sábado, 31 de dezembro de 2011

CONEXÃO SURPREENDENTE ENTRE FENÔMENOS QUÃNTICOS

Dois pesquisadores descobriram uma conexão inesperada e surpreendente entre as duas propriedades fundamentais da física quântica.

O resultado está sendo anunciado como um avanço radical no entendimento da mecânica quântica, dando novas pistas para os cientistas que procuram compreender os fundamentos do funcionamento do mundo em escala atômica.

Stephanie Wehner, da Universidade Nacional de Cingapura, e Jonathan Oppenheim, da Universidade de Cambridge, descobriram uma ligação entre a chamada "ação fantasmagórica à distância" e o Princípio da Incerteza de Heisenberg.

O comportamento absolutamente estranho das partículas quânticas - como átomos, elétrons e fótons - tem intrigado os cientistas há quase um século. Albert Einstein foi um dos que acharam que o mundo quântico era tão estranho que a teoria quântica devia estar errada.

Mas a realidade mostrou o contrário, e experimento após experimento têm confirmado as previsões da teoria.

Um dos aspectos mais estranhos da teoria quântica é que é impossível saber certas coisas simultaneamente, como o momento e a posição de uma partícula - conhecer uma dessas propriedades afeta a precisão com que você pode conhecer a outra.

Isto é conhecido como o Princípio da Incerteza de Heisenberg, em homenagem ao físico alemão Werner Heisenberg, que o enunciou nos anos 1920.

Outro aspecto estranho é o fenômeno da não-localidade, que se mostra no bem conhecido entrelaçamento quântico.

Quando duas partículas ficam entrelaçadas, elas se comportam como se estivessem coordenadas entre si, como se estivessem "trocando informações" à distância, de uma forma totalmente estranha à intuição clássica sobre partículas fisicamente separadas.

Até agora, os pesquisadores vinham tratando a não-localidade e a incerteza como dois fenômenos distintos. Mas Wehner e Oppenheim mostraram que eles estão intrinsecamente ligados.

Mais do que isso, eles demonstraram que esta ligação é quantitativa, e elaboraram uma equação que mostra que a "quantidade" de não-localidade é determinada pelo princípio da incerteza.

"É uma reviravolta surpreendente e talvez irônica", disse Oppenheim. Einstein e seus colaboradores descobriram a não-localidade quando procuravam uma maneira de se livrar do princípio da incerteza. "Agora o princípio da incerteza parece estar dando o troco."

A não-localidade determina como duas partículas distantes
podem coordenar suas ações sem trocar informações.

Os físicos acreditam que, mesmo na mecânica quântica, a informação não pode viajar mais rápido do que a luz.

Acontece que a mecânica quântica permite que duas partículas se coordenem muito melhor do que seria possível se elas obedecessem às leis da física clássica.

Na verdade, as ações das partículas entrelaçadas são de tal maneira coordenadas que parece que uma é capaz de falar com a outra. Foi por isto que Einstein chamou esse fenômeno de "ação fantasmagórica à distância".

E isso não é tudo. Os fantasmas podem ser ainda mais assustadores, porque é possível ter teorias que permitem que partículas separadas e distantes uma da outra coordenem suas ações muito melhor do que a natureza permite - e sem depender de que a informação viaje mais rápido do que a luz.

O que os dois pesquisadores agora descobriram é que parece haver um limite para essas esquisitices da teoria quântica.

"A teoria quântica é mesmo muito estranha, mas não é tão estranha quanto poderia ser. Nós realmente temos que nos perguntar, o que limita a mecânica quântica? Por que a natureza não permite uma não-localidade ainda mais forte?" pondera Oppenheim.A resposta que ele e Wehner encontraram está justamente no princípio
da incerteza.

Duas partículas só podem coordenar suas ações de forma mais eficiente se quebrarem o princípio da incerteza, que na verdade impõe um limite estrito à intensidade da não-localidade.

"Seria ótimo se pudéssemos coordenar melhor nossas ações a longas distâncias, o que nos permitiria resolver muitas tarefas no processamento de informações de forma muito eficiente," diz Wehner. "No entanto, a física deveria ser fundamentalmente diferente. Se quebrarmos o princípio da incerteza, não podemos imaginar como o nosso mundo seria."

E como eles descobriram uma ligação que passou despercebida por tanto tempo?

Wehner começou sua carreira como "hacker de computador", fazendo "serviços sob encomenda". Agora ela trabalha com teoria da informação quântica. Já Oppenheim é físico.

Wehner acredita que a aplicação das técnicas da ciência da computação às leis da física teórica foi fundamental para detectar a conexão.

"Eu acho que uma das idéias fundamentais foi vincular a questão a um problema de programação," diz Wehner. "As formas tradicionais de ver a não-localidade e a incerteza obscureciam a estreita ligação entre os dois conceitos."

Imagine um jogo de tabuleiro quântico, jogado por dois parceiros, Alice e Bob. O tabuleiro tem apenas dois quadrados, nos quais Alice pode colocar um contador de duas cores possíveis: verde ou rosa. Ela foi instruída a colocar a mesma cor nos dois quadrados, ou colocar uma cor diferente em cada quadrado.

Bob tem que adivinhar a cor que Alice colocar no primeiro ou no segundo quadrado. Se o seu palpite estiver correto, Alice e Bob ganham o jogo.

Dessa forma, Alice e Bob vão sempre ganhar o jogo se puderem falar um com o outro: Alice simplesmente diz a Bob quais cores estão nas casas um e dois.

Mas Bob e Alice estão situados tão distantes um do outro que a luz - portanto, qualquer sinal de transmissão de dados - não tem tempo para trafegar entre eles durante o jogo. Se eles não podem se falar, não vão ganhar sempre.

Mas, através da medição das partículas quânticas, eles poderão ganhar o jogo mais vezes do que qualquer estratégia que não dependa da teoria quântica.

No entanto, o princípio de incerteza os impede de se sair melhor do que isso, e ainda determina a frequência com que eles vão perder o jogo.

A descoberta traz de volta a questão mais profunda de quais princípios estão subjacentes à física quântica.

Várias tentativas de compreender os fundamentos da mecânica quântica têm-se centrado na não-localidade.

Wehner acredita que pode ser mais interessante examinar os detalhes do princípio da incerteza. "Entretanto, nós mal arranhamos a superfície do entendimento das relações de incerteza", diz ela.

Segundo os pesquisadores, sua descoberta é "à prova de futuro" e se aplica a todas as teorias que buscam encontrar uma teoria quântica da gravidade.

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FUTURO DO UNIVERSO PODE ESTAR INFLUENCIANDO O PRESENTE

Quando se pensa o Universo a partir das leis da mecânica quântica
começam a fazer sentido algumas ideias aparentemente inconcebíveis

Uma reformulação radical da mecânica quântica sugere que o Universo tem um destino definido, e que esse destino já traçado volta no tempo para influenciar o passado, ou o presente.

É uma afirmação alucinante, mas alguns cosmólogos já acreditam que uma reformulação radical da mecânica quântica, na qual o futuro pode afetar o passado, poderia resolver alguns dos maiores mistérios do universo, incluindo a forma como a vida surgiu. E, além da origem da vida, poderia ainda explicar a fonte da energia escura e resolver outros enigmas cósmicos.

O que é mais impressionante é que os pesquisadores afirmam que recentes experimentos de laboratório confirmam de forma dramática os conceitos que servem de base para esta reformulação.

Ordem oculta na incerteza

O cosmólogo Paul Davies, da Universidade do Arizona, nos Estados Unidos, está iniciando um projeto para investigar que influência o futuro pode estar tendo no presente, com a ajuda do Instituto FQXi, uma entidade sem fins lucrativos cuja proposta é discutir as questões fundamentais da física e do Universo.

É um projeto que vem sendo acalentado há mais de 30 anos, desde que Davies ouviu falar pela primeira vez das tentativas do físico Yakir Aharonov para chegar à raiz de alguns dos paradoxos da mecânica quântica.

Um desses paradoxos é o aparente indeterminismo da teoria: você não pode prever com precisão o resultado de experimentos com uma partícula quântica; execute exatamente o mesmo experimento em duas partículas idênticas e você vai obter dois resultados diferentes.

Enquanto a maioria dos físicos que se confrontaram com esse problema concluíram que a realidade é, fundamentalmente, profundamente aleatória, Aharonov argumenta que há uma ordem oculta dentro da incerteza. Mas, para entender sua origem, é necessário um salto de imaginação que nos leva além da nossa visão tradicional de tempo e causalidade.

Em sua reinterpretação radical da mecânica quântica, Aharonov argumenta que duas partículas aparentemente idênticas comportam-se de maneiras diferentes sob as mesmas condições porque elas são fundamentalmente diferentes. Nós apenas não detectamos esta diferença no presente porque ela só pode ser revelada por experiências realizadas no futuro. "É uma ideia muito, muito profunda", diz Davies.

A abordagem de Aharonov sobre a mecânica quântica pode explicar todos os resultados normais que as interpretações convencionais também conseguem, mas tem a vantagem adicional de explicar também o aparente indeterminismo da natureza.

Além do mais, uma teoria na qual o futuro pode influenciar o passado pode ter repercussões enormes e muito necessárias para a nossa compreensão do universo, diz Davies.

Os cosmólogos que estudam as condições do início do universo ficam intrigados sobre o porquê do cosmos parecer tão idealmente talhado para a vida.

Mas há também outros mistérios: Por que é que a expansão do universo está se acelerando? Qual é a origem dos campos magnéticos visto nas galáxias? E por que alguns raios cósmicos parecem ter energias impossivelmente altas?

Estas questões não podem ser respondidas apenas olhando para as condições passadas do universo.

Mas talvez, pondera Davies, se o cosmos já tem definidas algumas condições finais nele próprio - um destino -, então isto, combinado com a influência das condições iniciais estabelecidas no início do universo, pode perfeitamente explicar estes enigmas cósmicos.

Testando a flecha do tempo
É uma ideia muito boa - embora extremamente estranha.
Mas haveria alguma maneira de verificar a sua viabilidade? Dado que ela invoca um futuro ao qual ainda não temos acesso como causa parcial do presente, isto parece ser uma tarefa impossível.

No entanto, testes de laboratório engenhosamente inventados recentemente colocaram o futuro em teste e descobriram que ele poderia realmente estar afetando o passado.

Aharonov e seus colegas previram há muito tempo que, para certos experimentos quânticos muito específicos, realizados em três etapas sucessivas, o modo como a terceira e última etapa é realizada pode mudar dramaticamente as propriedades medidas durante o passo intermediário. Assim, ações realizadas no futuro (na terceira etapa), seriam vistas afetando os resultados das medições efetuadas no passado (na segunda etapa).

Em particular, nos últimos dois anos, equipes experimentalistas realizaram repetidamente experiências com lasers que mostram que, ajustando o passo final do experimento, é possível introduzir amplificações dramáticas no montante pelo qual o feixe de laser é desviado durante as etapas intermediárias do experimento. Em alguns casos, a deflexão observada durante a etapa intermediária pode ser amplificada por um fator de 10.000, dependendo das escolhas feitas na etapa final.

Estes resultados estranhos podem ser explicados de forma simples pelo quadro traçado por Aharonov: a amplificação intermediária é o resultado da combinação de ações realizadas tanto no passado (na primeira etapa) quanto no futuro (na etapa final).

É muito mais complicado explicar esses resultados usando interpretações tradicionais da mecânica quântica, afirma Andrew Jordan, da Universidade de Rochester, nos Estados Unidos, que ajudou a conceber um dos experimentos com laser.

A situação pode ser comparada à forma como o modelo heliocêntrico do Sistema Solar, de Copérnico, e o modelo geocêntrico de Ptolomeu, ambos fornecem interpretações válidas dos mesmos dados planetários, mas o modelo heliocêntrico é muito mais simples e mais elegante.

Embora os experimentos com laser estejam dando boas notícias para a equipe, Davies, Aharonov, Tollaksen e seu colega Menas Kefatos, da Universidade Chapman, na Califórnia, estão agora à procura de consequências cósmicas observáveis de informações do futuro influenciando o passado.

Um bom lugar para procurar é a radiação cósmica de fundo (CMB), o "brilho" remanescente do Big Bang. A CMB tem ondulações fracas de calor e frio e, trinta anos atrás, Davies desenvolveu um modelo com seu então aluno Tim Bunch que descreve essas ondas no nível quântico.

Davies e Tollaksen estão agora revisando este modelo no novo arcabouço
quântico.Físicos têm ideias já bem desenvolvidas sobre como era o estado inicial do universo e como pode acabar sendo seu estado final - muito provavelmente um vácuo, o resultado inevitável da contínua expansão.

A equipe está colocando estas ideias junto com seu novo modelo para ver se ele consegue prever assinaturas características da influência do futuro na CMB que possam ser captadas pelo telescópio espacial Planck.

"A cosmologia é um caso ideal para esta abordagem," afirma Bill Unruh, da Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá. "Desde que Aharonov encontrou esses resultados tão estranhos em algumas situações, vale a pena olhar para a cosmologia."

Davies ainda não sabe se essas ideias vão produzir resultados. Mas se o fizerem, seria revolucionário.

"A coisa mais notável sobre Paul," avalia Michael Berry, da Universidade de
Bristol, "é que ele tem ideias muito selvagens combinadas com extremo
cuidado esobriedade." Este pode ser exatamente o caráter necessário para fazer um grande avanço. Pode até ser o destino de Davies, uma mescla de seu futuro e de seu passado.

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BURACO NO TEMPO LENTE TEMPORAL ESCONDE EVENTOS


Alexander Gaeta e seus colegas fizeram o escudo do tempo de forma totalmente óptica.

Eles criaram uma "lente do tempo", um dispositivo capaz de alterar a frequência da luz. A camuflagem do evento é feita elevando-se a frequência da luz e, a seguir, baixando-a novamente.

No momento 1 - imediatamente antes do evento a ser escondido - essa luz com frequência modulada é separada em seus comprimentos de onda, de forma que alguns comprimentos de onda viajem mais rapidamente do que outros.

É essa diferença na velocidade dos feixes que cria o "buraco no tempo" - na verdade, um buraco no feixe de laser.

Assim que a luz atinge o momento 2 - logo depois que o evento a ser escondido já ocorreu - os dois feixes são invertidos: os comprimentos de onda que viajavam mais rapidamente passam a viajar mais lentamente e vice-versa.

Logo depois, os dois feixes parciais passam por outra "lente temporal", que desfaz a alteração de frequência inicial.

Desta forma, o feixe sai do outro lado sem qualquer interrupção, e sem dar qualquer pista do evento que ocorreu entre os momentos 1 e 2.

Os pesquisadores afirmam que o experimento consegue camuflar eventos que durem até 110 bilionésimos de segundo, mas é teoricamente possível atingir durações 100 vezes maiores.

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QUINTA FORÇA FUNDAMENTAL DA NATUREZA OU NOVA PARTICULA


Um grupo internacional de cientistas pode ter encontrado um novo tipo de partícula ou uma quinta força da natureza.

Se a descoberta for confirmada, o que quer que os dados estejam revelando - uma nova força ou uma nova partícula - seria algo totalmente inédito, não explicado por nenhum modelo atual da física.

De certa forma, o achado teria maior impacto do que o tão esperado Bóson de Higgs, que está sendo procurado com afinco pelos cientistas do LHC - o Bóson de Higgs é algo previsto pela teoria e totalmente esperado, enquanto uma partícula que não se encaixa no chamado Modelo Padrão da Física, ou uma quinta força da natureza, abririam perspectivas de uma física totalmente nova.

Os cientistas da chamada Colaboração CDF (Collider Detector at Fermilab), que reúne mais de 500 físicos, trabalham no Tevatron, o maior colisor de partículas dos Estados Unidos, localizado no Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory).

Tudo começou quando eles observaram um pico totalmente inesperado no gráfico que mostra o resultado das colisões entre bilhões de prótons e antiprótons.

Como energia é igual a massa, segundo a teoria de Einstein, essas colisões de altíssima energia podem trazer à existência partículas subatômicas de existência extremamente curta, que não existem nas condições usuais de temperatura e pressão - os físicos as identificam estudando suas combinações, o chamado decaimento, que produzem partículas mais familiares.

O pico no gráfico mostra um excesso de eventos nas colisões de partículas que produzem um bóson W - uma partícula 87 vezes mais pesado do que um próton -, acompanhado de dois jatos de hádrons.

A anomalia inesperada apareceu na faixa de massa de 140 GeV/c2 - foram 250 eventos que parecem estar vindo de uma partícula 160 vezes mais pesada do que o próton - uma partícula, mas uma partícula não prevista pelo Modelo Padrão da Física.

Por enquanto, o grupo está extremamente cauteloso: durante a apresentação do trabalho, realizada na tarde desta quinta-feira no Fermilab, a expressão "se for confirmado" foi repetida à exaustão.

A significância do pico verificado foi determinado em 3,2 sigma, o que significa que há 1 chance em 1375 de o pico possa ser resultado de uma flutuação estatística aleatória.

Por outro lado, o colisor Tevatron já fez inúmeras colisões nessa faixa de energia, e o pico nunca havia sido observado. E 160 vezes a massa do próton é muito próximo da massa de dois bósons W.

Além disso, os físicos consideram ser necessário um sigma igual a 5,0 para que um evento seja considerado uma descoberta.
Se não for uma flutuação estatística, o pico pode ser explicado por uma nova partícula, uma partícula não apenas desconhecida, mas uma que nunca havia sido prevista.

Se confirmado como uma descoberta, isso exigirá que o Modelo Padrão seja refeito, com inúmeras possibilidades de novas descobertas e novos entendimentos sobre a estrutura básica da matéria.

Os cientistas afirmam não se tratar do Bóson de Higgs, que deve estar em outra faixa - para ser o Bóson de Higgs, o pico nos dados deveria ser 300 vezes menor.

"As características deste excesso [de eventos] excluem a possibilidade de que este pico seja devido ao bóson de Higgs do Modelo Padrão ou a uma partícula supersimétrica. Em vez disso, podemos estar vendo um tipo completamente novo de força ou interação," afirmou o grupo em um comunicado.

Quinta força
Alguns modelos, ainda considerados especulativos ou "alternativos", que têm sido propostos e desenvolvidos ao longo dos últimos anos, propõem a existência de novas interações fundamentais da matéria, além das quatro forças conhecidas hoje.

Estas forças fundamentais - gravidade, eletromagnetismo, força fraca e força forte - são a base do Modelo Padrão da Física - se há de fato uma nova força, então o Modelo deve ser refeito.

Há cerca de 20 anos, Kenneth Lane, da Universidade de Boston, e Estia Eichten, do próprio Fermilab, propuseram uma teoria, chamada tecnicolor, que previa a existência de uma quinta força fundamental, muito similar à força forte, que mantém unidos os quarks no núcleo dos átomos.

Essa quinta força ficaria exatamente na faixa dos 160 GeV e, operando a energias muito mais altas do que a força forte, poderia ser a responsável pela massa das demais partículas - o que simplesmente dispensaria a existência do já tão famoso e ainda não encontrado Bóson de Higgs.

A análise divulgada hoje baseia-se em 4,3 femtobarns inversos de dados. A equipe irá repetir a análise com pelo menos duas vezes mais dados para verificar se o pico - o excesso de eventos - se torna mais ou menos acentuado.

Eles têm até Setembro para coletar mais dados - o Tevatron deverá ser desativado em Setembro, por falta de recursos.

Mas os dados também poderão ser confirmados pelo LHC ou pelo DZero - os dois já têm dados coletados na faixa dos 140 GeV/c2, que deverão ser sofregamente analisados nas próximas semanas.

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