Mensagem de 23 de Outubro de 2019
No campo de pesquisa ultra-fria, o fundo é o limite.
A ciência está cheia de zeros. A luz tem massa zero. Nêutrons tem carga zero. Um ponto matemático tem comprimento zero. Esses zeros podem não ser familiares, mas tem uma lógica consistente. Todos representam a ausência de uma certa qualidade: massa, carga elétrica e distância.
Então, existe o caso intrigante do zero absoluto
Nós tendemos a pensar em quente e frio como coisas relativas. Uma xícara de chá feito há uma hora atrás, por exemplo, é mais fria que o fogo do fogão, mas mais quente que um cubo de gelo. O zero absoluto representa a temperatura mais baixa possível, que desafia o padrão esse versus aquele.
Mais estranho ainda, o zero absoluto não é nem zero nas escalas de temperatura usados por não-cientistas. São -273.15 graus na escala Celsus, ou -459.67 graus Fahrenheit.
Como pode haver uma temperatura mais baixa?
A chave para decodificar o zero absoluto é entender o que é temperatura. É simplesmente a medida de quão rápido os átomos ou moléculas dentro de uma substância estão se movendo – ou para ser mais preciso, a energia cinética média dessas partículas.
Pense nisso como um jogo de queimada atômica. Quando a bola bate em você, você sente sua energia. Trilhões e trilhões dessas colisões de queimada, acontecendo em uma escala invisivelmente pequena, é o que percebemos como temperatura.
Átomos em movimento rápido colidem com força, o que sentimos como uma temperatura alta. Quando um objeto quente toca um objeto frio, os átomos mais rápidos e quentes transmitem parte de sua velocidade aos mais lentos e frios. O objeto quente esfria. O objeto mais frio se aquece.
Agora o zero no zero absoluto faz sentido: o absoluto zero é a temperatura na qual as partículas de uma substância ficam absolutamente imóveis. Não há como diminuir mais sua velocidade, e portanto não pode haver temperatura mais baixa.
Tudo para de se mover em zero absoluto? Nem tudo. Os átomos não estão completamente imóveis; eles oscilam como resultado de efeitos relacionado à física quântica. E, é claro, a atividade dentro de cada átomo continua, não importante quão frio fique. Os elétrons continuam em movimento, assim como os prótons e nêutrons.
Quem descobriu o zero absoluto?
Guillaume Amontons, um inventor francês que perdeu a audição na infância e nunca foi para a faculdade, descobriu o conceito básico em 1702. Seus experimentos mostraram que a pressão do ar é proporcional á temperatura, e deduziu que havia uma temperatura mínima na qual a pressão cairia para o zero. Ele fez até uma estimativa dessa temperatura, -240 graus Celsus – notavelmente próximo do valor real.
Em 1848, o físico escocês-irlandês William Thomson, mais conhecido como Lorde Kelvin, estendeu o trabalho de Amontons, desenvolvendo o que ele chamou de uma escala de temperatura “absoluta”, que se aplicaria a todas as substâncias. Ele definiu o zero absoluto como 0 em sua escala, livrando-se dos grandes números negativos. Hoje os físicos utilizam a escala Kelvin (K) para medições de temperatura.
Onde e o lugar mais frio do universo?
A energia resultante do Big Bang aquece todo o universo, mantendo-o bem acima do zero absoluto. A temperatura média do espaço é de 2,74 Kelvin, ou -454,7 graus F.
Surpreendentemente, alguns objetos celestes são mais frios que o espaço vazio. Uma nuvem de gás em expansão, chamada de Bumerangue Nebuloso, se comporta como uma geladeira interestelar. Com uma temperatura de cerca de 1k, é o local naturalmente mais frio do cosmos.
Mas os seres humanos já conseguiram chegar a uma temperatura mais baixa aqui na Terra. Em 2003, pesquisadores do MIT usaram raios laser para diminuir a velocidade dos átomos de sódio, resfriando-os a meio bilionésimo de grau acima do zero absoluto. Esse ainda é o recorde mundial.
O lugar mais frio fora da Terra também é artificial. No verão passado, os astronautas ativaram um experimento chamado Cold Atom Lab a bordo da Estação Espacial Internacional. O laboratório atingiu temperaturas 30 milhões de vezes inferiores do que o espaço vazio. “Tenho trabalhado nessa ideia há mais de 20 anos”, disse Robert Thompson, do Jet Propulsion Lab da NASA, um dos pesquisadores que idealizou o experimento. “É incrível testemunhá-lo em funcionamento”.
O que acontece quando a matéria fica tão fria?
Se Thompson parece animado, é porque os átomos ultra-frios se comportam de maneiras fascinantes e potencialmente úteis. Por um lado, eles perdem suas identidades individuais, se fundindo para formar um bizarro estado da matéria chamado de condensado de Bose-Einstein.
“Temos colegas com o objetivo de usar condensados para fazer coisas práticas, como melhorar a navegação por satélite, enquanto outros tentam testar teorias fundamentais da física, ou simular a física do universo primitivo” — Thompson
Perto do zero absoluto, também é possível manipular reações químicas de maneiras que seriam impossíveis sob outras condições.
Na última primavera, o químico de Harvard Kang-Kuen Ni montou uma molécula diretamente de dois átomos de baixa temperatura e movimento lento, tornando-o o menor experimento químico já realizado. Sob tais condições, os efeitos sutis da física quântica se tornam claros. “Nessas temperaturas ultra-frias, podemos realmente observar a natureza de onda dos átomos e moléculas”, diz ela.
Em seguida, Ni espera explorar regras ainda desconhecidas da química, e projetar novas moléculas. Outras aplicações prováveis de experimentos com zero absoluto incluem sensores e relógios de precisão – talvez até os computadores quânticos ultra poderosos que as empresas de tecnologia sempre prometem. No campo da pesquisa ultra-fria, pode-se dizer que o zero é o limite.
Corey S. Powel
Fonte: https://eraoflight.com — Juliana Pena Vogel e Marco Iorio Júnior — Tradutora e Editor exclusivos do Trabalhadores da Luz