A história

Nova forma de matéria criada por cientistas usando luz


Quando falamos sobre matéria, normalmente temos em nossas mentes algo substancial que podemos tocar e segurar. No entanto, cientistas de Harvard e do MIT questionaram nossas crenças sobre a matéria e a maneira como percebemos a luz, descobrindo uma maneira pela qual os fótons (uma partícula que representa um quantum de luz) podem ser usados ​​para formar moléculas.

Essa descoberta, de acordo com o professor Mikhail Lukin, da Universidade de Harvard, vai contra o que há séculos é aceito sobre a natureza da luz, que é que os fótons são partículas elementares que não têm massa e não interagem entre si.

A equipe científica conseguiu criar um meio onde os fótons interagem de maneira tão forte que formam moléculas e criam massa.

Tal descoberta pode ter muitas aplicações no futuro, uma vez que sua mecânica seja melhor entendida. A primeira grande ajuda será em computadores quânticos, onde eles poderão manipular fótons e realizar operações lógicas em nível molecular. Para ir ainda mais longe no futuro, pode ser possível criar estruturas tridimensionais complexas como cristais completamente fora da luz.

Há muitas pesquisas a serem realizadas sobre esse novo tópico. Afinal, é uma nova forma de matéria que nunca encontramos antes. Como disse o professor Lukin: “Fazemos isso por diversão e porque estamos expandindo as fronteiras da ciência”.

Parece que o sabre de luz de Star Wars pode se tornar uma realidade afinal ...


    História da pesquisa sobre luz

    Muitos pesquisadores ao longo dos tempos aceitaram o desafio de descobrir & ldquoO que é a luz? & Rdquo
    Óptica é conhecida como a disciplina mais antiga junto com a mecânica.
    O progresso do estudo da luz foi feito pelos grandes estudiosos de diferentes campos introduzidos aqui, enquanto lideravam outras disciplinas e estavam intimamente envolvidos com o crescimento da indústria e da cultura.


    Conteúdo

    A lei da conservação da massa só pode ser formulada na mecânica clássica quando as escalas de energia associadas a um sistema isolado são muito menores do que mc 2 < displaystyle mc ^ <2>>, onde m < displaystyle m> é a massa de um objeto típico no sistema, medido no quadro de referência onde o objeto está em repouso e c < displaystyle c> é a velocidade da luz.

    A lei pode ser formulada matematicamente nos campos da mecânica dos fluidos e mecânica contínua, onde a conservação da massa é geralmente expressa usando a equação da continuidade, dada na forma diferencial como

    onde ρ < textstyle rho> é a densidade (massa por unidade de volume), t < textstyle t> é o tempo, ∇ ⋅ < textstyle nabla cdot> é a divergência e v < textstyle mathbf > é o campo de velocidade do fluxo. A interpretação da equação de continuidade para a massa é a seguinte: Para uma dada superfície fechada no sistema, a mudança no tempo da massa envolvida pela superfície é igual à massa que atravessa a superfície, positiva se a matéria entra e negativa se assunto sai. Para todo o sistema isolado, esta condição implica que a massa total M < textstyle M>, soma das massas de todos os componentes do sistema, não muda com o tempo, ou seja,

    onde d V < textstyle < text> V> é o diferencial que define a integral sobre todo o volume do sistema.

    A equação de continuidade para a massa faz parte das equações de Euler da dinâmica dos fluidos. Muitas outras equações de convecção-difusão descrevem a conservação e o fluxo de massa e matéria em um determinado sistema.

    Na química, o cálculo da quantidade de reagente e produtos em uma reação química, ou estequiometria, é baseado no princípio da conservação da massa. O princípio implica que, durante uma reação química, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos. Por exemplo, na seguinte reação

    onde uma molécula de metano (CH
    4 ) e duas moléculas de oxigênio O
    2 são convertidos em uma molécula de dióxido de carbono (CO
    2 ) e dois de água (H
    2 O). O número de moléculas como resultado da reação pode ser derivado do princípio de conservação da massa, pois inicialmente quatro átomos de hidrogênio, 4 átomos de oxigênio e um átomo de carbono estão presentes (assim como no estado final), depois o número de moléculas de água produzido deve ser exatamente dois por molécula de dióxido de carbono produzida.

    Muitos problemas de engenharia são resolvidos seguindo a distribuição de massa no tempo de um determinado sistema, essa prática é conhecida como balanço de massa.

    Uma ideia importante na filosofia grega antiga era que "Nada vem do nada", de modo que o que existe agora sempre existiu: nenhuma matéria nova pode surgir onde antes não existia. Uma declaração explícita disso, junto com o princípio adicional de que nada pode se transformar em nada, é encontrada em Empédocles (c. Século IV aC): "Pois é impossível que algo venha a ser do que não é, e não pode ser trazido ou ouvido de que o que é deve ser totalmente destruído. " [4]

    Um outro princípio de conservação foi afirmado por Epicuro por volta do século III aC, que, descrevendo a natureza do Universo, escreveu que "a totalidade das coisas sempre foi como é agora e sempre será". [5]

    A filosofia Jain, uma filosofia não criacionista baseada nos ensinamentos de Mahavira (século 6 aC), [6] afirma que o universo e seus constituintes, como a matéria, não podem ser destruídos ou criados. O texto Jain Tattvarthasutra (século 2 DC) afirma que uma substância é permanente, mas seus modos são caracterizados pela criação e destruição. [7] Um princípio de conservação da matéria também foi declarado por Nasīr al-Dīn al-Tūsī (por volta do século 13 DC). Ele escreveu que "Um corpo de matéria não pode desaparecer completamente. Ele apenas muda sua forma, condição, composição, cor e outras propriedades e se transforma em um complexo diferente ou matéria elementar". [8]

    Descobertas na química Editar

    No século 18, o princípio da conservação da massa durante as reações químicas era amplamente utilizado e era uma suposição importante durante os experimentos, mesmo antes de uma definição ser formalmente estabelecida, [9] como pode ser visto nas obras de Joseph Black, Henry Cavendish e Jean Rey. [10] O primeiro a delinear o princípio foi Mikhail Lomonosov em 1756. Ele pode tê-lo demonstrado por experimentos e certamente discutido o princípio em 1748 em correspondência com Leonhard Euler, [11] embora sua afirmação sobre o assunto às vezes seja contestada. [12] [13] De acordo com o físico soviético Yakov Dorfman:

    A lei universal foi formulada por Lomonosov com base em considerações materialistas filosóficas gerais, nunca foi questionada ou testada por ele, mas ao contrário, serviu-lhe como uma sólida posição de partida em todas as pesquisas ao longo de sua vida. [14]

    Uma série mais refinada de experimentos foi realizada posteriormente por Antoine Lavoisier, que expressou sua conclusão em 1773 e popularizou o princípio da conservação da massa. As demonstrações do princípio refutaram a então popular teoria do flogisto, que afirmava que a massa podia ser ganha ou perdida nos processos de combustão e calor.

    A conservação da massa foi obscura por milênios por causa do efeito de flutuabilidade da atmosfera da Terra sobre o peso dos gases. Por exemplo, um pedaço de madeira pesa menos após a queima, isso parece sugerir que parte de sua massa desaparece, ou se transforma ou se perde. Isso não foi refutado até que experimentos cuidadosos foram realizados nos quais reações químicas, como ferrugem, foram permitidas em ampolas de vidro seladas, foi descoberto que a reação química não alterava o peso do recipiente selado e seu conteúdo. A pesagem de gases com escalas não era possível até a invenção da bomba de vácuo no século XVII.

    Uma vez compreendida, a conservação da massa foi de grande importância no progresso da alquimia à química moderna. Uma vez que os primeiros químicos perceberam que as substâncias químicas nunca desapareceram, mas apenas foram transformadas em outras substâncias com o mesmo peso, esses cientistas puderam pela primeira vez embarcar em estudos quantitativos das transformações das substâncias. A ideia de conservação de massa somada à suposição de que certas "substâncias elementares" também não poderiam ser transformadas em outras por reações químicas, por sua vez, levou a uma compreensão dos elementos químicos, bem como à ideia de que todos os processos e transformações químicas (como a queima e reações metabólicas) são reações entre quantidades invariantes ou pesos desses elementos químicos.

    Seguindo o trabalho pioneiro de Lavoisier, os exaustivos experimentos de Jean Stas corroboraram a consistência dessa lei em reações químicas, [15] embora tenham sido realizados com outras intenções. Sua pesquisa [16] [17] indicou que em certas reações a perda ou ganho não poderia ter sido mais do que 2 a 4 partes em 100.000. [18] A diferença na precisão almejada e alcançada por Lavoisier, por um lado, e por Morley e Stas, por outro, é enorme. [19]

    Edição de física moderna

    A lei da conservação da massa foi desafiada com o advento da relatividade especial. Em um dos artigos do Annus Mirabilis de Albert Einstein em 1905, ele sugeriu uma equivalência entre massa e energia. Essa teoria implicava várias afirmações, como a ideia de que a energia interna de um sistema poderia contribuir para a massa de todo o sistema, ou que a massa poderia ser convertida em radiação eletromagnética. No entanto, como Max Planck apontou, uma mudança na massa como resultado da extração ou adição de energia química, conforme previsto pela teoria de Einstein, é tão pequena que não poderia ser medida com os instrumentos disponíveis e não poderia ser apresentada como um teste para a relatividade especial. Einstein especulou que as energias associadas à radioatividade recém-descoberta eram significativas o suficiente, comparadas com a massa dos sistemas que as produziam, para permitir que sua mudança de massa fosse medida, uma vez que a energia da reação tivesse sido removida do sistema. Isso mais tarde provou ser possível, embora fosse a primeira reação de transmutação nuclear artificial em 1932, demonstrada por Cockcroft e Walton, que provou ser o primeiro teste bem-sucedido da teoria de Einstein a respeito da perda de massa com perda de energia.

    A lei da conservação da massa e a lei análoga da conservação da energia foram finalmente anuladas por um princípio mais geral conhecido como equivalência massa-energia. A relatividade especial também redefine o conceito de massa e energia, que podem ser usados ​​indistintamente e são relativos ao sistema de referência. Várias definições tiveram que ser definidas para consistência, como massa de descanso de uma partícula (massa no quadro de repouso da partícula) e massa relativística (em outro quadro). O último termo é geralmente usado com menos frequência.

    Edição de relatividade especial

    Na relatividade especial, a conservação da massa não se aplica se o sistema estiver aberto e a energia escapar. No entanto, continua a aplicar-se a sistemas totalmente fechados (isolados). Se a energia não pode escapar de um sistema, sua massa não pode diminuir. Na teoria da relatividade, desde que qualquer tipo de energia seja retido dentro de um sistema, essa energia exibe massa.

    Além disso, a massa deve ser diferenciada da matéria, uma vez que a matéria pode não ser perfeitamente conservado em sistemas isolados, embora a massa seja sempre conservada em tais sistemas. No entanto, a matéria é tão quase conservada na química que as violações da conservação da matéria não foram medidas até a era nuclear, e a suposição da conservação da matéria continua sendo um conceito prático importante na maioria dos sistemas em química e outros estudos que não envolvem as altas energias típicas de radioatividade e reações nucleares.

    A massa associada às quantidades químicas de energia é muito pequena para ser medida. Editar

    A mudança na massa de certos tipos de sistemas abertos onde átomos ou partículas massivas não podem escapar, mas outros tipos de energia (como luz ou calor) podem entrar, escapar ou se fundir, passou despercebida durante o século 19, porque a mudança na massa associada à adição ou perda de pequenas quantidades de energia térmica ou radiante em reações químicas é muito pequena. (Em teoria, a massa não mudaria em nada para experimentos conduzidos em sistemas isolados onde o calor e o trabalho não eram permitidos dentro ou fora.)

    A conservação de massa permanece correta se a energia não for perdida. Editar

    A conservação da massa relativística implica o ponto de vista de um único observador (ou a visão de um único referencial inercial), uma vez que a alteração dos referenciais inerciais pode resultar em uma mudança da energia total (energia relativística) para os sistemas, e essa quantidade determina a massa relativística.

    O princípio de que a massa de um sistema de partículas deve ser igual à soma de suas massas de repouso, embora verdadeiro na física clássica, pode ser falso na relatividade especial. A razão pela qual as massas de repouso não podem ser simplesmente adicionadas é que isso não leva em consideração outras formas de energia, como energia cinética e potencial, e partículas sem massa, como fótons, todas as quais podem (ou não) afetar a massa total de sistemas.

    Para mover partículas massivas em um sistema, examinar as massas de repouso das várias partículas também equivale à introdução de muitos quadros de observação inercial diferentes (o que é proibido se a energia total do sistema e o momento forem conservados), e também quando no quadro de repouso de um partícula, este procedimento ignora os momentos de outras partículas, que afetam a massa do sistema se as outras partículas estiverem em movimento neste quadro.

    Para o tipo especial de massa chamada massa invariante, alterar o quadro inercial de observação para um sistema fechado inteiro não tem efeito na medida da massa invariante do sistema, que permanece conservada e invariante (imutável), mesmo para diferentes observadores que visualizam todo o sistema. Massa invariante é uma combinação de sistema de energia e momento, que é invariante para qualquer observador, porque em qualquer referencial inercial, as energias e momentos das várias partículas sempre somam a mesma quantidade (o momento pode ser negativo, então a adição equivale a uma subtração). A massa invariante é a massa relativística do sistema quando vista no centro do referencial do momento. É a massa mínima que um sistema pode exibir, visto de todos os referenciais inerciais possíveis.

    A conservação da massa relativística e invariante se aplica até mesmo a sistemas de partículas criados por produção de pares, onde a energia para novas partículas pode vir da energia cinética de outras partículas, ou de um ou mais fótons como parte de um sistema que inclui outras partículas além de um fóton. Novamente, nem a massa relativística nem a invariante de sistemas totalmente fechados (isto é, isolados) mudam quando novas partículas são criadas. No entanto, diferentes observadores inerciais irão discordar sobre o valor desta massa conservada, se for a massa relativística (ou seja, a massa relativística é conservada, mas não invariante). No entanto, todos os observadores concordam com o valor da massa conservada se a massa a ser medida for a massa invariante (ou seja, a massa invariante é conservada e invariante).

    A fórmula de equivalência massa-energia fornece uma previsão diferente em sistemas não isolados, uma vez que se a energia escapar de um sistema, a massa relativística e a massa invariante também escaparão. Neste caso, a fórmula de equivalência massa-energia prevê que o mudança em massa de um sistema está associado ao mudança em sua energia devido à energia sendo adicionada ou subtraída: Δ m = Δ E / c 2. < displaystyle Delta m = Delta E / c ^ <2>.> Esta forma envolvendo mudanças foi a forma em que esta famosa equação foi originalmente apresentada por Einstein. Nesse sentido, as mudanças de massa em qualquer sistema são explicadas simplesmente se a massa da energia adicionada ou removida do sistema for levada em consideração.

    A fórmula implica que os sistemas ligados têm uma massa invariante (massa de repouso para o sistema) menor que a soma de suas partes, se a energia de ligação tiver escapado do sistema após o sistema ter sido ligado. Isso pode acontecer convertendo a energia potencial do sistema em algum outro tipo de energia ativa, como a energia cinética ou fótons, que facilmente escapam de um sistema vinculado. A diferença nas massas do sistema, chamada de defeito de massa, é uma medida da energia de ligação em sistemas vinculados - em outras palavras, a energia necessária para separar o sistema. Quanto maior for o defeito de massa, maior será a energia de ligação. A energia de ligação (que por si só tem massa) deve ser liberada (como luz ou calor) quando as partes se combinam para formar o sistema ligado, e esta é a razão pela qual a massa do sistema ligado diminui quando a energia deixa o sistema. [20] A massa invariante total é realmente conservada, quando a massa da energia de ligação que escapou é levada em consideração.

    Edição de relatividade geral

    Na relatividade geral, a massa invariante total dos fótons em um volume de espaço em expansão diminuirá, devido ao desvio para o vermelho dessa expansão. A conservação de massa e energia, portanto, depende de várias correções feitas à energia na teoria, devido à variação da energia potencial gravitacional de tais sistemas.


    Cientistas descobrem como transformar luz em matéria após uma jornada de 80 anos

    Os físicos imperiais descobriram como criar matéria a partir da luz - uma façanha considerada impossível quando a ideia foi teorizada pela primeira vez, 80 anos atrás.

    Em apenas um dia, tomando várias xícaras de café em um minúsculo escritório no Laboratório de Física Imperial & rsquos Blackett, três físicos desenvolveram uma maneira relativamente simples de provar fisicamente uma teoria concebida pela primeira vez pelos cientistas Breit e Wheeler em 1934.

    Breit e Wheeler sugeriram que deveria ser possível transformar luz em matéria esmagando apenas duas partículas de luz (fótons), para criar um elétron e um pósitron - o método mais simples de transformar luz em matéria já previsto. O cálculo foi considerado teoricamente correto, mas Breit e Wheeler disseram que nunca esperaram que alguém demonstrasse fisicamente sua previsão. Nunca foi observado em laboratório e experimentos anteriores para testá-lo exigiram a adição de partículas massivas de alta energia.

    A nova pesquisa, publicada na Nature Photonics, mostra pela primeira vez como a teoria de Breit e Wheeler & rsquos poderia ser comprovada na prática. Este & lsquophoton-photon collider & rsquo, que converteria luz diretamente em matéria usando uma tecnologia que já está disponível, seria um novo tipo de experimento de física de alta energia. Este experimento recriaria um processo que foi importante nos primeiros 100 segundos do universo e que também é visto em explosões de raios gama, que são as maiores explosões do universo e um dos maiores mistérios não resolvidos da física.

    Os cientistas estavam investigando problemas não relacionados na energia de fusão quando perceberam que o que estavam trabalhando poderia ser aplicado à teoria de Breit-Wheeler. O avanço foi alcançado em colaboração com um colega físico teórico do Instituto Max Planck de Física Nuclear, que por acaso estava visitando Imperial.

    Demonstrar a teoria de Breit-Wheeler forneceria a peça final do quebra-cabeça de um quebra-cabeça da física que descreve as maneiras mais simples pelas quais a luz e a matéria interagem (veja a imagem). As seis outras peças desse quebra-cabeça, incluindo a teoria de Dirac & rsquos 1930 sobre a aniquilação de elétrons e pósitrons e a teoria de Einstein & rsquos 1905 sobre o efeito fotoelétrico, estão todas associadas à pesquisa ganhadora do Prêmio Nobel (ver imagem).

    O professor Steve Rose, do Departamento de Física do Imperial College London, disse: & ldquoApesar de todos os físicos aceitarem a teoria como verdadeira, quando Breit e Wheeler propuseram a teoria pela primeira vez, eles disseram que nunca esperavam que ela fosse mostrada em laboratório. Hoje, quase 80 anos depois, provamos que eles estão errados. O que foi tão surpreendente para nós foi a descoberta de como podemos criar matéria diretamente da luz usando a tecnologia que temos hoje no Reino Unido. Como somos teóricos, agora estamos conversando com outras pessoas que podem usar nossas ideias para realizar esta experiência marcante. & Rdquo

    Teorias que descrevem interações de luz e matéria. Crédito: Oliver Pike, Imperial College London

    O experimento do colisor que os cientistas propuseram envolve duas etapas principais. Primeiro, os cientistas usariam um laser de alta intensidade extremamente poderoso para acelerar os elétrons até um pouco abaixo da velocidade da luz. Eles então disparariam esses elétrons em uma placa de ouro para criar um feixe de fótons um bilhão de vezes mais energético do que a luz visível.

    O próximo estágio do experimento envolve uma pequena lata de ouro chamada hohlraum (alemão para & lsquoempty room & rsquo). Os cientistas disparariam um laser de alta energia na superfície interna dessa lata de ouro, para criar um campo de radiação térmica, gerando luz semelhante à emitida pelas estrelas.

    Eles então direcionariam o feixe de fótons do primeiro estágio do experimento para o centro da lata, fazendo com que os fótons das duas fontes colidissem e formassem elétrons e pósitrons. Seria então possível detectar a formação dos elétrons e pósitrons quando eles saíssem da lata.

    O pesquisador principal Oliver Pike, que atualmente está concluindo seu doutorado em física de plasma, disse: & ldquoEmbora a teoria seja conceitualmente simples, tem sido muito difícil verificá-la experimentalmente. Fomos capazes de desenvolver a ideia do colisor muito rapidamente, mas o projeto experimental que propomos pode ser realizado com relativa facilidade e com a tecnologia existente. Poucas horas depois de procurar aplicações de hohlraums fora de seu papel tradicional na pesquisa de energia de fusão, ficamos surpresos ao descobrir que eles forneciam as condições perfeitas para a criação de um colisor de fótons. A corrida para realizar e concluir o experimento começou! & Rdquo

    Referência: Pike, O, J. et al. 2014. & lsquoA colisor de fótons & ndashphoton em um hohlraum de vácuo & rsquo. Nature Photonics, 18 de maio de 2014.


    Qual seria o significado da criação de um buraco negro no LHC?

    A criação de um buraco negro no LHC confirmaria as teorias de que nosso universo não é 4 dimensional (3 dimensões de espaço mais 1 de tempo), mas de fato hospeda outras dimensões. Seria um resultado filosófico espetacular! Da mesma forma que a teoria da relatividade ou da mecânica quântica revolucionou nossa maneira de pensar, descobrir a existência de dimensões extras seria um novo marco importante em nossa compreensão do Universo.

    Não há nenhuma aplicação óbvia para saber disso. Muitas pessoas vão começar a especular sobre o uso dessas dimensões extras para viagens no espaço e no tempo, ou como uma fonte de energia limpa, e quem sabe o que mais. [CERN]

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    Nova forma de matéria criada por cientistas usando luz - História

    Louis de Broglie, Matéria e luz: a nova física, trad. W. H. Johnston (Allen & amp Unwin, 1937) apresentado em Heisenberg, A concepção de natureza do físico, 176-178.

    . pesquisas de laboratório durante os últimos anos levaram a resultados do maior interesse quase todos os dias. Mas também a Física teórica, cuja função é fornecer uma luz orientadora para a Física experimental, não ficou ociosa.

    Na história da Física teórica, então, durante os últimos trinta anos, existem dois grandes marcos: a Teoria da Relatividade e a Teoria Quântica, duas doutrinas do mais amplo escopo e enquanto a Teoria da Relatividade está menos intimamente ligada ao avanço da física atômica, é a mais familiar para o homem da rua. Sua origem está em certos fenômenos de propagação da Luz que não poderiam ser explicados pelas teorias mais antigas, mas por um esforço intelectual que sempre ocupará um lugar eminente nos anais da Ciência. Einstein removeu a dificuldade pela introdução de idéias inteiramente novas sobre a natureza do Espaço e do Tempo e sua inter-relação. Daí a origem daquela notável Teoria da Relatividade, que mais tarde alcançou um alcance ainda mais geral ao nos fornecer uma concepção inteiramente nova da Gravitação. É verdade que algumas das verificações experimentais da Teoria foram, e ainda permanecem, em debate, mas é certo que ela nos fornece pontos de vista extremamente novos e férteis. Pois mostrou como a remoção de certas ideias preconcebidas, adotadas mais pelo hábito do que pela lógica, tornou possível superar obstáculos considerados insuperáveis ​​e, assim, descobrir horizontes inesperados e para os físicos a Teoria da Relatividade tem sido um maravilhoso exercício de superação da rigidez mental. .

    A Teoria Quântica e seus desenvolvimentos, embora menos geralmente familiares, são certamente pelo menos igualmente importantes, uma vez que por meio dessa Teoria foi possível fazer uso das descobertas da Física experimental para formar uma ciência dos fenômenos atômicos. Quando uma descrição mais precisa desses fenômenos foi considerada necessária, o fato fundamental que se tornou evidente foi que era imperativo introduzir conceitos completamente novos que haviam sido inteiramente desconhecidos da Física clássica. Pois para descrever o mundo atômico não basta transportar os métodos e imagens válidos na escala humana, ou na escala astronômica, para outra escala muito menor. Vimos que, seguindo Bohr, os cientistas conseguiram imaginar os átomos como sistemas solares em miniatura nos quais os elétrons desempenhavam o papel dos planetas e ao traçar suas órbitas em torno de um sol central com carga positiva. Mas para que essa imagem desse resultados realmente valiosos, era necessário assumir, ainda mais, que o sistema solar atômico obedecia às Leis Quânticas e estas eram totalmente diferentes das Leis que regem os sistemas de que trata a Astronomia. Quanto mais cuidadosamente essa diferença foi considerada, mais uma vez, mais seu amplo escopo e significado fundamental começaram a ser apreciados, pois a intervenção dos quanta ocasionou a introdução da descontinuidade na Física atômica, e esta introdução é de fundamental importância, pois sem ela os átomos seriam ser instável e a matéria não poderia existir.

    Vimos que a descoberta da dupla natureza dos elétrons, ao mesmo tempo corpusculares e ondulatórios, foi seguida de uma mudança na Teoria Quântica, de modo que esta ganhou uma nova forma, há alguns anos, chamada de Mecânica das Ondas. A nova forma obteve sucesso múltiplo, e a Mecânica das Ondas trouxe uma melhor compreensão e previsão dos fenômenos que dependem da existência de estados estacionários quantizados para os átomos. Cada ramo da ciência, incluindo a química, se beneficiou do ímpeto devido à nova teoria, porque ela trouxe consigo uma maneira inteiramente nova e interessante de interpretar combinações químicas.

    O desenvolvimento da Mecânica das Ondas, então, obrigou os físicos a dar um escopo cada vez mais amplo a seus conceitos. Pois de acordo com os novos princípios, as Leis da Natureza não têm mais o caráter estrito que carregam na Física clássica: os fenômenos (em outros termos) não estão mais sujeitos a um Determinismo rigoroso, eles obedecem apenas às Leis da Probabilidade. O famoso Princípio da Incerteza apresentado por Heisenberg fornece uma formulação exata para esse fato. Mesmo as noções de causalidade e individualidade tiveram que passar por um novo escrutínio, e parece certo que esta grande crise, afetando os princípios norteadores de nossos conceitos físicos, será a fonte de consequências filosóficas que ainda não podem ser claramente percebidas.


    'Einstein estava certo: você pode transformar energia em matéria'

    Essencialmente, a equação diz que massa e energia estão intimamente relacionadas. As bombas atômicas e os reatores nucleares são exemplos práticos da fórmula que funciona em uma direção, transformando matéria em energia.

    Mas até agora não havia como fazer o contrário, transformar energia em matéria. O que torna isso particularmente difícil é que c 2 termo, a velocidade da luz ao quadrado. É responsável pela enorme quantidade de energia liberada em reações nucleares e pela enorme quantidade que você precisa injetar para transformar energia em matéria.

    Experimentos anteriores sempre exigiram um pouco de massa, mesmo que fosse apenas o valor de um elétron.

    A famosa fórmula de Albert Einstein triunfa novamente (crédito da foto: DonkeyHotey)

    Mas os cientistas do Imperial College London (incluindo um físico visitante do Instituto Max Planck de Física Nuclear da Alemanha) acham que descobriram como transformar energia diretamente em matéria.

    Oliver Pike, Felix Mackenroth, Edward Hill e Steve Rose sugeriram uma maneira de transformar um par de fótons, partículas de luz, em um elétron e sua antipartícula, um pósitron.

    Eles tiveram a ideia em menos de um dia, durante várias xícaras de café no Laboratório de Física Blackett da Imperial.

    Eles começaram falando sobre fusão, mas perceberam que seu trabalho poderia ser aplicado a um problema anterior, uma ideia proposta por dois cientistas americanos, Gregory Breit e John Wheeler, em 1934.

    Breit e Wheeler, que passou a trabalhar no Projeto Manhattan da América para construir a primeira bomba atômica, pensaram que era teoricamente possível esmagar dois fótons para produzir um elétron e um pósitron.

    “Apesar de todos os físicos aceitarem a teoria como verdadeira, quando Breit e Wheeler propuseram a teoria pela primeira vez, eles disseram que nunca esperavam que ela fosse mostrada em laboratório”, disse a professora Rose. “Hoje, quase 80 anos depois, provamos que eles estão errados.”

    Seu artigo em Nature Photonics propõe a construção de um novo tipo de colisor, que destrói fótons em vez de prótons, como no Grande Colisor de Hádrons do CERN, onde o bóson de Higgs foi descoberto no ano passado.

    Sua realização tem implicações enormes, não apenas prova mais uma vez um aspecto das teorias de Einstein, mas recria um “processo que foi importante nos primeiros 100 segundos do universo e que também é visto em explosões de raios gama, que são as maiores explosões no universo ”, disse Imperial.

    O primeiro passo seria acelerar os elétrons com um laser de alta energia até um pouco abaixo da velocidade da luz (300.000 km / s) e esmagá-los em uma placa de ouro, o que criaria um feixe de luz um bilhão de vezes mais intenso que o luz do sol.

    Isso seria direcionado a uma concha de ouro oca chamada de Hohlraum (Alemão para sala vazia). A cápsula seria excitada por outro laser para criar um campo de radiação térmica que emite luz semelhante à luz das estrelas.

    Quando as duas fontes de luz se cruzam, algumas colidem e criam elétrons e suas partículas de antimatéria correspondentes, pósitrons, que podem ser detectados quando saem do Hohlraum. Eles calculam que o experimento deve produzir 100.000 pares de partículas.

    “O que foi tão surpreendente para nós foi a descoberta de como podemos criar matéria diretamente da luz usando a tecnologia que temos hoje”, disse Rose. “As we are theorists we are now talking to others who can use our ideas to undertake this landmark experiment.”

    Pike, the lead author on the paper, said: "Although the theory is conceptually simple, it has been very difficult to verify experimentally. We were able to develop the idea for the collider very quickly, but the experimental design we propose can be carried out with relative ease and with existing technology. Within a few hours of looking for applications of hohlraums outside their traditional role in fusion energy research, we were astonished to find they provided the perfect conditions for creating a photon collider. The race to carry out and complete the experiment is on."

    Among candidate locations for the experiment are the Omega laser in Rochester, New York and the Orion laser at Aldermaston, the UK atomic weapons facility in Berkshire.


    Artificial life breakthrough after scientists create new living organism using synthetic DNA

    In a major step toward creating artificial life, US researchers have developed a living organism that incorporates both natural and artificial DNA and is capable of creating entirely new, synthetic proteins.

    The work, published in the journal Natureza, brings scientists closer to the development of designer proteins made to order in a laboratory.

    Previous work by Floyd Romesberg, a chemical biologist at the Scripps Research Institute in La Jolla, California, showed that it was possible to expand the genetic alphabet of natural DNA beyond its current four letters: adenine(A), cytosine(C), guanine (G) and thymine(T).

    In 2014, Romesberg and colleagues created a strain of E. coli bacteria that contained two unnatural letters, X and Y.

    Recomendado

    In the latest work, Romesberg’s team has shown that this partially synthetic form of E. coli can take instructions from this hybrid genetic alphabet to make new proteins.

    “This is the first time ever a cell has translated a protein using something other than G, C, A or T,” Romesberg said.

    Although the actual changes to the organism were small, the feat is significant, he said in a telephone interview. “It’s the first change to life ever made.”

    It’s a goal Romesberg has been working toward for the past 20 years. Creating new forms of life, however, is not the main point. Romesberg is interested in using this expanded genetic alphabet to create new types of proteins that can be used to treat disease.

    In 2014, he formed a company called Synthorx Inc, which is working on developing new protein-based treatments.

    Recomendado

    “A lot of proteins that you want to use as drugs get cleared in the kidney very quickly,” Romesberg said. The new system would allow scientists to attach fat molecules to drugs to keep them in the body longer.

    Romesberg is aware that the creation of semi-synthetic organisms might raise concerns of hybrid life forms spreading beyond the lab, but the system they used makes such an escape unlikely.

    For example, in natural DNA, base pairs are attracted to each other through the bonding of hydrogen atoms. Romesberg’s X and Y bases are attracted through an entirely different process, which prevents them from accidentally bonding with natural bases.


    Scientists Create Solid Light

    On a late summer afternoon it can seem like sunlight has turned to honey,਋ut could liquid—or even solid—light be more than a piece of poetry? Princeton University electrical engineers say not only is it possible, they’ve already made it happen.

    No Physical Review X, the researchers reveal that they have locked individual photons together so that they become like a solid object.

    "It&aposs something that we have never seen before," says Dr. Andrew Houck, an associate professor of electrical engineering and one of the researchers. "This is a new behavior for light."

    The researchers constructed what they call an 𠇊rtificial atom” made of 100 billion atoms engineered to act like a single unit. They then brought this close to a superconducting wire carrying photons. In one of the almost incomprehensible behaviors unique to the quantum world, the atom and the photons became entangled so that properties passed between the 𠇊tom” and the photons in the wire. The photons started to behave like atoms, correlating with each other to produce a single oscillating system.

    As some of the photons leaked into the surrounding environment, the oscillations slowed and at a critical point started producing quantum divergent behavior. In other words, like Schroedinger&aposs Cat, the correlated photons could be in two states at once.

    "Here we set up a situation where light effectively behaves like a particle in the sense that two photons can interact very strongly," said co-author Dr. Darius Sadri. "In one mode of operation, light sloshes back and forth like a liquid in the other, it freezes."

    As cool as it is to produce solidified light, the team was not acting out of curiosity alone. When connected together the photons of light behave like subatomic particles, but are in some ways easier to study. Consequently, the team is hoping to use the solid light to simulate subatomic behavior.

    Attempts to model the behavior of large numbers of particles usually use statistical mechanics, and often simplify by assuming no interaction between particles and a system at equilibrium. However, in a point we can all relate to, Houck and his colleagues note, “The world around us is rarely in equilibrium.” The solidified light offers a chance to observe a subatomic system as it starts to diverge from equilibrium, with potential for a basic understanding of how these systems operate.

    The system created so far is very simple, with the light entangled with the atom at two points. However, it should be possible to increase this, greatly expanding the complexity and range of possibilities of what is being constructed.

    As well as providing an easy-to-study model of atomic systems that actually exist, Houck and his team hope the frozen light could be made to behave like materials that do not exist, but have been hypothesised by physicists, allowing them to explore how these things would react if they were real.


    Something from Nothing? A Vacuum Can Yield Flashes of Light

    A vacuum might seem like empty space, but scientists have discovered a new way to seemingly get something from that nothingness, such as light. And the finding could ultimately help scientists build incredibly powerful quantum computers or shed light on the earliest moments in the universe's history.

    Quantum physics explains that there are limits to how precisely one can know the properties of the most basic units of matter&mdashfor instance, one can never absolutely know a particle's position and momentum at the same time. One bizarre consequence of this uncertainty is that a vacuum is never completely empty, but instead buzzes with so-called &ldquovirtual particles&rdquo that constantly wink into and out of existence.

    These virtual particles often appear in pairs that near-instantaneously cancel themselves out. Still, before they vanish, they can have very real effects on their surroundings. For instance, photons&mdashpackets of light&mdashcan pop in and out of a vacuum. When two mirrors are placed facing each other in a vacuum, more virtual photons can exist around the outside of the mirrors than between them, generating a seemingly mysterious force that pushes the mirrors together.

    This phenomenon, predicted in 1948 by the Dutch physicist Hendrick Casimir and known as the Casimir effect, was first seen with mirrors held still . Researchers also predicted a dynamical Casimir effect that can result when mirrors are moved, or objects otherwise undergo change. Now quantum physicist Pasi Lähteenmäki at Aalto University in Finland and his colleagues reveal that by varying the speed at which light can travel, they can make light appear from nothing.

    The speed of light in a vacuum is constant, according to Einstein's theory of relativity, but its speed passing through any given material depends on a property of that substance known as its index of refraction. By varying a material's index of refraction, researchers can influence the speed at which both real and virtual photons travel within it. Lähteenmäki says one can think of this system as being much like a mirror, and if its thickness changes fast enough, virtual photons reflecting off it can receive enough energy from the bounce to turn into real photons. "Imagine you stay in a very dark room and suddenly the index of refraction of light [of the room] changes," Lähteenmäki says. "The room will start to glow."

    The researchers began with an array of 250 superconducting quantum-interference devices, or SQUIDs&mdashcircuits that are extraordinarily sensitive to magnetic fields. They inserted the array inside a refrigerator. By carefully exerting magnetic fields on this array, they could vary the speed at which microwave photons traveled through it by a few percent. The researchers then cooled this array to 50 thousandths of a degree Celsius above absolute zero. Because this environment is supercold, it should not emit any radiation, essentially behaving as a vacuum. "We were simply studying these circuits for the purpose of developing an amplifier, which we did," says researcher Sorin Paraoanu, a theoretical physicist at Aalto University. "But then we asked ourselves&mdashwhat if there is no signal to amplify? What happens if the vacuum is the signal?"

    The researchers detected photons that matched predictions from the dynamical Casimir effect. For instance, such photons should display the strange property of quantum entanglement&mdashthat is, by measuring the details of one, scientists could in principle know exactly what its counterpart is like, no matter where it is in the universe, a phenomenon Einstein referred to as "spooky action at a distance." The scientists detailed their findings online February 11 in Proceedings of the National Academy of Sciences.

    "This work and a number of other recent works demonstrate that the vacuum is not empty but full of virtual photons," says theoretical physicist Steven Girvin at Yale University, who did not take part in the Aalto study.

    Another study from physicist Christopher Wilson and his colleagues recently demonstrated the dynamical Casimir effect in a system mimicking a mirror moving at nearly 5 percent of the speed of light. "It's nice to see further confirmation of this effect and see this area of research continuing," says Wilson, now at the University of Waterloo in Ontario, who also did not participate in the Aalto study. "Only recently has technology advanced into a new technical regime of experiments where we can start to look at very fast changes that can have dramatic effects on electromagnetic fields," he adds.

    The investigators caution that such experiments do not constitute a magical way to get more energy out of a system than what is input. For instance, it takes energy to change a material's index of refraction.

    Instead, such research could help scientists learn more about the mysteries of quantum entanglement, which lies at the heart of quantum computers&mdashadvanced machines that could in principle run more calculations in an instant than there are atoms in the universe. The entangled microwave photons the experimental array generated "can be used for a form of quantum computation known as 'continuous variable' quantum information processing,&rdquo Girvin says. &ldquoThis is a direction which is just beginning to open up.&rdquo

    Wilson adds that these systems &ldquomight be used to simulate some interesting scenarios. For instance, there are predictions that during cosmic inflation in the early universe, the boundaries of the universe were expanding nearly at light-speed or faster than the speed of light. We might predict there'd be some dynamical Casimir radiation produced then, and we can try and do tabletop simulations of this."

    So the static Casimir effect involves mirrors held still the dynamical Casimir effect can for instance involve mirrors that move.


    Assista o vídeo: CIENTISTAS DIZEM SER POSSÍVEL CRIAR MATÉRIA E ANTI MATÉRIA DA LUZ (Novembro 2021).