Amplituhedron

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A ilustração acima é um representação artística do amplituhedron, feita por Andy Gilmore. E o que significa Amplituhedron? É um nome esquisito para um objeto geométrico recentemente descoberto, em 2013, onde a investigação nesta área tem sido liderada por Nima Arkani-Hamed.

Para que serve esse objeto? Simplifica os cálculos de interações de partículas e desafia a noção de que o espaço e tempo são componentes fundamentais da realidade. Amplituhedron torna tão simples os cálculos que é possível fazer facilmente, em papel, o que era inviável até mesmo com um computador.

Entedi a grande vantagem dessa simplificação, mas que cálculos são esses? Bem, os cálculos interações de partículas é um dos eventos mais básico da natureza, e é estruturada pela Teoria Quântica de Campos, em aplicação conjunta da mecânica quântica e da relatividade especial. E essa nova construção de Nima, codifica amplitudes (blocos de construção de probabilidades em física de partículas) em Teoria N = 4 Supersimétrico de Yang-Mills como a “área” de um análogo multi-dimensional de um poliedro (uma mistura de amplitude com poliedro), também conhecido como Grassmanniano.

Matematicamente falando, “um Grassmanniano é um espaço que parametriza todos os subespaços lineares de um espaço vetorial V de uma determinada dimensão. Por exemplo, o Grassmanniano Gr(1, V) é o espaço de linhas através da origem em V, de modo que é o mesmo que o espaço projectivo P(V-1).” Tradução livre do Wikipedia.

E o que quer dizer essa tal teoria N = 4 Supersimétrico? Teoria N = 4 Supersimétrico de Yang-Mills é um matemático e modelo físico criado para estudar as partículas através de um sistema simples, semelhante a teoria das cordas, com simetria conformal. E se baseia na Teoria de Yang-Mills que forma a base da nossa compreensão atual da física de partículas, o Modelo Padrão. O Modelo Padrão é uma teoria que descreve as forças fundamentais forte, fraca e eletromagnética, bem como as partículas fundamentais que constituem toda a matéria. Entretanto, não é uma teoria completa das interações fundamentais, primeiramente porque não descreve a gravidade.

Voltando ao amplituhedron, a nova versão geométrica da teoria quântica de campos poderia também facilitar a busca de uma teoria quântica da gravidade que possa conectar facilmente as grandes e pequenas escalas do universo. As tentativas, até agora, para incorporar gravidade as leis da física na escala quântica teem gerado absurdos infinitos e grandes paradoxos. O amplituhedron, ou um objeto geométrico similar, poderia ajudar, removendo dois princípios profundamente enraizados da física: local e unicidade.

Localidade é a noção de que as partículas podem interagir apenas a partir de posições adjacentes no espaço e no tempo. E unicidade sustenta que as probabilidades de todos os resultados possíveis de uma interação mecânica quântica devem somar um. Os conceitos são os pilares centrais da teoria quântica de campos em sua forma original, mas em determinadas situações envolvendo a gravidade, os dois se quebram, o que sugere não é um aspecto fundamental da natureza.

Em consonância com essa idéia, a nova abordagem geométrica para interações de partículas remove localidade e unicidade de suas premissas iniciais. O amplituhedron não é construída a partir do espaço-tempo e probabilidades; essas propriedades apenas surgem como conseqüências dessa geometria. A imagem usual de espaço e tempo, e partículas que se deslocam em torno deles, é uma construção.

É importante lembrar que toda esta história esta limitado à Teoria N = 4 Supersimétrico de Yang-Mills. Não se sabe como aplicá-lo a outras teorias, além disso, isto apenas se aplica à parte plana da teoria. É concebível que os físicos vão encontrar maneiras de contornar estes limites, mas por agora este resultado, apesar de impressionante, é bastante limitado. Só o tempo dirá se será possível generalizar esta construção, levando-a para além da parte plana da Teoria N = 4 Supersimétrico de Yang-Mills.

Fonte: There’s an article on it in Quanta Magazine.

Intrigantemente Quântico

Física quântica, um nome tão intrigante quanto o que ele representa. A palavra “quântica” (do Latim, quantum) quer dizer quantidade. Refere-se a uma unidade discreta que a teoria quântica atribui a certas quantidades físicas. Um ramo fundamental da física com vasta aplicação, a Mecânica Quântica estuda sistemas físicos cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos.

A física quântica contém mistérios capazes de surpreender até mesmo as mentes mais criativas. E indica que partículas subatômicas, como o elétron, atua como onda em determinadas condições, e se comporta como partícula em outras. Esta propriedade é denominada dualidade onda-corpúsculo.Segundo o Wikipédia, “a dualidade partícula-onda foi enunciada pela primeira vez, em 1924, pelo físico francês Louis-Victor de Broglie.

Outro ponto abordado pela mecânica quântica, O princípio da incerteza de Heisenberg, “formulado inicialmente em 1927 por Werner Heisenberg, impondo restrições à precisão com que se podem efetuar medidas simultâneas de uma classe de pares de observáveis em nível subatômico.” Que, em resumo, quer dizer que na escala quântica ao se medir a velocidade de uma partícula com precisão, a posição dessa partícula não seria totalmente previsível. O mesmo acontece ao contrário, ao saber com precisão a posição de uma partícula, sua velocidade não será totalmente previsível.

Nos dois casos o olhar do observador interfere no que está sendo observado. Vemos muitos questionamentos sobre o que é realidade, tanto na física quanto na filosofia. O que é real? Será que é o que vemos? É o que interpretamos? Como percebemos a realidade?

Albert Einsten disse certa vez que “Loucura é querer resultados diferentes fazendo tudo exatamente igual!” Então vamos pensar fora da caixa, vamos mudar nosso olhar. Porque do mesmo jeito que nosso olhar pode interferir no que observamos, o que vemos pode mudar o que somos. Então vamos fazer diferente, vamos fazer a diferença!

Veja as coisas de uma forma diferente que essa diferença pode mudar você.

Próton

O Próton pode ser menor do que pensavam. Uma nova medição dos prótons, a mais precisa até hoje, sugere que a partícula subatômica pode ser menor do que se pensava. Não sendo um erro, o resultado pode representar uma física de partículas totalmente diferente.

Achei a notícia interessante pela diferença que para um leigo chega a ser ridícula, o próton é 0,00000000000003 milímetro menor do que, pelo menos em teoria, deveria ser. Pode parecer ínfimo,mas a teoria em questão está longe disso. E o resultado pode implicar que a eletrodinâmica quântica (EDQ ou QED, de Quantum electrodynamics) seria falha. Justo ela, que foi chamada de “joia da física” por um de seus fundadores, o célebre físico norte-americano Richard Feynman.

A eletrodinâmica quântica basicamente descreve como a luz e a matéria interagem e é a primeira teoria em que se chegou a um bom acordo entre a mecânica quântica e a relatividade especial – publicada por Albert Einstein em 1905. A eletrodinâmica quântica descreve matematicamente todos os fenômenos envolvendo partículas com carga elétrica que interagem por meio da troca de fótons e representa a contrapartida quântica da eletrodinâmica clássica, descrevendo a interação entre matéria e luz.

Os prótons são um dos constituintes essenciais de todos os núcleos atômicos e, portanto, da matéria. Junto com os nêutrons, formam o núcleo de todo átomo no Universo.

Como a maioria dos objetos quânticos, um próton é indistinto em suas margens. Seu tamanho é definido pela extensão de sua carga positiva, não por uma clara fronteira física. O raio dessa carga não pode ser medido diretamente, mas pode ser inferido a partir do átomo de hidrogênio, formado por um próton e um elétron.

Existe um jeito de tornar essa medição mais acurada ainda, e foi justamente esse método utilizado pelos cientístas. Basta trocar o elétron por um múon. Essa partícula, também carregada negativamente, é maior que o elétron de forma que sua camada de energia fica mais próxima e se sobrepõe ao raio do próton.

Encontrar uma diferença em uma das mais bem-sucedidas teorias produzidas pelo homem não estava nos planos dos físicos teóricos. Parece que os dados são conclusivos, mas vamos com iremos explicar essas novas dimensões. O próton encolheu, mas aumentaram exponencialmente as dúvidas.

Grávitons

O que são grávitons? Segundo a Wikipédia, “Na Física, o Gráviton (português brasileiro) ou Gravitão (português europeu) é uma partícula elementar hipotética que seria a responsável pela transmissão da força da gravidade na maioria dos modelos da teoria quântica de campos.

A teoria postula que os grávitons sempre são atrativos (gravidade nunca repele), atuando além de qualquer distância (gravidade é universal) e vêm de um ilimitado número objetos. Portanto, se o gráviton existir, deve ser um bóson de spin par e igual a dois, e deve ter uma massa de repouso zero, segundo a Mecânica Quântica.

Explicação simples e direta, o gráviton é um pedacinho do nada criado para explicar a gravidade, podendo ser apenas fruto da imaginação dos físicos. E por falar em imaginação, temos no mundo Marvel, o vilão Graviton.

Durante um experimento, Franklin Hall foi sobrecarregado de partículas sub-graviton por causa de uma explosão em um acelerador de partículas que misturaram suas moléculas. Recuperando-se do acidente, Hall descobriu que podia controlar mentalmente gravidade.

E o gráviton é comentado em Jornada nas Estrelas, é uma partícula elementar que transmite a força da gravidade. É usado para uma variedade de efeitos envolvendo forças de atração/repulsão usados em raios tratores, para gerar a gravidade artificial em naves ou para criar anti-gravidade . O oposto de um gráviton é uma anti-gráviton.

Ainda segundo o universo de Jornada nas Estrelas,  o gráviton foi postulado na Terra pelos físicos no século XX como uma conseqüência da teoria da gravitação quântica. Na medida em que os grávitons são utilizados na produção de gravidade artificial , tanto as naves Vulcanas quanto nas naves da Terra estavam usando grávitons para fins práticos no final do século XX.

Até o século XXIV , as naves da Frota Estelar tinham a capacidade de produzir grávitons como um campo e/ou um feixe de uma nave espacial. (Star Trek: The Next Generation (TNG): “The Best of Both Worlds“; Star Trek: Voyager (VOY): “Caretaker“).

Bom, depois dessas explicações todas vem o motivo do post: Mário Novello, cosmólogo brasileiro propõe uma solução a um mistério que um dos grandes físicos da modernidade, o Prêmio Nobel norte-americano Steven Weinberg, da Universidade do Texas, chamou de “quebra-cabeça“. E, ainda, afirma que o gráviton deve ter uma massa. É uma afirmação audaciosa, sobre algo que os físicos nem são capazes de dizer que existe de fato.

Como explicar isso? Segundo Novello, o gráviton representa a coisa que existe em maior quantidade em todo o Universo. Dez elevado a cento e vinte, é o total de grávitons no Universo. Esse número gigantesco, em notação científica, fica mais elegante: 10120. Mas nem por isso menos absurdo. É apenas uma maneira econômica de escrever um “1” seguido por 120 “zeros”.

Caso suas conclusões sejam verdadeiras, os grávitons são a coisa mais abundante existente em todo o cosmos. Para que se tenha uma idéia, os físicos estimam que os fótons – as partículas de luz – sejam “apenas” 1080. Em contraste, os grávitons seriam 100 trilhões de bilhões de bilhões de bilhões (1040) de vezes mais numerosos.

Essa conclusão, publicada pelo físico num artigo na revista científica “Classical and Quantum Gravity“, chamou a atenção da comunidade científica. Foi um dos dez estudos mais lidos nessa publicação no ano passado.

Agora, o físico brasileiro, que trabalha no CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas), no Rio, acaba de dar um passo além nesse esforço teórico. Num estudo ainda não publicado, ele conseguiu ligar um número que Weinberg chamou de “quebra-cabeça da constante cosmológica” à hipótese dos grávitons com massa.

Essa história toda entra tanto na relatividade geral e a mecânica quântica, as duas teorias fundamentais da física contemporânea. A primeira só diz respeito à gravitação, que interpreta como um fenômeno geométrico, derivado das próprias características do espaço-tempo (conjunto indissolúvel que agrega as três dimensões espaciais e a dimensão temporal).

A segunda abarca as três outras forças da natureza, que mantêm os núcleos atômicos coesos, explicam os processos radioativos e os efeitos elétricos e magnéticos. Para a mecânica quântica, as forças são carregadas por partículas. Por exemplo, as forças eletromagnéticas são transmitidas pelos fótons, pacotes mínimos de energia também chamados partículas de luz.

A concepção do gráviton , como a explicação acima, é justamente uma tentativa de conformar a gravidade ao esquema de mundo da mecânica quântica – esforço importante para entender objetos em que tanto os efeitos gravitacionais quanto os efeitos quânticos são importantes, como os buracos negros (astros tão densos que a gravidade impede até a luz de escapar deles).

Novello admite que a relatividade geral de Albert Einstein, concebida em 1915, não tem muito espaço para o gráviton em suas equações. No entanto, ele decidiu trabalhar com uma segunda versão da teoria, elaborada em 1917 pelo mesmo Einstein, onde  apresenta outra circunstância em que a constante cosmológica pode ser aplicada. Segundo ele, lambda pode muito bem representar o valor da massa do gráviton.

Fonte: Folha Online

Nada de novo

Outro dia eu falei sobre Nada, as várias facetas do nada, o vazio, o zero, o vácuo, o …

O nada é conceitual, ele existe mesmo? A física quântica deixa muita gente confusa quando afirma que é impossível existir o nada absoluto: o espaço vazio puro. A constatação de que o vácuo possui uma energia própria, porém, já foi provada experimentalmente, e só não percebemos isso no dia a dia porque essa energia é muito pequena. Para entende o quão pequeno é, a física quântica trata de dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos.

E é aí que vem a novidade interessante, uma dupla de teóricos brasileiros, porém, acaba de descobrir um modo de fazer com que a energia do vácuo aumente sem controle, num fenômeno de alta violência.

A ideia, descrita em um artigo de Daniel Vanzella e William Lima, do Instituto de Física de São Carlos, conquistou espaço na revista Physical Review Letters, uma das mais disputadas da área. No trabalho, a dupla descreve como retirou essa energia do vácuo quântico utilizando a gravidade.

Gravidade, eletromagnetismo, a força nuclear fraca, e a força forte, as quatro interações que cada fenômeno físico observado, desde uma colisão de galáxias até quarks agitando-se dentro de um próton.

E a gravidade é força de atração que os físicos consideram fraca. Por isso é que o trabalho dos brasileiros chamaram tanta atenção ao misturar o vácuo quântico com a gravidade.

O que eles fizeram foi aplicar as equações da energia do vácuo a um espaço onde a gravidade é fortíssima: uma estrela de nêutrons. É um tipo de astro extremamente compacto. Se uma estrela com duas vezes a massa do Sol fosse prensada até ficar com um centésimo de milésimo do tamanho, meros 25 km de diâmetro, ela seria uma estrela de nêutrons.

Por fim, mostraram que a gravidade perto de um objeto desses iria interagir com o vácuo de forma tão violenta que campos de energia extremamente fracos seriam amplificados exponencialmente. Uma vez com o resultado nas mãos, porém, os físicos se perguntaram que tipo de energia contida no vácuo poderia sofrer essa explosão.

Os físicos verificaram que o eletromagnetismo, o tipo de energia cuja forma mais conhecida é a luz, não seria afetado pela gravidade de uma estrela de nêutrons da forma brutal como os físicos previam.

Essa energia não serviria para iluminar cidades ou mover carros, mas pode ajudar a entender alguns dos pontos mais obscuros da física moderna, a energia escura. E entendê-la é o maior desafio da cosmologia, força que faz o Universo se expandir aceleradamente. Físicos não sabem dizer por que o Big Bang, a explosão que deu origem ao cosmo, não está desacelerando, o que seria de esperar – já que a gravidade das galáxias as atrai umas às outras. Já se postulou até a existência de tipos de campo de força desconhecidos para tentar explicar a energia escura, mas sem sucesso.

Ainda é muito especulativo ainda, mas se o efeito verificada realmente se manifestar no caso eletromagnético em contexto cosmológico, seria uma possível explicação para a energia escura. A teoria chegará a algum tipo de previsão que pode ser colocada sob teste em observações astrofísicas num futuro próximo.

Fonte: Folha.com

O Enorme e o Minúsculo

Encontrei esses videos de um programa da National Geographic, Known Universe – The Biggest and The Smallest (Universo Conhecido – O Enorme e o Minúsculo).

Desde o enorme Universo em que vivemos até os minúsculos átomos que fazem os blocos de construção de tudo a nossa volta, o tamanho importa para entender o cosmos. Começando com o nosso Sistema Solar, os videos vão explorar o verdadeiro significado da palavra “grande“. As probabilidades são que você viu no modelo do Sistema Solar feito na escola. Com uma CGI incrivelmente realista, vamos revelar como esse modelo, se construído em escala, não vai caber dentro de um campo de futebol (americano), muito menos em uma sala de aula.

É o programa completo (em inglês), 60 minutos, dividos em 5 partes. É um pouco grande, mas vale muito a pena!