Após a detecção e, mais recentemente, a observação de ondas gravitacionais uma nova porta se abre para os estudos da física e da astrônomia.

(Fonte: NASA)

Na última semana o ICTP-SAIFR promoveu o minicurso Gravitational Waves for Field Theorists ministrado pelo professor Rafael Porto. Uruguaio de nascensa, o pesquisador é um físico teórico que trabalha com os aspectos fundamentais e observacionais da gravidade e com a Teoria Quântica de Campos. Dentro de sua linha de pesquisa se encontram seus trabalhos com Ondas Gravitacionais.
As Ondas Gravitacionais (Gravitational Waves) são definidas como ondulações do espaço-tempo, elas se espalham pelo universo na velocidade da luz, ou seja: 299.792 km/s. Em geral, as ondas gravitacionais mais poderosas são geradas a partir da colisão de objetos que se movem a velocidades muito grandes. É o caso de quando dois buracos negros se fundem, ou quando duas estrelas de nêutrons colidem.

(Geração de ondas gravitacionais. Fonte: LIGO Caltech)

Infelizmente esses eventos apresentam uma grande dificuldade de detecção porque ocorrem a distâncias muito grandes e, quando finalmente chegam na Terra, as ondas já estão muito fracas para serem identificadas. É simples de imaginar o fenômeno se pensarmos em uma lagoa, alguém joga uma pedra no meio dela, no momento do impacto da pedra com a água as ondulações formadas serão maiores e bem perceptíveis, entretanto, quanto mais próximas da beirada, menores elas serão e, portanto, será mais difícil diferenciá-las.
As ondas gravitacionais foram previstas pela primeira vez por Albert Eistein em 1916, em sua Teoria Greral da Relatividade, na qual propunha que os corpos mais violentos do espaço liberam parte de sua massa através de energia por meio dessas ondas. Porém, pelo fato de serem tão difíceis de detectar e, consequentemente, comprovar, o próprio Eistein duvidava da veracidade de sua teoria. Foi só quase um século depois, em 2015, que sua existência foi 100% confirmada através de um detector super sensível, desenvolvido pela colaboração da equipe do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro Laser (LIGO).
O experimento, considerado um dos mais caros e ambiciosos em décadas, consiste em duas instalações, localizadas no estado de Washington e Louisiana. Apresenta um formato em L e, cada braço, percorre uma extensão de 4km completamente em linha reta. Por ser extremamente sensível a variações, o experimento está localizado em regiões distantes de cidades ou de qualquer fonte de interferência, para evitar uma detecção falsa. Em seu interior um raio laser gerado é dividido nos dois sentidos do L e percorre o interior de cada tubo, no fim de sua extensão espelhos super estáveis refletem os lasers de volta. Em geral, os lasers percorrem os tubos, são refletidos e retornam exatamente na mesma frequência, entretanto essa calmaria é alterada quando uma onda passa pela Terra gerando uma vibração.
Até 2017 nós tivemos a oportunidade de detectar cinco ondas gravitacionais, todas geradas por buracos negros. Entretanto, em Agosto de 2017 mais um avanço surpreendente: pela primeira vez cientistas conseguiram não apenas detectar as ondas, mas também observá-las. O evento teve origem do choque de duas estrelas de nêutrons, na constelação de Hydra, há 130 milhões de anos atrás. Essas estrelas são extremamente pequenas, entretanto, super densas, em média elas têm 19km de extensão mas sua massa é equivalente a de um sol e meio. O interessante dessa observação é que, por terem campos eletromagnéticos, as estrelas de nêutrons podem causar explosões de ondas eletromagnéticas o que nos permite ver o fenômeno ao apontar um telescópio em sua direção. Assim, foi possível não apenas detectá-las, como também observá-las.

(Registro da explosão de estrelas de nêutros. Na figura 1 no momento da expĺosão em 17 de Agosto de 2017 e, na Figura 2, o evento desbotado alguns dias depois, em 21 de Agosto de 2017. Fonte: 1M2H TEAM/UC SANTA CRUZ & CARNEGIE OBSERVATORIES/RYAN FOLEY)

A detecção das ondas gravitacionais abriu um campo inteiramente novo de pesquisas e especulações na astrônomia e na física, permitindo novas formas de compreensão do universo e de sua origem. As ondas carregam consigo informações de sua criação, que remetem há milhões de anos atrás, nos permitindo identificar como elas surgiram e quais eram as características da sua fonte. Assim, é possível expandir nosso conhecimento sobre fenômenos até agora muito pouco explorados, como os buracos negros, além de permitir um estudo sob um novo ângulo a respeito das vibrações do espaço-tempo. Rafael Porto, destaca que o próximo passo é o inesperado, as ondas gravitacionais podem ser utilizadas para a exploração do universo em busca de novos objetos como também para o estudo em busca de conhecimento preciso sobre fenômenos já conhecidos.
“Nós não sabemos o que está lá fora, podem ser buracos negros, estrelas de nêutros, ou pode ser algo completamente exótico e novo que nós ainda não conhecemos. Para conseguir extrair informação e diferenciar o que sabemos do que não sabemos nós precisamos estudar o que nós chamamos de wave forms (formato de ondas), predições super precisas do que nós conhecemos, para comparar com as observações e ver se existe uma incompatibilidade o que nos permitirá falar ‘ok, isso é algo novo’. Uma possibilidade é a existência de estrelas feitas de matéria que nós ainda não vimos, ou buracos-negros podem ter o que nós chamamos de “pêlos”, eles podem estar rodeados por uma condensação de muitas partículas que nós não conhecemos, existe também a matéria escura que nós ainda não observamos diretamente. Então, através das ondas gravitacionais, nasce uma forma realmente nova de olhar para o universo”.
Apesar de acreditar que o próximo grande avanço na área vai acontecer daqui a muitos anos, Porto se mostra otimista sobre as novas possibilidades de estudo que a observação de ondas gravitacionais apresenta. Em relação à comunidade não científica ele defende que não existe como não se interessar por avanços como esse, que permitem a criação de um imaginario inteiramente novo sobre as origens do nosso universo.

Tendo uma personalidade marcada pelo bom humor, Stephen Hawking não permitiu que sua condição física limitasse seu trabalho intelectual e sua vontade de explorar os mistérios do Universo. 

 (Fonte: Getty Images; Shutterstock)

Na madrugada dessa quarta-feira, dia 14, o mundo foi pego de surpresa com o anúncio da morte de Stephen Hawking, aos 76 anos. O físico dedicou a maior parte da sua vida a explorar e buscar entender os mistérios dos buracos negros e do nosso universo. Diagnosticado aos 21 anos com uma doença grave, Esclereose Lateral Amitórfica, Hawking recebeu a predição de que teria apenas mais três anos de vida. O mal avançou de forma agressiva, não tardando para o físico perder completamente o movimento do corpo, ficando confinado a uma cadeira de rodas e com comunicação limitada. Entretanto, indo contra todas as expectativas, Stephen Hawking superou a predição inicial de três anos de vida, tendo vivido cinquenta anos a mais do esperado.

A cadeira de rodas e todas as outras limitações também não impediram o cientista de se tornar um dos nomes mais influentes do nosso tempo. Dentro da comunidade científica Stephen Hawking marcou seu lugar como um dos maiores pesquisadores de buracos negros ao modelar as propriedades físicas que esses corpos poderiam ter. Em 1974 Hawking teorizou que os buracos negros podem emitir radiação devido aos efeitos quânticos, esse fenômeno ficou conhecido como Radiação de Hawking, em sua homenagem. A teoria pontua que essa radiação permite que os buracos negros percam massa, portanto, aqueles que perdem mais matéria do que ganham são capazes de encolher até desaparecer completamente.

Em 74, Hawking também divulgou que, com o desaparecimento do buraco negro, toda a informação sobre o estado físico de objetos que caiam ali era destruída. Entretanto essa constatação gerou um paradoxo. Do ponto de vista da relatividade geral era possível, porém impossível a partir da física quântica, na qual um dos princípios indica que o estado quântico de um objeto pode ser rastreado em qualquer tempo, tornando-o impossível de ser destruído. Assim, em 2015, em um de seus últimos trabalhos, o físico propôs que as informações dos objetos não são armazenadas no interior dos buracos negros e sim na sua borda, em um espaço conhecido como “horizonte de eventos”.

Stephen Hawking também nunca deixou de lado a divulgação científica, tendo escrito inúmeros livros nos quais explorava e explicava temas complexos como a teoria da relatividade, física quântica, buracos negros, distorções espaciais, entre muitos outros elementos ainda abstratos no imaginário comum. Sua capacidade de transmitir informação complexa de forma clara e didática foi a responsável por torná-lo uma figura importante e conhecida entre todos aqueles que gostam de ciência e não são especialistas. Ele também é responsável por conquistar o interesse e a admiração de muitos outros, que se sentiram fascinados em serem capazes de entender pelo menos mais um pouquinho sobre alguns dos mistérios que cercam nosso universo.

Entre seus livros mais conhecidos está o “Uma Breve História do Tempo”, que já em seu título apresenta um trocadilho para mostrar o forte senso de humor que marcava o cientista. Lançado em 1988, Hawking explora perguntas feitas, provavelmente, por grande parte da população do planeta como: Qual é a origem do universo? Existe um começo e um fim do tempo? O que vai acontecer quando tudo acabar? Junto com o leitor, ele percorre um caminho que vai desde o entendimento do micro, falando sobre partículas como quarks, que são infimamente pequenas, até o macro, para explicar o que rege os movimentos de galáxias e estrelas.

Em 2001 o físico lançou “O Universo em Uma Casca de Noz” no qual ele volta a explicar temas da física teórica se sustentando em seu bom-humor e em analogias com objetos do nosso cotidiano para facilitar a compreensão. Nele, Hawking discute a origem do universo, a existência da vida em outras galáxias, além de abordar teorias sobre nosso próprio futuro em relação a tecnologia e biologia.

Desde o anúncio de sua morte, pessoas e instituições ao redor do mundo lamentam a perda. A NASA postou no Twitter: “Suas teorias abriram um universo de possibilidade que nós e o mundo estamos explorando. Que você continue voando como o Super-Homem na microgravidade, como você disse aos astronautas na Estação Espacial em 2014”.

Remembering Stephen Hawking, a renowned physicist and ambassador of science. His theories unlocked a universe of possibilities that we & the world are exploring. May you keep flying like superman in microgravity, as you said to astronauts on @Space_Station in 2014 pic.twitter.com/FeR4fd2zZ5

— NASA (@NASA) 14 de março de 2018

Além da agência espacial, Theresa May, primeira ministra britânica, a Universidade de Cambridge e Neil deGrasse Tyson, outro divulgador científico importante que recentemente apresentou a refilmagem da série de divulgação Cosmos, anteriormente realizada por Carl Sagan, lamentaram sua morte publicamente. Stephen Hawking é, sem dúvidas, um nome muito querido por todos aqueles que tiveram a oportunidade de conhecer sua trajetória e seu trabalho. Seu bom-humor, inteligência e dedicação para tornar a ciência um bem para todos fará muita falta.

Organizado pelo ICTP-SAIFR, ciclo de palestras informais sobre temas de física retornou com palestra sobre física quântica e informação quântica.

O palestrante, Prof. Aolita, à frente do público no Tubaína Bar

Toda primeira quinta-feira do mês, o ICTP-SAIFR (Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental) realiza o Papos de Física, evento de divulgação científica em que um físico é convidado para uma palestra e bate-papo com a plateia em ambiente informal acerca de temas instigantes da física. Após um breve hiato entre dezembro e fevereiro, o Papos de Física retornou na última quinta-feira, 1 de março, ao Tubaína Bar, para mais um ciclo. Para a primeira edição do semestre, o palestrante convidado foi Leandro Aolita, professor adjunto na Universidade Federal do Rio de Janeiro e visiting fellow no ICTP-SAIFR, com a palestra “Informação quântica ou como tirar vantagem dos paradoxos da teoria quântica”.

O Prof. Aolita, que desenvolve pesquisa nas áreas de informação e ótica quântica, iniciou sua palestra com uma apresentação da teoria quântica, a qual descreve o comportamento da natureza ao nível microscópico, discutindo brevemente conceitos contra-intuitivos da teoria.

Um desses conceitos é a dualidade onda-partícula, formulada em 1924 pelo físico francês Louis de Broglie (prêmio Nobel de Física em 1929) e demonstrada experimentalmente pela primeira vez em 1927 no experimento da dupla-fenda, em que elétrons são atirados, um por vez, contra um anteparo com duas fendas, podendo passar por uma ou pela outra. Do outro lado, há um detector que mede a posição de impacto final dos elétrons. A dualidade consiste no fato de que o padrão do impacto de vários elétrons que é detectado pode apresentar características típicas de fenômenos de ondas ou de partículas dependendo de nossa observação.

Se observamos por qual das duas fendas eles passam, o padrão que aparece no detector é típico de fenômenos corpusculares: duas faixas concentradas na região imediatamente atrás de cada fenda, indicando que cada elétron passa ora por uma ou por outra fenda. Porém, quando não observamos por onde os elétrons passam, então o detector apresenta um padrão de interferência, típico de fenômenos ondulatórios: uma sequência de faixas demonstrando áreas onde a densidade de impactos de elétrons é alta, alternadas com zonas escuras onde a densidade de impactos é baixa, indicando que cada elétron interfere com si próprio, passando pelas duas fendas simultaneamente. Isto deu um nó na cabeça de físicos, e até mesmo de Albert Einstein, gerando intenso debate e teorizações que revolucionaram a forma como enxergamos a física hoje em dia.

“Pois a física quântica não descreve a natureza, mas, sim, a nossa percepção dela”, disse o Prof. Aolita, referindo-se ao fato de que a teoria quântica só é capaz de fornecer probabilidades acerca dos resultados de medidas sobre um sistema. Segundo o Princípio da Incerteza de Heisenberg, qualquer observação que façamos em um sistema quântico irá modificar o estado em que ele se encontra. Por exemplo, observar a posição de um objeto não é nada mais do que detectar os fótons (partículas de luz) que ela emite. Mas se o objeto em questão for uma partícula microscópica quântica, como por exemplo um elétron ou um átomo, a emissão de um fóton não é algo trivial, e muda totalmente o estado no qual ela se encontrava. Para explicar o principio de incerteza, a teoria quântica postula que os sistemas quânticos, antes de qualquer medida, existem em um estado de superposição, em que todas os estados possíveis coexistem, mas, ao realizarmos qualquer medição ou observação, o sistema inteiro colapsa ao estado correspondente ao resultado da medida.

Confuso, não? Richard Feynman, também prêmio Nobel de física e famoso divulgador da ciência, morto em 1988, costumava dizer: “posso dizer seguramente que ninguém entende a física quântica.” Apesar do bom-humor da frase, já icônica, ela traz em si, também, a verdade sobre o porquê é tão difícil de compreender essa teoria. “Ela é contra-intuitiva”, reiterou o Prof. Aolita, em referência ao mundo das partículas se comportar de forma tão ou mais diferente do que o mundo macroscópico com o qual estamos acostumados no dia-a-dia.

Apesar disso, ela não é pouco compreendida, mas, sim, muito bem compreendida matematicamente. E, graças a ela, possuímos celulares, computadores e tantos outros produtos eletroeletrônicos essenciais no cotidiano. Um transistor, por exemplo, peça chave no funcionamento de chips de computadores, funciona graças à manipulação de circuitos elétricos na transmissão de informação. E, à medida que novos avanços tecnológicos vão surgindo, os chips e processadores vão se tornando mais eficientes e cada vez menores. Pense no primeiro computador, que ocupava uma sala inteira e pesava toneladas, mas que tinha um poder de processamento inferior aos laptops que carregamos para cima e para baixo, sem dificuldade. Assim, a informação se armazena em espaços cada vez menores, utilizando, consequentemente, uma quantidade cada vez menor de átomos (e partículas quânticas) no processo, e, como salientou o Prof. Aolita, “é inevitável que os efeitos quânticos apareçam nesta equação em um futuro próximo”.

O próximo Papos de Física acontece no dia 5 de abril e trará a Profa. Ivone Albuquerque (IF-USP) com a palestra “Em busca do lado escuro do universo”. O evento é gratuito e não é necessário realizar inscrição. Para mais informações, acesse: http://www.ictp-saifr.org/papos/

Além de prêmio em dinheiro, alunos também podem receber bolsa de mestrado sanduíche

Os ganhadores do prêmio durante a cerimônia, após receberem os certificados

Foi entregue na segunda feira, 5 de março, o Prêmio IFT-Unesp/ICTP-SAIFR para Jovens Físicos, em cerimônia realizada no auditório do Instituto de Física Teórica, localizado no Campus Barra Funda da Unesp. Receberam o prêmio os cinco melhores colocados em duas provas de três horas de duração cada, abordando temas como Mecânica Clássica, Mecânica Quântica, Mecânica Estatística/Termodinâmica, Eletromagnetismo, Relatividade Especial e Física-Matemática.

A cerimônia precedeu a aula magna para os novos ingressantes dos cursos de pós-graduação do IFT. Ministrada pelo Prof. Odylio Aguiar (INPE), a aula magna apresentou e discutiu um dos maiores acontecimentos (se não o maior) no mundo da física no ano passado: a detecção de ondas gravitacionais vindas de duas estrelas de nêutron pela colaboração entre os laboratórios LIGO e VIRGO e rendeu o Prêmio Nobel de física para seus idealizadores.

Premiação

O Prêmio Jovens Físicos, entregue anualmente desde 2004, passou por uma reformulação em sua edição de 2016 devido à parceria do ICTP-SAIFR e IFT com o Perimeter Institute (PI), do Canadá. Anteriormente, a competição premiava apenas alunos de graduação brasileiros. Após a parceria, porém, além do nível da prova ter aumentado, com perguntas formuladas por pesquisadores do IFT e do PI, permitiu que alunos de graduação de toda a América Latina pudessem se inscrever.

A prova, que premia os cinco melhores colocados com quantias monetárias de até R$ 1.000,00, é aberta para alunos em qualquer ano da graduação e acontece no mesmo dia que os exames da Journeys into Thoretical Physics, escola voltada para alunos de destaque no último ano da graduação. A Journeys é uma escola internacional organizada anualmente pela parceria com o PI, com o intuito de incentivar os participantes a seguirem seus estudos em áreas de física. Além de aulas ministradas por pesquisadores de ponta do IFT e do PI em tópicos relevantes de física teórica, os melhores colocados em ambas as provas recebem, também, bolsas de mestrado sanduíche no Canadá.

Diego Sepúlveda, da Universidade de Chile, primeiro colocado na prova, se disse animado com a oportunidade. “A prova foi divertida e desafiadora. Sempre tive noção da sua importância. Não apenas pelo dinheiro, mas a oportunidade de estudar aqui [no IFT] e no Canadá [no PI].” Sepúlveda elogiou também a escola, pelos tópicos que foram cobertos (os mesmos da prova), e pelas pessoas que conheceu. Agraciado com o mestrado sanduíche, pretende se aprofundar em pesquisas de física de altas energias, sob orientação do Prof. Nathan Berkovits.

Dos cinco primeiros colocados, quatro receberam a bolsa, segue abaixo a colocação e pontuação:

1º Lugar

Diego García Sepúlveda (Univ. de Chile), 48 de 100 pontos

2º Lugar

David Jaramillo Duque (Univ. de Los Andes, Colômbia), 46 de 100 pontos

3º Lugar

Renato Gomes Ferreira Souza (Univ. Fed. de Pernambuco), 44 de 100 pontos

4º Lugar

Andre Nascimento Alcantara Pereira (Univ. Fed. de Minas Gerais), 38 de 100 pontos

5º Lugar

Leonardo Almeida Lessa (USP São Paulo), 35,5 de 100 pontos

A Journeys Into Thoretical Physics de 2018 receberá uma nova adição à parceria, o Center for the Physics of Biological Function (CUNY/Princeton), dos Estados Unidos, que também receberá alunos agraciados com a bolsa associada ao prêmio. As inscrições para a escola estão abertas até o dia 11 de maio. Para mais informações, acesse: http://journeys.ictp-saifr.org/