas. Cerca de quatro milhões de massas solares estão reunidas em uma região não maior do que nosso Sistema Solar.

“As descobertas dos laureados deste ano abriram novos caminhos no estudo de objetos compactos e supermassivos. Mas estes objetos exóticos ainda colocam muitas questões que imploram por respostas e motivam pesquisas futuras. Não apenas perguntas sobre sua estrutura interna, mas também perguntas sobre como testar nossa teoria da gravidade sob as condições extremas nas imediações de um buraco negro”, disse David Haviland, presidente do Comitê Nobel de Física.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Novas perspectivas sobre o Universo

Os cientistas James Peebles, Michel Mayor e Didier Queloz levaram o Prêmio Nobel de Física de 2019.

© Nobel Prize/Johan Jarnestad (explorando o cosmos)

O anúncio foi divulgado na manhã desta terça-feira pelo comitê da Academia Real de Ciências da Suécia, em Estocolmo. Na avaliação da instituição, o trabalho dos três físicos introduziu uma nova compreensão da história e estrutura do Universo através das teorias de cosmologia física desenvolvidas por Peebles e a descoberta de um exoplaneta por Mayor e Queloz.

O Prêmio Nobel de Física deste ano recompensa nova compreensão da estrutura do Universo e a primeira descoberta de um planeta em órbita n uma estrela do tipo solar fora do nosso Sistema Solar.

As ideias de James Peebles sobre cosmologia física enriqueceu todo o campo de pesquisa e lançou as bases para a transformação da cosmologia nos últimos cinquenta anos, da especulação à ciência. Seu referencial teórico, desenvolvido desde meados da década de 1960, é a base de estudos contemporâneos sobre o Universo.

O modelo do Big Bang descreve o Universo a partir dos primeiros momentos, quase 14 bilhões de anos atrás, quando estava extremamente quente e denso. Desde então, o Universo vem se expandindo, tornando-se maior e mais frio. Após 400.000 anos do Big Bang, o Universo se tornou transparente e os raios de luz foram capazes de viajar através espaço. Ainda hoje, essa radiação antiga está por toda parte, onde muitos dos segredos do Universo estão escondidos.

A cosmologia moderna é baseada na teoria da relatividade geral de Albert Einstein e assume uma era inicial, o Big Bang, quando o Universo era extremamente quente e denso. Um pouco menos de 400.000 anos após o Big Bang, a temperatura diminuiu para cerca de 3.000 K, permitindo que os elétrons se combinassem com núcleos para a formação de átomos.

Porque não sobraram partículas carregadas que pudessem interagir facilmente com os fótons, o Universo se tornou transparente à luz. Esta radiação é agora visível como a Cosmic Microwave Background  (CMB). Devido ao desvio para o vermelho cosmológico, sua temperatura atualmente é de penas 2,7K, um fator de cerca de 1.100 menores desde a dissociação de matéria e radiação. A radiação cósmica de fundo de micro-ondas consiste de ondas eletromagnéticas na frequência de rádio que permeiam todo o espaço.

Por intermédio de cálculos teóricos, James Peebles foi capaz de interpretar esses traços desde a infância do Universo e descubriu novos processos físicos.

Os resultados nos mostraram um Universo em que apenas 5% de seu conteúdo é conhecido, compondo a matéria ordinária que constituída por estrelas, planetas, árvores e nós. O restante, 95%, é desconhecido, perfazendo a matéria escura e energia escura. Isso é um mistério e um desafio à física moderna.

Em outubro de 1995, Michel Mayor e Didier Queloz anunciaram a primeira descoberta de um planeta fora do nosso sistema solar, um exoplaneta, orbitando uma estrela do tipo solar em nossa galáxia, a Via Láctea. No Observatório Haute-Provence, no sul da França, usando instrumentos feitos sob medida, eles foram capazes de ver o exoplaneta 51 Pegasi b, uma bola gasosa comparável com o maior gigante gasoso do Sistema Solar, o planeta Júpiter.

Esta descoberta iniciou uma revolução na astronomia e mais de 4.000 exoplanetas já foram encontrados na Via Láctea. Mundos novos e estranhos ainda estão sendo descobertos, com uma incrível variedade de tamanhos, formas e órbitas. Eles desafiam nossas ideias preconcebidas sobre sistemas planetários e estão forçando os cientistas a revisar suas teorias dos processos físicos por trás das origens dos planetas. Com vários projetos planejados para começar a procurar exoplanetas, podemos encontrar uma resposta para a eterna questão de saber se existe vida lá fora.

Os Laureados deste ano transformaram nossos pensamentos sobre o cosmos. Enquanto as descobertas teóricas de James Peebles contribuiu para a nossa compreensão de como o Universo evoluiu após o Big Bang, Michel Mayor e Didier Queloz explorou nossos bairros cósmicos em busca de planetas desconhecidos. Suas descobertas mudou para sempre nossas concepções do mundo.

James Peebles, professor da Universidade de Princeton, EUA, levará metade do prêmio de 9 milhões de coroas suecas, o equivalente a R$ 3,7 milhões. O restante será dividido entre Michel Mayor, docente da Universidade de Genebra, e Didier Queloz, que integra a mesma instituição, além da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Ferramentas feitas de luz

A Academia Real de Ciências da Suécia decidiu atribuir o Prêmio Nobel de Física de 2018 devido às invenções inovadoras no campo da física a laser.

© Johan Jarnestad (ilustração do pulso de laser)

Os laureados foram Arthur Ashkin, de 96 anos, do Bell Laboratories (EUA), pelas pinças ópticas que possibilitam a manipulação de pequenas partículas e sua aplicação aos sistemas biológicos; Gérard Mourou, de 74 anos, da École Polytechnique (França) e Universidade de Michigan (EUA), em conjunto com Donna Strickland, de 59 anos, da Universidade de Waterloo (Canadá), pelo método de geração de pulsos ópticos ultracurtos de alta intensidade. Os físicos Strickland e Mourou desenvolveram seu trabalho juntos na Universidade de Rochester, em Nova York, nos anos 80.

Os três compartilharão o prêmio de 9 milhões de coroas suecas, equivalente a 4 milhões de reais, sendo metade atribuída à Ashkin.

Em toda a história do Prêmio Nobel, criado em 1901, apenas duas mulheres tinham recebido o prêmio de Física: Marie Curie, em 1903, e Maria Goeppert-Mayer, em 1963.

Estas invenções revolucionaram a física a laser, onde objetos extremamente pequenos e processos incrivelmente rápidos estão agora sendo vistos sob uma nova luz. Instrumentos avançados de precisão estão abrindo áreas de pesquisa inexploradas e uma infinidade de aplicações industriais e médicas.

Usando uma abordagem engenhosa, eles conseguiram criar pulsos de laser de alta intensidade ultracurtos sem destruir o material. Primeiro eles esticaram os pulsos de laser a tempo de reduzir seu pico de potência, depois os amplicaram e finalmente os comprimiram. Se um pulso é comprimido no tempo e se torna mais curto, então mais luz é reunida no mesmo espaço minúsculo, a intensidade do pulso aumenta dramaticamente.

A técnica inventada por Strickland e Mourou, chamada de Chirped Pulse Amplification (CPA), logo se tornou padrão para os lasers subsequentes de alta intensidade. Seus usos incluem os milhões de cirurgias oculares corretivas que são realizadas todos os anos usando os raios laser mais nítidos.

Arthur Ashkin teve um sonho: imagine se raios de luz pudessem ser postos em ação e mover objetos. Na série Star Trek que começou em meados dos anos 1960, um raio trator pode ser usado para recuperar objetos, até mesmo asteroides no espaço, sem tocá-los. Claro, isso soa como pura ficção científica.

Podemos sentir que os raios do Sol carregam energia, embora a pressão do feixe é pequeno demais para que possamos sentir um pequeno cutucão. Mas sua força poderia ser suficiente para empurrar minúsculas partículas e átomos?

Imediatamente após a invenção do primeiro laser em 1960, Ashkin começou a experimentar com o novo instrumento na Bell Laboratories. Em um laser, as ondas de luz se movem de forma coerente, diferentemente luz branca comum em que os feixes são misturados em todas as cores do arco-íris e espalhados em todas as direções.

Ashkin percebeu que um laser seria a ferramenta perfeita para fazer com que os feixes de luz pudessem mover pequenas. Ele iluminou esferas transparentes de tamanho micrométrico e, imediatamente fez as esferas se moverem. Ao mesmo tempo, Ashkin ficou surpreso com a forma como as esferas foram deslocadas em direção ao meio do feixe, onde era mais intenso. A explicação é que num feixe de laser a sua intensidade diminui do centro para os lados. Portanto, a pressão da radiação que a luz do laser exerce sobre as partículas também varia, impulsionando-as em direção ao meio d o feixe, que mantém as partículas no centro.

Para também segurar as partículas na direção do feixe, Ashkin adicionou uma lente forte para focar a luz do laser. As partículas foram então atraídas para o ponto que tinha a maior intensidade de luz. Assim, nasceu uma armadilha, que veio a ser conhecida como pinças ópticas.

As inúmeras áreas de aplicação ainda não foram completamente exploradas, tais como: dispositivos eletrônicos mais rápidos, células solares mais eficazes, melhores catalisadores, aceleradores mais potentes, novas fontes de energia, ou manipulações farmacêuticas.

No entanto, mesmo agora essas célebres invenções nos permitem remexer no micromundo no melhor espírito de Alfred Nobel, para o maior benefício para a humanidade.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Prêmio Nobel de Física: ondas gravitacionais

O Prêmio Nobel da Física de 2017 foi concedido hoje ao alemão Rainer Weiss e aos americanos Barry C. Barish e Kip S. Thorne pela criação, nos anos 1990, do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), nos Estados Unidos, que permitiu a detecção de ondas gravitacionais pela primeira vez na História.

© Johan Jarnestad (detectando ondas gravitacionais)

Rainer Weiss nasceu em Berlim, na Alemanha, em 1932, ele é pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, nos Estados Unidos. Barry C. Barish nasceu em 1936, em Omaha, no estado americano de Nebraska, e atua no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), em Pasadena. Kip S. Thorne nasceu em 1940, em Logan, no Utah, e também atua no Caltech.

Os cientistas laureados forneceram decisivas contribuições ao detector LIGO e à observação de ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein em sua Teoria Geral da Relatividade, publicada há cem anos, mas extremamente sutis, elas pareciam impossíveis de serem detectadas.

A observação das ondas gravitacionais no Universo só aconteceu no dia 14 de setembro de 2015, no LIGO. Naquela data, os cientistas finalmente detectaram as tênues vibrações emitidas por dois buracos negros que giram um ao redor do outro, a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. A descoberta foi divulgada no dia 11 de fevereiro de 2016. O sinal foi extremamente fraco quando chegou à Terra, mas já prometeu uma revolução na astrofísica. As ondas gravitacionais são uma maneira totalmente nova de observar os eventos mais violentos no espaço e testar os limites do nosso conhecimento.

Antes da façanha, os físicos sempre utilizaram o espectro eletromagnético para fazer suas descobertas. Mas o experimento provou que também é possível estudar o Universo a partir de outros tipos de ondas existentes. A partir dali, os cientistas se convenceram de que, se é possível detectar ondas gravitacionais, talvez seja possível descrever fenômenos que não emitem ondas eletromagnéticas suficientemente significativas para serem observadas.

A existência das ondas gravitacionais passou a ser concebida quando, no final dos anos 1950, estudos demonstraram que as ondas carregavam energia; e, por isso, poderiam ser mensuráveis.

Em 1970, os astrônomos Joseph Taylor e Russel Hulse mostraram que as estrelas giravam ao redor delas mesmas e, com isso, perdiam energia. Esta energia perdida seria uma indicação da existência das ondas gravitacionais. Por esse achado, Taylor e Hulse foram laureados com o Nobel de Física de 1993.

Entretanto, estas demonstrações eram indicações indiretas das ondas gravitacionais. A evidência direta do fenômeno só viria depois de um imenso esforço, uma vez que não seria fácil provocar alterações no espaço-tempo.

Em meados da década de 1970, Rainer Weiss já havia analisado possíveis fontes de ruído de fundo que perturbariam as medidas e também desenharam um detector, um interferômetro a laser, que superaria este ruído. No começo, tanto Kip S. Thorne quanto Rainer Weiss estavam firmemente convencidos de que as ondas gravitacionais podiam ser detectadas e provocavam uma revolução no nosso conhecimento do Universo.

"Antes nós víamos o Universo. Agora, nós começamos a ouvi-lo”, disse Thorne.

As ondas gravitacionais se espalham à velocidade da luz, preenchendo o Universo. Elas sempre são criadas quando uma massa acelera, como os rodopios de um patinador de gelo ou um par de buracos negros girando um em torno do outro. O físico Albert Einstein estava convencido de que nunca seria possível mensurá-las. A realização do projeto LIGO foi usar um par de interferômetros a laser gigantes para medir uma mudança milhares de vezes menor do que um núcleo atômico, quando a onda gravitacional passar pela Terra.

Apesar do importante papel dos três laureados na descoberta das ondas gravitacionais, as pesquisas tiveram participação de mais de mil cientistas de mais de vinte países, incluindo grupos brasileiros liderados por Odylio Aguilar, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e por Riccardo Sturani, do Centro Internacional de Física Teórica, da Universidade Estadual Paulista (Unesp).

O Instituto Karolinska anunciou em setembro um reajuste de 12% no valor dos prêmios Nobel, que permanecia o mesmo desde 2012: 8 milhões de coroas suecas, o equivalente a cerca de US$ 981 mil, ou R$ 3,1 milhões. Os vencedores de 2017 receberão 9 milhões de coroas, o que significa US$ 1,1 milhão, ou cerca de R$ 3,5 milhões.

Até agora, todos os tipos de radiação e partículas eletromagnéticas, como os raios cósmicos ou os neutrinos, foram utilizados para explorar o Universo. No entanto, as ondas gravitacionais são testemunho direto de interrupções no espaço-tempo. Isso é algo completamente novo e diferente, abrindo mundos invisíveis. Muitas descobertas prosperarão das ondas gravitacionais, propiciando interpretar suas mensagens.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

LED para iluminação conduz ao Prêmio Nobel

A Academia Real de Ciências da Suécia concedeu hoje o Prêmio Nobel de Física a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura pela invenção de diodos de luz azul.

© RSAS (efeito de LED simbolizando o Prêmio Nobel)

Os diodos de luz azul proporcionaram uma fonte econômica de luz branca. Além do amplo reconhecimento de seus trabalhos, eles receberão 8 milhões de coroas suecas (US$ 1,1 milhão) para dividir.

Isamu Akasaki nasceu em 1929 em Chiran no Japão. Fez doutorado na Universidade de Nagoia, onde hoje é professor. Hiroshi Amano nasceu em 1960 em Hamamatsu também no Japão, e é professor na mesma universidade. Shuji Nakamura nasceu em 1954 em Ikata, no Japão, mas tem cidadania americana. Com doutorado na Universidade de Tokushima, ele atualmente é professor na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA. A imagem abaixo mostra os laureados do Prêmio Nobel de Física de 2014; da esquerda para a direita: Akasaki, de 85 anos, Amano, de 54, e Nakamura, de 60.

© AP (laureados do Prêmio Nobel de Física de 2014)

Por muitos anos, a indústria teve à sua disposição LEDs de cor vermelha e verde. No entanto, para obter luz LED branca, era necessário ter a componente azul.

Nos anos 1990, os cientistas premiados conseguiram produzir essa luz, possibilitando o uso de LEDs para iluminação, com gasto muito menor de energia que a usada pelas lâmpadas incandescentes, com consumo pelo menos 90% menor. O consumo de materiais também é diminuída com LEDs que duram até 100.000 horas, em comparação com 1.000 horas para lâmpadas incandescentes e 10.000 horas para lâmpadas fluorescentes.

A iluminação com LEDs é muito mais eficiente que a de lâmpadas tradicionais. Considerando que quase um quarto da energia elétrica usada no mundo é consumida para iluminar ambientes, sua invenção representa uma considerável economia de recursos naturais, também porque as lâmpadas LED usam menos material e são mais duráveis.

Outra vantagem dessa tecnologia é que seu baixo consumo a torna interessante para uso em lugares onde não há acesso à rede elétrica, como regiões muito isoladas ou muito pobres.

Os laureados desafiaram verdades estabelecidas, trabalharam duro e assumiram riscos consideráveis. Construíram eles mesmos seus equipamentos, e levaram a cabo milhares de experimentos. Na maioria das vezes, eles falharam, mas não se desesperaram, foi arte de laboratório em seu nível mais alto.

Especificamente, o mérito dos pesquisadores foi insistir num determinado material para fazer a luz azul brilhar no LED. Eles elegeram o nitreto de gálio e se esforçaram para criar cristais de qualidade para seu uso em lâmpadas, apesar de muitos outros pesquisadores terem desistido por dificuldades técnicas. Sua decisão foi acertada: entre a década de 1980 e 1990, os vencedores do Nobel publicaram uma série de trabalhos que aperfeiçoaram os processos até a obtenção de um LED azul suficientemente funcional.

As lâmpadas de LED branco emitem uma luz branca brilhante, são duradouras e eficientes em termos de energia. Elas são constantemente aperfeiçoadas, ficando cada vez mais eficientes, com maior fluxo luminoso (medido em lúmen) por unidade de potência elétrica de entrada (medido em watts). Um lúmen é o fluxo luminoso dentro de um cone de 1 esferorradiano, emitido por um ponto luminoso em todas as direções com intensidade de 1 candela. O registro mais recente é pouco mais de 300 lm/W, que pode ser comparado a 16 para lâmpadas comuns e perto de 70 por lâmpadas fluorescentes.

O objetivo principal dos pesquisadores dessa área agora é aumentar a potência dos LEDs, para que menos unidades sejam necessárias para obter um grande poder de iluminação.

A lâmpada LED é uma grande promessa para o aumento da qualidade de vida de mais de 1,5 bilhões de pessoas ao redor do mundo que não têm acesso às redes de eletricidade, devido ao baixo consumo de energia que pode ser alimentado por energia solar barata local.

A invenção do LED azul possui apenas vinte anos de existência, mas já contribuiu para criar luz branca de uma maneira totalmente nova para o benefício de todos nós.

As lâmpadas incandescentes iluminou o século 20; o século 21 será iluminado por lâmpadas de LED!

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

A descoberta do bóson de Higgs ganha Nobel

O belga François Englert e o escocês Peter W. Higgs foram outorgados com o Prêmio Nobel de Física de 2013, pela teoria de como as partículas adquirem massa.

© AFP (François Englert e Peter Higgs)

Em 1964, eles propuseram a teoria de forma independente um do outro (Englert, juntamente com o seu colega já falecido Robert Brout). A tentativa de Englert era a de usar o conceito de campos, como o campo elétrico e o magnético, para descrever também a maneira com que as partículas adquirem massa. Assim como a força eletromagnética é explicada pela interação com os fótons (partícula da luz), a massa seria explicada pela interação das partículas com uma outra partícula e outro campo. Englert lançou essa ideia, mas Higgs foi o primeiro a falar sobre propriedades dessa partícula, por isso o bóson acabou ganhando seu nome. A diferença entre o campo de Higgs e um campo elétrico é que o primeiro não está circunscrito a um determinado espaço, mas permeia todo o Universo, ou seja é um campo escalar.

Em 2012, estas hipóteses foram confirmadas pela descoberta de uma chamada partícula de Higgs no laboratório CERN perto de Genebra, na Suíça.

A teoria premiada é uma parte central do Modelo Padrão da física de partículas que descreve como o mundo é construído. De acordo com o Modelo Padrão, tudo, desde flores e pessoas até estrelas e planetas, é composto por apenas alguns blocos de construção: partículas de matéria.

Todo o Modelo Padrão também repousa sobre a existência de um tipo especial de partículas: o bóson de Higgs, também conhecido como a "partícula de Deus". Esta partícula se origina de um campo invisível que preenche todo o espaço. Mesmo quando o Universo parece vazio este campo está lá. Sem ela, nós não existiríamos, porque é a partir do contato com o campo que as partículas adquirem massa. A teoria proposta por Englert e Higgs descreve este processo.

Em 4 de julho de 2012, no laboratório de física de partículas do CERN, a teoria foi confirmada pela descoberta de uma partícula de Higgs. O colisor de partículas do CERN, o LHC (Large Hadron Collider), é provavelmente a maior e mais complexa máquina já construída pelo homem. Dois grupos de pesquisa de cerca de 3.000 cientistas cada um, ATLAS e CMS, conseguiram extrair a partícula de Higgs de bilhões de colisões de partículas no LHC.

© Johan Jarnestad (bóson de Higgs complementa o Modelo Padrão)

Mesmo que seja uma grande conquista ter encontrado a partícula de Higgs, a peça que faltava no quebra-cabeça do Modelo Padrão, o Modelo Padrão não é a peça final do quebra-cabeça cósmico. Uma das razões para isso é que o Modelo Padrão trata certas partículas, neutrinos, como sendo praticamente sem massa, enquanto que estudos recentes mostram que eles realmente têm massa. Outra razão é que o modelo descreve apenas a matéria visível, o que representa apenas um quinto de toda a matéria no cosmos. Para encontrar a misteriosa matéria escura é um dos objetivos que os cientistas continuam na perseguição de partículas desconhecidas no CERN.

Higgs agradeceu ao prêmio em um comunicado divulgado pela Universidade de Edimburgo, onde é professor de Física Teórica. "Espero que este reconhecimento da ciência fundamental ajude a aumentar a consciência sobre a importância da pesquisa imaginativa", completou, ao agradecer a Real Academia de Ciências.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Prêmio Nobel é atribuído à pesquisa quântica

O francês Serge Haroche e o americano David Wineland ganharam nesta terça-feira o prêmio Nobel de Física, segundo anunciou a Academia Real das Ciências da Suécia.

© Nobelprize.org (gato de Schrödinger)

Uma questão central na física quântica é a transição entre o mundo quântico e clássico. Esta questão é ilustrada de uma maneira popular, pelo chamado paradoxo do gato de Schrödinger. Este nome refere-se a um experimento proposto por Schrödinger em 1935, destacando a dificuldade em aplicar os conceitos da mecânica quântica para a vida cotidiana.

Os dois cientistas foram agraciados pelo trabalho na avaliação e manipulação de partículas individuais preservando sua natureza quântica, através de revolucionários métodos experimentais que permitem avaliar e manipular sistemas quãnticos individuais.

Estas pesquisas possibilitará construir um sistema de computadores mais rápido do que o atual por meio da física quântica. Há, ainda, a expectativa de que as pesquisas de Haroche e Wineland permitam analisar, controlar e até contar as partículas quânticas.

As primeiras pesquisas utilizando física quântica também levaram à possibilidade de criação de relógios extremamente precisos, estabelecendo um novo padrão, marcando o tempo com precisão cem vezes maior do que os relógios atuais de Césio.

Este ano, o Prêmio Nobel de Física honra as invenções e descobertas experimentais que permitiram a medição e controle de sistemas quânticos individuais. Eles pertencem a duas tecnologias distintas, porém relacionadas: íons em uma armadilha harmônica e fótons em uma cavidade.
Existem várias semelhanças interessantes entre os dois. Em ambos os casos, os estados quânticos são observados por meio de sistemas de dois níveis acoplados a um oscilador harmônico quantizado, um problema descrito pelo assim chamado Hamiltoniano Jaynes-Cummings. O sistema de dois níveis é constituído por um íon (com dois níveis acoplados por meio de luz laser) ou um átomo altamente excitado (com dois níveis de Rydberg acoplados por meio de um campo de microondas). O oscilador harmónico quantizado descreve o movimento dos íons na armadilha ou o campo de microondas no interior da cavidade.

© CNRS e NIST (Serge Haroche e David Wineland)

Haroche nasceu em 1944 em Casablanca (Marrocos) e atualmente é catedrático de Física Quântica no Colégio da França e na Escola Normal Superior, ambos em Paris. Enquanto, o americano Wineland também nasceu em 1944 e trabalha no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) de Boulder (Colorado, EUA).

Os vencedores deste prêmio, dotado com 8 milhões de coroas suecas (cerca de R$ 2,5 milhões), é 20% menos que no ano passado.

A premiação do Nobel de Físisca será realizada, de acordo com a tradição, em Estocolmo no dia 10 de dezembro, coincidindo com o aniversário da morte de Alfred Nobel.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

Qual será o destino final do Universo?

Os americanos Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Riess são os ganhadores do Prêmio Nobel de Física 2011 por seus trabalhos sobre a expansão acelerada do Universo, informou nesta terça-feira a Real Academia de Ciências da Suécia.

© NASA/ESA (SN 1604 - supernova de Kepler)

Saul Perlmutter, nascido em 1959 nos Estados Unidos,  é astrofísico no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e coordena o Projeto Cosmológico Supernova, na Universidade da Califórnia. Foi eleito membro da Associação Americana para o Avanço da Ciência.

Brian P. Schmidt , nascido também nos Estados Unidos em 1967 e com nacionalidade australiana, é astrofísico do observatório Mount Stromlo da Universidade Nacional da Austrália.

Adam G. Riess, nascido em Washington em 1969, é astrofísico no Instituto Científico de Telescópios Espaciais da Universidade John Hopkins. Foi nomeado membro da Academia Nacional das Ciências dos Estados Unidos.

© AFP (Saul Permutter, Adam Riess e Brian Schmidt)

O prêmio de 10 milhões de coroas suecas, (cerca de R$ 2,8 milhões), será dividido em duas partes. Uma para Perlmutter e, a outra, entre Schmidt e Riess.

O Supernova Cosmology Project, da Universidade de Berkeley, e o High-z Supernova Search Team, da Universidade Nacional da Austrália, estavam mapeando o Universo em busca de suas supernovas (um tipo específico de estrelas no fim de sua vida) mais distantes, para tentar demonstrar que a expansão do Universo estava se desacelerando.

As observações feitas em 1998 por estes astrônomos, associados em duas equipes diferentes, sobre a explosão de supernovas e a análise da luz emitida nessas situações permitiu demonstrar que o Universo cresce de forma acelerada e não cada vez mais devagar, como se achava.

A descoberta da expansão acelerada do Universo foi possível através da observação de um tipo muito especial de supernova: a supernova Ia.

Trata-se da explosão de uma estrela muito antiga e compacta, tão pesada quanto o Sol, mas de tamanho relativamente pequeno, como o da Terra. Uma única supernova pode emitir, durante algumas semanas, tanta luz quanto uma galáxia inteira.

Os dois times de pesquisa descobriram mais de 50 dessas supernova e detectaram que a luz delas era mais fraca do que o esperado, um sinal de que a expansão do Universo estava acelerando.

Embora os resultados contrariassem todas as previsões, ambos os grupos chegaram às mesmas conclusões sobre a aceleração.

Acredita-se que o fenômeno seja causado pela energia escura, que compõe cerca de 70% do Universo e sobre a qual ainda quase não se sabe nada.

As pesquisas realizadas também mostram como as equações da teoria da relatividade geral, desenvolvida em 1915 pelo físico alemão Albert Einstein, estão corretas.

A constante cosmológica foi um recurso usado por Einstein para tentar equacionar a expansão do Universo com apenas a matéria visível disponível.

Antes de morrer, em 1953, Einstein reconheceu a constante cosmológica como um erro. Ele também admitiu que o Universo, de fato, estava se expandindo.

Agora, a constante cosmológica é utilizada para provar o aumento do Universo. Diferente da ideia inicial de Einstein, mas salvando um conceito que era tido como errado há mais de meio século.

No entanto, a descoberta de que essa expansão está se acelerando é espantosa. Se ela continuar acelerando, o Universo  vai acabar em gelo!

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Estudo sobre o grafeno gera Nobel de Física

O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido a Andre Geim e Konstantin Novoselov, por terem sido os primeiros cientistas a identificar, isolar e caracterizar o primeiro cristal bidimensional já descoberto, o grafeno, composto por uma única camada de átomos de carbono.

© NobelPrize.org (ilustração de uma tela de grafeno)

O trabalho de Novoselov e Geim, com a descrição detalhada do grafeno, foi publicado na revista Science em 2004, o que faz do prêmio deste ano um dos reconhecimentos mais rápidos na história do Nobel. Veja o artigo original: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.

© NobelPrize.org (a esquerda: A. Geim e a direita: K. Novoselov)

Andre Geim nasceu 1958 em Sochi, na Rússia, e naturalizado holandês, fez doutorado em Ciências Físicas em 1987 na Academia de Ciências de Chernogolovka e atualmente atua na Universidade de Manchester (Reino Unido). Konstantin Novoselov nasceu em 1974 em Nizhny Tagil, na Rússia, tem dupla nacionalidade britânico-russa, foi professor na Universidade de Nijmegen (Holanda) e é catedrático na Universidade de Manchester.

Durante o anúncio do prêmio, os representantes do comitê Nobel de Física mencionaram várias promessas tecnológicas ligadas ao grafeno, um material que se parece com uma tela de arame, mas com um único átomo de espessura.

As possíveis aplicações são: o sequenciamento de DNA, a criação de novos tipos de célula de energia solar, a detecção de moléculas, a criação de aparelhos eletrônicos dobráveis e flexíveis.

O grafeno é um bom condutor de eletricidade e também é transparente, o que faz dele um forte candidato para o uso em tecnologia eletrônica, por exemplo em telas sensíveis ao toque e na produção de circuitos integrados para utilização em informática e telecomunicações.

O físico Paolo Radaelli, da Universidade de Oxford, lembrou a grande simplicidade da técnica usada por Geim and Novoselov, que se valeram de fita adesiva para isolar camadas de grafeno de uma massa de grafite. "Nesta era de complexidade, com máquinas como o supercolisor, eles conseguiram um Nobel usando fita Scotch", destacou.

Os laureados receberão um diploma, uma medalha de ouro e dividirão um prêmio de 10 milhões de coroas suecas (cerca de R$ 2,5 milhão).

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences