A lei universal da física descoberta graças a uma gota de azeite de oliva

Parece um experimento simples: com apenas dois espelhos e uma gota de azeite de oliva, um grupo de cientistas conseguiu descobrir uma lei universal da física.

Mas não se trata de qualquer tipo de espelho. São de extrema qualidade, curvos e com um tamanho entre 10 e 50 vezes menor que a espessura de um fio de cabelo.

O azeite, por sua vez, era do tipo comum mesmo e foi comprado em supermercado, relata o físico mexicano Said Rodríguez à BBC News Mundo (serviço da BBC em espanhol).

Ele lidera a equipe no instituto científico holandês Amolf, que em meados de abril publicou um estudo revelando uma nova lei universal da física a partir de experimento com partículas de luz (fótons).

A explicação desta lei, publicada na revista científica Physical Review Letters, trata de fótons interagindo com outros fótons do presente e do passado ao mesmo tempo.

Três conceitos-chave

Tudo começa com o conceito de biestabilidade.

“Imagine um bit de computador que pode estar em dois estados: 0 ou 1. O problema é que você tem um único comando. Portanto, se você pressionar um botão, é provável que o bit caia para 0 ou caia em 1”, diz o pesquisador.

Agora vem um segundo conceito: biestabilidade em um sistema com memória.

Rodríguez troca de analogia. “Agora imagine que você lança uma moeda para o alto e dê cara. Então a lança novamente. O resultado depende de já ter saído cara antes? Não deveria e, na maior parte dos sistemas, não depende. Mas para esse sistema, sim. Isso é o que o torna especial.”

Em outras palavras, a probabilidade depende do que aconteceu no passado, em sua história. Isso se diz que o sistema tem memória.

E para o terceiro conceito se acrescenta a luz.

“Infelizmente, é muito difícil criar biestabilidade para a luz”, diz o físico, porque “exige que a luz interaja consigo mesma e isso praticamente nunca ocorre no espaço livre”.

“Quando dois raios laser se cruzam, eles continuam a se espalhar como se nunca se vissem”, diz ele, exemplificando que sabres de luz como os mostrados nos filmes da saga Star Wars não existem em um ambiente normal.

O truque é que eles interagem com certos materiais. É assim que o experimento passou a ser temperado com uma gota de azeite.

Uma ideia do México

“A chave está em ‘capturar’ a luz, confiná-la em um espaço muito pequeno”, explica Rodríguez.

Essa é a função dos dois pequenos espelhos com cavidade que fazem parte do experimento, que são colocados muito próximos um do outro, com uma gota de azeite no meio, dentro de uma cavidade.

“Esses espelhos permitem que a luz salte muitas vezes de um lado para o outro, passando pelo azeite. É justamente ali que a interação entre os fótons é gerada”, diz Rodríguez.

O físico diz que sabia de pesquisas que haviam verificado a interação de fótons no óleo de mamona.

Eles tentaram ele e também o óleo de macadâmia, mas foi em uma revista de física aplicada do México, em um artigo publicado em espanhol, que Rodríguez e sua equipe encontraram um relatório de um efeito curioso encontrado com a luz interagindo no azeite de oliva.

“Nós literalmente fomos ao supermercado e compramos o azeite”, diz ele.

O experimento funcionou: “Descobrimos que o azeite de oliva permite as interações mais fortes da luz consigo própria”.

A nova lei

Então, qual foi a descoberta do grupo?

A descoberta aconteceu quando eles começaram a mover os espelhos, para variar a distância entre eles.

Assim, perceberam que a biestabilidade desaparece a uma velocidade universal, independentemente de parâmetros como a intensidade da luz.

Nas palavras de Rodríguez: “A lei universal que descobrimos está relacionada à velocidade com que a biestabilidade desaparece nos sistemas com memória”.

Para explicar melhor, voltemos à analogia com a moeda.

“Você começa com uma moeda que pode ser cara ou coroa e, à medida que a velocidade em que você joga uma moeda aumenta, a moeda se torna unilateral”, diz o físico.

“Ele não pode mais ter duas faces. É uma. Dizer que sempre cai do mesmo lado seria errado, porque não existem mais dois lados, mas um”, acrescenta.

Tudo isso soa estranho? O próprio Rodríguez é o primeiro a reconhecer isso.

“Tudo isso parece algo muito abstrato ou específico, mas existem muitos sistemas que possuem essa propriedade de que sua resposta não é independente do passado, ou seja, que eles têm memória”, diz Rodríguez.

E como as equações que descrevem seu sistema “são muito semelhantes às que descrevem muitos outros sistemas em física, química, biologia e engenharia”, a lei que eles encontraram é considerada universal.

Aplicações práticas

“A observação da biestabilidade ótica em uma cavidade cheia de azeite de oliva é provavelmente a parte mais importante de nossa investigação para futuras aplicações”, explica Rodríguez.

A biestabilidade é usada em muitas tecnologias modernas, pois é uma maneira eficiente de codificar informações.

No entanto, o sistema no qual essa equipe internacional alcançou a biestabilidade “permite um alto grau de controle e pode ser operado com muito pouca emissão de luz, e essas propriedades o tornam muito atraente para aplicações”.

Rodríguez lista três aplicações possíveis: sensores para detectar pequenas partículas, dispositivos que permitem o transporte de luz de formas incomuns e computadores ópticos que podem processar quantidades de informações que excedam a capacidade dos atuais computadores comuns.

No caso deste último exemplo, o físico não fala em fabricar computadores que, a curto prazo, substituam os nossos.

“Mas há certos problemas que são muito específicos, mas muito importantes, nos quais os computadores modernos, comuns são bastante ruins, por serem muito lentos.”

Esses são problemas de otimização de grande relevância em muitas áreas da ciência e da tecnologia, entre outras.

Um exemplo é o que acontece quando se pesquisa em um aplicativo de mapeamento como ir do ponto A para o ponto B.

“O que você faria para encontrar rapidamente a menor distância?”, Pergunta o cientista. “Bem, você teria que encontrar todos os caminhos diferentes e medi-los.”

Para fazer isso, você executa um cálculo serial: primeiro encontre o caminho um, depois o caminho dois, o caminho três, o caminho quatro e assim por diante até que todos estejam concluídos e o menor seja definido. Um computador comum faria o mesmo.

“Em nosso sistema, você não procederia em série, mas em paralelo: você pode explorar todos os caminhos ao mesmo tempo”, explica Rodríguez.

Certamente, esse cálculo otimizado não seria alcançado com dois espelhos e uma gota de azeite, mas com “redes de cavidades, ou seja, muitos, muitos espelhos, lado a lado, interagindo uns com os outros”.

Talvez neste momento você esteja pensando que o mesmo problema é o que os computadores quânticos em que grandes empresas como IBM e Microsoft estão trabalhando, bem como institutos de pesquisa e governos em todo o mundo estão tentando resolver.

Rodríguez afirma: “A vantagem, do meu ponto de vista, é que nosso sistema pode operar à temperatura ambiente e é muito mais fácil de manusear e fabricar” do que o sistema quântico.

E o que dizer da nova lei universal em si? O pesquisador não acredita em aplicações imediatas.

“No entanto, nos informa sobre uma característica desse tipo de sistema que devemos levar em consideração para futuras aplicações”, diz Rodríguez.

“É surpreendente que uma única gota de azeite tenha revelado tanta física nova e estou muito empolgado com o que ainda pode ser descoberto neste simples sistema.”

(BBC)