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/

O ICTP-SAIFR (Instituto Sul-Americano para a Pesquisa Fundamental), localizado no prédio do IFT-Unesp, recebe de 19 de fevereiro a 2 de março a School on “School on Nonlinear Time Series Analysis and Complex Networks in the Big Data Era”. Voltada para alunos de doutorado e pós-doutorandos, a escola tem o objetivo de apresentar aos inscritos uma visão geral dos mais recentes avanços em ferramentas de análise de Big Data. Dentre os tópicos abordados estão incorporação de atraso de tempo e reconstrução do espaço de fase, ferramentas para sistemas caóticos, técnicas de codificação simbólica, medidas da teoria da informação, medidas de complexidade, análise de valor extremo, estrutura das redes e mapeamento de séries temporais para redes. As aulas teóricas serão ministradas por professores de universidades da Espanha, do Reino Unido e dos Estados Unidos, mas também haverá sessões de trabalho prático em que os inscritos poderão aplicar as ferramentas não-lineares na análise de conjuntos de dados do mundo real.

Para mais informações, acesse: http://www.ictp-saifr.org/school-on-nonlinear-time-series-analysis-and-complex-networks-in-the-big-data-era/

Em duas semanas de aulas, foram abordados temas de interseção nas áreas

Participantes da escola

Entre os dias 15 e 21 de janeiro, o ICTP-SAIFR (Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental) recebeu mais uma vez uma programação de ensino voltada à interface da matemática e da física com a biologia. As escolas VII Southern-Summer School on Mathematical Biology e a II School on Physics Applications in Biology, organizadas em conjunto com o IFT-Unesp e com apoio FAPESP, aconteceram em duas semanas consecutivas de janeiro e receberam alunos sul-americanos de pós-graduação vindos de áreas de formação e especialização em Física, Matemática, Ecologia, Epidemiologia, Biologia Molecular e Veterinária.

Organizada em aulas diárias e desenvolvimento de trabalhos em grupos, a VII Southern-Summer School on Mathematical Biology (entre os dias 15 e 21) tratou de temas teóricos em dinâmica de populações (como competições intra e interespecíficas). Com o objetivo de ser uma escola introdutória tanto para matemáticos quanto para biólogos, teve grande foco em exercícios práticos de criação de modelos matemáticos para questões de epidemiologia, biologia de sistemas e evolução, áreas em que a interseção entre biologia e matemática é, hoje em dia, não apenas evidente, mas também essencial.

Quem ministrou as aulas foi o Prof. Roberto Kraenkel, do IFT-Unesp. Vindo de uma formação acadêmica e profissional em física, há muitos anos trabalha nesse encontro de áreas com a aplicação de sistemas dinâmicos (modelo criado para questões puramente matemáticas) a estudos de populações, ajudando a quantificar e compreender interconexões e efeitos mútuos entre espécies e populações. “A matemática entra na biologia a partir do momento em que se faz qualquer medida quantitativa”, disse, “e a pergunta mais natural é como essas quantidades mudam e porque são essas e não outras. Então é natural que exista uma matematização da biologia”. Para o Prof., Kraenkel, as duas áreas se beneficiam mutuamente, porém a comunidade realizando estudos com a criação e aplicação de modelos matemáticos em questões biológicas na América do Sul ainda é incipiente, porém a escola vem, ano após ano, aproximando profissionais das duas áreas e ajudando, de certa forma, a reverter a situação.

A II School on Physics Applications in Biology aconteceu logo em seguida, entre os dias 22 e 27. Organizada em minicursos, sessões de debate e exercícios, essa escola foi realizada com o objetivo de despertar interesse e proporcionar debates sobre as possíveis aplicações e resultados de modelos advindos originalmente de áreas da Física em problemas de neurociência, dinâmica evolutiva, epidemiologia e comportamento coletivo. As aulas foram ministradas por físicos e matemáticos dos Estados Unidos e Itália que fizeram importantes contribuições a essas e outras áreas da Biologia durante suas carreiras.

O Prof. William Bialek (Princeton University, Estados Unidos) tratou, em algumas de suas aulas, sobre o mapeamento e comportamento complexo de neurônios em cérebros de mamíferos. Já Andrea Cavagna (Roma ISC-Sapienza, Itália) apresentou aos alunos a física por trás do comportamento de bando em alguns animais, como o estorninho-comum. Os dois temas, apesar de parecerem distintos, possuem muito em comum: “Em um dos casos você tem muitos neurônios, interligados de forma complexa, e do outro você tem muitos pássaros se comportando de uma forma coletiva, mas não existe um líder organizando tudo”, disse o Prof. Marcus Aguiar, da Unicamp, e um dos organizadores da escola. Segundo ele, com métodos de física estatística semelhantes, como análises temporais e correlações de longo alcance, foi possível criar modelos para compreender esses dois sistemas distintos. Cada neurônio ou pássaro atua tanto individualmente quanto interagindo com outros semelhantes, próximos ou distantes, fazendo com que o conjunto se auto organize de forma complexa. “São sistemas em que as interações entre as partes são simples, mas a rede de interações é tão grande que leva a um comportamento macroscópico complexo. Mas só olhando para o pequeno ou para o grande, perde-se a oportunidade de compreender o outro”.

Escola e workshop aconteceram no ICTP-SAIFR e renderão edição especial de periódico científico

Participantes da escola

Entre os dias 23 e 28 de outubro, o ICTP-SAIFR (Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental, localizado no prédio do IFT-Unesp) recebeu dois eventos de caráter internacional e interdisciplinar que discutiram Density Functional Theory (DFT – Teoria do Funcional da Densidade) e Quantum Information Theory (QIT – Teoria da Informação Quântica).

Primeiro, entre os dias 23 e 26, aconteceu a School on Density Functional Theory and Quantum Information Theory, voltada para estudantes e pesquisadores de áreas correlatas à DFT e à QIT. Nela, os participantes puderam se familiarizar com conceitos fundamentais das duas teorias e a interseção entre elas, além de receberem a oportunidade de apresentar suas pesquisas em duas sessões de pôster, abertas para visitação de todos do IFT. “A ideia foi trazer profissionais das duas áreas e que também trabalham na interface entre elas”, disse o Prof. Alexandre R. Rocha, do IFT, e um dos organizadores dos eventos, em relação aos professores que lecionaram na escola, de acordo com suas áreas de atuação e pesquisa.

Giovanni Vignale, professor da University of Missoury (EUA), abordou em suas aulas o lado da Informação Quântica. Christian Schilling, pesquisador da University of Oxford (Ingaterra), atacou os temas da DFT. Enquanto Irene D’amico, professora da University of York (Inglaterra), se encarregou de abordar exatamente a interface entre as duas áreas.

Em seguida à escola, entre os dias 27 e 28, aconteceu a segunda edição do Workshop on Density Functional Theory and Quantum Information Theory, que almejou reunir especialistas em QIT, DFT e pesquisadores trabalhando nas possíveis interfaces das duas, criando uma oportunidade de discussão acerca dos novos desafios e desenvolvimentos nas áreas. Os participantes da escola também estiveram no workshop, e os trabalhos aceitos para apresentação nos dois eventos estão sendo selecionados para publicação integral numa edição especial do Brazilian Journal of Physics (https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/13538). A primeira edição do workshop aconteceu na Unesp, campus Araraquara, em 2014.

Interface

Os assuntos abordados durante a escola e workshop trataram do encontro das duas áreas, que, segundo o Prof. Rocha, “é uma linha [de pesquisa] que começou recentemente”. A DFT é uma teoria cunhada no final década de 1960 (mas que só se tornou suficientemente precisa nos anos 1990), usada como método de cálculo de propriedades de materiais e da física de sólidos, como os sistemas de muitos corpos (many-body systems, no termo em inglês) e cálculos de densidade eletrônica. Já a QIT trata de armazenamento de informações em sistemas quânticos e tem recebido atenção nos últimos anos ao combinar conceitos fundamentais da mecânica quântica com aplicações tecnológicas. Por exemplo, a possibilidade de computadores e simulações quânticas, “bem como projetar novas nanoestruturas que tenham as propriedades corretas para o dispositivo quântico desejado”, disse a Profa. D’Amico.

A grande questão do worskshop e da escola foi como uma área pode contribuir para a outra. A Profa. D’Amico abordou essa questão em suas aulas dizendo, em resumo, que a DFT proporciona ferramentas práticas para calcular propriedades de sistemas quânticos de interação crescente, bem como prevê propriedades quânticas de novos nanomateriais, ambos dos quais são preocupações teóricas da QIT. Em contrapartida, a QIT aborda uma série de medidas de grandezas e propriedades intrínsecas da mecânica quântica (como o problema do emaranhamento) que devem estar contidas em qualquer aspecto da física de materiais, campo de atuação da DFT.

Em diversas sessões de palestras e apresentações de pôsteres, diferentes aspectos dessa interelação foram apresentados e discutidos entre pesquisadores, professores e alunos de pós-graduação, possibilitando uma troca de ideias, pontos de vista e formação de parcerias que poderão render frutos. Mas, como salientou a Profa. D’Amico, “não estamos ainda falando a mesma língua nas duas áreas”, disse ao se referir, por exemplo, ao uso de um mesmo termo (“sistemas quânticos”), que nas duas áreas possui significados relativamente distintos. “E até estarmos, é bom continuarmos conversando”.

Descoberta foi feita por colaboração global e abre nova área na astronomia

Ilustração representando a colisão das duas estrelas de nêutron (Fonte: LIGO)

A busca por ondas gravitacionais vai de vento em popa, segundo os pesquisadores da colaboração entre os observatórios LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), nos Estados Unidos, e Virgo, na Itália. Após o anúncio de sua primeira detecção em 2016, o recebimento do Prêmio Nobel mais cedo neste mês por seus idealizadores, Rainer Weiss, Kip S. Thorne e Barry C. Barish, e mais três detecções do fenômeno desde então, uma conferência de imprensa foi chamada na última segunda-feira (dia 16), em Washington. O motivo: mais uma detecção de ondas gravitacionais (a quinta desde 2015), agora provenientes da colisão de duas estrelas de nêutrons a 130 milhões de anos-luz da Terra.

As ondas gravitacionais são um fenômeno previsto por Einstein em sua teoria da relatividade, porém ocorrendo em escalas tão pequenas que a possibilidade de detectá-los permanecia envolta em ceticismo. Elas seriam causadas pela movimentação de objetos com massa no espaço-tempo (a estrutura que permeia o Cosmos e sobre o qual atua a gravidade), criando ondas, como tremores após um terremoto, ou uma pedra arremessada na superfície de um lago. A primeira detecção de ondas gravitacionais, proveniente da colisão de dois buracos negros que estiveram orbitando um ao outro a milhões de anos-luz da Terra, foi feita em 2015, após 20 anos do início da coleta de dados pelos observatórios. Desde então, outras três colisões de mesma natureza foram detectadas com sucesso. O anúncio mais recente até então havia sido feito em setembro, quando o LIGO revelou que sua colaboração com o interferômetro Virgo permitiu uma triangulação muito mais precisa do sinal.

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Cientistas representando o LIGO se reuniram em Washington para anunciar a descoberta de um  fenômeno detectado pela primeira vez na manhã do dia 17 de agosto: a colisão de duas estrelas de nêutrons. Os resultados foram publicados numa série de artigos científicos em revistas como Nature e Science, e anunciados ao público em dois painéis detalhando para imprensa e público os pormenores da descoberta.

Às 9h41 (horário de Brasília) do dia 17 de agosto, um sinal mais longo que o esperado chegou aos detectores Virgo e LIGO, com milisegundos de diferença. David Shoemaker, porta-voz da colaboração LIGO, mostrou em sua breve fala que, enquanto os sinais que os detectores captaram de colisões de buracos negros costumam durar menos de dois segundos, este se manteve por quase dois minutos. Dois segundos depois o telescópio Fermi da NASA captou um pico de raios gama vindos da mesma direção. Os membros da colaboração LIGO, cientes de estar diante de algo grande, emitiram um alerta de que havia um fenômeno importante acontecendo. Em poucas horas, 70 telescópios localizados tanto em terra quanto em órbita se voltaram para a região do cosmos em que a colisão acontecia, conseguindo captar imagens do evento em todo o espectro eletromagnético.

Dentre os primeiros a observar visualmente o fenômeno estava o time de cientistas da Dark Energy Survey (DES – colaboração internacional que busca evidências para a Energia Escura e da qual faz parte Rogerio Rosenfeld, vice-diretor do ICTP-SAIFR e professor adjunto do IFT-Unesp), que usando a Dark Energy Camera (DECam – um dos dispositivos de imagem digital mais poderosos existentes, montada no telescópio Blanco da National Science Foundation, parte do Observatório Interamericano do Cerro Tololo no Chile) conseguiram capturar imagens do evento. “Isso está além dos meus sonhos mais loucos”, disse Marcelle Soares-Santos, pesquisadora brasileira atualmente na Brandeis University, nos Estados Unidos, e que liderou o esforço pela Dark Energy Survey, que, apontando a DECam para a região do céu sugerida pelo LIGO e Virgo, investigou prontamente os corpos celestes e confirmou a descoberta, descartando qualquer outra fonte das ondas gravitacionais além da colisão. Nos dias seguintes à primeira observação, os telescópios acompanharam atentamente a evolução do evento, registrando quaisquer alterações das emissões eletromagnéticas, como luz visível, raios gama e ondas de rádio.

Descoberta

Estrelas de nêutron são corpos celestes extremamente densos, com uma massa maior que a do Sol comprimida em um espaço do tamanho de uma cidade como Nova York, criadas após a morte de uma estrela de tamanho médio, numa explosão chamada de supernova. As duas estrelas de nêutrons descobertas surgiram na galáxia NGC 4993 há milhões de anos atrás e, atraídas por suas gravidades, passaram a orbitar uma à outra, se aproximando até que, enfim, colidiram numa explosão chamada de kilonova, semelhante à supernova, porém em menor escala. A explosão, como observada pelos telescópios, produziu energia suficiente para criar elementos pesados, como ouro e platina, além das ondas gravitacionais e as radiações eletromagnéticas que foram detectadas.

Assim como a colisão de dois buracos negros que resultou na primeira detecção de ondas gravitacionais, o sistema de duas estrelas de nêutrons orbitando em conjunto já fora previsto, mas ainda não observado. “É algo que ocorre com certa regularidade em diversas galáxias”, disse Riccardo Sturani, membro do LIGO, pesquisador titular no International Institute of Physics (IIP) na UFRN em Natal (RN) e Visiting Fellow no ICTP-SAIFR. “A cada 100 mil anos por galáxia, aproximadamente. Mas é difícil de observar, pois não sabemos quando irá acontecer. Ninguém estava esperando quando [a detecção] aconteceu”. Apenas por esse fato, a descoberta anunciada na manhã de segunda-feira já é algo impressionante, porém não se limita a isso. Com ressaltaram os 14 cientistas que compuseram os dois paineis, foi também a primeira vez que detectaram ondas gravitacionais bem como emissões em todo o espectro de ondas eletromagnéticas (como luz, por exemplo, mas também raios gama e ultravioleta) provindas da mesma colisão. “Os raios gama são detectados diariamente chegando à Terra, mas não sabemos se provém de fenômenos semelhantes. Com os dados gravitacionais, poderemos realizar mais descobertas desse tipo e descobrir as fontes dessas emissões”, completou o Professor Sturani.

Combinar essas duas formas de detecções seria análogo a ouvir trovões e ver relâmpagos pela primeira vez, e abre um novo leque de possibilidades e novas descobertas científicas. Por exemplo, o fato de terem sido detectadas ao mesmo tempo confirma que as ondas gravitacionais se movem à velocidade da luz. David Reitze, da universidade americana Caltech e diretor executivo do LIGO comparou, durante o anúncio, a combinação de ondas gravitacionais e luz como “semelhante à transição de filmes mudos para filmes com som.”

“Bem-vindos à era da astronomia de ondas gravitacionais”, disse Laura Cadonati, pesquisadora da universidade Georgia Tech.

Entre os dias 23 e 28 de outubro, o ICTP-SAIFR (Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental, localizado no prédio do IFT-Unesp) recebe dois eventos que discutirão Density Functional Theory (DFT – Teoria do Funcional da Densidade) e Quantum Information Theory (QIT – Teoria da Informação Quântica).

Primeiro, entre os dias 23 e 26, acontece a School on Density Functional Theory and Quantum Information Theory, que é voltada para estudantes e pesquisadores de áreas correlatas à matéria condensada e QIT. Nela, os participantes irão se familiarizar com conceitos fundamentais das duas teorias e sua interface, e terão a oportunidade de apresentar suas pesquisas em sessões de pôster que ocorrerão em dois dos quatro dias. Em seguida, acontece a segunda edição do Workshop on Density Functional Theory and Quantum Information Theory, entre os dias 27 e 28, que almeja reunir especialistas em QIT, DFT e pesquisadores que trabalham na interface das duas, criando uma oportunidade de discussão acerca dos novos desafios e desenvolvimentos nas áreas.

Os participantes da escola também estarão no workshop e poderão ter contato com especialistas de diversas nacionalidades e universidades. Além disso, os trabalhos aceitos para apresentação tanto na escola quanto no workshop poderão ser publicados integralmente numa edição especial do Brazilian Journal of Physics.

Para mais informações, acesse  http://ictp-saifr.org/DFTmQIT  e  http://ictp-saifr.org/wDFTmQIT.

Pesquisador do ICTP-SAIFR explicou em evento de divulgação científica o que é e quais as possíveis aplicações do material mais fino existente

O Prof. Alexandre R. Rocha (ao fundo), durante a palestra

Todas as primeiras quintas-feiras do mês, o ICTP-SAIFR (Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental) realiza o Papos de Física, evento de divulgação científica que leva físicos para ambientes descontraídos, onde apresentam temas de física para o público leigo e respondem suas perguntas. Na última edição, que ocorreu no dia 5 de outubro no Tubaína Bar (Rua Haddock Lobo, 94, em São Paulo), o convidado foi Alexandre R. Rocha, pesquisador do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp e pesquisador associado do Centro Internacional de Física Teórica (ICTP-Trieste), com a palestra intitulada “Grafeno: Como um material que não deveria existir levou ao prêmio Nobel?”.

O Professor Rocha, ele mesmo um estudioso das possíveis aplicações do grafeno, iniciou sua palestra com uma breve introdução à importância e versatilidade do carbono, átomo constituinte do grafeno e de outros materiais como o diamante, bem como o elemento básico de toda a vida na Terra. O carbono, disse, é um dos elementos mais versáteis, por possuir em sua última camada espaço para “quatro ligações com outros átomos, que podem se organizar de infindáveis formas”. Essas formas, porém, costumam seguir um conjunto de “regras” químicas, e as estruturas compostas pelo carbono costumam ser organizadas, ao invés de meramente aleatórias, sendo a forma mais estável a que dá origem ao grafite e, consequentemente, ao grafeno.

No grafite, os átomos de carbono se arranjam em estruturas hexagonais, semelhantes ao formato observado em favos de mel, criando películas de carbono empilhadas. Nos anos 60, três cientistas (David Mermin, Herbert Wagner e Pierre Honenberg), ao estudar as propriedades de organização do carbono, teorizaram que seria impossível na natureza que qualquer elemento se organizasse desta forma em apenas uma dimensão. Ou seja, uma única dessas camadas não se manteria unida, por conta das propriedades químicas e físicas do elemento.

Porém, André Geim e Konstantin Novoselov, professores na Universidade de Manchester, na Grã-Bretanha, ao observar dejetos de um outro estudo com grafite, descobriram que, sim, era possível uma camada unidimensional de carbono, e deram à sua descoberta o nome de grafeno, o material mais fino existente, com apenas um átomo de espessura, e que lhes rendeu o Prêmio Nobel de Física em 2010. O prêmio, no entanto, não lhes foi atribuído devido à descoberta do material, mas, sim, pela descoberta de suas propriedades.

O grafeno, além de extremamente fino, também se mostrou um material extremamente resistente, mais ainda que o diamante, e é também um condutor térmico e elétrico excelente, melhor que o cobre, pois neste arranjo hexagonal, os átomos se organizam no que é chamado de um anel aromático. Isso é, cada um dos átomos está ligado a apenas outros três, mas para satisfazer a “necessidade” do carbono de realizar sempre quatro ligações, os elétrons se movem constantemente pelos vértices da colmeia, sendo “passados” de um para outro, como num jogo de batata quente.

Após sua descoberta, o grafeno foi logo considerado como um “material do futuro”, e possíveis aplicações começaram a ser testadas, se valendo de seu tamanho reduzido, leveza e supercondutividade para a criação de microchips de alta potência e roupas inteligentes. Até hoje, porém, essas promessas ainda não se concretizaram totalmente, por uma série de razões. “No caso dos microchips, por exemplo,” o Professor Rocha explicou, respondendo a uma das questões da plateia, “o grafeno é um condutor tão potente que é impossível ‘desligá-lo’, e o funcionamento do chip depende do controle da corrente, como um interruptor.” Outras aplicações, porém, estão sendo testadas, como seu uso em telas sensíveis ao toque, usadas em smartphones, e, em combinação com outros materiais, já está sendo aplicado na produção de equipamentos esportivos. “Mas acho que ainda estamos longe de atingir todo o seu potencial”, comentou o Professor Rocha. Disse, também, que o grafeno ainda não é produzido em escala suficiente para ser aplicado ao mercado, mas que impulsiona a pesquisa em escala global e que existem projetos, como em Minas Gerais, que em 2016 deu início à implementação de uma planta de produção do material.

O próximo Papos de Física ocorre no dia 9 de novembro, no mesmo local, o Tubaína Bar (Rua Haddock Lobo, 94 – Cerqueira César, São Paulo), e o convidado será o Professor Horatiu Nastase, pesquisador do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, com a palestra “Líquidos e sólidos como hologramas de buracos negros”, na qual mostrará como teorias desenvolvidas para o estudo de buracos negros podem ser aplicadas para o entendimento das propriedades de certos tipos de líquidos e sólidos.  O evento é gratuito e não é necessário realizar inscrição. Para mais informações, acesse http://ictp-saifr.org/papos/.