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Categoria: Artigos
Saturno, um gigante gasoso que pertence ao sistema solar externo, é o sexto planeta do sistema solar e o segundo maior planeta deste sistema. É provavelmente o planeta mais conhecido devido a seu magnífico anel planetário (anéis achatados de poeira cósmica e pequenas partículas que orbitam planetas).
Saturno é um planeta com características peculiares. Graças a sua grande velocidade de rotação (seu período de rotação é de 10h 39min e 26s) é o planeta mais achatado de todo o sistema solar. Devido a fatores como sua rotação, os ventos na atmosfera de Saturno podem atingir velocidades de 1.800 km/h. Esses ventos somados à dinâmica atmosférica do planeta propicia a formação de grandes tempestades, sendo a maior e mais famosa delas chamada de a grande mancha branca de Saturno, uma tempestade com aproximadamente 10.000km de diâmetro que continua a aumentar.
Assim como uma estrela, estima-se que Saturno é composto por 97% de hidrogênio. Esse hidrogênio revela-se na atmosfera do planeta principalmente sob a forma de hidrosulfeto de amônia e amônia congelada, que dão as cores características do planeta. Supõe-se que o núcleo de Saturno detenha 25% da massa total do planeta e que seja composto em grande parte por hidrogênio líquido metálico com temperatura estimada entre 20.000 a 30.000k.
Os anéis de Saturno
Os anéis de Saturno foram observados pela primeira vez em 1610 por Galileu que notou as protuberâncias criadas pelos anéis. Contudo mesmo após a descoberta dos anéis pouco estudo foi feito sobre eles fazendo com que o conhecimento sobre os anéis fosse precário e deficiente. A maior parte dos dados existentes eram resultados de previsões teóricas propostas por James C. Maxwell, que provou matematicamente que os anéis não poderiam ser um único corpo e que seriam na realidade formados por numerosas partículas. Com isso Maxwell comprovou a teoria de Pierre-Simon Laplace que havia sugerido em 1787 que os anéis de Saturno eram formados por um grande número de minúsculos corpos rígidos.
Hoje os anéis de Saturno são denominados por letras. A partir de Saturno a ordem dos anéis é: D,C,B,A,F,G e E. Entre os anéis existem as pequenos intervalos (áreas onde não há presença de material do anel). Estas fendas são nomeadas em homenagem a seus descobridores e são as seguintes: Fenda de Colobom, Fenda de Maxwell, Divisão de Cassini, Fenda de Huygens, Fenda de Encke e fenda de Keeler. Esta é uma forma para classificar e organizar os anéis e os dados obtidos a partir de sondas como a Voyager 1, Voyager 2 e a sonda Cassini-Huygens.
Os anéis de Saturno fazendo com que o campo magnético deste planeta seja extremamente complexo. Cada partícula dos anéis interage com o campo, tornando-o um objeto fora do comum e de extrema complexidade. Contudo o campo magnético do planeta possibilita a criação de fenômenos do tipo aurora boreal assim como na Terra.
No Big Bang matéria e antimatéria foram criadas na mesma proporção. Nessa época existiam partículas e existiam também suas antipartículas correspondentes, ou seja, para cada quark existia um antiquark, para cada elétron, um pósitron e assim por diante. Essas partículas interagiam e se aniquilavam liberando energia que depois viria a tornar-se partículas e antipartículas novamente, continuando o ciclo. Hoje cientistas são capazes de estudar essas interações da matéria com a antimatéria graças à radiação cósmica de fundo, que é a energia criada nesse momento e que está presente em todo o universo até hoje. Essa radiação está distribuída quase que homogeneamente em todo o universo e para cara partícula de matéria que existe hoje, existe pelo menos 20 bilhões de fótons que foram criados nos instantes iniciais do universo e que compõe a radiação cósmica de fundo.
O universo, de acordo com a teoria da inflação cósmica, começou a esfriar, pois experimentava um crescimento, em termos de volume, extraordinário. Nesse momento algo interessante aconteceu: uma ínfima porcentagem de matéria sobrevive às aniquilações e a antimatéria é praticamente eliminada do universo. O que houve com a antimatéria? A quantidade de matéria e antimatéria eram as mesmas então porque ambas não foram completamente eliminadas? Ainda não se sabe as respostas para essas perguntas. A assimetria matéria-antimatéria e é um dos maiores problemas teóricos da física moderna.
A história da antimatéria
Em 1905, Albert Einstein propôs a Teoria da Relatividade Especial, trabalho em que aparece a famosa equação E=mc². Onde E representa a energia da partícula, m sua massa e c a velocidade da luz. Porém Einstein não percebeu que sua equação admite soluções negativas, ou seja, a equação pode ser escrita como E=±mc². A solução positiva não cria qualquer dificuldade de interpretação, contudo, a solução negativa sim e os físicos não sabiam o que fazer com ela.
Em 1930, o físico Paul Dirac propôs a interpretação de que a solução negativa poderia corresponder a antipartículas. A equação que Dirac criou, hoje chamada de equação de Dirac, explica o comportamento dos elétrons em termos quânticos e relativísticos porém essa equação, assim como a de Einstein, implicava que o elétron (a matéria no caso da equação de Einstein) podia possuir energia negativa. Após muito relutar, Dirac propôs que a energia negativa que o elétron implicaria na existência de uma antipartícula do elétron, chamada pósitron.
Essa equação proposta por Dirac foi escrita para descrever os elétrons mas servia para descrever qualquer partícula com spin ½. Então, de acordo com a equação, várias outras partículas deveriam apresentar antipartículas. As antipartículas, resultado da equação de Dirac, foram comprovadas experimentalmente alguns anos depois. Em 1933, Anderson observou pela primeira vez o pósitron. Em 1955 foi a vez de o antipróton ser observado por Chamberlain. Nos anos seguintes mais antipartículas, como o antiquark, seriam observadas, comprovando definitivamente a veracidade da antimatéria, que depois disso tornou-se uma área ativa de pesquisa na física.
Um pouco mais sobre a antimatéria
Assim como o nome sugere, a antimatéria é o oposto da matéria. Antipartículas e partículas possuem a mesma massa mas suas cargas elétricas e suas propriedades de spin são invertidas. Se tivermos, por exemplo, um elétron de massa m e carga -e, um pósitron terá massa m e carga e. Assim como a matéria, a antimatéria também é capaz de formar átomos se suas antipartículas estiverem emparelhadas. Os átomos formados por antipartículas são chamados de antiátomos. Um átomo de hidrogênio formado por antipartículas é chamado de anti-hidrogênio ou antiátomos de hidrogênio.
Atualmente os cientistas são capazes de produzir antimatéria nos chamados aceleradores de partículas, como o famoso LHC. Nessas máquinas de incrível complexidade, feixes de partículas e/ou antipartículas são lançados em anéis circulares ou retilíneos e são colididos com outros feixes. Essas colisões, quando feitas com energia suficiente, recriam as condições do universo no Big Bang. Com isso os cientistas são capazes de produzir antimatéria e mais recentemente , captura-la e armazena-la por alguns minutos. O armazenamento da antimatéria é feito com uma técnica chamada penning trap, que consiste em criar campos eletromagnéticos para suspender a antimatéria em uma câmara de vácuo. Isso é necessário porque a interação da matéria e antimatéria resulta em uma liberação de energia surpreendente, o que danificaria os equipamentos.
A classificação espectral de Harvard é um sistema que classifica estrelas em sete diferente classes se baseando em suas carecterísticas mais importantes como: massa, cor e nas linhas de Balmer do hidrogênio. As classes criadas por esse sistema são: O, B, A, F, G, K e M.
Classe O
Estrelas dessa classe podem ser chamadas de supergigante azuis (como Rigel, na constelação de Órion). Devido a seu monstruoso tamanho (que pode ultrapassar 15 sóis) seus reservatórios de hidrogênio são consumidos rapidamente. Em outras palavras, estrelas da classe O possuem um período de vida extremamente reduzido quando comparado ao de estrelas menores. Isso ocorre pois estas estrelas precisam utilizar muito hidrogênio para manter o equilíbrio hidrostático e vencer a força da gravidade que as tenta esmagar. Uma vez sem hidrogênio para a sustentar, a estrela colapsará em si mesma e explodira em um evento conhecido como super nova que poderá, ou não, acarretar na formação de um buraco negro ou uma estrela de nêutrons.
Classe B
Estrelas da classe B possuem muitas semelhanças com a classe O. Uma das mais notáveis semelhanças é sua cor azul característica. Assim como estrelas de classe O , estrelas de classe B duram relativamente pouco tempo. Como são gigantes acabam consumindo seu combustível rapidamente e assim colapsando rápido. Estrelas da classe B possuem aproximadamente 18 massas solares portanto quando morrem colapsam em explosões de super novas.
Classe A
As estrelas de classe A são consideravelmente menores que as estrelas de classe B e portanto vivem mais. Por possuírem massa menor que 4~5 massas solares não colapsam em explosões de super novas.
Classe F
As estrelas de classe F são potentes, com cor branca ou pouco amarelada e costumam ser estrelas da Sequência Principal. São caracterizadas principalmente por suas linhas de hidrogênio. Essas estrelas não são muito maiores que o Sol e sua temperatura é muito parecida com as encontradas no Sol.
Classe G
Estrelas da classe G nos são bem familiar, afinal o Sol pertence a essa classe. Estrelas pertencentes a esta classe quando chegam ao final de suas vidas podem se tornar gigantes vermelhas por pouco tempo antes de ejetarem suas camadas externas de gás, originando uma nebulosa planetária. A estrela, agora sem suas camadas externas de gás, é chamada de anã branca e poderá permanecer nesse estado durante bilhões de anos pois, por ser muito pequena pouco consome seu combustível restante. Isso é o que ocorrerá com o Sol em aproximadamente 5 bilhões de anos.
Classe K
As estrelas de classe K são alaranjadas e mais frias que o Sol ou com temperaturas similares. Ao terminarem sua vida, passam por um processo similar ao das estrelas de classe G.
Classe M
Estrelas dessa classe podem ser chamadas de anãs vermelhas e são os anciões do universo. Assim como as anãs brancas, resultado da morte de estrelas das classes G e K, podem emitir seu brilho fraco e avermelhado durante bilhões de anos.
Introdução
De acordo com o dicionário de Oxford, teletransporte é o ato de transportar ou transportar-se instantaneamente entre dois pontos no espaço. Graças à grande quantidade de filmes de ficção já estamos familiarizados com este conceito. Mas como a física lida com isso? Antes de responder a essa pergunta, que é o eixo central deste artigo, introduzirei alguns conceitos históricos a respeito do teletransporte e seus princípios físicos.
Um pouco de história
Assim como buracos negros, o teletransporte não era levado a sério pelos cientistas. Isso se deve, principalmente, ao fato de que o teletransporte viola uma das leis fundamentais da física quântica, o princípio da incerteza. Sendo impossível violar leis físicas, o teletransporte era considerado tema de ficção cientifica, mas isso durou pouco.
O teletransporte deixou de ser ficção para se tornar ciência quando, em 1933, o físico Charles Bennette publicou no anual American Physical Society um artigo sobre a possibilidade do teletransporte. Charles, pesquisador da IBM na época, e sua equipe de seis cientistas confirmaram que, em teoria, o teletransporte quântico seria possível se o objeto transportado fosse destruído no processo. Nos anos subsequentes, uma gama de experimentos foi realizada em uma grande variedade de sistemas quânticos, provando experimentalmente a possibilidade do teletransporte.
A física do teletransporte: emaranhamento e o princípio da incerteza
Para um dispositivo realizar o teletransporte ele necessariamente precisa atuar em nível quântico, transportando cada átomo e cada partícula do objeto. Isso além de ser um pesadelo do ponto de vista da engenharia é uma dor de cabeça para os físicos e matemáticos pois o mundo quântico ainda não é bem compreendido. Sendo assim, os cientistas precisam ter conhecimento das leis que regem o ultramicroscópico mundo da física quântica para que o teletransporte possa finalmente ser entendido. E é esse o objetivo deste pequeno capítulo, a introdução de conceitos necessários para o entendimento satisfatório do processo do teletransporte.
Erwin Schrödinger foi o criador do conceito de emaranhamento que o definiu como uma capacidade de sistemas quânticos de exibirem correlações que não podem ser explicadas de forma clássica. Schrödinger falando sobre o emaranhamento escreveu: “Quando dois sistemas, cujos estados conhecemos através de seus representantes (funções de onda), entram em interação física temporária devido a forças conhecidas entre eles, e depois de um tempo de influência mútua os sistemas voltam a se separar, então eles não podem ser mais descritos da mesma forma que anteriormente, a saber, associando a cada um deles um representante próprio. Através da interação entre os dois representantes se tornam emaranhados.”
O emaranhamento é uma das propriedades fundamentais da física quântica. Fisicamente o fenômeno do emaranhamento quântico é melhor definido como “uma qualidade de todo sistema físico que não pode ser representado como um produto tensorial simples dos elementos dos espaços de Hilbert multiplicados“. Mas o que isso quer dizer?
De forma simplória mas não equivocada o emaranhamento surge a partir da interação entre dois sistemas quânticos que se tornam relacionados, fazendo com que ao falar-se de um seja necessário falar do outro graças a seu profundo estado de ligação. Esses sistemas após tornarem-se emaranhados irão interagir mutuamente entre si, de forma que, ao se alterar um dos estados emaranhados o outro será alterado instantemente devido a não-localidade quântica.
A não-localidade é uma propriedade de sistemas quânticos emaranhados. Responsável pela chamada “ação a distância”, a não-localidade possibilita que dois estados emaranhados troquem informação independemente da distância entre eles. Devido a não-localidade quando em um sistema quântico uma função de onda é colapsada devido ao ato da medição, automaticamente seu estado “parceiro” será também colapsado. Podemos observar isso se tivermos, por exemplo, um par de elétrons entrelaçados e separados por uma grande distância. Ao se alterar as propriedades de um desses elétrons o outro automaticamente perceberá a alteração e mudará suas propriedades para se adaptar a nova situação.
O emaranhamento é fundamental para o teletransporte quântico, uma vez que é este que permite que a informação seja transportada de um sistema para o outro entre sistemas entrelaçados. Enquanto o emaranhamento permite a possibilidade teórica do teletransporte, o próximo item, o princípio da incerteza, dificulta sua existência.
Com o conceito de emaranhamento já bem esclarecido podemos tratar agora do princípio da incerteza. Criado em 1927 pelo físico Wener Heisenberg esse princípio é uma das leis mais fundamentais e importantes do mundo quântico. De forma resumida, ele torna o cálculo simultâneo de duas medidas quânticas impreciso pois quanto maior a precisão da medida, maior a perturbação criada nesse sistema devido a medição. Dessa forma, quando há precisão total o sistema foi totalmente deturpado tornando impossível a extração de qualquer informação útil. Por mais estranho que pareça, o princípio da incerteza não é causado por equipamentos imprecisos ou defeituosos ele é uma propriedade fundamental da natureza e não pode ser descartado.
Quando Heisenberg publicou seu artigo sobre o princípio da incerteza ele, para explica-lo, disse: “Quando mais precisa é a posição, menos preciso é o conhecimento do momentum neste instante, e vice-versa.” O momentum ou momento linear de partícula pode ser obtido através do produto de massa vezes sua velocidade. Em uma experiência hipotética podemos, por exemplo, determinar com precisão a massa de uma partícula porém para isso teríamos que sacrificar toda chance de obter informações sobre a velocidade e localização dessa partícula.
O Teletransporte quântico
Em um experimento padrão de teletransporte os físicos utilizam um laser apontado diretamente para um cristal com propriedades ópticas não lineares. Ocasionalmente os fótons serão convertidos em dois fótons de menor energia e, às vezes, esses fótons terão sua polarização entrelaçada. Depois, o laser é apontado para um espelho que refletirá a luz de volta ao cristal criando um segundo par. Por convenção os fótons do primeiro par são chamados de 2 e 3 e os fótons do segundo par são chamados de 1 e 4.
O objetivo do experimento é teletransportar a polarização do fóton 1 para o fóton 3. Isso normalmente é obtido realizando uma medição dos fótons 1 e 2 o que alterará suas polarizações devido ao princípio da incerteza o que resultará na alteração da polarização do fóton 3 que está entrelaçado com os fótons 1 e 2 adquirindo assim sua polarização. Em outras palavras a polarização do fóton 1 que era desconhecida devido ao distúrbio no sistema causado pela medição foi teletransportada para o fóton 3.
O problema do teletransporte quântico é que durante o processo o fóton 1 precisa ser destruído. A matéria nunca é transportada e sim sua informação, que cria uma réplica do fóton 1 no sistema dos fótons 2 e 3. Isso, claro, só é possível devido ao entrelaçamento, que age nos sistemas unindo-os intimamente.
“Quando físicos teletransportaram fótons pela primeira vez em1997 eles tiveram que destruir esses fótons para garantir o sucesso do teletransporte. Agora, uma equipe na Universidade de Viena, conseguiu teletransportar fótons sem destruí-los. Jian-Wei Pan e seus colegas acreditam que seu método pode ser responsável pelo próximo passo no teletransporte a longas distâncias” (J-W Pan et al. 2003 Nature 421 721).
A notícia a cima, retirada da revista Nature, mostra como eram as condições do teletransporte em 2003. Hoje em dia a situação está um pouco diferente. Mais partículas estão sendo entrelaçadas e transportadas e a distância entre elas também aumenta. Hoje partículas podem ser transportadas até 16km de distância, um feito sem dúvida extraordinário.
Em 2004 equipes independentes na Australia e nos Estados Unidos conseguiram o que se parecia impensável: o teletransporte de átomos. Até então, somente fótons haviam sido teletransportados.
No Instituto Niels Bohr, na Universidade de Copenhaguem, na Dinamarca, pesquisadores fizeram um importante experimento. Em 2006 o professor Eugene Polzik e sua equipe foram capazes de teletransportar um objeto macroscópico que continha trilhares de átomos por meio metro. Para realizar tal façanha Polzik e sua equipe utilizaram a luz como meio. O professor explica: “É um passo adiante porque pela primeira vez involve o teletransporte entre a luz e a matéria, que são dois objetos diferentes. Um carrega a informação e o outro a guarda“.
Já em 2010 foi publicado na revista Nature um experimento de cientistas chineses que foram capazes de teletransportar fótons por 16 quilômetros. Utilizando a mesma técnica de entrelaçar fótons a equipe chinesa obteve êxito em melhorar o equipamento e aprimorar o parâmetros do experimento.
Bibliografia:
http://physicsworld.com/cws/article/news/19690
http://physicsworld.com/cws/article/news/16883
http://ciencia.hsw.uol.com.br/teletransporte2.htm
http://www.cbpf.br/~qbitrmn/teses/tese_alexandre.pdf
http://noticias.terra.com.br/ciencia/interna/0,,OI1175741-EI238,00.html
http://info.abril.com.br/noticias/ciencia/teletransporte-quantico-alcanca-16-km-22052010-4.shl
http://fep.if.usp.br/~villar/tese-asvillar.pdf
http://omnis.if.ufrj.br/~pos/pdf/AlejoSalles.pdf
