Neutrinos mais velozes que a luz: a reação dos cientistas

No dia 23 de setembro, os jornais anunciaram a suposta observação de partículas mais velozes que a luz em um laboratório em Gran Sasso, na Itália. A Colaboração OPERA, que envolve cientistas de cerca de 40 instituições de pesquisa europeias e asiáticas, detectou neutrinos com velocidades pouco mais de dois milésimos por cento acima da da luz. Neutrinos são partículas subatômicas extremamente leves (massa 350 mil vezes menor que a de um elétron, ou ainda mais leves) e interagem muito fracamente com a matéria. São só 0,00248% mais velozes que a luz, mas o experimento foi muito preciso e para muitos esse resultado, se correto, ameaçaria derrubar a teoria da relatividade especial. Acima, fotos dos enormes detetores do OPERA.

Como os cientistas estão reagindo a isso?


Com a palavra, os entendidos

No sábado, o blog do arXiv mostrou uma seleção de nove artigos sobre isso escritos desde o bombástico anúncio. Eles dão uma ideia interessante do que os cientistas andam pensando, como sustentam suas críticas, e como os teóricos pensam em lidar com a situação. Como são técnicos, vou tentar mostrar aqui o que dizem.

No caso geral, a maioria continua cética, mesmo que os cientistas do OPERA tenham sobrevivido a um interrogatório de especialistas no CERN (o mesmo centro de pesquisas que é responsável pelo acelerador LHC, em Genebra, Suíça). A razão é que o resultado parece contradizer frontalmente a teoria da relatividade especial. Não se trata apenas de conservadorismo acadêmico: esta teoria vem sendo confirmada espetacularmente em quase um século de testes.

Repare-se, aliás, que os próprios pesquisadores do OPERA foram os primeiros a dizer, no seu próprio artigo, que os resultados precisam ser confirmados por pesquisas independentes antes de se chegar a qualquer conclusão definitiva. É natural que os cientistas sejam cautelosos ao anunciar tal coisa. Um alarde exagerado seguido de uma refutação pode ser extremamente humilhante e tirar sua credibilidade junto aos colegas.

Mas os artigos selecionados pelo blog do ArXiv são muito variados, desde os que refutam frontalmente os resultados até os que já ensaiam os primeiros passos para reescrever a relatividade.

Como lembrou o cientista grego Alex Kehagias, da Universidade de Atenas, as explicações para os resultados do OPERA se encaixam em três tipos possíveis:

a) A anomalia é devida a algum erro dos autores;
b) A anomalia é real e indica uma violação da teoria da relatividade especial;
c) A anomalia é real, os neutrinos viajam mais rapidamente que a luz, mas a teoria da relatividade não é violada (sim, isso é possível, como veremos abaixo).

Além da relatividade - Apenas um dos nove artigos ousou encarar o desafio de construir uma teoria alternativa à relatividade especial. Foi de uma equipe de três cientistas do CERN e do King's College de Londres. Eles não fizeram uma teoria completa, nem perto disso, mas indicaram um método para fazê-lo e produziram com ele duas "teorias de brinquedo" ("toy theories"), isto é, modelos simplificados apenas para deixar claros os conceitos envolvidos e as técnicas matemáticas utilizadas. Também, mostraram como os cientistas poderiam verificar no laboratório se alguma teoria feita com esse método poderia estar correta.


Os descrentes

"Refutamos" - Entre os que simplesmente não acreditam nos novos dados, está ningúem menos que o prêmio Nobel de Física de 1979, Sheldon L. Glashow, da Universidade de Boston, nos EUA. "Refutamos a interpretação superluminal dos resultados do OPERA", dizem explicitamente no resumo do artigo, escrito junto com Andrew G. Cohen.

Claro que eles apresentam razões para sua descrença. Após alguns cálculos, concluíram que neutrinos naquela velocidade perderiam energia rapidamente - sua energia seria convertida em matéria no caminho, produzindo uma quantidade de elétrons e pósitrons (o pósitron é uma partícula idêntica ao elétron, só que com carga elétrica positiva). Pelas suas contas, os neutrinos não poderiam de jeito nenhum ter chegado com tanta velocidade no detector do OPERA, situado a 730 km da fonte que os produziu, no CERN, em Genebra.

Cuidado com o tempo - Outros apontam possibilidades de erros de interpretação por parte dos cientistas do OPERA. Aí há argumentos de toda espécie: Susan Gardner, da Universidade do Kentucky, nos EUA, chega a invocar efeitos cosmológicos relacionados com a matéria escura. Argumentos mais "terrestres" foram dados por Carlo Contaldi, do Imperial College de Londres. Ele acha que os pesquisadores foram "enganados" por uma sutileza relacionada com o tempo. Pela teoria da relatividade especial, naquelas velocidades o tempo se comporta de maneira bem diferente da usual e nossa intuição pode nos pregar peças desagradáveis. O próprio conceito de "simultaneidade" torna-se melindroso e é preciso escolher uma convenção clara e aferrar-se a ela, para não ser ludibriado pela própria intuição. É verdade que lidar com esses problemas é um ato corriqueiro em cálculos envolvendo velocidades próximas às da luz, mas as coisas podem se complicar muito em sistemas acelerados ou girantes - Contaldi tem dúvidas especificamente sobre os efeitos da rotação da Terra na convenção para se definir simultaneidade.

A estatística prega peças - No outro extremo está Robert Alicki, da Universidade de Gdánsk, na Polônia, que acha que as coisas são muito simples: tudo seria devido a um mero erro de interpretação estatística. A razão é que o dados colhidos pelo OPERA são em número gigantesco e devem ser analisados estatisticamente, o que é uma tarefa difícil e cheia de armadilhas conceituais - terreno fértil para especulações sobre algum erro sistemático cometido em Gran Sasso. Mas o paper de Alicki, de uma única página, é tão simples quanto difícil de acreditar, diante do cuidado extremo que os pesquisadores do OPERA parecem ter tomado em três anos de análise de dados.


Os conciliadores: relatividade com velocidade superluminal

Ao contrário do que normalmente se diz, velocidades maiores que a da luz não são necessariamente incompatíveis com a relatividade especial.

Os táquions - Em primeiro lugar, o que a relatividade especial proíbe é que se ultrapasse a velocidade da luz, e só isso. Ela é perfeitamente consistente com a hipótese de partículas viajando sempre mais rápido que a luz. Tais entidades são chamadas táquions. O problema é o preço conceitual disso: os táquions se acelerariam quando perdem energia, tendendo sempre a velocidades cada vez maiores, e também viajariam para trás no tempo...! Mais informações sobre táquions neste artigo da Ciência Hoje (em PDF).

Mas parece que os neutrinos não são táquions. Dois artigos da lista do blog do arXiv concluem que essa possibilidade não é compatível com o comportamento observado em neutrinos em outras situações, especificamente os vindos de supernovas. Um dos trabalhos foi assinado por quatro cientistas italianos e dinamarqueses e o outro por três, do Reino Unido e do CERN.

Outras dimensões - Há outra possibilidade: considerar dimensões espaciais extras além das três conhecidas. Apesar de soar bizarro, é uma estratégia bastante popular em teorias alternativas da física de partículas, como na teoria das cordas. Para entender o argumento, é útil uma analogia com a segunda dimensão. Imagine uma joaninha caminhando sobre um papel. Agora curve o papel, de forma a aproximar suas bordas. Ali na beirada, a joaninha pode simplesmente, com um pouco de ginástica, passar de uma ponta a outra do papel. Ou pode haver até um "túnel" para ela passar, como na figura abaixo:


Para uma companheira que não tenha capacidade de perceber a dobra do papel e para a qual o mundo se reduz a apenas duas dimensões, parecerá que a outra percorreu o papel de lado a lado em uma velocidade alucinante.

A limitação dessa analogia é que nela a joaninha pareceria passar instantaneamente de um lado a outro, e não numa velocidade muito grande. No entanto, há várias teorias na física que tentam compatibilizar velocidades maiores que a da luz com configurações de espaços com quatro ou mais dimensões. São, obviamente, ainda especulativas. Um dos artigos da lista do ArXiv aplica exatamente isso para explicar os neutrinos superluminais e salvar a teoria da relatividade. Foi assinador por Steven Gubser, da Universidade de Princeton, nos EUA (coincidentemente, a mesma onde Einstein se empregou quando se mudou aos Estados Unidos).

Força desconhecida - Uma terceira possibilidade, uma ideia do grego Alex Kehagias, da Universidade de Atenas, é um tanto desconcertante. Ele supõe que a Terra produza um campo de forças ainda desconhecido (um campo quântico escalar), diferente do gravitacional ou do magnético. Curiosamente - por isso parece desconcertante -, seus cálculos mostram que esse campo é compatível com a relatividade e, ao mesmo tempo, capaz de produzir velocidades maiores que a da luz para os neutrinos!

Conclusão de tudo isso? Por enquanto, ainda é cedo para tanto. Provavelmente teremos que esperar para ver se outros grupos conseguem reproduzir os resultados do pessoal do OPERA. Isso pode levar alguns anos - só o experimento inteiro do OPERA já durou três.


Para saber mais:

Vídeo da palestra do pessoal do OPERA no CERN, explicando seus resultados (em inglês).

"Táquions - Mais velozes que a luz?" (Erasmo Recami e Michel Z. Rached) - Ciência Hoje 170 (2001). Disponível aqui (em PDF).

Este post no blog Física, futebol e falácias contém vários links para bons textos sobre o assunto.

Artigo científico original da Cooperação OPERA.

Neste outro artigo científico, de 2007, outra colaboração, o MINOS, do Fermilab, em Chicago, nos EUA, também diz ter observado neutrinos mais velozes que a luz.

A vida depende de uma coincidência cósmica

Obs.: Para quem não tem muito tempo,
há uma versão curta deste post no Ciências e Adjacências.

Extraordinário, isso. Lendo um pouco de astrofísica do interior das estrelas, vi que a vida como a conhecemos só pôde aparecer por causa de uma coincidência espantosa que acontece no nível dos núcleos atômicos. Se as energias envolvidas nas reações nucleares que produzem o carbono fossem um pouco diferentes, a vida seria impossível. Explicar essa coincidência é que são elas.

Senão, vejamos. A vida na Terra é inteiramente baseada no carbono. Esse elemento químico forma as cadeias, ou esqueletos das moléculas orgânicas - proteínas, carboidratos, DNA, tudo. Aparentemente, só ele tem a capacidade de formar longas cadeias ramificadas, às vezes de milhares de átomos, que permitem a formação de moléculas imensas como a de DNA, fundamentais para qualquer vida terrestre.

Ora, tudo indica que os minutos logo após o Big-Bang só conseguiram produzir átomos de hidrogênio e hélio. Todos os outros elementos químicos tiveram que ser formados na fornalha nuclear do interior das estrelas. Inclusive o carbono.

Mas o processo de síntese do carbono nas estrelas tem características desconcertantes. Para explicar de que coincidências cósmicas estou falando, preciso entrar em mais detalhe. No nosso Sol, quase não existe carbono, só em estrelas mais pesadas. É que o Sol ainda está num estágio anterior, em que hidrogênio é transformado em hélio por fusão nuclear (é esse processo que produz a energia solar). Quando o hidrogênio chegar perto de acabar, o hélio se fundirá em berílio e em seguida em carbono, como esquematizado na figura abaixo:

Esquema da síntese do carbono no interior das estrelas. Primeiro, dois núcleos de hélio se fundem em um de berílio. Depois, o núcleo de berílio se funde com um terceiro núcleo de helio e produz o carbono.

Ou seja, o hélio sofre uma primeira fusão nuclear e produz berílio; e o berílio, por sua vez, se funde com outro núcleo de hélio e produz, finalmente, o carbono. Assim acontece em outras estrelas mais velhas observadas pelo espaço sideral afora.

Acontece que a energia do carbono é muito menor que a energia do hélio e do berílio somadas. A rigor, isso não impossibilita totalmente a formação do carbono, mas a torna extremamente improvável, de acordo com as leis que regem as reações nucleares. O carbono então praticamente nunca se formaria. Então como então pode haver tanto carbono na Terra?

Aí é que entra a coincidência interessante. O carbono, como qualquer outro núcleo, pode possuir outros estados com energias mais altas, com valores bem específicos - são os "estados excitados". Acontece que uma dessas energias é justamente muito próxima da soma do hélio com o berílio! Pronto, está salva a pátria. O que era extremamente improvável vira provável.

A segunda parte da figura anterior, mostrando que o estado excitado do carbono tem a mesma energia que a do hélio e do berílio somados.

Não há nenhuma lei da física que obrigue isso a acontecer. Ao que parece, é apenas uma coincidência. Ela foi prevista, na verdade, pelo físico britânico Fred Hoyle (1915-2001), em 1952. Ele afirmou que o carbono necessariamente deveria ter um estado excitado com essa energia, pois do contrário o carbono jamais poderia ser tão abundante na Terra. Isso foi confirmada no laboratório quatro anos depois.

Bem, coincidências assim não acontecem por acaso. Qual a razão desta?

Ninguém sabe.

Uma possibilidade vem de uma versão do "princípio antrópico": talvez as energias envolvidas sejam diferentes em várias partes do Universo e nós necessariamente só poderíamos nascer naquela região em que houvesse essa coincidência.

Outra possibilidade é que as energias variem aos poucos com o tempo. Como parece que não variaram tanto do Big-Bang para cá, isso só faz sentido em teorias alternativas em que o Universo é cíclico, com vários Big-Bangs. Necessariamente só poderíamos nascer numa época em que essa coincidência ocorresse.

A coisa interessante é que essas energias dependem de parâmetros chamados "constantes fundamentais da natureza" (como a constante de Planck e a velocidade da luz no vácuo), bem como das massas e cargas elétricas das partículas subatômicas como o elétron e o próton. Até onde se pôde observar, todas essas quantidades não mudam nem no espaço nem no tempo. Mas há várias especulações sobre se poderiam variar.

De qualquer forma, é um mistério muito curioso - não tanto pelo mistério em si, mas porque nele mora a razão por estarmos aqui.

P.S. - O tal estado excitado do carbono, chamado "estado de Hoyle", ainda é objeto de estudos. Acabou de aparecer na Physical Review Letters um trabalho no qual, pela primeira vez, se conseguiu calcular sua energia com cálculos teóricos usando supercomputadores. Um texto mais acessível sobre isto no blog Astropt e um mais técnico no blog Physics, da American Physical Society. O artigo original tem download livre (em PDF).

Críticas ao modelo atual da origem e evolução do Universo

Astrofísico dos EUA expõe críticas fortes ao paradigma dominante sobre a origem do Universo, a teoria inflacionária

Na última edição da Scientific American Brasil há um interessante artigo do astrofísico Paul Steinhardt com críticas fortes à teoria atual sobre a origem do Universo como o conhecemos, chamada teoria inflacionária – que é um refinamento da velha teoria do Big-Bang. Segundo ele, é bem possível que ela precise de uma revisão forte ou mesmo ser substituída. Não significa que o Big-Bang jamais tenha acontecido – as evidência são bastante contundentes –, mas que podem ter que procurar outro “refinamento”. Neste texto, procuro expor as ideias de Steinhardt com outra linguagem.


Mudando a teoria do Big-Bang: a inflação

A teoria inflacionária, proposta por Alan Guth em 1980, foi formulada para solucionar com uma só tacada vários problemas com a teoria original do Big-Bang. Sim, a teoria original tinha problemas sérios. Apesar de suas previsões concordavam muito bem com as observações astronômicas, havia problemas teóricos de outra ordem. Por exemplo, a teoria produzia um Universo que explodiria ou implodiria imediatamente após o Big-Bang, a não ser que a densidade média de matéria do Universo fosse igual a um parâmetro chamado “densidade crítica” com a absurda precisão de uma parte em 10⁶². E não havia razão aparente nenhuma para serem iguais. É o chamado “problema do ajuste fino”.

Além disso, o cosmo deveria parecer totalmente não-uniforme, pois não haveria tempo para a luz atravessar distâncias grandes, de modo que partes diferentes do céu deveriam estar totalmente desconexas. No entanto, apesar de acúmulos locais de matéria como galáxias e grupos de galáxias, em larga escala o Universo parece bastante uniforme (o chamado “problema do horizonte”).

A teoria da inflação basicamente postula que houve um período de expansão muito rápida logo no início. Atenção: quando um cosmólogo diz “muito”, ele quer dizer “muito”. Pela teoria, o cosmo expandiu-se 10⁷⁸ vezes em 10^-32 segundos...! Bem, isso foi suficiente para resolver os problemas acima. Com a inflação, qualquer que fosse a configuração inicial do Universo, ele teria convergido para um cosmo uniforme em larga escala. A inflação seria causada por um campo de forças chamado campo de inflatons, que permearia todo o espaço.

As previsões quantitativas da teoria foram confirmadas espetacularmente por observações astronômicas a partir de 1992 e rapidamente ela atingiu o nível da ortodoxia, ocupou capítulos inteiros de livros-textos básicos e tornou-se o paradigma dominante na área. Sobreviveu a novas descobertas de impacto, como as da a matéria escura e da energia escura, entidades misteriosas que perfazem juntas 96% da massa do Universo (a matéria e a energia comuns, que formam estrelas e planetas, dão só 4%), e cujas existências foram inferidas indiretamente nos anos 1990. A teoria da inflação, sua corroboração observacional e as descobertas seguintes talvez possam ser descritas como uma "revolução" na cosmologia.


Devemos mudar também a inflação?

Porém, com o tempo, uma melhor compreensão da teoria inflacionária mostrou que ela pode estar numa situação semelhante à do Big-Bang original. Suas previsões concordam com as observações espetacularmente bem, melhor ainda que o modelo anterior. No entanto, padece de problemas teóricos “macro” preocupantes. É o que Steinhardt expõe no seu artigo.

Na verdade, ele tenta colocar lado a lado os prós e os contras da teoria. Os prós são que a inflação resolveu várias inconsistências do Big-Bang original de uma só vez e que suas previsões quantitativas são corroboradas muito bem pelas observações – o que é o tira-teima final de qualquer teoria física.

Passemos às críticas. Primeira. Lembremos que a inflação resolveu o problema da especificidade exagerada das condições iniciais do Universo. Pois eis que agora é o campo de forças que produz a inflação (o campo de inflatons) que parece sofrer do mesmo problema.

A teoria só descreve as características gerais desse campo, não seus detalhes. Estes devem ser escolhidos de modo a fazer com que as previsões teóricas se adequem às observações. Até aí, tudo bem – é nada mais que um dos feijões-com-arroz da ciência. O problema é que, para que estrelas e galáxias pudessem se formar, seria preciso que o campo de inflatons tivesse uma forma extremamente específica. Se um de seus parâmetros tivesse um valor diferente por uma parte em 10¹⁵, o universo seria totalmente diferente. Haveria hoje muito mais espaço vazio do que efetivamente vemos (“muito” no sentido dos cosmólogos...!) e as galáxias estariam muito mais concentradas. Repete-se o problema do ajuste fino. Não é como o colossal 10⁶² da teoria original, mas ainda é uma coincidência que demanda uma explicação.

Um segundo problema é que hoje se sabe que, depois que a inflação pára (o que ocorre em apenas 10-32 segundos), ela continua em diminutas e raras porções do espaço. Essas poucas regiões retardatárias, porém, expandem-se exponencialmente (com a rapidez dramática típica das coisas relacionadas com a inflação), de modo que em pouco tempo o cosmo seria formado de universos-ilha permeadas de imensas regiões de espaço vazio – e uma dessas ilhas seria o Universo em que vivemos. Acontece que a imensa maioria desses universos-ilha não teria condições de formar estrelas e galáxias, e teria características muito diferentes do nosso. Isso pode ser fatal para a principal razão da popularidade da teoria inflacionária, que é a concordância entre suas previsões quantitativas e as observações astronômicas. Afinal, a previsão teórica não é a que vemos ao nosso redor, mas a imensa pluralidade de mundos possíveis em outras “ilhas”.

Representação do multiverso produzido pela inflação eterna. Nosso Universo seria apenas uma das bolhas mergulhadas no meio de um campo de forças chamado "falso vácuo" (representado em cinza) que se expandiria com velocidade exponencialmente crescente.

As dúvidas permanecem

Bem, tudo isso parece catastrófico. Porém, o que eu expus acima é a visão de Steinhardt, que a expôs de forma simplificada, sem espaço para detalhes que poderiam matizar essa impressão. Na verdade, a maior parte dos astrofísicos continua defendendo a inflação e ela continua sendo exposta em livros-textos de cosmologia, ignorando totalmente as críticas acima. Segundo o próprio Steinhardt, poucos pesquisadores têm prestado atenção a esses problemas. Mas ele mesmo diz que outros cientistas avaliam que tudo isso é uma “dor de dente” que será resolvida mais cedo ou mais tarde sem abdicar da ideia fundamental da inflação – assim com as inconsistências da teoria original do Big-Bang foram resolvidas acrescentando-se a inflação, sem rejeitar a ideia central.

Porém, a saída pode não ser tão suave. Nos anos 1980, Roger Penrose mostrou, por considerações teromdinâmicas muito gerais, algo desconcertante sobre o campo de inflatons. A maioria esmagadora das configurações desse campo produziria, sim, um Universo tão uniforme quanto é hoje, mas sem o período de inflação muito rápida! Essa observação abre a possibilidade de que haja um campo de inflatons que produza o universo como o conhecemos sem precisar de inflação.

Nos últimos meses, quando eu comecei a pesquisar mais a fundo as cosmologias alternativas, vi várias críticas à inflação, mas não podia saber se eram especulações sem grandes consequências (elas existem em todas as áreas) ou se eu as deveria levar a sério. Quando a maior parte dos cientistas da área parece ignorar uma crítica, isso pode um bom motivo para nós “meros mortais” confiarmos neles e permanecermos céticos. No entanto, o artigo de Steinhardt mostra que essas “especulações” estão saindo do seu limbo em rincões acadêmicos profundos e começam a emergir para uma região visível pelo público em geral.

Um outro problema, que Steinhardt não aborda, é o da singularidade inicial. O modelo diz que houve um momento inicial em que a densidade de matéria e de energia seriam infinitas. Como não deveria haver infinitos na natureza, apareceram dezenas de teorias alternativas, esperando que as observações astronômicas fiquem suficientemente precisas para "escolher" alguma delas - ou nenhuma. Várias prevêem até uma era pré-Big-Bang.

O estranho mundo quântico captado em vídeo

É sabido que as coisas no mundo microscópio se comportam de modo muito diferente do que no macro - é por isso que foi necessária uma física nova para o extremamente pequeno, a física quântica. Este vídeo no Youtube, cujo link encontrei ontem no site de um professor da Unicamp, mostra isso de maneira dramática.

Ele apresenta simplesmente uma simulação por computador de duas partículas subatômicas se chocando e depois quicando nas paredes de uma caixa. Poderiam ser dois elétrons. Talvez você estranhe que eles apareçam como manchas coloridas na figura ao lado. É porque essas manchas não indicam as partículas em si, mas apenas as probabilidades de elas serem encontradas naquelas regiões coloridas (a mecânica quântica só lida com probabilidades).

Bom, em princípio, isso seria algo inteiramente análogo a duas bolas de bilhar colidindo e depois batendo vezes seguidas nas beiradas da mesa. Mas... veja só o que acontece quando as partículas colidem:


Aparecem franjas entre elas. Como isso é possível? Na verdade, é uma manifestação da "dualidade onda-partícula" - o que chamamos "partícula", na verdade, comporta-se como onda. As duas manchas coloridas no início são dois "pulsos" de onda propagando-se pelo espaço. Sim, as "manchas que indicam probabilidades" representam também as próprias ondas. Essas "entidades" podem também se comportar como corpúsculos, dependendo da situação, mas aqui sobressai o seu aspecto ondulatório (afinal, são ondas ou corpúsculos? Nem um nem outro; são alguma outra coisa - que não sabemos o que é - e que se comportam ora como onda, ora como corpúsculo).

Acontece que ondas são capazes de interferir uma com a ontra, somando-se ou subtraindo-se. Na figura acima, vemos as ondas das duas partículas interferindo-se mutuamente.

Agora, veja o que acontece quando as partículas batem nas paredes da caixa:


Aparecem também as franjas de interferência! Mas agora as partículas não estão interferindo uma com a outra - elas estão em cantos opostos da caixa. Suas ondas estão interferindo com elas mesmas - à medida que uma parte reflete na parede e volta, ela interfere com a outra parte, que continua se aproximando.

O que se segue no vídeo é uma sucessão de diferentes padrões, como este abaixo:


Agora, não é possível distinguir as duas partículas, pois as suas ondas se misturaram. As franjas de interferencias ocuparam todo o interior da caixa. Aí desembocamos em outra característica da mecânica quântica, a indistinguibilidade. Duas partículas idênticas, como dois elétrons, são indistinguíveis num sentido completo, ontológico: não é sequer possível "seguir" a trajetória de um deles, como fazemos com formiguinhas caminhando em fila para ter certeza de que estamos seguindo sempre a mesma. Isso acaba tendo efeitos mensuráveis (altera o formato das franjas de interferência, as energias dos elétrons nos átomos etc.). Elas são indistinguíveis mesmo no início do vídeo, quando aparecem duas manchas bem distintas - lembrando que as manchas só indicam as probabilidades, elas não dizem que partícula se manifestará em cada mancha quando formos observá-las.

Mas isso não é o fim da história. As regiões bem delimitadas ressurgem e se dissovem novamente, como abaixo, alternando-se com os padrões:


Aparecem acima quatro regiões, como se fossem agora quatro partículas. Em outras partes do vídeo, aparecem 8 regiões e, em outras, 12! Significa isso que as partículas se dividiram? Não: lembremos que o que essas manchas representam é a probabilidade de se encontrar uma partícula em cada região do espaço. As partes vermelhas são os locais mais prováveis. Então continuam sendo duas partículas, só que agora cada uma pode ser encontrada em alguma das quatro regiões distintas do espaço. Observe que parecem ser quatro metades, como se fossem duas divididas entre dois lados opostos da caixa.

Agora, veja que desenho curioso aparece um pouco mais adiante:


Aparecem de novo quatro regiões concentradas, mas com listas de interferência!

A partir daí, a evolução faz todo o caminho de volta até as duas manchas iniciais aparecerem novamente.

É por essas e outras que a mecância quântica me parece tão fascinante: é um mundo inteiramente diferente, que funciona com regras diferentes, totalmente diversas do que diz a intuição. Os físicos têm que construir novas intuições à medida que avançam nos seus estudos.

Obs.: Um resumo deste artigo aparece no blog Ciências e Adjacências, com mais três vídeos semelhantes no final.

A megafísica mega-internacional e o estranho mundo assimétrico

À primeira vista, todo mundo deveria estar muito satisfeito com a teoria moderna sobre as partículas subatômicas. Pois ela é tão boa que descreve os fenômenos a que se propõe com mais precisão que qualquer outra em qualquer área da física, antes ou depois dela. O que mais se pode querer de uma teoria? Mas o que apareceu no meio científico no último dia 4 foi o último grande lance de uma corrida entre os principais laboratório de partículas do mundo para provar que ela está errada.

Quanto mais essas tentativas falham, mais impacientes ficam os cientistas. E esta última, da qual participaram físicos de quatro instituições brasileiras, provou que a teoria é ainda mais precisa do que se achava... Mesmo assim, mataram outros coelhos e avançaram em outra corrida, agora para achar o “bóson de Higgs” – a última partícula elementar prevista pela teoria cuja existência ainda não foi comprovada.

Calma, não é daquelas situações em que se trocam gritos e tiros. Os próprios EUA, pátria do ex-maior laboratório de partículas do mundo (o Fermilab), investiu pouco mais de meio bilhão de dólares para a construção na Europa do maior de todos, o LHC – que desbancou o Fermilab. E cientistas do LHC congratularam os do Fermilab pelo seu trabalho do dia 4 e disseram que ele pode muito bem vencer a corrida pelo bóson de Higgs. O espírito é mais esportivo do que se vê em muitos esportes por aí.


Por que mexer no que está dando certo?

O motivo para toda essa pressa é que, apesar de tão preciso, o Modelo Padrão falha catastroficamente em dar conta de uns poucos fenômenos importantes, relacionados não só com partículas, mas com o Universo conhecido como um todo.

Uma delas é que o Modelo Padrão prevê que deve haver um pouco mais de matéria que de antimatéria no Universo (ou vice-versa). Bem, o que é antimatéria: a cada partícula subatômica, como elétron ou próton, corresponde uma antipartícula de carga elétrica oposta – no caso, antielétron e antipróton. Essas antipartículas formam a dita antimatéria.

À esquerda, o próton, de carga elétrica positiva, e o elétron, de carga elétrica negativa. Nas suas antipartículas, à direita, as cargas elétricas estão invertidas.

À esquerda, um átomo tem o núcleo positivo e os elétrons negativos. À direita, um átomo de antimatéria, ou "antiátomo", tem o núcleo negativo e os elétrons positivos.

Entretanto, praticamente só vemos matéria à nossa volta, pelo menos até onde os telescópios podem observar. A supremacia observada da matéria sobre a antimatéria é pelo menos um bilhão de vezes maior que o previsto pela teoria. O Modelo Padrão diz que elas deveriam estar misturadas, o que seria cataclísmico em nível cósmico, pois matéria e antimatéria, quando em contato, transformam-se completamente em radiação extremamente energética...!

Outro problema: no Modelo Padrão, há dezenas de parâmetros numéricos, como a massa das partículas, cujos valores a teoria não explica. Ninguém sabe por que a massa do elétron é (segurem-se na cadeira) 911 octilionésimos de miligrama e não um outro valor qualquer. Há outros parâmetros relacionados com as probabilidades com que certas partículas se transformam umas nas outras, dos quais falarei mais adiante, e que estão no centro da pesquisa divulgada no dia 4.

Como não se sabe como completar a teoria nem como se construir uma nova, tenta-se descobrir fenômenos inéditos ou comportamentos diferentes do previsto pelo Modelo Padrão, na esperança de que possam dar mais indícios sobre o que fazer. O problema é que, quanto mais pesquisas se realizam, mais preciso o Modelo Padrão se mostra e todo mundo continua às escuras...


Megafísica

Para fazer esses estudos, os físicos usam aparelhos enormes chamados aceleradores de partículas. Como o nome indica, essas máquinas aceleram partículas subatômicas e obrigam dois “jatos” delas a se chocarem a velocidades enormes. O acelerador do Fermilab, o Tevatron, faz prótons e antiprótons colidirem a 99,99995% da velocidade da luz – apenas 475 km/h mais lentos que ela.

O choque produz novas partículas, que são analisadas por detectores colocados ao redor. Sabendo quais as partículas produzidas, suas velocidades e as direções para as quais foram atiradas, os cientistas conseguem inferir coisas sobre como a colisão acontece, se as teorias estão corretas ou não e, caso não estejam, como fazer uma nova teoria.

Um próton e um antipróton colidem com muita energia (lado esquerdo), suficiente para produzir várias partículas após a colisão (lado direito).

Essas máquinas são gigantescas. A maior de todas, o LHC, perto de Genebra, na fronteira entre França e Suíça, é basicamente constituída de um anel circular de 27 quilômetros de comprimento com os detectores ao redor – tudo dentro de um túnel subterrâneo. Começará a funcionar no final deste ano (deveria ter começado no fim de 2008, mas um defeito provocou um adiamento). O custo total deverá chegar a cerca de 3,03 bilhões de euros (3,9 bilhões de dólares de hoje).

O Tevatron do Fermilab é o segundo maior acelerador, com um anel de 6,28 km de comprimento. Sua construção custou 120 milhões de dólares, mas vem sendo incrementado desde então.

O círculo mais ao fundo, nesta vista aéra, é o anel do Tevatron, no Fermilab. Licença

Por que ser grande é bom? Quanto maior o acelerador, maior a energia que eles são capazes de fornecer às partículas que se chocam; e, quanto maior essa energia, maior a probabilidade de encontrar coisas novas (pois pode-se explorar o que acontece com energias jamais investigadas). O LHC poderá alcançar energias sete vezes maiores que o Tevatron. O Fermilab tem motivos para se preocupar...

A concorrência às vezes aparece dentro da mesma instituição, como aconteceu no Fermilab no dia 4: duas equipes de lá divulgaram, com apenas horas de diferença, dois trabalhos sobre a observação do mesmo tipo de fenômeno, com conclusões semelhantes.

O primeiro artigo, de um grupo chamado D-Zero, foi assinado por cientistas de 81 instituições de 19 países. A primeira página e meia do artigo só tem os seus últimos sobrenomes e as iniciais. A maior parte é dos Estados Unidos, mas há também quatro instituições brasileiras, onde trabalham os 15 cientistas daqui que assinaram o texto. São elas o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF, no Rio de Janeiro), a Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ), a Universidade Federal do ABC (de Santo André, SP) e a Universidade Estadual Paulista.

O segundo artigo, do grupo CDF (sigla em inglês para Detector de Colisões do Fermilab), foi assinado por físicos de 61 instituições espalhadas por 14 países. Não há nenhum brasileiro neste. O D-Zero contém bem mais países do Terceiro Mundo que o CDF, especialmente da América Latina (incluem Argentina, Colômbia, Brasil, Equador e México, além da Índia). Os dois grupos usam diferentes detectores do Tevatron.


A violação CP

Agora vou tentar descrever com um pouco de detalhe, mas de uma forma relativamente acessível ao leitor não-físico, no que consistiu a pesquisa feita no D-Zero e no CDF. Vou ter que apresentar vários “senhores” ao longo do texto: violação CP, forças fracas, quarks, bósons de Higgs. Preparem-se para conhecer novos amigos. Talvez dê para ter uma idéia do tipo de pesquisa que se faz na área da física de partículas e do tipo de conceitos com os quais os físicos lidam nesses estudos.

A pesquisa divulgada no dia 4 se relaciona com a limitação do Modelo Padrão sobre a enorme vantagem da matéria sobre a antimatéria. A idéia para se pesquisar isso é investigar uma das condições necessárias para que a assimetria matéria-antimatéria ocorra: a quebra, ou violação, da chamada “simetria CP”. Aqui vou ter que apresentar nossa primeira nova amiga. A simetria CP diz simplesmente que:

a) se trocarmos todas as cargas elétricas de um sistema físico (daí a letra C)
b) e ao mesmo tempo invertermos todas as posições no espaço, como na figura abaixo (“P” é de “paridade”, nome técnico para isso: “troca de paridade”)

então obteremos uma situação física perfeitamente possível e totalmente simétrica em relação à anterior.

As operações envolvidas na simetria CP. A parte A é o quadro "Mulher agachada", de Ismael Nery. Na parte B, refletiu-se a imagem num espelho vertical (espero que os fãs de Nery me perdoem). Uma nova reflexão, por um espelho horizontal, leva à parte C. As duas reflexões constituem a "inversão de paridade". A parte D representa todas as cargas elétricas de todas as partículas invertidas. Licença

Isso talvez pareça muito natural. Afinal, o que poderia mudar se simplesmente olharmos o mundo de cabeça para baixo e através de um espelho? A força da gravidade – e as outras forças – certamente não mudaria de intensidade por causa disso – no máximo, trocaria de sentido. Um átomo não se desmancharia se a carga elétrica de todas as suas partículas fossem trocadas de sinal – afinal, o sinal das cargas é uma convenção: poderiam ter definido que os prótons são todos negativos e os elétrons positivos, ao invés do contrário. A natureza não está nem aí para as nossas idiossincrasias.

Mas a natureza é estranha. Em 1964, James Cronin e Val Fitch descobriram no laboratório que as forças fracas não respeitam essa simetria! Bem, “forças fracas”... prazer em conhecer... OK, deixem-me apresentar nossa segunda nova amiga.

A força fraca é uma das forças fundamentais da natureza, ao lado das forças gravitacional, elétrica, magnética (as duas conjuntamente conhecidas como eletromagnéticas) e nuclear forte (que se relaciona com a muito falada energia nuclear). Dentre elas, é as mais desconhecida fora da física. O fenômeno mais comum de que toma parte é a radiação beta, emitida por vários materiais radioativos.

E as tais forças fracas desrespeitam a simetria CP. Muito, muito estranho. Mas fazer o quê? É assim que a natureza se nos mostra.


Conseqüências da violação CP

Ora, o caso é que essa estranha descoberta teve duas conseqüências importantes.

A primeira foi que, para incluí-la, as teorias tiveram que ser modificadas. A versão final é de 1974 e é o que chamamos “Modelo Padrão”.

A principal mudança foi “postular” a existência de duas novas partículas subatômicas, até então nunca vistas. Seus nomes são quark top e quark bottom. Hora de apresentar novos amigos pela terceira vez...

Quarks são partículas que interagem por meio da força nuclear forte. Há seis tipos: up, down, charm, strange, top e bottom. O up e o down se associam em grupos de três para formar os prótons e os nêutrons: o próton tem dois up e um down e o nêutron, dois down e um up. Os quatro outros não participam da constituição dos átomos. O que se chama normalmente “força nuclear” é a força entre prótons e nêutrons (e entre si), que é um “remanescente” da força forte entre os quarks dentro deles.

Licença

O quark top e o quark bottom previstos pelo Modelo Padrão acabaram sendo encontrados entre as partículas que aparecem nas colisões dos aceleradores mais potentes. O último, o quark top, foi detectado no Fermilab só em 1995, pelos mesmos dois grupos, DÆ e CDF – de novo, quase ao mesmo tempo.

Além disso, os diversos quarks podem transformar-se um no outro. Isso acontece, por exemplo, no momento das colisões dentro dos aceleradores. Porém, o Modelo Padrão – específico a ponto de dizer quais partículas devem existir e quais não devem – não “sabe” calcular a probabilidade de um quark se transformar em outro! Os físicos têm que medi-las no laboratório e usar como “input” para a teoria (para os mais conhecedores, estou falando da matriz de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa).

Aliás, lembram-se de quando eu falei no começo deste texto, que há parâmetros cujos valores o Modelo Padrão não prevê, “relacionados com as probabilidades com que certas partículas se transformam umas nas outras (...) e que estão no centro da pesquisa divulgada no dia 4”? Eu estava me referindo a essas probabilidades de transformação dos quarks.

A segunda conseqüência da descoberta da quebra da simetria CP é que ela implica na assimetria entre matéria e antimatéria, vínculo que foi descoberto pelo físico russo Andrei Sakharov.

Porém, isso explica apenas uma pequenina parte dessa assimetria. Assim, deve haver ainda mais novidades ocultas na física das partículas. Para encontrá-las, muitos cientistas passaram a olhar mais de perto fenômenos que exibiam quebra da simetria CP.


Os triângulos unitários

O pessoal do DÆ e do CDF juntou-se a esse conjunto de físicos. Sua idéia foi observar quarks top produzidos na colisão entre os prótons e antiprótons do Tevatron. Afinal, o quark top está no centro do problema da violação CP (foi prevista justamente por causa dela). Talvez pudesse revelar mais coisas interessantes.

Ora, há pouco, eu disse que o Modelo Padrão não previa as probabilidades de um quark se transformar em outro. A idéia dos físicos que estudam a violação CP é concentrar-se justamente na investigação dessas probabilidades.

Mas investigariam o quê, se o modelo era silencioso quanto a elas? Acontece que, apesar de a teoria não dizer os valores dessas probabilidades, ele prevê uma relação curiosa e bem específica entre elas. E é essa relação que os físicos querem testar, comparando cálculo de teoria com resultado de experimento. A relação é: é possível desenhar triângulos com essas probabilidades. Melhor dizendo: as probabilidades podem ser combinadas em certas quantidades que formam ângulos e lados de seis triângulos diferentes, chamados “triângulos unitários”.

Físicos adoram coisas que se pode visualizar. Elas excitam a intuição e fomentam novas idéias. E é de novas idéias que os cientistas estão precisando neste momento. Concentraram-se então nesses triângulos. Assim: passaram a medir os parâmetros com os detectores dos aceleradores; aí construíam os triângulos com eles e verificavam se a figura se “fechava” ou não, como na figura ao lado. Se não se fechassem, haveria problemas com o Modelo Padrão. Caso se fechassem, haviam apenas provado que o Modelo era ainda mais preciso.




O que o Fermilab fez

Até 2007, já se havia investigado todos os lados e ângulos dos triângulos unitários, com exceção de um, chamado “Vtb” (escreve-se o “t” e o “b” porque ele se relaciona com a transformação de um quark top em um quark bottom). Para ele, havia medições indiretas e não suficientemente precisas. Tudo melhoraria se fosse possível observar a produção de quarks top individualmente, pois eles continham informação direta sobre o Vtb.

Mas quase todos os quarks apareciam em pares quark-antiquark. Os quarks solitários ocorriam, mas eram muito difíceis de serem observados, pois surgiam muito raramente no meio de uma grande quantidade de outras partículas – algo como procurar uma agulha amarela num palheiro bege. E transformavam-se em outras partículas antes que se pudesse fazer qualquer coisa.

Os aperfeiçoamentos técnicos e metodológicos permitiram distingui-lo ali no meio já em 2007. Mas foram vistos muito poucos; para conseguirem medir o Vtb com precisão semelhante ao que havia sido feito para os outros parâmetros, era preciso mais. Isso foi conseguido no último dia 4.

Os quarks continuam transformando-se em outras coisas antes de poderem serem observados – na verdade, quarks só podem ser detectados aos pares. Mas as partículas nas quais se transformam contém, nas suas velocidades e direções de movimento, uma “assinatura” do quark top. Essas partículas “secundárias” é que foram detectadas. E a assinatura do quark top isolado estava lá.

O resultado foi... o triângulo se fechou muito bem...! Melhor do que parecia se fechar até então. Bem... não foi o grande dia, não foi desta vez que o Modelo Padrão foi derrotado. Mas os cientistas descobriram algo mais.


A busca pelo bóson de Higgs

Primeiro, observar indiretamente quarks isolados é algo muito interessante, pois isso é muito difícil de ser feito. A observação de 2007 foi a primeira.

Segundo, o D-Zero e o CDF avançaram em outra corrida: para encontrar o bóson de Higgs. Eis aqui mais um quarto amiguinho para ser apresentado. Vamos lá.

O bóson de Higgs é uma partícula prevista pelo Modelo Padrão, a única cuja existência ainda não foi confirmada em laboratório. A razão é que ela é muito pesada, e quanto mais pesada uma partícula, mais difícil de ver num acelerador. Isso acontece porque os aceleradores têm que fazer as colisões produzirem as partículas – e, para se produzir partículas grandes, é preciso fazer colisões com energia muito alta. Não se sabe qual a massa do Higgs, mas em agosto do ano passado, resultados do DÆ e do CDF combinados mostraram que sua massa é pelo menos 203 vezes maior que o próton – ou seja, um pouco mais pesado que um átomo de mercúrio.

A corrida pela observação do bóson de Higgs é ainda mais intensa que a relacionada com a violação CP descrita neste texto. Esta última praticamente não aparece nos jornais; já os bósons de Higgs aparecem bastante (ainda que poucos leitores saibam o que são).

A contribuição dos resultados do dia 4 para a busca do bóson de Higgs é a seguinte. Assim como o quark top, essa partícula também só pode ser observada indiretamente. Acontece que os sinais deixados pelos quarks top produzidos individualmente mimetizam os deixados pelo bóson de Higgs. Então, um requisito para se conseguir encontrar o Higgs é entender bem os sinais dos quarks top individuais – senão, haverá dificuldade em distinguir os dois casos. Os resultados do Fermilab trouxeram esse conhecimento. Como conseqüência, um dos cientistas do próprio LHC, Paul de Jong, disse que o trabalho do D-Zero e do CDF pode levar o Fermilab a encontrar o Higgs antes.


Para saber mais:

A aventura das partículas – Site com muito boa navegabilidade com informações bem acessíveis sobre física das partículas, incluindo o Modelo Padrão e aceleradores.

Os artigos do D-Zero e do CDF (para físicos...)

Imagens quânticas, computadores quânticos

Aos pouquinhos, o computador quântico vai se aproximando da (ainda longínqua) realidade. Se sair da prancheta, sua velocidade deverá, para algumas aplicações, ser muitos milhões de vezes superior às máquinas modernas.

Um dos últimos avanços relevantes foi publicado no dia 12 de fevereiro, na revista britânica Nature. Enquanto a maioria das pesquisas até agora se concentrou no poder de cálculo do computador, esta tem a ver com processamento de imagens.

Mas, na verdade, o estudo do grupo de Alberto Marino, do NIST, nos Estados Unidos, tem um alcance bem maior. O que fizeram foi um aperfeiçoamento sensível na capacidade de se manipular um fenômeno físico mais geral, que é a base não só do computador quântico, mas também de outras tecnologias aparentadas e ainda sendo desenvolvidas, como o teleporte e a metrologia quânticos: o chamado emaranhamento quântico.


Um mundo emaranhado...

De fato, em todas essas tecnologias, o “dispositivo” principal é simplesmente um conjunto de partículas – elétrons, fótons – “ligadas” por um certo tipo especial de correlação, chamado “emaranhamento”. Essa correlação mantém o conjunto de partículas em um estado físico “uno”, “indivisível” – no sentido em que não é possível associar um estado físico a cada partícula individualmente; apenas ao conjunto todo corresponde um estado identificável. Uma alteração qualquer em um estado assim atinge as duas partículas simultaneamente – mesmo que estejam separadas por grandes distâncias.

Trata-se de uma das muitas consequências surpreendentes da mecânica quântica. Esta teoria foi desenvolvida entre 1900 e 1925 para substituir a “física clássica”, anterior, que não conseguia explicar fenômenos envolvendo átomos, moléculas e partículas subatômicas. Apesar das aparências – uma alteração atingindo ambas as partículas ao mesmo tempo, mesmo que distantes –, uma modificação no estado emaranhado por si só não consegue transmitir informações pelo espaço.


...e superposto

Há mais. Além de poderem emaranhar-se, estados físicos quânticos podem ser superpostos (na verdade, o emaranhamento já é um tipo de superposição, como falarei adiante). Um estado físico é simplesmente uma situação em que um objeto pode estar. Por exemplo, o meu computador, neste momento, está no estado físico “ligado”. O plástico de sua carcaça está no estado físico “de cor preta”. Mas ele não pode estar ligado e desligado ao mesmo tempo, nem a mesma região de sua carcaça ser branca e preta simultaneamente!

Um partícula suficientemente pequena também não pode estar em dois estados simultaneamente. Por outro lado, pode estar numa combinação, ou superposição deles, que produz um terceiro estado, diferente. Meu computador poderia, se fosse um elétron ou um átomo, estar num estado “ligado + desligado”. Não se trata de estar ao mesmo tempo ligado e desligado: é um terceiro estado, distinto dos outros dois.

Claro que ninguém nunca viu um computador em tal situação. Ocorre que essa combinação é tanto mais instável quanto maior for a massa do objeto em questão. Tanto que a primeira superposição quântica de estados de posição no espaço de um átomo só foi obtida em 1996. Algo do tamanho de um computador “colapsaria” quase imediatamente para um dos estados, ligado ou desligado, muito antes de poder ser observada. Essa rápida evolução da superposição de estados para um dos estados individuais, por efeito de perturbações mínimas do ambiente ao redor, chama-se “decoerência”.


Um mundo inacreditável

Se isso parece difícil de engolir, saiba que mesmo físicos como Albert Einstein também não acreditavam. Mas experimentos nas últimas décadas mostraram que ele estava errado. Talvez fique mais palatável se eu falar que outra consequência da mecânica quântica é que o que chamamos, por tradição, de “partículas” comportam-se, em grande parte das situações, como ondas (é a “dualidade onda-partícula”). Ora, ondas – ondas sonoras, na água, numa corda etc. – podem passar umas pelas outras, somar-se, cancelar-se. Podem superpor-se umas às outras.

A capacidade das partículas de superporem seus estados está relacionada com isto. Do ponto de vista matemático, a superposição de dois estados de uma partícula funciona exatamente como a superposição de duas ondas comuns.

A relação entre superposição e emaranhamento é que, quando se superpõe estados de mais de uma partícula de uma só vez, pode-se obter estados emaranhados. Para a computação quântica, a vantagem desses estados é a possibilidade de se fazer cálculos maciçamente paralelos, ou seja, muitos e muitos de uma só vez.

Para aplicações assim, em que o processamento pode ser dividido em muitas partes independentes, as quais podem ser feitas simultaneamente por várias máquinas para gastar menos tempo, o computador quântico fica muitas vezes mais rápido e econômico que o tradicional (nos outros casos, não – ou seja, o computador quântico não substituirá o normal, apenas o complementará). Senão, vejamos.


Como funciona o computador quântico

Na computação clássica, cada unidade de informação, chamada “bit”, pode assumir dois valores, normalmente chamados “0” e “1”. Um exemplo simplificado: dentro do circuito da máquina, um transistor pode estar “aberto” ou “fechado”. Se mantido em um desses estados, esse transistor “guarda” essa informação – pode funcionar como uma parte da memória (obs.: no mundo real, cada “unidade” de memória é formada por pequenos conjuntos de transistores, como os flip-flops).

No computador quântico, essa informação “0” ou “1” não é guardada em transistores, mas, geralmente, em átomos. Ora, se um átomo pode estar em “0” ou “1”, então dois átomos podem estar em quatro combinações: 00, 01, 10 ou 11 (assim também, naturalmente, com transistores e flip-flops).

Porém, os átomos são minúsculos o suficiente para exibir efeitos quânticos pronunciados. Assim, eles podem estar também em superposições desses quatro estados! E os computadores quânticos são preparados justamente desta forma, com os átomos em estados superpostos e emaranhados.

A coisa verdadeiramente interessante aparece quando lembramos que os estados emaranhados comportam-se como um só e podem ser manipulados como se fosse um único estado de uma única entidade. Por causa disso, é possível fazer uma conta com vários valores de uma vez só!

Um exemplo (vá vendo a figura abaixo). Eu posso somar o número 5 com os números 10, 20, 30 e 40 de uma só vez, com um só passo (ao invés de ter que fazer quatro contas, na computação tradicional). Basta para isso aplicar a operação “soma” ao próprio estado emaranhado como um todo. Cada um dos quatro elementos (estados) do emaranhado representa um dos quatro números – 10, 20, 30 ou 40, como mostram as setas na figura.

Na figura acima, o retângulo da direita representa um estado emaranhado das quatro combinações possíveis para dois átomos. O do centro, depois da seta, os números que cada um está representando. O retângulo da direita apresenta o resultado, depois que a operação “somar com 5” for executada sobre o estado emaranhado como um todo. É necessário um só passo para executar as quatro operações, enquanto os computadores tradicionais precisam de quatro cálculos diferentes.

A velocidade do computador quântico, nesse caso, fica 4 vezes a do tradicional (grosso modo, pois há outros efeitos envolvidos). Não só: é preciso só um computador para isso. Além de ser rápido, é econômico.

Já para três átomos, há oito combinações. E o trio de átomos estará num estado superposto de todas elas. Para quatro átomos, há dezesseis, e assim por diante. Para dez átomos, já há 1.024 combinações. Com bilhões de átomos emaranhados... a velocidade (e a economia) fica, digamos, colossalmente maior!

Parece promissor! Mas há um problema. A natureza não daria algo assim de mão beijada. Ocorre que os estados emaranhados são extremamente instáveis. Uma perturbação mínima (como sua participação num cálculo computacional) os “desmancha” e as partículas passam a comportar-se individualmente de novo. Apenas nos anos 1990 foi conseguido emaranhar átomos inteiros, durante uma fração de segundo. Desde lá, porém, as coisas têm avançado rapidamente e hoje consegue-se emaranhar até trilhões de átomos, mas durante um tempo muito pequeno – e sem manipulá-los enquanto estão emaranhados.


Fazendo imagens com emaranhamento

Só falei em “cálculos” até agora. Mas um computador não faz só isso – como qualquer pessoa que jogue, navegue na Internet ou use editor de imagens sabe bem. Pois o grupo de Marino trabalha justamente com imagens. Em junho de 2008, conseguiu produzir dois raios de luz emaranhados que continham, cada um, uma imagem das letras “NT”, a primeira e a última da sigla do instituto de pesquisa onde trabalham, o NIST. As duas imagens eram exatamente o oposto uma da outra.

As duas imagens que o grupo do NIST emaranhou. Crédito: V. Boyer et al., JQI

A novidade não foi só trabalhar com imagens. Outros grupos já faziam isso, mas havia grandes dificuldades técnicas e as figuras eram muito simples. Marino mostrou que se podia fazer imagens emaranhadas com materiais de laboratório muito mais usuais e trabalhar com figuras mais complexas. Com apenas 100 pixels cada uma (é preciso começar do começo), suas imagens ainda eram de baixa qualidade – mas, enquanto até então só se conseguiam imagens como as um ponto ou de um círculo, Marino conseguiu a de um letreiro legível.


É preciso atrasar a luz

Bem, um computador precisa de mais do que emaranhar partículas ou de formar imagens com elas. Precisa de circuitos, como aqueles complicados que os computadores tradicionais têm no seu interior. Uma das coisas que são necessárias para isso, em computadores quânticos, é um jeito de controlar a velocidade do raio de luz que carrega a informação (a imagem, no caso), para que se possa fazê-lo chegar no lugar em que se queira no momento em que se queira. E, isso, sem destruir o delicadíssimo estado emaranhado.

Já se havia conseguido atrasar a luz, para as tais imagens simplórias e com equipamentos bem mais sofisticados. Mas seria possível fazê-lo com as técnicas mais simples de Marino e sem desmanchar o emaranhamento entre dois raios de luz carregando uma imagem legível? Foi isso que o grupo conseguiu há duas semanas.

Para atrasar o raio de luz, ele passa através de um pequeno recipiente com vapor de rubídio. Os átomos do vapor absorvem e reemitem sistematicamente a luz e, com isso, atrasam seu trajeto.

Controlando-se a temperatura do gás, pode-se controlar o tamanho do atraso. Conseguiram atrasar a luz de um dos raios emaranhados até 500 vezes. Deixaram o outro continuar normal para ver se era possível, com essa tecnologia, manipular apenas um deles.


Tiro pela culatra

A existência do emaranhamento quântico foi prevista em 1935 por Albert Einstein, Boris Podolski e Nathan Rosen. Mas, ironicamente, fizeram-no para desqualificarem a mecânica quântica. Pois, apesar de ser um dos fundadores da teoria quântica, Einstein fazia parte do grupo dos físicos que se recusavam a aceitar diversas de suas consequências. Queriam, então, mostrar que ela levava a situações filosoficamente inaceitáveis.

O grande cientista estava errado, mas o agora chamado “par EPR”, outro nome para “duas partículas emaranhadas” (“EPR” são as iniciais dos sobrenomes dos três físicos), acabou tornando-se um conceito fundamental em diversas aplicações práticas e teóricas. Mas haverá, ainda, muitos capítulos, pequenos e grandes, até que o desafio de estabilizar o estado emaranhado seja realizado e um processador quântico possa estar auxiliando os computadores em nossas casas.


Resumindo

• O dispositivo principal dos computadores quânticos é um conjunto de átomos em um estado emaranhado.
  
  
• Num estado emaranhado entre duas partículas, não é possível associar um estado físico com cada uma das partículas. Apenas se pode associar um estado ao par inteiro. Além disso, uma tentativa de alteração em uma das partículas altera o estado como um todo.
  
  
• A superposição de estados e o emaranhamento quântico permitem que um computador quântico possa realizar operações em paralelo de forma maciça.
  
  
• Por isso, nesse tipo de aplicação, o computador quântico pode ficar milhões de vezes mais rápido que o tradicional. Mas, para outras aplicações, não – por isso, ele não substituirá o computador digital comum.
  
  
• O principal desafio para se construir um computador quântico comercial é superar a extrema instabilidade dos estados emaranhados.
  
  
• O grupo de Alberto Marino, do NIST, conseguiu estados emaranhados entre dois raios de luz que transportam imagens. Conseguiu também diminuir a velocidade de um dos raios de luz de forma controlada, chegando a um atraso de até 500 vezes. Isso pode ser necessário para que se possa implementar adequadamente o emaranhamento em um computador quântico de porte.
  
  
• A pesquisa de Marino aborda a técnica de emaranhamento e pode ter aplicação mais geral que a computação quântica, pois essa técnica é usada também em teleporte quântico e metrologia quântica.
  

Saiba mais

Na revista Ciência Hoje 193, de maio de 2003, saiu uma reportagem de capa sobre computadores quânticos.

Para físicos: aqui estão dois links com resumos sobre a pesquisa de Marino sobre imagens e sobre o atraso da luz.

O significado dos números sobre o aquecimento global

Uma matéria de hoje (22) na Folha de S. Paulo sobre o aquecimento global me levou a destrinchar um pouco o significado dos dados sobre isso e como eles são obtidos. Consegui fazer um pequeno esquema mental sobre isso e gostaria de dividi-lo com os leitores. O texto abaixo acabou virando uma exposição sobre a natureza de boa parte da pesquisa científica em geral.

Auxiliou-me nisso alguma experiência que tive com simulações (cálculos) computacionais quando eu fazia pós-graduação em física. Essas simulações têm características comuns com as da meteorologia. O fato de o esquema ser partilhado por muitos tipos de pesquisa científica também ajudou.

A matéria da Folha, escrita por Eduardo Geraque, fala sobre os resultados de uma pesquisa apresentada por Anny Cazenave em uma reunião da Associação Americana para o Avanço da Ciência (AAAS), que terminou na semana passada. A pesquisa mediu a velocidade de subida do nível dos mares entre 1993 e 2008 e o resultado (3,4 mm por ano) deu quase o dobro do que se mediu entre 1950 e 2000 (1,8 mm por ano)! Além disso, sua previsão de quanto os mares deverão subir até 2100 (1,8 metro) é mais do que o dobro das previsões “oficiais” do IPCC para aquele ano (na pior das hipóteses, 60 cm). Vejamos o significado disso.


O que é o aquecimento global e o que ele faz

Primeiro, algo sobre a natureza do aquecimento global. Ele é causado por emissões, para a atmosfera, de gás carbônico (CO2) e outros gases, chamados “gases-estufa”. As medidas indicam que sua quantidade vem aumentando fortemente durante o século XX. Esse aumento "desregula" a principal “função” desses gases, que é manter o planeta aquecido, numa temperatura boa para a vida – o chamado “efeito-estufa”. A temperatura média da Terra, então, começa a subir.

Isso não tornará a vida inviável, mas deverá provocar mudanças no mínimo bastante incômodas. Além de desencadear diversas mudanças climáticas de vários tipos, o aquecimento deverá também elevar o nível dos mares, por causa do derretimento do gelo das calotas polares e da dilatação térmica da água. A elevação dos mares deverá inundar várias cidades costeiras nos próximos séculos. O IPCC avalia que a probabilidade de o aquecimento global ser causado por emissões de gases estufa causadas pelo ser humano é de mais de 90%.


O que faz o IPCC

Bem, IPCC é o Painel Internacional sobre Mudanças Climáticas, um órgão da ONU criado em 1988, dedicado a elaborar sínteses das pesquisas sobre isso feitas pelo mundo todo, tentar identificar as suas causas e sugerir ações baseadas nessas avaliações. “Painel” é um conjunto de cientistas de várias áreas para estudar certo assunto. O painel do IPCC tem cerca de dois mil pesquisadores. As principais sínteses – os “Relatórios Avaliativos” – são publicadas de seis em seis anos, tendo o último sido em fevereiro de 2007.

O IPCC pega os estudos científicos dispersos pelas publicações especializadas (como os divulgados por Cazenave) e faz projeções e médias para extrair do conjunto uma avaliação geral de como andam as coisas no clima mundial e o que os governos poderiam fazer para diminuir os riscos e os efeitos de uma catástrofe ambiental.


O que fazem as pesquisas individuais

Cada um dos estudos que o IPCC coleta fazem basicamente três coisas:

(a) medidas
(b) projeções (previsões)
(c) correlações

O resultado divulgado pelo grupo de Cazenave fez as três.

Muitos artigos fazem também sugestões sobre o que fazer, que estratégias adotar, baseados nos seus resultados.


(a) Medidas (que devem ser devidamente interpretadas)

As medidas podem ser de temperaturas, níveis dos mares, concentração de CO2 na atmosfera etc. Elas podem ser:

(1) medidas feitas no presente ou
(2) determinações sobre como eram as coisas no passado, antes dos primeiros registros de temperaturas, nível dos mares etc. (em geral, antes do século XX)

As do estudo apresentado na AAAS são medições diretas do nível dos mares, feitas no presente, de 1993 a 2008, com o auxílio de satélites artificiais.

Para as medidas sobre como eram as coisas no passado, é preciso procurar em lugares que possuem registros de como elas eram. Por exemplo, a composição química do interior de recifes de corais dá indicações sobre a temperatura dos mares nos séculos passados. Isso porque os corais vão crescendo bem lentamente e seu metabolismo e sua composição são influenciados pela temperatura da água.

As medidas, especialmente as indiretas, devem ser interpretadas para poderem significar alguma coisa. No caso acima dos corais, por exemplo, deve haver uma teoria por detrás que diga como associar a composição química dos corais com a temperatura. Aí, entram os estudos dos oceanógrafos e biólogos (é por essas e outras que as mudanças climáticas são um estudo fortemente interdisciplinar). Ou seja: observações são interpretadas de acordo com teorias.


(b) Projeções

Com base nas medidas, fazem-se as projeções. Estas são feitas com programas de computador. Alimenta-se os programas com os resultados das medidas e, após algum tempo, o computador produz dados sobre temperatura, nível dos mares, concentração de CO2 etc. para o futuro. É daí que vêm as previsões de quanto o nível do mar vai subir nos próximos cem anos ou mais. Os cálculos chamam-se “simulações computacionais” – elas “simulam” de forma aproximada o comportamento da Natureza. Os programas dos computadores usam equações que são produzidas por estudos teóricos – que, por sua vez, levam em conta os resultados das medidas.

Acontece que os cálculos para se fazer essas projeções têm duas complicações principais.


Os cenários

Primeiro, o que vai acontecer no futuro é influenciado pelas transformações futuras da tecnologia, da economia e da sociedade. Evidentemente, isso é desconhecido. Então, faz-se vários “cenários”, ou seja, vários conjuntos de hipóteses sobre isso. As diferenças entre os cenários nos estudos sobre mudanças climáticas têm a ver principalmente com hipóteses sobre o desenvolvimento econômico do mundo. Por exemplo, se a economia passar a se concentrar rapidamente no setor de serviços, o setor industrial pode ser aliviado e, assim, poderá haver menos emissões de gases-estufa – e menos aquecimento.


Os modelos

Segundo, os cálculos são terrivelmente extensos, mesmo para os computadores atuais. A previsão meteorológica é uma área que demanda um esforço computacional verdadeiramente brutal. É impossível fazer as contas com precisão total – para isso, seria necessário um tempo muitas vezes maior que todo o tempo transcorrido desde o Big-Bang até hoje...! É preciso fazer simplificações. Imagine se a forma de todas as montanhas do mundo tivesse que ser colocadas nos programas...!

Algumas coisas podem ser simplificadas sem grandes mudanças no resultado final. Outras, não. Por exemplo, é claro que os detalhes do relevo não devem ser importantes – eles influenciam pouquíssimo o resultado final dos cálculos. Porém, os oceanos não podem ser ignorados, eles são grandes demais.

Isso é um exemplo simples. Em geral, as coisas são muito mais complicadas e não é fácil saber que simplificação pode ser feita e que efeitos elas terão no resultado final. Por isso, há vários “modelos” diferentes para tratar o assunto. Cada um deles dá peso diferente para vários parâmetros. A palavra “modelo”, na verdade, tem significado mais geral na ciência e é fundamental em qualquer pesquisa científica. Trata-se de um conjunto de hipóteses sobre o objeto de estudo, sem as quais nenhuma pesquisa consegue funcionar.

A escolha dos modelos não é arbitrária. Para ver se são bons, pode-se:

(a) Testá-los: compara-se previsões baseadas nos modelos com resultados que já existem.
(b) Comparar as previsões com vários modelos diferentes. Se houver divergência demais, há problemas com pelo menos alguns deles.
(c) Esperar que o tempo passe e ver se as previsões se confirmam.


Os métodos computacionais

Além das simplificações no que deve ser colocado ou não como dado de entrada no programa do computador, em geral as próprias equações usadas pela máquina têm que ser simplificadas. Cada um deles têm a ver com o que eu poderia chamar de um “método computacional”. Mas, no caso da meteorologia, suponho que haja razoável consenso sobre que método de cálculo é melhor, já que não vejo menções a isso.


(c) Correlações

Correlações entre as observações podem ajudar a identificar causas de fenômenos. Um exemplo muito simplificado: se a concentração de CO2 na atmosfera aumenta mais ou menos paralelamente ao aumento da atividade industrial, é bem provável que haja alguma ligação entre as duas. Em geral, as associações são muito mais complexas e exigem tratamentos estatísticos sofisticados e também – como as projeções – teorias, modelos e métodos computacionais.


Os resultados das pesquisas variam

Assim, diferentes trabalhos científicos podem dar diferentes resultados para a mesma coisa. Por exemplo, duas pesquisas podem mostrar resultados diferentes para as previsões do nível dos mares. Essa diferença, em geral, é devida à soma de fatores como estes:

(a) métodos de medidas diferentes produzem resultados diferentes para o mesmo parâmetro. Medir o nível dos mares com satélites artificiais é diferente de medi-los da praia.
(b) teorias diferentes para interpretar as medidas. Teorias distintas para associar composição de corais à temperatura dos mares podem produzir diferentes temperaturas “medidas indiretamente”.
(c) parâmetros diferentes colocados no programa do computador. Um cientista pode tentar prever a temperatura a partir da concentração de CO2 na atmosfera; outro pode usar dados sobre temperaturas de séculos passados obtidas em corais; outro pode usar os dois tipos de dados.
(d) cenários diferentes.
(e) modelos diferentes.
(f) métodos computacionais diferentes, se for o caso.

Muitas vezes, pode-se determinar quais desses fatores são mais relevantes. Em outras situações, é preciso esperar estudos mais aprofundados para isso. Após se ter determinado os porquês das diferenças, pode-se fazer comparações melhores entre eles e articulá-los para produzir previsões médias, como faz o IPCC. Porém, o IPCC costuma separar os resultados de acordo com o cenário e, às vezes, também de acordo com os modelos.


O IPCC faz várias projeções dependendo do cenário e do modelo

Assim, o IPCC não faz só uma projeção, faz várias, e cada uma delas corresponde a um tipo de cenário e modelo. Além disso, às vezes, tira-se uma média entre os modelos e discrimina-se o resultado apenas de acordo com os cenários. Por exemplo, o Relatório Avaliativo do IPCC de 2007 mostra seis números diferentes para a elevação do nível dos mares até 2100, cada um associado com um cenário. Eles variam de 40 cm, no cenário mais “otimista”, a 60 cm, no cenário mais pessimista (vide página 821 do capítulo 10 do Quarto Relatório Avaliativo do IPCC (o de 2007), volume do "Grupo de Trabalho I: "As bases científicas físicas" ).

Quão confiáveis são os dados do IPCC? Uma maneira de saber é esperar o tempo passar e verificar em que extensão suas previsões se confirmam. Ora, algum tempo já passou desde o primeiro Relatório Avaliativo, de 1995. Em fevereiro de 2007, um artigo publicado na Science mostrou que, entre 1990 e 2006, mediu-se um acréscimo de 0,33 graus Celsius na temperatura média dos oceanos. Isto estava dentro do conjunto de previsões do IPCC. Estava, porém, perto das projeções mais pessimistas. Já a elevação do nível dos mares, segundo o mesmo artigo, foi de 3,3 mm/ano. Aí houve discrepância com o IPCC: este previa um máximo de 2 mm/ano. Há uma reportagem de Marcelo Leite na Folha de S. Paulo com informações interessantes sobre isso.


Os dados divulgados na AAAS

Aqui, já é possível situar melhor o significado dos dados de Cazenave. Eles são um dos que deverão ser incluídos pelo IPCC no seu próximo relatório avaliativo, que deverá sair em 2012 ou 2013, e em outras publicações que aparecerão no caminho.

A pesquisa incluiu medidas, projeções e correlações. Algumas delas:

(a) as medidas indicam que a velocidade de subida do nível dos mares entre 1993 e 2008 (3,4 mm por ano) é quase o dobro do que se mediu entre 1950 e 2000 (1,8 mm por ano). Mas as divergências com os dados do século XX são devidas tanto à diferença nos métodos nas medidas quanto a um aumento real na velocidade da elevação dos mares.

(b) suas projeções com computadores indicam que a elevação da linha d'água até 2100 será de 1,80 metro, é o triplo da prevista pelo IPCC. Isso é surpreendente.

(c) correlações com outros dados indicaram que as causas da elevação do nível dos mares é mais a expansão térmica da água (50%) do que o derretimento do gelo das calotas (40%)

Devemos, porém, lembrar que isso é apenas um dos muitos cálculos já feitos, que usam um certo conjunto de medidas e um certo modelo para fazer previsões. Pode ser que as medidas e o modelo sejam melhores que os outros e esse resultado seja mais representativo. Mas temos que esperar algum tempo para os especialistas poderem cotejar esse resultado com os demais.

Obs.: Agradecimentos a Roberto Takata, por sugestões de correções no texto.