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Medição da partícula múon atinge precisão sem precedentes

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Há 12 anos, cientistas transportaram um enorme anel magnético de 15 toneladas por um trajeto de mais de cinco mil quilômetros nos EUA. O destino era o laboratório Fermilab, em Illinois. O equipamento serviria para estudar uma partícula subatômica chamada múon, prima do elétron, mas bem mais pesada e instável. Agora, a equipe divulgou o resultado final do experimento: a medição mais precisa já feita da oscilação dessa partícula.

Submetido à revista científica Physical Review Letters, o estudo representa um marco para a física. Os pesquisadores esperavam que a medição pudesse indicar a existência de forças ou partículas ainda desconhecidas no Universo – algo além do que a ciência atual explica. “Queremos entender do que o Universo é feito e como ele funciona”, afirmou Peter Winter, físico do laboratório Argonne e porta-voz do projeto chamado Muon g-2, em um comunicado.

Os resultados de 3 de junho de 2025 do Fermilab representam a análise dos dados de melhor qualidade do experimento como resultado de ajustes e aprimoramentos no experimento em 2023, que melhoraram a qualidade do feixe de múons e reduziram as incertezas. Crédito: Ryan Postel, Fermilab

Em poucas palavras:

  • Um anel magnético de 15 toneladas foi usado para medir a oscilação do múon;
  • O objetivo era verificar se essa partícula revelaria sinais de forças ou partículas desconhecidas no Universo;
  • O experimento confirmou o valor de g-2, mas há duas previsões teóricas que ainda não se conciliaram;
  • A medição final atingiu precisão recorde, porém coincide com uma previsão que não sugere nova física;
  • Mesmo sem novidades, o estudo é crucial para entender limites da teoria atual e buscar novas direções.

A oscilação do múon pode ser prevista com base na teoria atual, chamada Modelo Padrão, que descreve como funcionam as partículas e forças conhecidas. No entanto, existem duas previsões diferentes sobre esse valor. O novo resultado combina com uma delas. O problema é que os cientistas ainda não sabem qual previsão está correta. Até lá, não é possível afirmar se algo novo foi realmente descoberto.

“Os físicos experimentais fizeram sua parte com excelência”, disse Aida El-Khadra, da Universidade de Illinois, que lidera a equipe responsável pelos cálculos. Agora, os teóricos precisam resolver as diferenças entre suas próprias previsões. Por enquanto, como ela disse, “o júri ainda está em debate”.

Gráfico mostra a quantidade acumulada de dados analisados (em número de pósitrons) ao longo dos seis períodos de coleta de dados, ou execuções, de abril de 2018 a maio de 2023. Crédito: Colaboração Muon g-2

O que é um múon?

Mas afinal, o que é um múon? Ele é parecido com o elétron, mas cerca de 200 vezes mais pesado. Quando colocado num campo magnético, o múon gira como um pião. Essa oscilação é medida por um número chamado “g”. Em teoria, se nada interferisse, esse valor seria exatamente 2. Só que a mecânica quântica mostra que até o vácuo do espaço está cheio de partículas “fantasmas”, que surgem e somem rapidamente.

Essas partículas virtuais, embora invisíveis, interagem com o múon e fazem com que seu g mude um pouquinho. Esse pequeno desvio é chamado de “g-2” (lê-se “g menos 2”). Se g-2 for diferente do previsto, pode ser sinal de algo novo acontecendo, como partículas desconhecidas ou forças que ainda não compreendemos.

Para prever com precisão o valor de g-2, os cientistas geralmente usam dados de diversos experimentos, combinando-os com a teoria. É um processo complexo e, segundo El-Khadra, quase uma “trapaça honesta”, pois evita cálculos diretos. Ainda assim, é uma maneira válida e amplamente aceita na física.

Vista aérea do anel principal da unidade aceleradora no Fermilab Múon g-2. Crédito: John McAdorey – Shutterstock

Enquanto isso, os experimentos continuam. Nos anos 1990, cientistas do Laboratório de Brookhaven, em Nova York, criaram um anel magnético de 15 metros de diâmetro. Os múons circulavam ali dentro e sua oscilação era registrada por sensores. O resultado foi intrigante: o g-2 medido diferia do previsto pela teoria, indicando uma possível nova física.

A diferença entre o valor medido e o teórico chegou a 3,7 sigma – uma medida usada para indicar o grau de certeza em experimentos. O ideal para confirmar uma descoberta é 5 sigma. Por isso, em 2013, o anel foi transportado de Brookhaven para o Fermilab, onde os cientistas poderiam fazer medições ainda mais precisas, graças a uma fonte mais potente de múons.

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Valor de 20 anos atrás se repete com 21 vezes mais precisão

Em 2021, o Fermilab confirmou o valor encontrado em Brookhaven. Dois anos depois, os dados atingiram os 5 sigma. A expectativa era enorme. No entanto, surgiu uma nova previsão teórica para g-2 baseada em supercomputadores. Essa nova abordagem simula o Universo em uma espécie de grade, sem usar dados experimentais. Curiosamente, ela combina perfeitamente com o valor medido no experimento.

Ou seja, se essa nova previsão estiver correta, não há discrepância entre teoria e experimento. E isso enfraquece a ideia de que uma nova física foi descoberta. Desde então, os teóricos tentam entender por que suas duas previsões são diferentes, enquanto os dados experimentais continuam sendo refinados.

Na última terça-feira (27), o Fermilab divulgou sua medição final: 0,00233184141. É o mesmo valor de 20 anos atrás, mas agora com uma precisão 21 vezes maior – tão precisa quanto medir um campo de futebol com margem de erro menor que a espessura de um fio de cabelo.

Para os físicos, esse número representa o fim de uma longa etapa. “Estou aliviado e triste ao mesmo tempo”, disse Marco Incagli, porta-voz da colaboração internacional. A equipe ainda divulgará resultados sobre possíveis sinais de matéria escura e espera contribuições de um experimento japonês que usará outro método para medir g-2.

Mesmo que nenhuma nova física seja revelada, os cientistas consideram o trabalho valioso. Como disse El-Khadra, saber o que não existe ajuda a entender melhor o que pode existir. O confronto entre previsões e medições pode revelar caminhos inesperados para entender o Universo. “É fundamental ter os dois lados da equação e seguir com o trabalho. Grandes ideias ainda podem surgir disso.”

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Impossível? Esfera rola por parede vertical e surpreende cientistas

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Cientistas da Universidade de Waterloo, no Canadá, conseguiram um feito curioso: fizeram uma pequena esfera rolar sozinha por uma superfície totalmente vertical, sem impulso de motor, empurrão ou qualquer força externa – uma façanha que parece desafiar as leis básicas da física.

O movimento foi capturado por câmeras de alta velocidade após meses de testes com diferentes materiais e superfícies. A equipe tentava entender como determinadas combinações poderiam gerar deslocamento espontâneo. Quando a esfera finalmente começou a rolar, os pesquisadores duvidaram do que viam. “Parecia inacreditável”, disse Sushanta Mitra, diretor do Instituto Waterloo de Nanotecnologia, em um comunicado.

Experimento conseguiu feito inédito ao rolar uma esfera em uma superfície totalmente vertical. Crédito: Universidade de Waterloo

Esfera usada no experimento parecia uma bala de goma

Do tamanho de uma ervilha, a esfera usada no experimento era feita de um material elástico, parecido com a consistência de uma bala de goma. Ela foi colocada sobre uma superfície vertical e macia, semelhante a um mouse pad. Esse equilíbrio entre rigidez e flexibilidade foi essencial para o movimento acontecer.

Quando usada uma esfera de material muito mole, ela grudava na parede ou escorregava. Se fosse muito rígido, caía direto. Mas com a combinação certa, a esfera rolou vagarosamente – cerca de um milímetro a cada dois segundos – mantendo o contato com a superfície sem deslizar nem cair.

Bola rolando verticalmente – um feito que já foi considerado “impossível”. Crédito: Universidade de Waterloo

Líder do estudo revela segredo

Segundo Mitra, o segredo está na deformação da esfera ao tocar a parede. A parte da frente se comprime como se estivesse fechando um zíper, enquanto a de trás se solta, como se abrisse. Essa diferença gera torque, ou seja, uma força interna que impulsiona o rolamento, mesmo sem ajuda externa.

Experimento conduzido por cientistas canadenses resultou em uma esfera rolando em uma superfície totalmente vertical, algo nunca antes relatado. Crédito: Universidade de Waterloo

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A descoberta foi relatada em um artigo publicado na revista científica Soft Matter. A experiência surpreende por desafiar o senso comum sobre movimento e equilíbrio em superfícies verticais.

Os pesquisadores acreditam que esse princípio pode ser útil na criação de robôs flexíveis para explorar lugares difíceis, como tubulações, cavernas ou até ambientes espaciais. “É uma nova forma de pensar sobre locomoção”, concluiu Mitra.

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Erupções vulcânicas alteram a formação das nuvens

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Pesquisadores analisaram 10 anos de dados de satélite para constatar que cinzas vulcânicas podem desencadear a formação de nuvens. O estudo foi publicado na Science Advances e sugere uma solução para o mistério de como os aerossóis liberados nas erupções impactam a atmosfera.

Os cientistas examinaram informações coletadas por duas missões de estudo climático e ambiental da NASA: a CloudSat e a CALIPSO. Com base nos conjuntos de dados, a equipe conseguiu montar uma explicação mais coerente de como o fenômeno acontece.

As nuvens ocupam um local fundamental no sistema atmosférico — elas refletem a luz solar, retêm calor e cobrem cerca de 67% da superfície da Terra, segundo a Agência Espacial Americana. Para aprimorar os modelos da atmosfera terrestre, os pesquisadores aproveitaram a oportunidade das erupções vulcânicas e registraram como as partículas de aerossol influenciam a produção e as propriedades das nuvens.

“Nossa pesquisa ajuda a fechar uma lacuna significativa no conhecimento sobre se e como as erupções vulcânicas influenciam a formação de nuvens. Mostramos que partículas de cinzas vulcânicas podem desencadear a formação de nuvens a base de gelo, atuando como locais para a nucleação de cristais congelados”, disse a pesquisadora Lin Lin em entrevista ao site Phys.org.

A pesquisa focou na formação dos cirros, nuvens altas normalmente compostas por cristais de gelo. (Imagem: Fir0002 / Wikimedia Commons)

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Erupções mostraram outra realidade

Ao analisar os efeitos de erupções ricas em cinzas, o grupo detectou mudanças significativas nos dados de satélite. As nuvens abrigavam cristais de gelo maiores, mas em menor quantidade, e os cirros – nuvens altas e finas, feitas principalmente de material congelado – aparecerem com maior frequência. Erupções pobres em cinzas não tiveram o mesmo resultado.

Os pesquisadores haviam levantado uma hipótese inicial de que os cristais gélidos se formariam pela condensação de gotículas de água muito frias – um processo nomeado nucleação homogênea. 

Porém, a análise das erupções mostrou o contrário: a água se acumula na superfície dos aerossóis de cinzas pelo mecanismo oposto, a nucleação heterogênea. Nesse modelo, os cristais podem surgir antes que a água esfrie o suficiente para congelar espontaneamente.

“Os resultados superaram completamente nossas expectativas iniciais. Abandonar nossa ideia primordial e desenvolver uma nova explicação baseada em descobertas inesperadas foi a parte mais difícil e gratificante do processo”, explicou a pesquisadora.

A equipe espera que futuras pesquisas em campo possam colaborar para o entendimento do fenômeno. “Ao integrar as observações [em campo] com estudos de modelagem para uma erupção direcionada, pesquisas futuras podem caracterizar melhor o papel das cinzas vulcânicas na microfísica das nuvens e melhorar nossa compreensão de seu impacto na formação de cirros e no clima”, concluiu o grupo no artigo.

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O que é a Escala de Planck e como isso se relaciona à ciência?

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A física moderna é repleta de conceitos fascinantes que desafiam nossa compreensão do Universo. Um desses conceitos é a Escala de Planck, uma referência fundamental na física teórica.

Essa escala define os menores valores possíveis para grandezas físicas como comprimento, tempo e energia, estabelecendo um limite além do qual as leis da física clássica deixam de fazer sentido.

Criada a partir das constantes fundamentais da natureza, como a constante de Planck, a velocidade da luz e a constante gravitacional, a Escala de Planck marca a fronteira entre a mecânica quântica e a relatividade geral.

Mas por que essa escala é tão importante? Como ela influencia as pesquisas em cosmologia, física de partículas e teoria das cordas? Entenda o conceito da Escala de Planck, seu impacto na ciência e os desafios que ela impõe à compreensão da realidade.

O que é a Escala de Planck?

A Escala de Planck é um conjunto de valores físicos obtidos a partir de constantes fundamentais do Universo. Essas constantes incluem:

  • Constante de Planck (h): regula as interações quânticas.
  • Velocidade da luz (c): define o limite máximo para a propagação da informação.
  • Constante gravitacional (G): mede a intensidade da gravidade.

A partir dessas constantes, foram definidos parâmetros mínimos para diferentes grandezas físicas:

  • Comprimento de Planck: cerca de 1,616 x 10⁻³⁵ metros.
  • Tempo de Planck: aproximadamente 5,39 x 10⁻⁴⁴ segundos.
  • Energia de Planck: em torno de 1,22 x 10¹⁹ GeV.
Átomo/Sergey Nivens/Shutterstock

Esses valores representam limites fundamentais. Se tentarmos medir algo menor que o comprimento de Planck ou mais rápido que o tempo de Planck, as equações da física deixam de funcionar. Esse é o território onde a gravidade quântica, ainda não compreendida completamente, precisa ser considerada.

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A relação entre a Escala de Planck e a física quântica

A mecânica quântica descreve o comportamento das partículas subatômicas, enquanto a relatividade geral trata da gravidade e do cosmos em grande escala. No entanto, essas duas teorias não se encaixam bem quando tentamos aplicá-las simultaneamente. A Escala de Planck representa justamente o ponto onde essas discrepâncias se tornam evidentes.

Quando tentamos observar partículas em escalas menores que o comprimento de Planck, a influência da gravidade se torna tão intensa que distorce o espaço-tempo de maneira imprevisível. Isso sugere que uma nova teoria – chamada de gravidade quântica – é necessária para descrever esses fenômenos.

A Escala de Planck e o Big Bang

A Escala de Planck é crucial para entender os primeiros instantes do universo. Logo após o Big Bang, o Universo era incrivelmente quente e denso, com condições extremas que só podem ser descritas em termos quânticos. Esse período, conhecido como tempo de Planck, ocorreu em menos de 10⁻⁴³ segundos após o Big Bang.

Teoria do Big Bang continua sendo a mais aceita para a origem do Universo. Imagem: Quality Stock Arts – Shutterstock

Os físicos acreditam que, nesse momento, todas as forças fundamentais (gravidade, eletromagnetismo, força nuclear forte e fraca) eram unificadas. No entanto, as teorias atuais não conseguem descrever precisamente o que aconteceu nesse intervalo de tempo. A busca por uma teoria que combine a mecânica quântica com a gravidade é essencial para avançarmos na compreensão do cosmos.

A teoria das cordas e a Escala de Planck

Uma das abordagens mais promissoras para unificar a gravidade e a mecânica quântica é a teoria das cordas. Essa teoria propõe que as partículas fundamentais não são pontos, mas sim pequenas cordas vibrantes. As diferentes vibrações dessas cordas determinam as propriedades das partículas, como massa e carga.

Na teoria das cordas, a Escala de Planck define o tamanho das cordas fundamentais. Isso significa que, para testar experimentalmente essa teoria, precisaríamos de tecnologias extremamente avançadas, capazes de observar fenômenos na ordem de 10⁻³⁵ metros – algo ainda fora do alcance dos experimentos atuais.

Desafios e futuras pesquisas

A Escala de Planck é um dos maiores desafios da física teórica. Para compreendê-la melhor, os cientistas buscam:

  • Detectar evidências da gravidade quântica: experimentos como o LIGO e o Observatório de Ondas Gravitacionais tentam identificar efeitos quânticos na estrutura do espaço-tempo.
  • Explorar buracos negros: regiões do universo onde as leis da física são levadas ao extremo.
  • Desenvolver novos aceleradores de partículas: equipamentos mais potentes que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) poderiam fornecer pistas sobre a física além do Modelo Padrão.

A Escala de Planck representa a fronteira entre o conhecido e o desconhecido na física. Ela nos mostra que existem limites para nossa capacidade de medir e entender a realidade com as teorias atuais. Com o avanço da ciência, novas descobertas podem revelar segredos fundamentais do Universo, aproximando-nos cada vez mais da teoria unificada que os físicos tanto buscam.

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O que é o Efeito Cherenkov?

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O universo da física é repleto de fenômenos intrigantes, e um dos mais fascinantes é o efeito Cherenkov. Você já viu e se perguntou por que alguns reatores nucleares brilham com uma tonalidade azul intensa?

Esse brilho, muitas vezes retratado em filmes e séries de ficção científica, não é um mero efeito cinematográfico, mas sim um fenômeno real, conhecido como efeito Cherenkov.

Ele ocorre quando partículas carregadas, como elétrons, atravessam um meio dielétrico — como a água — a uma velocidade superior à da luz nesse meio. Esse efeito produz um característico brilho azul, que pode ser observado em reatores nucleares submersos.

Além de seu impacto visual impressionante, o efeito Cherenkov tem aplicações significativas na ciência e na tecnologia, desde a detecção de radiação até a astrofísica. Vamos entender o que é esse fenômeno, como ele ocorre e suas aplicações no mundo moderno.

Como ocorre o Efeito Cherenkov?

Para entender o efeito Cherenkov, é essencial compreender alguns conceitos básicos de física.

A luminosidade azulada da água nas piscinas de resfriamento dos combustíveis usados das usinas nucleares é gerada pelo efeito Cherenkov (Imagem: Advanced Test Reactor, Idaho National Laboratory.)

Quando uma partícula carregada, como um elétron, viaja através de um meio como a água ou um gás a uma velocidade maior do que a luz se propagaria nesse meio, ocorre uma liberação de radiação eletromagnética.

Essa radiação é emitida em um espectro que tende para o azul, resultando no brilho característico.

A velocidade da luz no vácuo é um limite absoluto, segundo a teoria da relatividade de Einstein. No entanto, em materiais como a água, o vidro ou até mesmo o ar, a luz viaja a uma velocidade reduzida.

Se uma partícula carregada consegue ultrapassar essa velocidade reduzida, ela provoca uma perturbação nas moléculas do meio, gerando um efeito análogo ao boom sônico, mas em formato óptico.

Aplicações do Efeito Cherenkov

O efeito Cherenkov não é apenas uma curiosidade da física, mas também uma ferramenta poderosa em diversas áreas. Algumas de suas principais aplicações incluem:

Detecção de Radiação

Os detectores de Cherenkov são amplamente usados para identificar partículas de alta energia em aceleradores, detectores de neutrinos e experimentos com raios cósmicos. Esses dispositivos são fundamentais para a física de partículas e para o entendimento do universo em escalas subatômicas.

Reatores Nucleares

O brilho azul observado em reatores nucleares submersos em água é um efeito direto da radiação Cherenkov. Ele ocorre porque os elétrons liberados na fissão nuclear ultrapassam a velocidade da luz na água, gerando esse efeito luminoso.

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Medicina e Diagnóstico por Imagem

Na medicina, o efeito Cherenkov está sendo explorado para melhorar técnicas de imagem biomédica, como a detecção de tumores. Essa abordagem permite visualizar processos biológicos em tempo real, utilizando partículas carregadas que interagem com tecidos biológicos.

Astrofísica e Exploração Espacial

Na astronomia, telescópios Cherenkov são usados para detectar raios cósmicos e fenômenos astrofísicos extremos. Esses telescópios conseguem captar a radiação Cherenkov emitida por partículas de alta energia que entram na atmosfera terrestre, ajudando na compreensão do cosmos.

Descoberta e Origem do Nome

O efeito Cherenkov foi descoberto pelo físico soviético Pavel Cherenkov em 1934, durante experimentos com soluções líquidas expostas à radiação.

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Pavel Cherenkov (Imagem: Domínio público)

Em 1958, Cherenkov, junto com seus colegas Igor Tamm e Ilya Frank, recebeu o Prêmio Nobel de Física por explicar teoricamente o fenômeno. Desde então, o efeito tem sido utilizado em diversas aplicações científicas e tecnológicas.

Diferença entre Efeito Cherenkov e Boom Sônico

Uma comparação interessante pode ser feita entre o efeito Cherenkov e o boom sônico. O boom sônico ocorre quando um objeto supera a velocidade do som no ar, gerando ondas de choque audíveis.

Da mesma forma, o efeito Cherenkov é uma “onda de choque” óptica, gerada quando partículas carregadas superam a velocidade da luz em um meio material.

Ambos os fenômenos são causados pela superação de uma barreira de velocidade dentro de um determinado ambiente, resultando na liberação de energia de maneira perceptível – seja como som, no caso do boom sônico, ou luz, no caso do efeito Cherenkov.

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Partículas misteriosas: neutrinos estão mais perto de serem desvendados

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Não sabemos muito sobre os neutrinos, essas partículas sem carga e de interação fraca são abundantes no Universo, mas bem difíceis de detectar. Mas uma pesquisa divulgada nesta quinta-feira (10), mediu um neutrino com o maior grau de precisão já feito até hoje e nos colocou mais perto de entender essa partícula.

Ainda não sabemos o peso exato dos neutrinos, mas agora descobrimos que eles têm um peso diferente de zero. Isso muda muita coisa na física, pois indica que o Modelo Padrão, que basicamente serve de guia para a física de partículas, está errado nesse quesito. 

Segundo o modelo, os neutrinos não deveriam ter peso algum. “Estamos tentando entender por que estamos aqui”, disse John Wilkerson, físico da Universidade da Carolina do Norte, em Chapel Hill, e um dos autores do novo estudo, ao The New York Times.

Por que é importante desvendar os neutrinos?

Uma das características mais impressionantes dos neutrinos é a sua capacidade de atravessar a matéria praticamente sem interagir com ela. Bilhões deles passam por nosso corpo a cada segundo, vindos principalmente do Sol, onde são produzidos em reações nucleares, mas também de outras fontes cósmicas, como supernovas e até mesmo do decaimento radioativo de elementos na Terra. 

Essa interação extremamente fraca faz com que detectá-los seja um enorme desafio, exigindo experimentos gigantescos e ultra-sensíveis, como os realizados em laboratórios subterrâneos para evitar interferências de outras partículas.

Existem três tipos de neutrinos, cada um associado a uma partícula diferente: o neutrino do elétron, o neutrino do múon e o neutrino do tau. 

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O mais intrigante é que eles podem “oscilar”, ou seja, se transformar de um tipo em outro enquanto viajam pelo espaço. Esse fenômeno só é possível porque os neutrinos têm massa, e foi justamente essa descoberta que rendeu o Prêmio Nobel de Física em 2015.

Além de serem peças-chave para entender os processos que ocorrem no interior das estrelas, os neutrinos podem ajudar a desvendar alguns dos maiores mistérios do Universo.

Como a pesquisa foi feita?

A pesquisa foi feita usando o experimento Karlsruhe Tritium Neutrino, ou KATRIN. O aparelho foi usado para reduzir a massa da partícula o máximo possível. O dispositivo possui 70 metros, que basicamente utilizou uma fonte de trítio para decair do hidrogênio com dois nêutrons em seu núcleo. Como o trítio é instável, ele decai em hélio e libera um antineutrino, uma espécie de antimatéria do neutrino, que deve ter seu mesmo peso. 

Reprodução de neutrinos (Imagem: Shutterstock)

Ao combinar dados das cinco primeiras execuções do experimento, os pesquisadores reduziram o limite superior da massa do neutrino por um fator de dois em comparação com o resultado anterior. A conclusão é que esse valor não era maior que 0,45 elétron-volts, nas unidades de massa usadas pelos físicos de partículas, um milhão de vezes mais leve que um elétron.

A expectativa é que com 1000 dias de experimentos os pesquisadores tenham dados ainda mais precisos. “Este é, por enquanto, o melhor limite do mundo”, disse o pesquisador.

“Há algo realmente interessante acontecendo”, finalizou Wilkerson.”E a solução provável para isso será a física além do Modelo Padrão.” A pesquisa foi publicada na Science.

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Um dos maiores enigmas da física pode ter sido desvendado após 125 anos

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Uma equipe de matemáticos afirma ter solucionado um dos enigmas mais antigos da ciência: o chamado sexto problema de Hilbert. Lançado em 1900 pelo alemão David Hilbert, o desafio propunha unificar, em uma mesma estrutura matemática, as leis que explicam tanto o comportamento de partículas microscópicas quanto o movimento de fluidos em grande escala, como rios e oceanos.

Em poucas palavras:

  • Matemáticos afirmam ter resolvido o sexto problema de Hilbert, proposto em 1900;
  • O desafio era unificar leis da física em diferentes escalas;
  • A equipe mostrou que equações dos fluidos surgem do movimento de partículas;
  • O estudo também resolve o paradoxo do tempo nas leis físicas;
  • A descoberta pode impactar áreas como meteorologia e engenharia.

O estudo foi hospedado em março no repositório online arXiv, que reúne pesquisas que ainda aguardam revisão por pares para publicação. Os autores são Zaher Hani e Ma Xiao, da Universidade de Michigan, e Deng Yu, da Universidade de Chicago. Apesar de ainda não ter sido oficialmente validado, o trabalho vem chamando a atenção da comunidade científica por enfrentar um dos problemas mais complexos da matemática moderna.

David Hilbert (1862–1943), físico alemão. Créditos: Universität Göttingen. Fundo: Triff – Shutterstock. Edição: Olhar Digital

Matemáticos decifram enigma centenário da física dos fluidos

A dificuldade central do sexto problema está em integrar três níveis distintos de descrição física. No nível microscópico, partículas seguem as leis de Newton. No nível intermediário, o comportamento coletivo dessas partículas é descrito pela estatística de Boltzmann. Já no nível macroscópico, entram em cena equações como a de Navier-Stokes, que modelam o movimento dos fluidos – e cuja solução completa ainda desafia os especialistas.

Segundo os autores, foi possível demonstrar matematicamente que as equações dos fluidos emergem, de forma natural, do comportamento de partículas microscópicas em colisão. Para isso, a equipe utilizou transformadas de Fourier, ferramenta que analisa oscilações e padrões, além de reorganizar cálculos com diagramas desenvolvidos pelo físico Richard Feynman. A chave da proposta foi reduzir a complexidade desses diagramas e traçar uma linha direta entre os diferentes níveis.

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Um ponto importante abordado no estudo é o chamado paradoxo do tempo. As leis de Newton são reversíveis – funcionam igualmente bem se o tempo for invertido. Já as equações de Boltzmann introduzem uma direção no tempo, estabelecendo uma distinção entre passado e futuro. Os matemáticos mostraram quando e como essa diferença aparece, resolvendo a contradição teórica.

China comemora conquista 

Na China, país de origem de Deng e Ma, o feito foi amplamente comemorado nas redes sociais. Usuários da plataforma Zhihu chegaram a chamar o avanço de parte de um “ano milagroso” para a matemática chinesa. Ma destaca que o cerne do sexto problema é verificar se as leis da física podem ser derivadas de axiomas matemáticos. Segundo ele, a nova pesquisa indica que sim.

Outros especialistas também reconheceram a importância do trabalho. “É um resultado impressionante. Eu pensava que isso era inalcançável”, declarou ao site New Scientist Benjamin Texier, da Universidade de Lyon, que não participou do estudo. Ainda assim, os próprios autores evitam declarações definitivas. Para Hani, a solução não encerra o problema, mas aponta novos caminhos.

Se confirmada, a descoberta pode impactar áreas como meteorologia, oceanografia, engenharia hidráulica e construção civil. Além de resolver um desafio histórico, ela reforça a ponte entre teoria matemática e fenômenos do mundo real.

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Por que não sentimos o peso da atmosfera? Entenda

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A atmosfera terrestre é uma camada de gases que envolve nosso planeta, essencial para a manutenção da vida. Composta principalmente por nitrogênio (78%) e oxigênio (21%), ela também contém outros gases, vapor d’água e partículas em suspensão. 

Apesar de sua imensa massa, que chega a aproximadamente 5,5 quatrilhões de toneladas, não sentimos o peso da atmosfera sobre nossos corpos. Mas por que isso acontece? Continue lendo e descubra.

O que é a atmosfera?

Aurora Boreal na atmosfera / Crédito: muratart (shutterstock/reprodução)

A atmosfera é uma camada de gases que envolve a Terra, retida pela força da gravidade. Ela desempenha um papel crucial na proteção do planeta, filtrando radiação ultravioleta, regulando a temperatura e permitindo a respiração dos seres vivos.

A atmosfera tem cinco camadas principais:

  • Troposfera (0-12 km): onde ocorrem os fenômenos meteorológicos e se encontra o ar respirável.
  • Estratosfera (12-50 km): contém a camada de ozônio, que absorve a radiação UV.
  • Mesosfera (50-80 km): camada onde as temperaturas são mais baixas e onde a maioria dos meteoros se desintegra.
  • Termosfera (80-700 km): onde ocorre a ionização dos gases e a formação de auroras boreais e austrais.
  • Exosfera (700-10.000 km): parte mais externa, onde os gases são extremamente rarefeitos e os satélites orbitam.

A pressão atmosférica, que é a força exercida pelo ar sobre a superfície terrestre, diminui conforme a altitude aumenta. Ao nível do mar, a pressão média é de 1 atmosfera (atm), equivalente a 101.325 Pascal (Pa). Essa pressão é produto do peso do ar acima de nós, que se estende por cerca de 100 quilômetros de altura.

Por que não sentimos o peso da atmosfera?

Um satélite na atmosfera terrestre
Um satélite na atmosfera terrestre / Crédito: Mechanik (shutterstock/reprodução)

Apesar da atmosfera exercer uma pressão significativa sobre nós, não sentimos seu peso devido a um equilíbrio de forças. O ar, sendo um fluido, exerce pressão em todas as direções. Isso significa que a pressão atmosférica atua tanto de cima para baixo quanto de baixo para cima, além de atuar lateralmente. Esse equilíbrio de forças faz com que a pressão externa se cancele, o que impede que sintamos o peso da atmosfera.

Além disso, nosso corpo é adaptado para lidar com essa pressão. A pressão interna do nosso corpo, gerada por fluidos e gases, é igual à pressão externa exercida pela atmosfera. Esse equilíbrio é essencial para nossa sobrevivência. Se houvesse uma diferença significativa entre a pressão interna e externa, nosso corpo seria comprimido ou expandido, causando danos graves.

Um exemplo prático é o que acontece ao nível do mar. A pressão atmosférica nessa altitude equivale a cerca de 10 toneladas por metro quadrado. No entanto, como a pressão se distribui uniformemente, não sentimos essa força poderosa.

Imagine segurar um objeto pesado com as duas mãos: se você aplicar a mesma força em ambos os lados, o objeto parecerá leve. O mesmo princípio se aplica à pressão atmosférica.

A atmosfera do céu da estratosfera
A atmosfera do céu da estratosfera / Crédito: Chaleephoto (shutterstock/reprodução)

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O papel da gravidade e da pressão interna

A gravidade é a força que mantém a atmosfera presa à Terra. Sem ela, os gases escapariam para o espaço, como acontece em corpos celestes menores, como a Lua. A gravidade também é responsável por comprimir o ar próximo à superfície, tornando-o mais denso ao nível do mar. Conforme subimos em altitude, o ar se torna mais rarefeito, e a pressão diminui.

Um céu com nuvens cinzentas
Um céu com nuvens cinzentas / Crédito: Bilanol (shutterstock/reprodução)

Nosso corpo, por sua vez, sofreu adaptações ao passar dos anos para resistir a essas forças. A pele, os músculos e os ossos são estruturas que ajudam a manter a integridade física mesmo sob pressão. Em situações extremas, como no vácuo do espaço, onde não há pressão atmosférica, o corpo humano sofreria danos devido à falta de equilíbrio entre as pressões interna e externa.

No entanto, na superfície terrestre, esse equilíbrio se mantêm, o que permite que vivamos sem sentir o peso da atmosfera.

Em resumo, a atmosfera terrestre é uma camada essencial para a vida, e os habitantes da Terra não sentem seu peso por causa do equilíbrio entre a pressão externa e a pressão interna do nosso corpo. A física por trás desse fenômeno demonstra como a natureza encontra maneiras de manter a harmonia entre forças aparentemente opostas.

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Gravidade pode ser ilusão? Nova teoria propõe explicação

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A gravidade pode não ser uma força fundamental, mas um efeito emergente da entropia. Esse conceito, que mede a desordem dos sistemas, pode esconder a chave para unir relatividade e mecânica quântica. Um novo estudo sugere que a atração entre os corpos celestes pode ser apenas um reflexo de processos mais profundos — e essa ideia pode até explicar mistérios, como a matéria e a energia escuras.

A proposta vem da professora Ginestra Bianconi, da Queen Mary University of London (Inglaterra). Em seu estudo, publicado na Physical Review D, ela utiliza a entropia quântica relativa para redefinir a gravidade. A pesquisa sugere que a curvatura do espaço-tempo pode ser apenas um efeito de uma interação entrópica, o que ajudaria a explicar anomalias gravitacionais hoje atribuídas à matéria escura.

Matéria escura pode não existir — a resposta pode estar na entropia! (Imagem: Zita/Shutterstock)

O estudo também prevê uma constante cosmológica positiva, relacionada à energia escura. Além disso, introduz um campo G, capaz de modificar a gravidade e dispensar a necessidade da matéria escura. Se confirmada, essa ideia pode revolucionar nossa compreensão do Universo — e, finalmente, aproximar a relatividade da mecânica quântica.

Gravidade e entropia: conexão inesperada?

A entropia é a grande lei do caos: uma medida de desordem que, no Universo, só cresce com o tempo. Mas ela não se resume a bagunça — também está diretamente ligada à informação. E é nessa conexão que o estudo aposta para unir as duas gigantes da física.

A pesquisa usa um conceito chamado entropia quântica relativa para repensar a relação entre matéria e espaço-tempo. Em vez de ver a gravidade como uma força, a ideia é que ela surja naturalmente da interação entre esses elementos, como um efeito secundário da própria estrutura do cosmos.

Nos modelos clássicos, imaginamos o espaço-tempo como uma malha elástica deformada pela matéria. Mas, na prática, essa geometria é definida por uma métrica invisível, influenciada pela massa dos objetos. E se a chave para entender tudo isso estiver na informação, e não na força?

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Novo olhar sobre o cosmos

  • A proposta também mexe com outra peça fundamental do quebra-cabeça cósmico: a estrutura invisível do Universo;
  • O estudo sugere que a gravidade pode não precisar da matéria escura para explicar anomalias gravitacionais;
  • Em vez disso, o campo G modificaria a gravidade em escalas cósmicas, influenciando a rotação das galáxias sem a necessidade de uma substância oculta;
  • Outra implicação direta está na energia escura. O modelo prevê constante cosmológica emergente, que pode ser a chave para entender a aceleração da expansão do Universo;
  • Em vez de ser um ajuste arbitrário nas equações, essa constante surgiria naturalmente da interação entrópica entre espaço-tempo e matéria.

Se confirmadas, essas ideias podem indicar que os fenômenos mais misteriosos do cosmos não são causados por elementos invisíveis, mas por sutilezas profundas nas leis fundamentais da física.

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Campo G: nova peça no quebra-cabeça da gravidade? (Imagem: Atharv77/Shutterstock)

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O que é metafísica e como ela influencia a ciência e o estudo do Universo?

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A metafísica é um dos ramos mais antigos e complexos da filosofia. Desde os tempos da Grécia Antiga, esse campo do conhecimento busca compreender a realidade para além do mundo físico, explorando questões como a existência, a natureza do ser, a consciência, o espaço, o tempo e a origem do Universo.

A palavra “metafísica” significa literalmente “além da física“, refletindo seu objetivo de investigar aquilo que não pode ser explicado apenas por meio da ciência empírica.

Ao longo dos séculos, a metafísica influenciou diversas áreas do pensamento humano, como a ciência, a religião e a própria filosofia. Seu impacto pode ser percebido em debates sobre a essência da realidade e na formulação de conceitos fundamentais que moldaram o conhecimento moderno.

Questões como “O que é o ser?”, “Existe uma realidade independente da nossa percepção?”, “O tempo e o espaço são reais ou apenas construções humanas?” fazem parte das discussões centrais desse campo do saber.

Mas, afinal, qual é o objetivo da metafísica? E por que ela ainda é estudada? Vamos explorar suas origens, os principais pensadores que ajudaram a estruturá-la e como esse campo do saber ainda influencia diversas discussões atuais.

O que é e quem criou a metafísica?

O termo “metafísica” surgiu na Grécia Antiga e foi popularizado pelo filósofo Andrônico de Rodes, que organizou os escritos de Aristóteles no século I a.C.

O nome deriva do grego “metá ta physiká”, que significa “além da física”, referindo-se a estudos que iam além da matéria e dos fenômenos observáveis. Aristóteles, considerado o principal precursor da metafísica, buscava compreender os princípios fundamentais da realidade e a estrutura do ser, formulando conceitos como substância, causa e essência.

Estátua de Aristóteles (Imagem: FASBAM/Reprodução)

No entanto, Aristóteles não foi o único pensador a influenciar a metafísica. Platão, seu mestre, desenvolveu a teoria das ideias, que defendia a existência de uma realidade superior e imutável, acessível apenas pelo intelecto.

Enquanto Platão argumentava que o mundo sensível é apenas uma cópia imperfeita dessa realidade ideal, Aristóteles se concentrava na investigação da substância e da existência em si.

Com o passar do tempo, a metafísica ganhou novas interpretações. Na Idade Média, pensadores como Santo Agostinho e São Tomás de Aquino incorporaram elementos religiosos, relacionando a metafísica com a existência de Deus, a natureza da alma e a origem do Universo. Para Aquino, a metafísica era a ciência do “ser enquanto ser”, um estudo da realidade que buscava harmonizar a fé com a razão.

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No período moderno, filósofos como Descartes, Kant e Hegel reformularam suas questões fundamentais. Descartes introduziu a ideia do “cogito, ergo sum” (penso, logo existo), enfatizando a consciência como base da realidade.

Kant, por sua vez, questionou se era possível conhecer a realidade como ela é em si mesma, distinguindo entre o “fenômeno” (o que percebemos) e o “númeno” (a realidade inalcançável pela experiência).

Hegel desenvolveu a dialética, uma abordagem que via a realidade como um processo dinâmico de mudança e contradição.

Para que serve a metafísica?

A metafísica tem um papel essencial na filosofia, pois busca responder questões fundamentais sobre a existência e a realidade. Seu objetivo é investigar a natureza do ser, o conceito de identidade, a relação entre mente e corpo, o livre-arbítrio, a causalidade e a origem do Universo. Essas questões, apesar de abstratas, têm impacto direto em várias áreas do conhecimento e da vida cotidiana.

Ilustração mostra como neurônios se formam, destacando sua estrutura complexa com dendritos e axônios, representando comunicação neural e função cerebral
Ilustração de neurônios (Imagem: Kateryna Kon / Shutterstock)

Na ciência, a metafísica influencia a física teórica e a cosmologia, ajudando a formular questões sobre a existência do tempo, do espaço e das leis naturais. Físicos modernos, como Albert Einstein e Stephen Hawking, discutiram temas metafísicos ao explorar a natureza do tempo e do espaço, a teoria da relatividade e os mistérios dos buracos negros.

Na ética, a metafísica colabora para entender os fundamentos da moralidade, questionando se existem princípios objetivos ou se a moralidade é apenas uma construção social. Até mesmo a inteligência artificial e a computação quântica utilizam princípios metafísicos ao questionar a natureza da consciência e da realidade digital.

Além disso, a metafísica também tem um papel na religião e na espiritualidade, abordando temas como a existência de Deus, a alma e a vida após a morte. Dessa forma, ela continua sendo um campo fundamental para a compreensão do mundo e da própria condição humana.

Quem inventou a metafísica?

O termo foi popularizado por Andrônico de Rodes ao organizar os escritos de Aristóteles no século I a.C. No entanto, os debates metafísicos já existiam desde Platão e outros filósofos gregos.

O que é a metafísica?

A metafísica é o ramo da filosofia que estuda a natureza da realidade, do ser e da existência, indo além da matéria e das observações físicas, abordando questões sobre o tempo, o espaço, a causalidade e a identidade.

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