Richard Feynman

Richard Feynman era um personagem singular: um gênio da física, excêntrico, alegre e com um personagem bastante peculiar. Com sua inteligência infinita, sua intuição diabólica e sua imaginação inesgotável, ele revolucionou a física e lançou as bases da teoria quântica de campos. O principal trabalho de Feynman é influenciado por outro gênio da física: Paul Dirac. Um físico monstruoso cujo hobby era escrever equações físicas em formas compatíveis com a relatividade especial. O herói de Dirac foi Einstein e a inspiração de Einstein foi Maxwell.

Feynman aprendeu mecânica quântica com o livro de Dirac, descobriu que havia muitas incógnitas e que novas ideias eram necessárias. Dirac fez tudo o que estava ao seu alcance (o que era demais) para encontrar a versão quântica de Maxwell da eletrodinâmica clássica, mas ainda assim era uma teoria incompleta. É aqui que o Feynman entra. Profundamente influenciado pelo trabalho de Dirac "The Lagrangian in Quantum Mechanics", Feynman escreveu uma tese de doutorado completa que reformularia a mecânica quântica. Seu trabalho intitulado "Princípios de menor ação na mecânica quântica" consegue quantizar sistemas a partir da descrição clássica. Isto é, com elementos da mecânica clássica, amplitudes de probabilidade entre estados quânticos podem ser encontradas.

A ideia por trás disto é muito simples: considere dois pontos A e B no espaço, e um elétron movendo-se de A para B em um tempo inicial t1 e um tempo final tf. Quantos caminhos reais existem entre os pontos A e B? Na mecânica clássica há apenas um caminho (aquele que satisfaz a segunda lei de Newton). Mas o que acontece no mundo quântico? Feynman mostrou que qualquer caminho é provável e cada um contribui para a probabilidade de encontrar o elétron no ponto B no tempo tf começando do ponto A no tempo ti. Todos os caminhos contribuem em igual magnitude, mas a fase de sua contribuição é uma função clássica conhecida como ação. Desta forma, Feynman conseguiu encontrar amplitudes de probabilidade (mundo quântico) a partir da dinâmica clássica do sistema (ação).

Vale a pena mencionar que tanto as formulações de Schrödinger quanto Heisenberg são equivalentes ao trabalho de Feynman. Isto mudaria completamente a física e daria origem à teoria quântica de campos como a conhecemos hoje.

"A ciência nos une"

Dados retirados de: Física com FlAre

The Size of a Netrino

An international team of physicists has successfully measured the size of a certain type of neutrino to a certain degree. In their paper published in the journal Nature, the group describes experiments they conducted that involved measuring the radioactive decay of the element beryllium.

Neutrinos are subatomic particles with a mass very close to zero. They also have a half-integer spin and rarely react with normal matter. To date, three kinds of neutrinos have been identified, each by association with an electron, muon or tau particle. Physicists have become more interested in neutrinos over the past several years because it is thought better understanding them may lead to a better understanding of why there is more matter than antimatter in the known universe.

One of the first questions that needs to be answered about neutrinos is their size. This is important for designing appropriately sized and shaped neutrino detectors. Currently, these detectors are very large to increase the likelihood of capturing neutrinos, which interact very weakly with matter. In this new effort, the research team conducted experiments involving the radioactive decay of beryllium to measure the spatial extent of an electron-associated neutrino's wave packet.

The experiment consisted of measuring radioactive decay in beryllium, which decayed into lithium. As it does so, an electron in a single atomcombines with a proton, producing a neutron, resulting in the creation of a lithium atom. As that happens, energy is released, pushing the atom in one direction and the neutrino produced in the other. By starting the process in a particle accelerator and placing extremely sensitive neutrino detectors along the sides, they were able to measure the momentum of the lithium atoms and use that to calculate the size of the neutrino.

The experiments established a lower limit on the spatial extent of the neutrino's wave packet at 6.2 picometers. This measurement reflects the quantum mechanical nature of neutrinos, where the 'size' pertains to the spatial uncertainty of their wave packet, rather than a physical dimension. The findings suggest that the neutrino's wave packet is localized at a scale significantly larger than a typical atomic nucleus, offering new insights into the quantum properties of neutrinos.

by Bob Yirka , Phys.org

Em português: 

Uma equipe internacional de físicos conseguiu medir o tamanho de um determinado tipo de neutrino com um certo grau de precisão. Em seu artigo publicado na revista Nature, o grupo descreve os experimentos que conduziram, os quais envolveram a mediação do decaimento radioativo do elemento berílio.

Os neutrinos são partículas subatômicas com uma massa muito próxima de zero. Eles também m possuem um spin semi-inteiro e raramente interagem com a matéria comum. Até o momento, foram identificados três tipos de neutrinos, cada um associado a um elétron, múon ou tau. Nos últimos anos, os físicos estão demonstrado um interesse crescente pelos neutrinos, pois acredita-se que uma melhor compreensão dessas partículas possa levar a uma compreensão o mais profunda da razão pela qual há mais matéria do que antimatéria no universo conhecido.

Uma das primeiras questões a serem respondidas sobre os neutrinos é o seu tamanho. Essa informação o é essencial para o projeto de detectores de neutrinos com dimensões e formatos apropriados. Atualmente, esses detectores são muito grandes para aumentar a probabilidade de capturar neutrinos, que interagem muito fracamente com a matéria. Neste novo estudo, a equipe de pesquisa realizou experimentos envolvendo o decaimento radioativo do berílio para medir a extensão espacial do pacote de ondas de um neutrino associado a um elétron .

O experimento consistiu na mediação do decaimento radioativo do berílio, que se transformou em lítio. Durante esse processo, um elétron em um único átomo combina-se com um próton , produzindo um Nêutron e resultando na formação o de um átomo de lítio. Esse fenômeno meno libera energia, impulsionando o  átomo em uma direção e o neutrino produzido na direção oposta. Ao iniciar o processo em um acelerador de partículas e posicionar detectores de neutrinos extremamente sensíveis ao longo dos lados, os pesquisadores puderam medir o momento dos átomos de lítio e, a partir disso, calcular o tamanho do neutrino.

Os experimentos estabeleceram um limite inferior para a extensão espacial do pacote de ondas do neutrino em 6,2 picômetros. Essa medição reflete a natureza quântica dos neutrinos, na qual o tamanho se refere a incerteza espacial de seu pacote de ondas, e não a uma dimensão física concreta. Os resultados sugerem que o pacote de ondas do neutrino é localizado em uma escala significativamente maior do que um núcleo atômico típico oferecendo novas perspectivas sobre as propriedades quânticas dos neutrinos.

por Bob Yirka, Phys.org

Sobre. a Mecânica Quântica

"A mecânica quântica é uma teoria  que explica a estabilidade dos átomos. Quando você aceita a estranheza da mecânica quântica [no mundo macro], você tem que desistir da ideia de espaço-tempo como a conhecemos de Einstein. A maior estranheza aqui é que não faz sentido. Se seguires as regras, inventas algo que não está certo.

Não faz sentido nenhum, e há uma razão simples. Sabe, a matemática da mecânica quântica tem duas partes. Um deles é a evolução de um sistema quântico, que é descrito de forma extremamente precisa e precisa pela equação de Schrödinger. Essa equação diz-lhe o seguinte: Se souber qual é o estado do sistema agora, pode calcular o que ele estará a fazer daqui a 10 minutos. No entanto, existe a segunda parte da mecânica quântica - a coisa que acontece quando você quer fazer uma medição. Em vez de obter uma única resposta, você usa a equação para descobrir as probabilidades de certos resultados. Os resultados não dizem: "É isto que o mundo está a fazer. ” Em vez disso, eles apenas descrevem a probabilidade de fazer qualquer coisa. A equação deveria descrever o mundo de uma forma completamente determinística, mas não o faz.

Quero dizer, vejam três das maiores figuras da mecânica quântica: Schrödinger, Einstein e Paul Dirac. Eles eram todos céticos quânticos de certa forma. Dirac é aquele que as pessoas acham mais surpreendente, porque ele criou toda a fundação, a estrutura geral da mecânica quântica. As pessoas pensam nele como um tipo de linha dura, mas ele foi muito cauteloso no que disse. Quando lhe perguntaram: "Qual é a resposta para o problema de medição? ” sua resposta foi, “A mecânica quântica é uma teoria provisória. Por que eu deveria procurar uma resposta em mecânica quântica? ” Ele não acreditou que era verdade. Mas ele não disse isto muito alto. ”

-Sir Roger Penrose

Da Teoria das Cordas à Mecânica Quântica”, Revista Descubra, 2009.

O que é a matéria escura ?

Depois de quase um século de especulação, propostas e buscas por matéria escura, os físicos agora sabem que ela atualmente compreende cerca de 27% da massa-energia do universo, com uma abundância mais de cinco vezes maior que a da matéria comum como você, oceanos e exoplanetas.

A maior parte da matéria no universo é escura. Em grandes escalas, é frio e não colide com nada que reconhecemos e, portanto, é chamado de "matéria escura fria". Muitos candidatos foram propostos que poderiam explicar a estrutura em larga escala do universo, mas nenhum foi estabelecido por experimentos.

Mas em escalas menores, a matéria escura pode ser diferente e pode deixar assinaturas diferentes, especialmente no início do universo. Claro, esses são mais difíceis de observar.

Bárions como prótons e nêutrons também estavam no início do universo, e seus efeitos devem ser distinguidos de qualquer matéria escura que estivesse presente; ambos afetariam a formação de estruturas menores.

Existe uma série de discrepâncias nas distâncias galácticas e subgalácticas, e não se sabe se todas essas discrepâncias podem ser explicadas pela física dos bárions, mantendo o cenário da matéria escura fria. Em escalas de comprimento de um megaparsec ou menos e escalas de massa menores que 100 bilhões de massas solares, isso não foi fácil de fazer.

Um grupo liderado por Jo Verwohlt, da Universidade de Copenhague, na Dinamarca, mostrou agora que existe uma maneira de desvendar a matéria escura usando uma linha profundamente desviada para o vermelho no espectro de hidrogênio, das primeiras estrelas e galáxias agora na extremidade mais distante do universo. Seu trabalho aparece na revista Physical Review D.

Algumas ideias sobre a matéria escura propõem que ela interage com a radiação escura, também conhecida como eletromagnetismo escuro ou fótons escuros. À medida que os fótons são trocados em forças eletromagnéticas, a radiação escura mediaria as interações entre as partículas de matéria escura.

Assim como a matéria escura, a radiação escura não interagiria com as outras forças do Modelo Padrão, a força fraca e a força forte. Não se sabe se existe radiação escura; Um candidato é um neutrino estéril, se existir.

A radiação escura poderia ter aquecido o denso universo primitivo, já que a radiação escura quente interagiu com a matéria escura, aumentando sua temperatura. O aquecimento pode ter sido suficiente para que grandes concentrações de matéria escura formassem "halos de matéria escura", regiões hipotéticas nas quais a matéria escura está gravitacionalmente ligada e se desacoplou da expansão do universo, unida localmente e se expandindo como um todo, muito parecido com galáxias e aglomerados hoje.

Esses halos resistiriam temporária e repetidamente ao colapso gravitacional, ciclos que são chamados de "oscilações acústicas escuras" - acústicos porque são flutuações na densidade, assim como as ondas sonoras são flutuações na densidade do ar ou de algum outro fluido.

Esses ciclos de matéria escura teriam morrido rapidamente, mas primeiro teriam afetado o início do "amanhecer cósmico", quando as primeiras galáxias de matéria comum se formaram a partir do gás primordial que foi atraído para os halos.

Verwohlt e sua equipe exploraram "quão bem poderíamos medir as propriedades da matéria escura usando o espectro de potência de 21 cm em z > 10". ("z" é um parâmetro de desvio para o vermelho que os astrônomos usam para denotar a rapidez com que outro objeto ou região está se afastando de nós devido à expansão cósmica, o efeito Doppler que inclui velocidades relativísticas. A região onde z = 10 está se expandindo a 99,8% da velocidade da luz para longe da Terra.)

As condições em torno do amanhecer cósmico afetariam a luz de 21 cm. (A luz de 21 cm é emitida quando um átomo de hidrogênio neutro, com um próton e um elétron, faz a transição de um estado com ambas as partículas tendo seus spins na mesma direção para um estado em que o spin do elétron é oposto ao spin do próton inalterado, a chamada transição hiperfina spin-flip.)

No início, haveria uma absorção líquida (ou emissão) dos fótons de 21 cm da radiação cósmica de fundo pelos átomos de hidrogênio neutro no meio entre as galáxias.

"Assim, a evolução do sinal de 21 cm (tanto global quanto flutuantes) pode ser usada para inferir a presença de amortecimento de matéria escura em pequenas escalas", escreveram eles.

Eles usaram uma "teoria eficaz da formação de estruturas", que permite que a formação da estrutura cosmológica seja determinada em quase todos os modelos microfísicos da matéria escura, e modelos de outros processos físicos para vincular o sinal de 21 cm à densidade da taxa de formação de estrelas.

O resultado final descobriu que o radiotelescópio HERA, na África do Sul, precisaria de quase um ano e meio para observar a linha desviada para o vermelho de 21 centímetros para determinar se existem oscilações acústicas escuras e distinguir entre vários modelos escuros diferentes.

🔹 MAIS INFORMAÇÕES: Jo Verwohlt et al, Separando oscilações acústicas escuras da astrofísica na madrugada cósmica, Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.110.103533. No arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.17640

🌏 Créditos/fonte/Publicação: por  David Appell, Phys.or