Alguns sistemas físicos, especialmente no mundo quântico, não alcançam um equilíbrio estável mesmo depois de muito tempo. Um pesquisador da ETH encontrou agora uma explicação elegante para esse fenômeno.
Se você colocar uma garrafa de cerveja em uma grande banheira cheia de água gelada, não demorará muito para que você possa desfrutar de uma cerveja gelada. Os físicos descobriram como isso funciona há mais de cem anos. A troca de calor ocorre através da garrafa de vidro até que o equilíbrio seja alcançado.
No entanto, existem outros sistemas, especialmente sistemas quânticos, que não encontram equilíbrio. Eles se assemelham a uma hipotética garrafa de cerveja em um banho de água gelada que nem sempre e inevitavelmente resfria à temperatura da água do banho, mas atinge diferentes estados dependendo de sua própria temperatura inicial. Até agora, esses sistemas confundiam os físicos. Mas Nicolò Defenu, um pós-doutorando no Instituto de Física Teórica ETH de Zurique, agora encontrou uma maneira de explicar esse comportamento com elegância.
Uma influência mais distante
Especificamente, estamos falando sobre sistemas nos quais os blocos de construção individuais influenciam não apenas seus vizinhos imediatos, mas também objetos mais distantes. Um exemplo seria uma galáxia: as forças gravitacionais das estrelas individuais e sistemas planetários agem não apenas nos corpos celestes vizinhos, mas muito além disso – embora cada vez mais fracamente – nos outros componentes da galáxia.
A abordagem de Defenu começa simplificando o problema para um mundo com uma única dimensão. Nele, há uma única partícula quântica que pode residir apenas em locais muito específicos ao longo de uma linha. Este mundo se assemelha a um jogo de tabuleiro como o Ludo, onde um pequeno símbolo pula de quadrado em quadrado. Suponha que haja um dado de jogo cujos lados estejam marcados como ‘um’ ou ‘menos um’, e suponha que o jogador role o dado repetidamente em sucessão. O token irá pular para um quadrado vizinho e, de lá, irá pular de volta ou então para o próximo quadrado. E assim por diante.
A questão é: o que acontece se o jogador rolar o dado um número infinito de vezes? Se houver apenas alguns quadrados no jogo, o token retornará ao seu ponto inicial de vez em quando. No entanto, é impossível prever exatamente onde estará a qualquer momento porque os lances do dado são desconhecidos.
De volta à estaca zero
É uma situação semelhante com partículas que estão sujeitas às leis da mecânica quântica: não há como saber exatamente onde elas estão em um determinado momento. No entanto, é possível estabelecer seu paradeiro usando distribuições de probabilidade. Cada distribuição resulta de uma superposição diferente das probabilidades para as localizações individuais e corresponde a um estado de energia particular da partícula. Acontece que o número de estados estáveis de energia coincide com o número de graus de liberdade do sistema e, portanto, corresponde exatamente ao número de locais permitidos. O ponto importante é que todas as distribuições de probabilidade estáveis são diferentes de zero no ponto de partida. Então, em algum ponto, o token retorna ao seu quadrado inicial.
Quanto mais quadrados houver, menos freqüentemente o token retornará ao seu ponto inicial; eventualmente, com um número infinito de quadrados possíveis, ele nunca mais retornará. Para a partícula quântica, isso significa que há um número infinito de maneiras pelas quais as probabilidades das localizações individuais podem ser combinadas para formar distribuições. Assim, ele não pode mais ocupar apenas certos estados discretos de energia, mas todos os possíveis em um espectro contínuo.
Nada disso é um conhecimento novo. Existem, no entanto, variantes do jogo ou sistemas físicos em que o dado também pode conter números maiores do que um e menores do que menos um, ou seja, as etapas permitidas por movimento podem ser maiores – para ser preciso, até infinitamente grandes. Isso muda fundamentalmente a situação, como Defenu agora pôde mostrar: nesses sistemas, o espectro de energia permanece sempre discreto, mesmo quando há quadrados infinitos. Isso significa que, de tempos em tempos, a partícula retornará ao seu ponto inicial.
Fenômenos peculiares
Essa nova teoria explica o que os cientistas já observaram muitas vezes em experimentos: sistemas nos quais ocorrem interações de longo alcance não atingem um equilíbrio estável, mas sim um estado metaestável no qual sempre retornam à sua posição inicial. No caso das galáxias, esse é um dos motivos pelos quais elas desenvolvem braços espirais em vez de nuvens uniformes. A densidade das estrelas é maior dentro desses braços do que fora.
Um exemplo de sistemas quânticos que podem ser descritos com a teoria de Defenu são os íons, que são átomos carregados presos em campos elétricos. Usar essas armadilhas de íons para construir computadores quânticos é atualmente um dos maiores projetos de pesquisa em todo o mundo. No entanto, para que esses computadores realmente forneçam uma mudança radical em termos de poder computacional, eles precisarão de um grande número de íons aprisionados simultaneamente – e é exatamente nesse ponto que a nova teoria se torna interessante. “Em sistemas com cem ou mais íons, você veria efeitos peculiares que agora podemos explicar”, diz Defenu, que é membro do grupo do professor da ETH Gian Michele Graf. Seus colegas da física experimental estão se aproximando a cada dia do objetivo de ser capaz de realizar tais formações. E uma vez lá, pode valer a pena tomar uma cerveja gelada com Defenu.
Publicado em 28/07/2021 15h19
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