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In Space No One Can Hear You Scream – Or can they ?

O som pode ser transmitido através do vácuo

Há três anos, um experimento mudou para sempre os livros didáticos ao mostrar que o calor pode se mover pelo vácuo, atualizando um saber científico secular.

Agora, outra equipe está exigindo uma nova revisão dos livros de física ao demonstrar que o som também pode ser transmitido através do vácuo.

Zhuoran Geng e Ilari Maasilta, da Universidade de Jyvaskyla, na Finlândia, demonstraram que, nas condições adequadas, uma onda sonora pode pular – ou “tunelar” – diretamente através de um vácuo, saltando entre dois sólidos.

O efeito pode ser particularmente forte em condições mais precisas, mas ele vai aparecer, mesmo fraco, bastando que os materiais sólidos utilizados sejam piezoelétricos.

Nesses materiais, as vibrações (ondas sonoras, representadas pelos fônons) também produzem uma resposta elétrica e, como um campo elétrico pode existir no vácuo, ele pode carregar com ele as ondas sonoras, servindo como uma espécie de onda portadora.

“Ondas acústicas (fônons acústicos) são deformações ou vibrações que se propagam através de um meio material. Desta forma, elas não existem no vácuo, levando à conclusão inicial de que é impossível para o vácuo transmitir a energia de uma onda acústica entre dois meios separados. No entanto, na escala atômica, as vibrações dos núcleos [atômicos] podem se propagar por meio de suas interações elétricas através do vácuo,” explicaram os pesquisadores.

Tunelamento de fônons

Um material piezoelétrico gera um pulso elétrico quando recebe um impacto mecânico ou vice-versa. Assim, uma onda mecânica viajando através desse material leva consigo campos elétricos tão fortes que tornaram os piezoelétricos úteis em inúmeras aplicações, como acendedores de fogões, por exemplo.

O que os pesquisadores demonstraram agora é que, quando a onda mecânica (acústica) chega à borda do material, encontrando uma superfície livre, ela estende um campo elétrico evanescente e decadente (cuja energia decai no espaço percorrido) pelo espaço livre. Se esse espaço for um vácuo, o mecanismo é forte o suficiente para fazer o fônon tunelar pelo vácuo, assim como os elétrons tunelam pelos semicondutores nos transistores.

O requisito é que o tamanho do espaço de vácuo seja menor do que o comprimento de onda da onda sonora. O efeito funcionou não apenas na faixa de frequências de áudio (Hz-kHz), mas também nas frequências de ultrassom (MHz) e hipersom (GHz), bastando ir diminuindo o intervalo de vácuo à medida que as frequências aumentam.

“Na maioria dos casos, o efeito é pequeno, mas também encontramos situações em que toda a energia da onda salta no vácuo com 100% de eficiência, sem nenhuma reflexão. Desta forma, o fenômeno pode encontrar aplicações em componentes microeletromecânicos (MEMS) e no controle de calor,” disse o professor Maasilta.

Bibliografia:

Artigo: Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals
Autores: Zhuoran Geng, Ilari J. Maasilta
Revista: Communications Physics – Vol.: 6, Article number: 178
DOI: 10.1038/s42005-023-01293-y

Fonte : Inovação Tecnológica

 

E=mc2 pode falhar no espaço

E=mc<sup>2</sup> pode falhar no espaço
Uma pequena sonda espacial, levando átomos de hidrogênio e alguns detectores, pode testar se a famosa equação de Einstein vale em qualquer parte do espaço.
Equação local

O físico Andrei Lebed está agitando o mundo da física com uma ideia intrigante, mas que pode ser testada experimentalmente.

Segundo ele, a equação mais emblemática do mundo, a famosa E = mc2 de Albert Einstein, pode estar correta ou não, dependendo de onde você está no espaço.

Lebed propõe que a equação de equivalência entre massa e energia funciona no espaço curvado por um objeto celeste, mas não no espaço plano.

E ele propõe um experimento para testar sua ideia: uma sonda espacial levando consigo átomos de hidrogênio.

O átomo mais simples encontrado na natureza, o hidrogênio, consiste apenas de um núcleo orbitado por um elétron. Os cálculos de Lebed indicam que o elétron pode saltar para um nível de energia mais elevado apenas quando o espaço é curvo. A ideia pode ser testada detectando fótons emitidos durante esses eventos de comutação de energia.

Conceito de massa

A chamada Teoria da Relatividade Especial de Einstein é expressa na famosa equação E=mc2, onde E significa energia, m massa e c a velocidade da luz (elevada ao quadrado).

Os físicos já validaram as ideias de Einstein em inúmeras experiências e cálculos, e em muitas tecnologias, incluindo bombas atômicas, telefones celulares e GPS.

Uma das consequências bem conhecidas da relatividade é que a massa dos objetos curva o espaço ao seu redor.

A chave para o argumento de Lebed reside justamente no conceito de massa.

De acordo com o paradigma aceito hoje, não há diferença entre a massa de um objeto em movimento, que pode ser definida em termos da sua inércia, e a massa outorgada a esse objeto por um campo gravitacional.

Em termos simples, o primeiro conceito, também chamado de massa inercial, é o que faz com que o pára-choques de um carro se dobre com o impacto em um poste, enquanto o segundo, chamado massa gravitacional, é vulgarmente conhecido como “peso”.

E=mc<sup>2</sup> pode falhar no espaço

Um pulsar superpesado parece ser pesado demais mesmo para as teorias de Einstein, tendo recentemente colocado a teoria em cheque. [Imagem: David A. Aguilar (CfA)/NASA/ESA]

Massas inercial e gravitacional

Este princípio de equivalência entre as massas inercial e gravitacional vem sendo confirmado com um nível de precisão cada vez mais elevado.

“Mas meus cálculos mostram que, acima de uma certa probabilidade, há uma chance muito pequena, mas real, de que a equação falhe para uma massa gravitacional,” disse Lebed.

Quando se mede seguidamente o peso de objetos quânticos – como um átomo de hidrogênio -, o resultado será o mesmo na grande maioria dos casos. Mas uma pequena porção dessas medições vai dar uma leitura diferente, em uma aparente violação de E=mc2.

Isto tem confundido os físicos, mas poderia ser explicado se massa gravitacional não fosse o mesmo que massa inercial, o que é um paradigma em física.

“A maioria dos físicos não concorda com isso porque acredita que a massa gravitacional iguala exatamente a massa inercial,” diz Lebed. “Mas o que defendo é que a massa gravitacional pode não ser igual à massa inercial devido a alguns efeitos quânticos na Relatividade Geral, que é a teoria da gravitação de Einstein.”

E=mc<sup>2</sup> pode falhar no espaço

Por outro lado, o espaço pode não ser totalmente plano fora do raio de ação das grandes massas:Universo pode ter singularidade não prevista por Einstein. [Imagem: NASA]

Conceito de gravidade de Einstein

De acordo com Einstein, a gravidade é o resultado de uma curvatura no próprio espaço.

Pense em um colchão sobre o qual foram colocados vários objetos, por exemplo, uma bola de pingue-pongue, uma bola de beisebol e uma bola de boliche. A bola de pingue-pongue não fará uma curvatura visível, a bola de beisebol vai fazer um declive muito pequeno e a bola de boliche vai afundar na espuma.

Estrelas e planetas fazem o mesmo para o espaço – quanto maior a massa de um objeto, maior será a cavidade que ele fará no tecido do espaço. Em outras palavras, quanto mais massa, mais forte é o puxão gravitacional.

Neste modelo conceitual da gravitação é fácil ver como um pequeno objeto, como um asteroide errante pelo espaço, eventualmente é pego na “depressão” de um planeta, preso em seu campo gravitacional.

De acordo com o físico, é a curvatura do espaço que torna a massa gravitacional diferente da massa inercial.

Sonda da massa

Lebed sugere testar sua ideia medindo o peso do objeto quântico mais simples: um único átomo de hidrogênio – na verdade, como ele espera que o efeito será extremamente pequeno, serão necessários muitos átomos de hidrogênio.

Veja como funcionaria:

E=mc<sup>2</sup> pode falhar no espaço

O Telescópio Einstein é uma das principais esperanças dos físicos para detectar as ondas gravitacionais. [Imagem: NASA]

Em raras ocasiões, o elétron que circula ao redor do núcleo do átomo salta para um nível mais elevado de energia, que pode ser imaginado aproximadamente como uma órbita mais larga. Em pouquíssimo tempo, o elétron volta para seu nível de energia anterior.

De acordo com a equação E=mc2, a massa do átomo de hidrogênio vai mudar junto com a alteração do nível de energia do elétron.

Aqui embaixo, onde o espaço está curvado pela massa da Terra, tudo funciona como bem se sabe. Mas o que aconteceria se levássemos o mesmo átomo a uma certa distância da Terra, onde o espaço não é mais curvado, mas plano?

Certo, o elétron não poderia saltar para níveis mais elevados de energia porque, no espaço plano, ele estaria confinado ao seu nível primário de energia. Não haveria salto no espaço plano.

“Neste caso, o elétron pode ocupar somente o primeiro nível do átomo de hidrogênio,” explica Lebed. “Ele não sente a curvatura da gravidade.”

Lebed afirma que a nave não teria que ir muito longe: “Nós teríamos que enviar a sonda para o espaço cerca de duas ou três vezes o raio da Terra, e tudo vai funcionar”.

Casamento duvidoso

Segundo o físico, seu trabalho é a primeira proposta para testar a combinação da mecânica quântica e da teoria da gravidade de Einstein no Sistema Solar.

“Não há experiências diretas sobre o casamento dessas duas teorias”, disse ele. “É importante não só do ponto de vista de que a massa gravitacional não é igual à massa inercial, mas também porque muitos veem esse casamento como uma espécie de monstruosidade. Eu gostaria de testar este casamento. Quero ver se ele funciona ou não.”

[Imagem: NASA]

Fonte : Inovação Tecnológica

Alcançada temperatura abaixo do zero absoluto

Além da escala Kelvin

A escala de temperaturas absolutas – conhecida como escala Kelvin – é um dos conceitos centrais da física.

Por definição, nada pode ser mais frio do que o zero absoluto, estabelecido em 0 Kelvin, ou -273,15 °C.

Contudo, há muito os físicos sabem que, abaixo do zero absoluto, há todo um reino de temperaturas absolutas negativas.

Em 2011, um grupo de físicos teóricos alemães demonstrou que, se não é possível passar suavemente pelo zero absoluto, como acontece na escala Celsius, é possível saltar pelo 0 K e ir diretamente para esse reino ainda inexplorado.

 

Agora, uma outra equipe alemã fez os experimentos e demonstrou na prática como ir abaixo do zero absoluto.

E a realidade mostrou-se impressionante: abaixo do quase inatingível frio absoluto estão algumas das temperaturas mais quentes já observadas no Universo.

O resultado terá largas implicações em várias áreas científicas, da física básica à cosmologia.

Calor absoluto

Simon Braun e seus colegas da Universidade Ludwig Maximilian de Munique obtiveram a temperatura absoluta negativa movendo átomos em um gás ultrafrio.

Na escala Kelvin normal – das temperaturas absolutas positivas – a temperatura é proporcional à energia cinética média das partículas.

Mas nem todas as partículas têm a mesma energia – há na verdade uma distribuição de energia, sendo os estados de baixa energia mais ocupados do que os estados de alta energia – isto é conhecido como distribuição de Boltzmann.

No caso das temperaturas Kelvin negativas, a distribuição é invertida, e os estados de alta energia são mais ocupados do que os estados de baixa energia.

O resultado é um calor que se aproxima do estado mais quente que se pode obter quanto mais próximo a temperatura absoluta negativa está do zero absoluto.

A inversão drástica dos estados de energia – uma distribuição de Boltzmann invertida – faz com que a temperatura sub-Kelvin não seja mais fria, mas incrivelmente quente.

“Ela é ainda mais quente do que qualquer temperatura positiva – a escala de temperaturas simplesmente não vai ao infinito, ela salta para valores negativos,” disse Ulrich Schneider, coordenador da equipe.

Segundo o pesquisador, essa contradição é apenas aparente, e nasce da forma como a temperatura absoluta tem sido definida ao longo da história – o experimento abre a possibilidade de uma nova definição da temperatura, o que pode fazer com que a contradição desapareça.

Motor com eficiência maior que 100%

A matéria em temperaturas negativas absolutas pode ter consequências científicas e tecnológicas sem precedentes.

Com um sistema robusto o suficiente poderá ser possível criar motores a combustão com uma eficiência energética que supere os 100%.

E isso não significa uma violação da lei de conservação de energia – esse motor hipotético poderia não apenas absorver energia do meio quente, executando um trabalho como os motores normais, mas também extrair energia do meio mais frio, executando trabalho adicional.

Sob temperaturas absolutamente positivas, o meio mais frio inevitavelmente se aquece, absorvendo uma parte da energia do meio mais quente, o que impõe um limite à eficiência do motor.

Contudo, se o meio quente tiver uma temperatura absoluta negativa, é possível absorver energia dos dois meios simultaneamente.

O trabalho realizado pelo motor será, portanto, maior do que a energia retirada apenas do meio quente – sua eficiência será superior a 100%.

Físicos alcançam temperatura abaixo do zero absoluto

O experimento pode ser comparado a esferas em uma superfície ondulada. Nas temperaturas positivas (esquerda) a maioria das esferas fica nos vales, em seu estado de energia mínimo, quase imóveis – uma distribuição de Boltzmann normal. Em uma temperatura infinita (centro), as esferas se distribuem uniformemente nos dois estados. Na temperatura absoluta negativa (direita), entretanto, a maioria das esferas vai para os picos, no limite superior de energia potencial (e cinética). Os estados com energia total mais elevada ocorrem mais frequentemente – uma distribuição de Boltzmann invertida. [Imagem: LMU/MPG Munich]

Desafiando a gravidade

O experimento tem também um impacto direto para o campo da cosmologia, mais especificamente, sobre a energia escura, uma força ainda desconhecida que os cientistas usam para explicar a aceleração da expansão do Universo.

Com base apenas nas forças conhecidas, o Universo deveria estar se contraindo devido à atração gravitacional entre todas as massas que o compõem.

O experimento da temperatura absoluta negativa revelou um fenômeno que desafia a gravidade, agindo no sentido contrário, exatamente como se propõe que a energia escura faça.

O experimento se baseia no fato de que os átomos no gás não se repelem uns aos outros, como nos gases normais.

Na verdade, eles interagem de forma atrativa, ou seja, os átomos exercem uma pressão negativa.

A nuvem de átomos tenderia naturalmente a se contrair, devendo colapsar, exatamente como em um Universo onde apenas a gravidade estivesse atuando.

Isso, contudo, não acontece justamente por causa da temperatura absoluta negativa, extremamente quente – e o gás não colapsa, exatamente como o nosso Universo.

Temperatura absoluta negativa

A inversão dos estados de energia das partículas em um sistema ultrafrio não pode ser realizada em um sistema natural – como a água, por exemplo – porque o material teria que absorver uma quantidade infinita de energia.

Mas a coisa é bem diferente quando se trabalha com um sistema no qual as partículas – ou átomos – tenham um limite superior de energia.

Simon Braun trabalhou com um sistema artificial, composto por cerca de 100 mil átomos em uma câmara de vácuo, o que os torna perfeitamente isolados do ambiente externo.

Os átomos foram resfriados a uma temperatura de alguns bilionésimos de um Kelvin, uma das temperaturas mais frias que se consegue obter em laboratório.

Os átomos no gás ultrafrio foram então capturados por armadilhas ópticas, feitas por feixes de raios laser, e dispostos em uma matriz perfeitamente ordenada.

Cada átomo pode mover-se do seu local na matriz óptica para o local vizinho por tunelamento, mas sem perder algo que é fundamental para o experimento: ao contrário dos sistemas naturais, as partículas da matriz óptica possuem um limite superior de energia.

Assim, a temperatura do sistema não depende apenas da energia cinética, mas da energia total das partículas, o que inclui as energias potencial e de interação, ambas igualmente com um limite superior impostas pelo experimento.

Em condições normais, os átomos tenderiam a escapar da rede óptica, colapsando e aglomerando-se novamente em uma nuvem disforme, sugada para baixo pela gravidade. Mas os cientistas ajustaram a rede óptica para que fosse energeticamente mais favorável aos átomos permanecerem em suas posições ordenadas.

Os cientistas então levaram os átomos até seu nível superior de energia total, materializando uma temperatura absoluta negativa, de alguns bilionésimos -K, em um sistema que se manteve estável.

Físicos alcançam temperatura abaixo do zero absoluto

Devido à forma como a temperatura é definida, não há uma transição suave entre as temperaturas absolutas positivas e negativas – tão logo a distribuição de energia é invertida, atinge-se um calor descomunal.[Imagem: LMU/MPG Munich]

 

Fonte : Inovação Tecnológica