Sondas quânticas que não matam o gato de Schrödinger

Por David Shiga

Fonte: New Scientist

Créditos da Imagem: New Scientist

Em breve pode ser possível extrair informações de um objeto quântico – e até mesmo manipulá-lo – sem destruir seu delicado estado quântico ao mesmo tempo. O resultado seria uma benção para a computação quântica, que requer controle sobre tais estados. Isso também desafiaria um experimento mental criado pelo físico Erwin Schrödinger: em princípio, agora é possível olhar dentro da caixa sem colocar em risco a vida do bichano que está lá.

Estados que são mutuamente excludentes na física clássica podem existir simultaneamente no estranho mundo da mecânica quântica – uma situação chamada de superposição. Para ilustrar esse efeito, Schrödinger imaginou colocar um gato em uma caixa, junto com um dispositivo que liberaria veneno para matá-lo, dependendo do decaimento aleatório de um átomo radioativo. Uma vez que o estado quântico do átomo só assume um valor definitivo quando alguém o observa, o gato está morto e vivo ao mesmo tempo até que a caixa seja aberta.

No entanto, as superposições são frágeis. Perturbações externas, incluindo observações, tendem a destruir a “coerência” desses estados, forçando o sistema a colapsar em apenas uma das possibilidades. Quanto maior o sistema, mais difícil é isolá-lo de influências externas.

Em 2010, físicos puseram o maior sistema em superposição até agora: uma faixa de 40 micrômetros feita de material piezoelétrico, que se expande e contrai em resposta a mudanças de voltagem. Eles o puseram em uma superposição de oscilações mínimas e mais vigorosas, mas o método que usaram para observar o sistema fez com que ele perdesse seu estado duplo.

Outra equipe agora propõe dar um passo além, colocando um fio, com mais ou menos o mesmo tamanho, em superposição e oferecendo um esquema para observá-lo, e até mesmo manipulá-lo, sem destruir o estranho estado quântico. Kurt Jacobs da Universidade de Massachusetts, em Boston, e sua equipe descrevem a idéia em um estudo que será publicado em Physical Review A.

O primeiro passo é colocar o fio em uma superposição na qual vibrações simultaneamente o deslocam o mesmo tanto em direções opostos, como a corda de uma guitarra que é puxada em duas direções ao mesmo tempo. Em seguida, uma carga elétrica pode ser adicionada ao fio, criando um campo eletromagnético que pode ser detectado por um sensor (veja o diagrama).

Mesmo que o senor não possa identificar a posição da carga – e, portanto, do fio – ele pode detectar o quão distante a carga está de uma posição neutra, “não-puxada”. Isso revela algumas informações sobre o sistema – essencialmente fornecendo um vislumbre de dentro da caixa que contém o gato de Schrödinger. A chave é que se evite abrir a caixa completamente, o que destruiria a superposição, afirma Jacobs: “Eu extraio informações, mas de maneira que não descubra muita coisa”.

Outros esquemas para olhar dentro da caixa envolviam destruir parcialmente a superposição e então tentar restaurá-la. “Em nosso artigo, o ponto crucial é que a medição não destrua a coerência”, observa Jacobs.

A equipe também propõe ajustar a tensão do fio para modificar o tamanho das vibrações, um ajuste que não destruiria a frágil superposição.

Executar esse experiment ainda vai demorar alguns anos, pondera a equipe – os sensors necessários para fazer as sutis medições precisam ser menos vulneráveis a ruídos de interferência. Se o experimento se provar um sucesso, seria um passo na direção da computação quântica.

Computadores quânticos, que ainda estão para ser construídos, seriam capazes de fazer muito mais cálculos simultaneamente do que os computadores convencionais. Isso se deverá à capacidade que os sistemas quânticos possuem de estar em mais de um estado ao mesmo tempo. Construir um computador assim requer ser capaz de ler e alterar o estado de sistemas quânticos, processos que o novo experimento procura alcançar. “Essa proposta pode se provar muito útil”, considera Aephraim Steinberg, da Universidade de Toronto, no Canadá.  

Teleportando o gato de Schrödinger

Observar um objeto em mais de um estado quântico ao mesmo tempo – em superposição – ainda é um objetivo elusivo (ver artigo principal), mas teleportar um objeto assim já é coisa do passado. Noriyuki Lee da Universidade de Tóquio, Japão,e seus colegas conseguiram fazer a luz em uma superposição de estados desaparecer em um lugar e reaparecer em outro.

Eles tiraram vantage do emaranhamento, uma propriedade quântica que cria uma fantasmagórica conexão entre objetos separados e que age mesmo à distância. Eles emaranharam os dois feixes de luz, de modo que medir um deles afetaria o resultado da medição do outro. Depois de misturar um dos feixes emaranhados com pulsos de luz em uma superposição de muitos estados quânticos, eles foram capazes de recriar a superposição no segundo feixe emaranhado (Science, DOI: 10.1126/science.1201034).

“Isso mostra que a manipulação controlada de objetos quânticos atingiu... objetivos que pareciam impossíveis há alguns anos”, avalia Philippe Grangier do Instituto de Ótica em Palaiseau, França.

O LHC encontrou uma pista do Higgs?

Em: Physics & Math

Fonte: New Scientist 

Por David Shiga, repórter 

(Créditos da Imagem: ATLAS Experiment © 2011 CERN)

Os blogs dos físicos estão cheios de conversas sobre um possível sinal do bóson de Higgs – ou talvez de uma partícula completamente inesperada – nos dados do Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês) próximo de Genebra, na Suíça. No entanto, essa alegação ainda não passou pelo processo de avaliação e pode facilmente estar errada, observam os cientistas.

O LHC, que esmaga feixes de prótons uns contra os outros, foi construído principalmente com a esperança de capturar a primeira evidência observacional do Higgs, que, supõe-se, dota as demais partículas de massa. O Higgs é a última partícula a ser descoberta no modelo padrão da física de partículas, que reina supremo há três décadas explicando como as partículas e forças interagem.

Os últimos rumores sobre sua possível observação vêm de um resumo que foi postado por um comentário anônimo no blog do matemático Peter Woid, na quinta-feira.

O resumo parece ser parte de um artigo mais longo, escrito por quatro físicos envolvidos no detector ATLAS, do LHC, apesar de o artigo completo ainda não ter sido postado publicamente.

Os autores do resumo dizem que os dados do ATLAS mostram mais pares de fótons do que o esperado com uma energia de 115GeV.

Esse número é interessante porque muitos físicos acreditam que o bósons de Higgs provavelmente tem uma massa de cerca de 115GeV – pelo menos se a supersimetria, uma popular teoria que amarra algumas das pontas soltas do modelo padrão, estiver correta. (Os físicos geralmente usam unidades de energia para descrever a massa das partículas, uma vez que elas estão relacionadas de acordo com a fórmula de Einstein E=mc²).

O Higgs ocasionalmente deveria decair em um par de fótons, o que produziria um “caroço” na distribuição energética desse par de fótons. Mas se o Higgs têm as propriedades previstas pelo modelo padrão, esse caroço deveria ser pequeno demais para ser visto. O caroço alegado no resumo é 30 vezes maior do que o valor esperado.

O blog Résonaances do físico Adam Falkowski tem uma boa análise das possíveis explicações para o sinal. Os bloggers e físicos Tommaso Dorigo e Lubos Motl também têm discussões interessantes.

O consenso parece ser de que o dito artigo é real, e não algum tipo de boato, mas o resultado pode muito bem estar errado.

No entanto, é possível que o Higgs simplesmente se comporte de uma maneira diferente da esperada. Os físicos têm sonhado com muitas maneiras de estender o modelo padrão de modo a modificar as propriedades do Higgs. Algumas dessas maneiras aumentariam o tamanho do caroço do par de fótons, apesar de que torná-lo grande o suficiente ainda parece ser forçado.

Ou talvez o caroço possa ser de alguma nova partícula inesperada, e não do Higgs.

No entanto, talvez a explicação mais provável seja que esse caroço seja um erro. Colisões de partículas são confusas e é necessária uma análise muito cuidadosa para separar anomalias de eventos de fundo mundanos. Um erro durante o percurso pode fazer um caroço que não está lá de verdade, aparecer.

Vale a pena notar que a alegação ainda está em um estágio inicial. Aparentemente o artigo ainda não foi revisado ou recomendado pela equipe do ATLAS, uma organização com centenas de físicos que controla o detector.

Em comparação, a aparição a 145 GeV vista recentemente em um tipo diferente de medida no colisor Tevatron, do Fermilab em Batavia, no estado de Illinois, tem o apoio da equipe que controla o experimento CDF no qual o resultado foi baseado.

Mesmo se o caroço de 115GeV desaparecer, as chances de o LHC produzir mais resultados interessantes em breve são boas. O CERN reporta hoje que o LHC quebrou o recorde de feixes mais intensos de partículas em colisão, roubando o título do Tevatron. O LHC já havia quebrado o recorde de energia de colisão, mas agora ele também tem a mais alta taxa de colisões de partículas por segundo, o que deve acelerar novas descobertas.

A missão Kepler, da NASA, ajuda a revelar os segredos mais ocultos das Estrelas Gigantes pela primeira vez

Fonte: NASA

Os astrofísicos da University of Sidney estão por trás de uma grande descoberta referente ao estudo dos cidadãos mais velhos de nossa galáxia: as estrelas conhecidas como Gigantes Vermelhas. Usando medições de brilho de alta precisão obtidas pela sonda Kepler, os cientistas conseguiram distinguir diferentes profundas dentro dos núcleos das estrelas que, de outra forma, parecem iguais em sua superfície.

A descoberta, publicada na última edição da revista Nature e possibilitada pelas observações realizadas utilizando-se o poderoso telescópio espacial Kepler da NASA, está lançando uma nova luz sobre a evolução das estrelas, incluindo nosso próprio Sol.

O principal autor do artigo, o professor Tim Bedding da University of Sidney, explica: “Gigantes vermelhas são estrelas evoluídas que exauriram o suprimento de hidrogênio que alimenta a fusão nuclear em seus núcleos e, em vez disso, queimam o hidrogênio de uma cápsula adjacente que o cerca. Quando o fim de suas vidas se aproxima, as gigantes vermelhas começam a queimar o hélio que se encontra em seus núcleos.
O telescópio especial Kepler permitiu ao Professor Bedding e seus colegas estudar a luz das estrelas de centenas de gigantes vermelhas com um nível de precisão sem precedentes durante quase um ano, abrindo uma janela para o núcleo estelar.
“As mudanças no brilho da superfície de uma estrela são resultado dos movimentos turbulentos dentro dela, que causam “estrelemotos” constantes, criando ondas sonoras que viajam por seu interior e de volta para a superfície”, afirmou o professor Bedding.

“Sob as condições adequadas, essas ondas interagem com outras que estão presas dentro do núcleo de hélio da estrela. Esses modos de oscilação “misturada” são a chave para a compreensão de um determinado momento da vida das estrelas. Ao medir cuidadosamente características muito sutis das oscilações no brilho de uma estrela, nós podemos ver que algumas delas ficaram sem hidrogênio em seu centro e que agora estão queimando hélio e, portanto, estão em um estágio de vida mais avançado”.

Em um artigo complementar na mesma edição da Nature, que destaca a importância da descoberta, o astrônomo Travis Metcalfe, do Centro Nacional para Pesquisa Atmosférica dos EUA (US National Center for Atmosferic Research), compara as Gigantes Vermelhas às estrelas de Hollywood, cuja idade nem sempre é óbvia quando se olha para sua superfície. “Durante certas fases da vida de uma estrela, seu tamanho e brilho são notavelmente constantes, mesmo enquanto transformações profundas estão ocorrendo dentro delas”.

O professor Bedding e seus colegas trabalham em um campo em expansão chamado de astrosismologia. “Da mesma maneira que os geólogos usam os terremotos para explorar o interior da Terra, nós usamos estrelemotos para explorar a estrutura interna das estrelas”, explica ele.

O professor Bedding disse que: “Nós estamos muito empolgados com os resultados. Tínhamos uma idéia, nascida a partir de modelos teóricos, de que esses padrões de oscilação súbita poderiam existir, e isso confirma nossos modelos. Isso nos permite diferenciar gigantes vermelhas umas das outras, e agora podemos comparar a fração de estrelas que estão em diferentes momentos de evolução de uma maneira que não poderíamos ter feito antes”.

Daniel Huber, um doutorando que trabalha com o professor Bedding, adiciona: “Isso mostra o quão maravilhoso é o satélite Kepler. O principal objetivo do telescópio era encontrar planetas do tamanho da Terra que poderiam ser habitáveis, mas ele também nos forneceu uma grande oportunidade para aperfeiçoar nosso entendimento das estrelas”.

Clique aqui para ampliar.

Estudos das frequencias oscilatórias de muitas estrelas, com precisão muito alta, fornecem insights sobre a evolução estelar ao desvendarem como os núcleos das estrelas mudam (começando a partir do canto inferior esquerdo na sequência acima), transformando-se de núcleos de fusão e queima de hidrogênio em núcleos de fusão e queima de hélio, com estados intermediários nos quais as cápsulas de fusão e queima de hidrogênio se expandem até o tamanho de gigantes vermelhas. Uma estrela com cápsula de fusão de hidrogênio e uma estrela com núcleo de fusão de hélio são indistinguíveis quando se olha apenas para as propriedades de sua superfície. Do lado de dentro, porém, elas são radicalmente diferentes.

Créditos da imagem: Thomas Kallinger, University of British Columbia and University of Vienna

Clique aqui para ampliar.

 
Kepler, o paparazzi das estrelas celestiais, tira fotos de oscilações que podem ser usadas para dizer o tamanho e a idade de uma estrela. Conforme uma estrela “queima” hidrogênio em reações de fusão, o hélio vai se acumulando no núcleo estelar. O hélio é mais denso do que o hidrogênio e, já que ondas se propagam mais rapidamente através de materiais mais densos, as ondas viajam mais rápido através do núcleo conforme o hélio se acumula por lá. As ondas que passam direto pela linha central (a parte branca) e as ondas que quicam ao redor do lado de fora do núcleo (as linhas coloridas) produzem oscilações no brilho da superfície.

Créditos da imagem: Travis Metcalfe, National Center for Atmospheric Research

Antimatéria de Verdade: Colisor gera antinúcleo mais massivo até agora

O Colisor Relativístico de Íons Pesados produziu vários núcleos da contraparte de antimatéria do hélio 4

Por John Matson, em 24 de março de 2011 

Fonte: Scientific American

DANÇA DAS SOMBRAS: Dentre a chuva de partículas produzidas em colisões de íons de ouro, os pesquisadores identificaram antinúcleos raros e fugidios de hélio 4. (Imagem: STAR Collaboration/BNL)

A maioria das pessoas sabe duas coisas sobre o hélio. Uma é que ele deixa sua voz muito engraçada quando você o inala e, a outra, é que ele é extremamente leve, e é por isso que balões cheios de hélio flutuam pelo ar, que é mais pesado que esse elemento. Porém, em termos de Física de partículas – especialmente em se tratando da Física nuclear de antimatéria – o hélio não é nenhum peso-leve. Com dois prótons e dois nêutrons, o hélio comum é quatro vezes mais massivo que o hidrogênio, o elemento mais leve. (Tanto o hidrogênio quanto o hélio têm outros isótopos estáveis – variedades atômicas com massas diferentes – mas eles são raros na natureza).

O domínio da antimatéria é uma espécie de mundo das sombras no qual as partículas de nosso mundo dominado pela matéria têm contrapartes de aniquilação mútua – o elétron possui um parceiro de antimatéria no pósitron, o próton tem o antipróton, o nêutron tem o antinêutron, e assim por diante. O big bang deveria ter produzido imensas quantidades tanto de matéria quanto de antimatéria, mas essa última é misteriosamente rara em nossa experiência, e os físicos e cosmólogos gostariam de saber por quê. Para investigar essa aparente assimetria da natureza, os cientistas vêm produzindo antipartículas subatômicas em colisões de altas energias durante décadas e conseguiram até mesmo produzir núcleos de vida curta e átomos de antimatéria.

No entanto, esses antinúcleos e anti-átomos são difíceis de capturar – elas se aniquilam em uma explosão de energia quando em contato com a onipresente matéria comum – e até agora só haviam sido criadas em sua forma mais rudimentar, como pequeninos aglomerados de antiprótons, antinêutrons e, às vezes, pósitrons. Agora um grupo de pesquisa, usando um colisor de partículas no Brookhaven National Laboratory em Upton, no estado americano de Nova Iorque, produziu o conjunto mais massivo de antimatéria até o momento: dois antiprótons e dois antinêutrons, que juntos constituem o gêmeo de antimatéria do núcleo de hélio 4, também conhecido como partícula alfa. (Hélio 4 é o hélio normal; uma contraparte de antimatéria já havia sido observada para um isótopo mais leve e mais raro, o hélio 3, que possui dois prótons e um nêutron).
Peneirando os destroços de partículas resultantes de um bilhão de esmagamentos entre íons de ouro, cada um viajando a 99,995% da velocidade da luz no Colisor Relativístico de Íons Pesados de Brookhaven antes de se arrebentarem juntos dentro do detector STAR, os pesquisadores identificaram 18 núcleos separados de antihélio 4. (Para fins de abreviação, o colisor é conhecido como RHIC e STAR é um acrônimo para Rastreador Solenoidal – Solenoidal Tracker, em inglês). O antinúcleo, uma vez criado nas colisões, se aniquilou rapidamente com a matéria comum presente no detector e desapareceu. Os pesquisadores anunciaram sua descoberta em 16 de março em um artigo postado no website de versões preliminares (preprints) arXiv.org.

Os autores do estudo enviaram o artigo para a Nature, que tem uma rígida política de silêncio midiático antes de uma publicação. Dessa forma, eles não quiseram discutir seu trabalho. (Scientific American é parte do Nature Publishing Group).

No entanto, físicos independents afirmam que o resultado é um impressionante, senão completamente surpreendente, golpe experimental: “O fato de eles poderem extrair esses objetos raramente produzidos é uma conquista técnica enorme”, considera Tom Cohen, um físico nuclear da University of Maryland, em College Park. “Mas todos acreditavam – eu deveria dizer que a maioria quase sabia – que partículas anti-alfa poderiam existir”. Cohen compara esse feito com o escalar da montanha mais alta do mundo: “É impressionante conseguir fazê-lo, mas o fato de existir um cume no Monte Everest não é surpresa nenhuma”.
Outro físico, que preferiu permanecer anônimo por ter recebido pedidos para que evitasse falar em público sobre os resultados, ecoou a reação de Cohen. “É realmente muito, muito impressionante que eles conseguiam fazer isso, observar esses eventos raros e isolá-los de maneira convincente”, afirma. “O que eles descobriram é que não há nada surpreendente: tudo está onde foi previsto que estaria”.

O que seria um choque seria algum desvio na maneira com que a antimatéria se comporta quando comparada com a matéria, porque isso poderia ajudar a explicar porque nossos arredores cósmicos são dominados pela matéria e quase não possuem antimatéria. Colisores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons fora de Genebra, estão se aproximando cada dia mais de níveis de energia semelhantes aos do big bang para procurar por esses indícios da nova física. E experimentos complementares a energias mais baixas já conseguiram produzir, então capturar – ainda que brevemente – átomos de antihidrogênio, visando a realizar medições precisas das propriedades dos anti-átomos. No entanto, até agora, a causa da assimetria entre matéria e antimatéria permanece uma questão em aberto.      

Quanto à recente descoberta do núcleo de antihélio 4, é provável que o STAR mantenha a coroa por partículas mais massivas de antimatéria durante um tempo. O próximo núcleo estável na tabela periódica é o lítio 6, com três prótons e três nêutrons; ele, também, terá uma contraparte de antimatéria. Ainda assim, os pesquisadores do STAR observam que núcleos como os de antihélio 4 são tão raros que só aparecem 18 vezes em um bilhão de colisões, e o antilítio 6 é ainda mais raro. Sua taxa de produção esperada é de aproximadamente um milionésimo daquela do antihélio 4, deixando-o além do alcance dos aceleradores atuais.