AGOSTO 2003
32 SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL
PARTÍCULAS VIRTUAIS que povoam vácuo quântico podem
materializar-se em torno de buracos negros graças à energia
fornecida por esses corpos, num processo de evaporação
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spl vácuo quantico
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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32 SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL AGOSTO 2003
PARTÍCULAS VIRTUAIS que povoam vácuo quântico podem materializar-se em torno de buracos negros graças à energia fornecida por esses corpos, num processo de evaporação
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POUCA COISA PARECE MAIS PERTURBADORA DO QUE O CONCEITO DE VAZIO. Os gregos mostraram-se tão avessos à idéia do nada que foram incapazes de conceber o zero. Em oposição à idéia de vácuo, inventaram um conceito complementar, o de éter ou quinta-essência, um elemento sutil que permearia irrestritamente todo o cosmos. Este conceito ganhoustatus científico na era moderna quando (entre outras coisas) foi considerado, pelo físico-matemático inglês Isaac Newton (1642-1727), o respon- sável último pela origem da força gravitacional. Dois séculos mais tarde, o físico- matemático escocês James Maxwell (1831-1879) conferiu ao éter outra característi- ca: a de ser o meio onde as ondas eletromagnéticas se propagariam. Nunca a ciência havia se comprometido tanto por nada (ou melhor, por oposição a ele). Mas tudo mudou quando experimentos conduzidos no final do século 19 pelo físico germano- americano Albert Michelson (1852-1931) e pelo químico norte-americano Edward Morley (1838-1923) falharam em detectar o éter. Com isso, seu reinado chegava ao fim e o século 20 precisou encarar o fato de que o nada existe. O vácuo é comumente associado ao estado que emerge quando se exclui toda a ma- téria de uma dada região. Mas sendo o vácuo o estado de mínima energia, além de extrair as partículas de matéria, devemos remover também as partículas de radiação. Os fótons, por exemplo, que são pacotes de luz associados às ondas eletromagnéticas, podem ser eliminados, em princípio, baixando-se a temperatura até o zero absoluto (aproxima- damente -273,15 0 C). Mas o que restaria então depois de se extraírem todas as partículas de matéria e radiação de uma dada região, levando-a ao mais perfeito vácuo? A resposta está na mecânica quântica, que veio substituir a mecânica clássica na aná- lise de fenômenos microscópicos. Segundo essa teoria, o vácuo é povoado por uma le- gião de partículas, denominadas virtuais, que não podem ser removidas. Além disso, elas surgem e se aniquilam aos pares tão rapidamente que sua detecção direta é impossível. Isso porque, segundo a mecânica quântica, para que uma partícula seja observada, ela deve existir pelo menos por um certo intervalo de tempo mínimo (inversamente propor- cional à sua energia), o que não é obedecido pelas fugazes partículas virtuais.
Por George Emanuel A. Matsas e Daniel A. Turolla Vanzella
A ciência moderna nos descortinou uma realidade que imita e supera a ficção. Nada é mais emblemático dessa extraordinária riqueza do que a complexidade observada no mais simples dos estados da natureza: o vácuo
VÁCUO QUÂNTICO
O
cheio de surpresas
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formemente, no que é definido como vá- cuo pelos inerciais, sentem-se imersos num banho térmico contendo todas as partículas elementares, com uma tempe- ratura proporcional à sua aceleração. En- quanto observadores inerciais congela- riam no vácuo, à temperatura de zero ab- soluto, observadores suficientemente acelerados queimariam no banho térmi- co a que estivessem sujeitos em seu pró- prio referencial. E mais, quando estes ar- gumentos são transpostos para buracos negros, percebe-se que observadores em queda livre basicamente não são capazes de detectar as partículas da radiação Hawking, que banham os observadores estáticos fora do buraco. O efeito FDU ilustra como observa- dores uniformemente acelerados podem ter acesso concreto a partículas que obser- vadores inerciais dizem serem virtuais. Mas seria possível o inverso? Haveria a possibilidade de partículas reais, segundo observadores no laboratório, serem “trans- parentes” para observadores acelerados? A resposta veio em 1992 quando os físi- cos Atsushi Higuchi, Daniel Sudarsky e um dos autores (G.M.) revisitavam um proble- ma clássico do eletromagnetismo: a emis- são de fótons a partir de cargas aceleradas.
É um fato bem estabelecido na teoria do eletromagnetismo que cargas aceleradas uniformemente emitem fótons reais assim como observados em laboratório. O que não era nada claro é se observadores “caronis- tas” com a carga seriam capazes de obser- var esses fótons. Se por um lado seria natu- ral que o fossem, por outro os caronistas não tinham como explicar de onde uma carga
- que para eles estava parada – poderia extrair a energia necessária para gerar os fótons. A solução estava escondida na mecânica quântica relativista, segundo a qual os fótons acusados pelos observado- res no laboratório correspondem, para os caronistas, a um tipo especial de fóton com energia nula que, justamente por isso, não podem ser por eles observados. Os fótons que os observadores no labo- ratório dizem existir são como que “trans- parentes” para seus colegas acelerados. Um dos ingredientes fundamentais para se chegar à conclusão acima é o já mencio- nado efeito FDU. Entretanto, o efeito FDU mostrou-se tão antiintuitivo que dúvidas vi- nham sendo levantadas a respeito de sua realidade. Uma evidência direta do efeito seria muito bem recebida, mas improvável de ser obtida, pois nenhum corpo macros- cópico resistiria às acelerações necessárias
para que tal efeito fosse apreciável. Assim, outra estratégia deveria ser usada. O cami- nho adotado pelos autores foi, então, mos- trar que o efeito FDU era necessário para a própria consistência da natureza. Segundo a teoria padrão das partícu- las elementares, prótons livres são estáveis. Mas isso não vale para prótons acelerados. Para os observadores de laboratório, o pri- meiro canal de desintegração para um pró- ton uniformemente acelerado seria (a)próton nêutron + pósitron + neutri- no, onde o próton se transforma em nêu- tron, emitindo um pósitron e um neutri- no. Acontece que a desintegração ou não de um próton deve ser vista como um fato universal. Assim, observadores ca- ronistas com o próton devem obter a mesma taxa de desintegração calculada por seus colegas no laboratório (levan- do em conta o efeito da dilatação tem- poral). E de fato isso é possível, mas ape- nas se lançamos mão do efeito FDU. Sem ele chegaríamos à situação paradoxal na qual diferentes observadores discorda- riam sobre a desintegração de prótons acelerados. O efeito FDU é obrigatório. Mas a despeito da perfeita concordân- cia encontrada pelos dois times de obser- vadores sobre a taxa de desintegração, suas
O JOGO DAS PLACAS PLACAS METÁLICAS ACELERADAS podem ceder energia às partículas virtuais, trazendo-as à realidade
EFEITO CASIMIR: placas metálicas neutras e paralelas se atraem graças à energia de vácuo
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OS AUTORES
versões para o fenômeno são surpreenden- temente diferentes. Segundo os observa- dores caronistas, o próton não se transfor- ma em nêutron pela reação (a) acima, mas pela absorção de elétrons e antineutrinos que o efeito FDU garante existirem no referencial do próton, enquanto a energia excedente é descartada em forma de neu- trinos e pósitrons. Mais precisamente, para esses observadores, a conversão do pró- ton em nêutron pode ser vista como uma das reações a seguir:
Os autores trabalham na interface da Rela- tividade Geral com a Mecânica Quântica e se interessam, em especial, por tudo o que diga respeito ao nada. Quando não estão em seus escritórios, é comum encontrá-los no café mais próximo praticando seu hobby predileto: discutir paradoxos conceituais de física básica. GEORGE MATSAS é pesqui- sador do Instituto de Física Teórica da Unesp em São Paulo e DANIEL VANZELLA é pós-doutorando na Universidade de Wis- consin em Milwaukee.
O UNIVERSO EM EXPANSÃO
Tempo
Espaço
Tempo
Espaço
Tempo
Espaço
Tempo
A RELATIVIDADE DOS PONTOS DE VISTA
OBSERVADORES COM ACELERAÇÃO uniforme no vácuo de observadores inerciais (livres de forças) acusam um banho térmico (com partículas elementares) a uma temperatura proporcional à aceleração
CARGAS ELÉTRICAS COM ACELERAÇÃO uniforme emitem radiação que, para observadores inerciais, é composta de fótons perfeitamente detectáveis. Para observadores co-acelerados, com carga, os fótons emitidos são de um tipo “especial” por terem energia nula. O fato de os fótons não terem energia impede que sejam detectados por observadores acelerados
OBSERVAÇÕES DE EDWIN P. HUBBLE, no final dos anos 20, indicaram a expansão do Universo. Dados recentes evidenciam aceleração dessa expansão, que pode estar relacionada ao vácuo
expansão desacelerada (inicialmente esperada)
expansão acelerada (observada)