Cada vez que uma gota escorre de uma torneira, a natureza realiza um truque de mágica. Quebrando uma gota em duas chamadas para a passagem através de uma singularidade – um único ponto onde as quantidades físicas flertam com o infinito. Quando o pescoço conecta as duas bolhas a nada, a pressão e a velocidade do fluido sobem em direção ao infinito, como se estivessem sendo divididas por zero. Aqui, as equações usadas para descrever fluidos sofrem uma explosão matemática. A ordem retorna somente após o intervalo repentino.
Anos atrás, físicos estudando o fenômeno perceberam que esse processo confuso e violento traz uma regularidade oculta: cada gota no mundo tem apenas algumas formas características no pescoço. Fatores como gravidade, design de torneira e uma cozinha fria podem ter começado a pingar, mas tudo o que importa no final é a luta direta entre o aperto da tensão superficial e a resistência da inércia do pescoço. “O ponto de ruptura teria sido o mesmo”, escreveu Sidney Nagel, físico da Universidade de Chicago, “mesmo que tenha sido formado a partir de uma onda lançada no ar às margens do Lago Michigan”.
As gotículas tornaram-se um excelente exemplo de “universalidade”, que descreve os eventos que ocorrem exatamente da mesma forma, mesmo em diferentes materiais e sob condições substancialmente diferentes. A previsibilidade da universalidade pode ser usada para explicar o comportamento em larga escala de sistemas confusos e mutantes que os modelos matemáticos de primeiro princípio nem sempre conseguem analisar completamente, como quebrar superfícies. A universalidade permite que os pesquisadores descrevam esses eventos sem se preocupar com detalhes moleculares ou atômicos. “A universalidade é uma idéia onipresente que nos ajuda a simplificar sistemas complexos”, disse Justin Burton, físico de matéria mole da Emory University.
Um estudo recente identificou universalidade em um novo sistema: bolhas presas em um tubo estreito. O trabalho é uma surpresa, já que as bolhas historicamente eram o sistema que ensinava aos físicos os limites da universalidade. Agora os pesquisadores têm uma maneira de ativar e desativar essa universalidade.
Em última análise, a esperança é que o estudo de singularidades e universalidade em sistemas relativamente simples, como bolhas, possa fornecer insights sobre o que acontece nos cantos menos amigáveis ??com a câmera do cosmos. “Gotas e bolhas, nós as vemos diariamente”, disse Amir Pahlavan, engenheiro mecânico da Universidade de Princeton e co-autor do trabalho recente. “Para buracos negros, é muito mais difícil estudar e observá-los.”
O fim da universalidade
Os primeiros pioneiros da universalidade, liderados pelo físico Leo Kadanoff, descobriram que sistemas tão diferentes quanto pilhas de areia de avalanche e metais magnetizantes operam em múltiplas escalas. Em um ponto de inflexão, grandes avalanches podem ocorrer ao lado de pequenas. A tendência de os grandes se misturarem apenas aos grandes e dos pequenos apenas aos pequenos se derrete, e os efeitos de um nível fluem suavemente até o próximo.
Estimulados em parte pelo trabalho de Kadanoff, os físicos no início dos anos 90 demonstraram, primeiro e depois experimentalmente, que a formação de gotículas é um fenômeno universal.
Durante anos, os pesquisadores presumiram que apenas uma teoria molecular poderia descrever completamente o rompimento, uma vez que a descrição do fluido liso, conhecida como equações de Navier-Stokes, falha quando a pressão e a velocidade explodem. Com a universalidade garantindo formas uniformes antes e depois do aperto, no entanto, Jens Eggers, um físico e matemático da Universidade de Bristol, descobriu uma maneira de estender a matemática fluida pela singularidade, ignorando as próprias moléculas.
Vídeo: Cientistas descobriram um padrão misterioso que de alguma forma conecta um sistema de ônibus no México e olhos de galinha à física quântica e teoria dos números.
Estes desenvolvimentos desencadearam uma inundação de pesquisas usando configurações com diferentes números de líquidos e fluidos com consistências variadas. Ajustar esses aparelhos permite que os físicos estudem aspectos inexplicáveis da dinâmica de fluidos e explorem os limites da universalidade acessando diferentes “classes de universalidade”, cada uma definida por seu próprio número característico.
Uma grande surpresa veio quando Nagel e seus colegas em Chicago reverteram o experimento de queda-queda. Eles trocaram uma gota de água que entrava no ar por uma bolha de ar que subia através de um fluido.
Guiado por percepções obtidas com o desbaste de gotas, o estudante de pós-graduação que lidera o projeto tentou fotografar as bolhas divisórias de todos os ângulos, procurando por alguma forma universal na qual cada evento se desenrola de forma idêntica. No entanto, cada beliscão parecia diferente, com ondulações iniciais na água circundante ou no fluxo de ar central, sobrevivendo até a singularidade e destruindo a simetria platônica do pescoço.
Eventualmente, a equipe teve que concluir que a ruptura da bolha não é universal. Ao contrário das gotículas, a bolha final assume uma forma que mantém uma “memória” das condições sob as quais nasceu. O impulso para estender a universalidade foi interrompido por uma bolsa de ar. “Se você acredita no que o experimento diz sem ficar cego com o que lhe dizem”, disse Nagel, “você verá que a natureza tem outros planos em mente”.
O novo estudo revelou uma maneira de recuperar a universalidade nas bolhas. O trabalho começou quando Pahlavan, na época membro do laboratório de Ruben Juanes no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, estava trabalhando em um projeto que envolvia empurrar o ar através de tubos com menos de 1 milímetro de largura. Ele notou que as equações que descreviam as bolhas sugeriam que o pescoço deveria passar por duas fases distintas à medida que se aproximava do ponto de pinçamento. Uma fase seria idêntica ao perfil visto nos primeiros trabalhos da equipe de Chicago e a outra seria inteiramente nova.
Quando ele viu o rompimento em câmera lenta extrema, Pahlavan descobriu que em 1 segundo antes do rompimento, a forma do pescoço da bolha era auto-similar: Depois de dar zoom em uma seção da curva, ele descobriu que a nova curva poderia ser esticada para parece o mesmo que na escala maior. (Auto-similaridade semelhante a um fractal é uma característica comum dos sistemas universais porque se relaciona com a noção de que o sistema não tem uma escala especial.) Um milésimo de segundo antes da separação, no entanto, o tipo de alongamento necessário para mapear uma visão de perto. a curva original mudou – uma indicação de que o pescoço havia mudado para um regime diferente de auto-similaridade.
O novo primeiro estágio agiu de forma universal, limpando a “memória” do sistema de detalhes como o tamanho do bico. A segunda etapa correspondeu aos resultados da equipe de Chicago, que não eram universais. Mas no momento em que o segundo estágio chegou, não havia mais detalhes a serem lembrados, então o sistema geral se comportou universalmente.
Pahlavan ajustou o experimento da bolha em uma dúzia de maneiras, variando o tamanho do tubo e a consistência do líquido, mas cada um dos rompimentos funcionou da mesma maneira.
O novo trabalho prova que os sistemas podem ligar e desligar a universalidade, e que colá-los em um contêiner é uma maneira de fazê-los. “O que este artigo mostra bem é uma maneira que você pode restaurar [universalidade], aplicando algum confinamento”, disse Burton.
“A formação de singularidade é interessante porque você está encontrando aulas de universalidade e falando sobre coisas que são insensíveis [aos detalhes iniciais]”, disse Pahlavan, “então eles devem ser mais gerais do que o problema que você está estudando”.
O que significa, por exemplo, que eles podem ser usados ??para entender melhor os buracos negros.
Singularidades cósmicas
Por mais que você tente, nunca vai dividir um buraco negro em nosso universo. Mas os teóricos que atuam em dimensões mais elevadas descobriram que os primos teóricos dos objetos em cinco dimensões ou mais – apelidados de “cordas negras” por sua aparência cilíndrica nas dimensões extras – levariam vidas mais precárias.
Poderiam esses objetos enigmáticos desmoronar e se dividir em dois? A relatividade geral em cinco dimensões é muito difícil de ser resolvida com exatidão, mas em 2010, os físicos Luis Lehner e Franz Pretorius usaram um modelo computacional para calcular o destino de uma corda preta.
A simulação cuspiu um vídeo que pareceu surpreendentemente familiar, disse Pretorius. Parecia exatamente como um fluxo de líquido se transformando em gotas: uma conta grande se formava, deixando para trás uma corrente mais fina que, por sua vez, se transformava em gotas menores conectadas por correntes ainda mais finas, e assim por diante. O comportamento do fluido sugere que as cordas devem eventualmente se encaixar em gotículas esféricas de buraco negro. Mas sem uma teoria particulada da gravidade quântica, a simulação cai à medida que se aproxima do ponto de estrangulamento.
O rompimento de cordas negras não provou ser um processo universal (embora Pretorius afirme que as simulações sugerem que deveria ser), mas se for, especula ele, talvez os teóricos possam ignorar os detalhes quânticos da gravidade, assim como os físicos conseguiram contornar o problema. detalhes moleculares da formação de gotas. “Podemos ser capazes de descobrir o que acontece antes e depois do rompimento puramente da relatividade geral clássica”, disse ele.
À medida que a evolução do pescoço se aproxima do ponto de ruptura, os objetos teóricos podem até ter algo interessante a dizer sobre a própria gravidade quântica, sugere Pretorius.
Além das cordas negras teóricas, o universo está repleto de entidades que experimentam rupturas singulares. Estrelas binárias podem se formar quando uma nuvem de gás girando gradualmente se divide ao meio, e a divisão do átomo durante a fissão nuclear também pode ser tratada como um líquido. Forças diferentes conduzem esses eventos de modo que suas descrições matemáticas variem e, como a equipe de Chicago aprendeu, nem todas as singularidades serão necessariamente universais. Mas, estudando gotas e bolhas, os físicos construíram um conjunto de ferramentas de estratégias gerais de solução de problemas que podem ajudá-las a lidar com outros tipos de singularidades.
Continuar a extrair informações adicionais de singularidades que podem ser observadas no laboratório expandirá essas técnicas. “Do Big Bang – que é a singularidade original de todos os tempos – ao colapso de uma bolha, essas coisas continuam aparecendo em todos os lugares”, disse Burton. “Realmente tentando entender a física básica deles é um desafio importante.”
Publicado em 01/08/2019
Artigo original: https://www.quantamagazine.org/bubble-experiment-finds-universal-laws-20190731/
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