Relatividade de Einstein é testada em escala humana

Os cientistas observaram estes fenômenos fazendo alterações específicas em um dos dois relógios atômicos de alumínio e medindo as diferenças resultantes em relação ao outro relógio usado como parâmetro. (Imagem: Chou et al./Science)

A diferença na passagem do tempo para objetos que se deslocam em velocidades diferentes é um dos aspectos mais discutidos e menos compreendidos da Teoria da Relatividade de Einstein.

Dadas as “dimensões sobre-humanas” envolvidas, envolvendo foguetes e gêmeos que viajam em naves espaciais, é difícil explicar o fenômeno e seus efeitos, e gerações de alunos de física têm saído da escola sem serem capazes de explicá-los de forma correta.

E isso apesar desses efeitos fazerem parte do nosso dia-a-dia. Por exemplo, a mudança na velocidade do tempo entre a superfície do planeta e o espaço exige correções constantes para os satélites artificiais da constelação GPS.

Relatividade do tempo

Agora, cientistas do laboratório NIST, nos Estados Unidos, conseguiram pela primeira vez medir o fenômeno em uma escala bem humana, de meros 33 centímetros, eventualmente abrindo caminho para que os estudantes finalmente possam compreendê-lo com mais facilidade.

Com isto, será possível, por exemplo, provar que alguém envelhece mais rapidamente se estiver alguns degraus mais alto na escada – ainda que o efeito seja pequeno demais para ser percebido diretamente por um ser humano.

Mesmo mudar-se para o alto de uma montanha não produziria efeito suficiente para aumentar a expectativa de vida de alguém de maneira significativa – na escala usada pelos cientistas, de 33 centímetros, o efeito da mudança na passagem do tempo acrescentaria cerca de 25 bilionésimos de segundo a alguém que vivesse 80 anos.

O experimento também permitiu que os pesquisadores checassem outro aspecto da relatividade – que o tempo passa mais lentamente quando você se move mais a uma velocidade maior.

Trazido às dimensões humanas, o aparato dispensou as naves espaciais e permitiu a verificação do efeito usando um carro rodando a uma velocidade de 32 quilômetros por hora.
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Leis da Física podem variar ao longo do Universo

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar. (Imagem: Julian Berengut/UNSW)

Uma equipe de astrofísicos está propondo uma teoria que muda radicalmente a forma como entendemos o Universo.

Em um artigo ainda não aceito para publicação em revistas científicas, o grupo afirma ter encontrado indícios de que as leis da física são diferentes em diferentes partes do Universo.

Constante alfa

O artigo propõe que uma das supostas constantes fundamentais da natureza talvez não seja assim tão constante.

Em vez disso, este “número mágico”, conhecido como constante de estrutura fina – ou constante alfa – parece variar ao longo do Universo. A constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética – em outras palavras, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Há alguns anos, físicos propuseram que alfa poderia ter variado ao longo do tempo – numa escala de 12 bilhões de anos – mas agora os físicos propõem que ela varia ao longo do espaço.

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar.

“As implicações para o nosso entendimento atual da ciência são profundas. Se as leis da física passam a ser apenas ‘sub-leis locais’, pode ser que, embora a nossa parte observável do Universo favorece a existência da vida e dos seres humanos, outras regiões mais distantes podem ter diferentes leis que se oponham à formação da vida, pelo menos tal como a conhecemos,” especula ele.
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Neutrino camaleão abre caminho para uma nova física

O gigantesco detector Opera, formado por 150.000 pequenos "tijolos" de uma emulsão nuclear, separados por folhas de chumbo. Dispostos em paredes paralelas, são esses tijolos que detectam os neutrinos. (Imagem: Opera)

Cientistas do experimento Opera, localizado no laboratório Gran Sasso, na Itália, fizeram a primeira observação direta de uma partícula tau em um feixe de neutrinos do múon – isto significa que a partícula “oscilou”, isto é, mudou de um tipo para outro.

Encontrar o tau do múon representa ter achado a peça que faltava em um quebra-cabeças que tem desafiado a ciência desde 1960.

O feixe de neutrinos foi enviado através da terra do CERN, onde está situado também o LHC, a 730 km de distância do detector.

Neutrinos

Neutrinos são partículas subatômicas com uma massa tão pequena que um deles é capaz de atravessar um cubo de chumbo sólido, com 1 ano-luz de aresta, sem se chocar com a matéria. Calcula-se que 50 trilhões de neutrinos atravessam o nosso corpo diariamente.

Existem três tipos de neutrinos: neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau.

O quebra-cabeças dos neutrinos começou com uma experiência pioneira, realizada na década de 1960, que acabou rendendo o Prêmio Nobel de Física a Ray Davies.

Davies observou que os neutrinos vindos do Sol chegavam à Terra em um número muito menor do que os modelos teóricos previam: ele concluiu que, ou os modelos solares estavam errados ou algo estava acontecendo com os neutrinos em seu caminho.

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LHC confirma teoria de físico brasileiro

O primeiro artigo de física do LHC consagra uma das mais importantes contribuições brasileiras à física mundial, a estatística de Tsallis - enunciada em 1988 por Constantino Tsallis, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. (Imagem: LHC/Cern)

Contribuição brasileira à física

Maior instrumento científico já construído, o acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider, ou Grande Colisor de Hádrons) acaba de gerar outro destaque importante: seu primeiro artigo científico.

O artigo consagra uma das mais importantes contribuições brasileiras à física mundial. Uma das conclusões do trabalho é que a estatística de Tsallis – enunciada em 1988 por Constantino Tsallis, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas – é ideal para descrever o sistema no qual a distribuição das partículas é medida.

Na verdade, um primeiro artigo científico do LHC já havia sido noticiado no site Inovação Tecnológica no início de Dezembro de 2009, mas agora ele está sendo classificado como de natureza técnica, assim como outros que o seguiram, e não de física propriamente dita.

Detector do LHC

Com participação de vários brasileiros entre os mais de 2 mil coautores de 157 instituições internacionais, o artigo foi publicado no último exemplar da revista Journal of High Energy Physics (JHEP).

O artigo se baseou em dados gerados em dezembro de 2009 pelo CMS (sigla em inglês para “Solenóide de Múon Compacto”) – um dos quatro detectores do LHC – e apresentou a primeira medida de distribuição de partículas observadas em colisões ocorridas em altíssimas energias: 2,36 teraelétron-volts (TeV).

Do Brasil, participaram pesquisadores da Universidade Estadual Paulista (Unesp), da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF).

Estatística de Tsallis

Teoria que generaliza a mecânica estatística de Boltzmann-Gibbs, a estatística de Tsallis é utilizada para o entendimento dos sistemas complexos e já foi abordada em mais de 2 mil artigos científicos em todo o mundo. Mas, com o experimento do LHC, deixou de ser apenas uma importante conjectura.

Professor Constantino Tsallis, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, autor de uma das maiores contribuições brasileiras à física mundial, chamada de Estatística de Tsallis. (Imagem: CBPF)

De acordo com Tsallis – que por modéstia prefere referir-se à sua teoria como “mecânica estatística não-extensiva” – a colaboração CMS já havia gerado artigos em áreas técnicas, mas, por ser a primeira publicação em física produzida pelo experimento, o trabalho é um marco para a física.

“Como o CMS forneceu dados que não se acomodaram com a estatística de Boltzman-Gibbs, os pesquisadores decidiram experimentar a mecânica estatística não-extensiva. Verificaram que ela funcionou muito bem, encaixando-se com propriedade. No fundo, trata-se de algo muito simples e, por isso mesmo, maravilhoso”, disse Tsallis.

Tsallis revelou que, por meio de uma colega do CBPF – Maria Elena Pol, uma das coautoras do artigo – ficou sabendo que a mecânica estatística não-extensiva seria utilizada para a descrição do comportamento das partículas.

“A teoria é sempre algo plausível, mas que só se torna real por meio de um experimento ou da verificação. É o sonho de qualquer físico teórico que a natureza confirme a sua suspeita. Quando isso ocorre, com um experimento desse porte, a sensação é de estupor”, descreveu Tsallis.

Colisões de alta energia

De acordo com um dos autores do artigo, Sérgio Ferraz Novaes, professor do Instituto de Física Teórica da Unesp, o primeiro trabalho de física a utilizar os dados do LHC é importante por realizar medidas das colisões em níveis de energia sem precedentes, mas também por confirmar a eficiência do acelerador.

“Essa é a primeira medida feita em regime de energia tão alta, o que é importante porque permite a extrapolação dos dados anteriores. O experimento, por um lado, serviu como calibração do equipamento, mostrando resultados satisfatórios e coerentes com o que esperávamos. Por outro lado, os dados gerados ainda motivarão muitos outros artigos. Essa primeira publicação é o começo de uma história que será contada nos próximos dez anos”, afirmou.

Primeiro artigo de física do LHC

O artigo apresentou a primeira medida de distribuição em momentum transverso e pseudo-rapidez (análoga à medida de distribuição angular) das partículas observadas nas colisões próton-próton ocorridas em altas energias, a 2.36 TeV. Segundo Novaes, os experimentos realizados até agora haviam feito medições em regimes de energia de no máximo 2 TeV.

Cada TeV equivale a 1 trilhão de elétron-volts. Um elétron-volt é a quantidade de energia cinética ganha por um elétron quando acelerado por uma diferença de potencial elétrico de um volt, no vácuo.

“De agora em diante haverá mais trabalhos científicos com base nos dados gerados pelo LHC, pois o equipamento irá gerar novas colisões, com intensidade maior de energia dos feixes de prótons. Nos próximos dois anos, iremos operar com 7 TeV. A previsão é que, posteriormente, o equipamento chegue a trabalhar com até 14 TeV”, explicou.

Conceitos relativísticos

As medidas de momentum transversal e longitudinal, segundo Novaes, são bem conhecidas em outros aceleradores. Mas ainda não tinham sido realizadas no LHC. “Enquanto não tínhamos feixe, a calibração e o alinhamento dos diversos componentes do acelerador eram feitas, em geral, com raios cósmicos”, disse.

O momentum medido, segundo Novaes, é o análogo relativístico da definição da física básica: o produto da massa e velocidade de uma partícula. “Quando falamos do momentum transversal e longitudinal, estamos nos referindo à projeção do momentum na direção do feixe, ou na direção perpendicular a ele”, disse.

De acordo com Novaes, quando se mede a distribuição de uma partícula, ela está imersa em um banho térmico formado por todas as demais partículas produzidas na reação. “A distribuição de momentum dessa partícula é melhor descrita pela estatística de Tsallis, que generaliza a estatística de Boltzmann-Gibbs”, afirmou.

LHC

O LHC, construído pelo Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (Cern) na fronteira entre Suíça e França, foi inaugurado oficialmente em outubro de 2008, com o objetivo de buscar respostas para alguns dos principais mistérios da ciência, investigando as partículas mais elementares da matéria.

Depois de paradas forçadas por problemas técnicos, o LHC está sendo “aquecido”, com sua energia sendo elevada paulatinamente, e deverá começar a produzir experimentos reais a partir dos próximos meses.

Fonte: Inovação Tecnológica

Bibliografia:

Transverse-momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions at ?s = 0.9 and 2.36TeV
CMS Collaboration, V. Khachatryan et al.
Journal of High Energy Physics
February, 2010
Vol.: 2010, Number 2, 1-35
DOI: 10.1007/JHEP02(2010)041