Arquivo

Archive for fevereiro \23\UTC 2010

Físicos constroem o primeiro (quase) laser acústico

terça-feira, 23 fev 2010; \08\UTC\UTC\k 08 Deixe um comentário

Ontem foi publicado um par de artigos bem interessantes que talvez tenham sido as primeiras construções experimentais na direção de lasers acústicos, um sistema que utiliza das leis da mecânica quântica para produzir uma onda de som análoga ao feixe de laser de luz! Os experimentos foram dois diferentes, um realizado no Caltech nos EUA e outro na Universidade de Nottingham na Inglaterra (artigos técnicos aqui e aqui).

Um laser (de luz) é produzido por um fenômeno da mecânica quântica chamado de emissão estimulada. Pense por exemplo em um átomo de rubídio que pode estar em dois estados de energia E_a e E_b diferentes, com E_b > E_a. Se nós acoplarmos esse átomo com uma onda de freqüência \omega que não seja muito diferente da freqüência \omega_0 = (E_b - E_a)/\hbar, então existe tanto o fenômeno do átomo inicialmente no estado a ser excitado para o estado b como o fenômeno do átomo no estado b decair para o estado a. Quando o átomo é excitado, ele absorve energia da onda incidente, mas quando ele decai, ele fornece energia. Curiosamente, a probabilidade — em um modelo aproximado para esse sistema — é a mesma para tanto a excitação como para o decaimento ocorrer! Assim, ao fornecer constantemente a onda de freqüência \omega de fundo para um conjunto de átomos (a bomba como se diz no jargão), se inicialmente todos os átomos estavam no estado a eles são em conjunto excitados para b e em b devolvem uma outra onda de freqüência \omega_0, e ao repetir o processo várias vezes, o resultado é uma tremenda amplificação de energia que produz uma onda de freqüência \omega_0. Essa onda é o laser.

Mas ondas de luz e ondas de som tem várias similaridades, a começar pelo fato que na física clássica as duas são realizações físicas diferentes da solução de uma mesma equação — a equação da onda. E em mecânica quântica, ao fazer uma aproximação do movimento coletivo de átomos como um efeito de elasticidade contínua do material, tanto o som como a luz são descritos por equações similares. O análogo do fóton da luz para o som é o que se chama o fonon (é a partícula do fone, ora.). Então fica a pergunta natural:

É possível existir um laser de som?

Ou seja: é possível fazer átomos amplificarem um sinal de entrada com uma certa freqüência \omega criando uma onda de som de saída com freqüência bem definida, quase monofrequente, \omega_0 \approx \omega (próximo do valor de \omega) e espacialmente coerente? (Se você não sabe o que quer dizer coerente neste contexto, não se avexe). Até então isso parecia muito difícil na prática, com os processos de absorção dominando sobre os de emissão estimulada. Os dois grupos em questão parecem ter feito a primeira realização do laser de som que supera essa dificuldade.

Micrografia dos microtoróides de silica construídos pelo grupo do Caltech, original do artigo de Ivan Grudinin et al.

O grupo do Caltech construiu dois toróides de silica de poucos micrometros de diâmetro a uma pequena fração de seus raios de distância um do outro, ajustados para que um laser externo sirva de onda de fundo que excita um modo de vibração sonora dos dois toróides que é um estado excitado da ressonância acústica do sistema (ressonância acústica é aquele efeito que aconteceu na ponte de Tacoma, ou que permite a voz humana quebrar um copo de cristal). Os dois toróides então caem do estado excitado e emitem uma onda de som de freqüência de 21 MHz para o meio externo que é análoga a um laser (para comparação, o ouvido humano consegue captar som de freqüência no máximo mil vezes menor, ou seja, é mais agudo que a voz do André Matos). O efeito dessa onda de som é visto pelo acoplamento dos microtoroides com o laser, e não com um microfone (provavelmente porque seria impossível com microfones…). O grupo de Nottingham atacou o problema de forma diferente, e construiu um laser de som de freqüência de THz. Para isso eles empregam um semicondutor onde elétrons podem decair em uma cascata de estados de energia diferentes causando sempre uma perturbação sonora no sistema de mesma freqüência. Nesse segundo experimento, a amplificação sonora foi obtida, mas não o feixe de som coerente que caracterizaria melhor um laser.

No presente momento esse parece ser o primeiro passo em direção de dispositivos úteis para a indústria, medicina e instrumentação científica de ondas de som bem coerentes de alta freqüência. Por exemplo, como as ondas de som tem comprimento de onda relativamente pequeno em comparação com a onda de luz de mesma freqüência, com a mesma energia seria em princípio possível fazer imagens e medidas experimentais em materiais com resolução espacial melhor do que pode ser feita com luz.

Anúncios

Research Blogging…

sexta-feira, 19 fev 2010; \07\UTC\UTC\k 07 Deixe um comentário

Pra quem não conhece, o Research Blogging é um site com a missão de de (…) identifying the best, most thoughtful blog posts about peer-reviewed research.” (“identificar os melhores, mais reflexivos posts sobre pesquisa arbitrada-por-pares”).

Pois bem, a partir de hoje (2010-Feb-19), 07:49 EDT, o AP está devidamente cadastrado! 😈

Então, se preparem: a partir de agora, nossos posts sobre trabalhos publicados virão com uma marca nova. 😉

As melhores ferramentas de colaboração online…

quarta-feira, 17 fev 2010; \07\UTC\UTC\k 07 Deixe um comentário

Eu trombei no Mind Map abaixo, que faz uma lista (com recomendações quando necessário) das melhores ferramentas de colaboração online de 2009, e achei que vcs pudessem gostar e aproveitar também. 😉

Best Online Collaboration Tools 2009; by Robin Good

Best Online Collaboration Tools 2009

(Versão PDF da imagem acima: Best Online Collaboration Tools 2009, by Robin Good (PDF, 220Kb).)

Quem tiver mais dicas, ou achar que faltou alguma coisa no MindMap acima… é só mandar pau nos comentários! 😈

O realejo do dia…

segunda-feira, 15 fev 2010; \07\UTC\UTC\k 07 Deixe um comentário

Lord Rees, Presidente da Royal Society e o Astrônomo Real da Grã-Bretanha, conversa com Matin Durrani, Editor da Physics World, sobre o porquê do papel vital da Royal Society mesmo depois de 350 anos de sua fundação — e porquê o Presidente Obama estava certo ao cancelar as missões americanas tripuladas à Lua. (Sobre esse último ponto, o Weinberg também se manifestou positivamente em relação à decisão do Obama: Obama Gets Space Funding Right. 😈 )

Tiroteio no Alabama e Estabilidade na Carreira de Professor Universitário

sábado, 13 fev 2010; \06\UTC\UTC\k 06 6 comentários

Hoje, em quase todos os jornais dos Estados Unidos, temos a notícia de mais um tiroteio numa universidade americana. Se você ainda não leu, pode seguir o link do NY Times. Alguns jornais brasileiros também noticiam, por exemplo, O Globo.

A motivação da chacina, que ocorreu na University of Alabama em Huntsville, foi um Tenure negado a uma professora da universidade. Antes de comentar o que isso significa, eu vou reproduzir aqui a forma como o jornal O Globo descreveu:

(…) após ser informada de que não receberia uma cláusula contratual em seu esquema de trabalho impedindo demissões futuras sem justa causa (…)

É uma descrição no mínimo simplista para o que significa o processo de tenure nos Estados Unidos. No Brasil, qualquer Professor Universitário concursado tem estabilidade no emprego. Na prática isso quer dizer que mesmo que sua qualidade e produção cheguem a níveis ridiculamente baixos, ele não será despedido. Claro que medir qualidade de trabalho acadêmio é uma coisa complicada e essa não é a direção que quero tomar nesse post, basta concordarmos que também não é tão difícil identificar casos onde a produtividade é realmente abaixo do esperado em qualquer forma de avaliação.

Nos Estados Unidos, a forma de contrato é bem diferente. O que importa para essa discussão é que ninguém é contratado com estabilidade. Algumas ofertas de emprego em universidades e centros de pesquisa são ditas tenure-track. Quando alguém é aceito nesse tipo de contrato, o profissional passa por um período de cinco a seis anos tendo seu trabalho avaliado bem de perto por seus pares dentro da universidade. Depois desse período, ou a pessoa recebe o tenure, o que significa que ela terá estabilidade profissional, ou então é desligada da universidade. Em geral, o anúncio é feito um ano antes do término do contrato para que o profissional ainda tenha chance de procurar outro emprego.

Longe de mim discordar da necessidade da estabilidade para o bom desempenho de uma carreira acadêmica. Essa estabilidade profissional é necessária para que o pesquisador possa trilhar caminhos não óbvios dentro da sua pesquisa sem ter que se preocupar com resultados imediatistas. Mas ao mesmo tempo, acho saudável questionar quem tem direito a esse tipo de liberdade.

O que houve na University of Alabama foi justamente um tenure-track negado. Desesperada pela demissão iminente, ela perdeu o controle e resolveu descontar nos professores do seu departamento. Nada justifica esse tipo de atitude e não acho que seja uma mazela do modelo adotado aqui. Minha percepção é que isso foi fruto de uma pessoa emocionalmente desequilibrada que terá que responder criminalmente pelos seus atos.

Não tenho uma resposta definitiva de qual modelo é melhor. Eu sei que é duro, eu entendo que é mais uma avaliação numa carreira cuja formação já é tão longa e cheia de provações, mas o modelo de tenure-track tem o potencial de evitar distorções que no sistema brasileiro criam uma inércia no meio acadêmio difícil de ser vencida.

Edit: (2010/02/15) Nos comentários desse post, tomei conhecimento da Emenda Constitucional nº 19, de 1998, em que o artigo 41 da Constituição Brasileira, que versa sobre a estabilidade do emprego público (inclusive de professor-pesquisador), foi redigido na sua forma atual:

Art. 41. São estáveis após três anos de efetivo exercício os servidores nomeados para cargo de provimento efetivo em virtude de concurso público.

(…)

§ 4º Como condição para a aquisição da estabilidade, é obrigatória a avaliação especial de desempenho por comissão instituída para essa finalidade.

Emenda Constitucional nº 19, de 04 de junho de 1998
Constituição da República Federativa do Brasil de 1988

É interessante notar que a lei prevê um mecanismo parecido ao que existe nos Estados Unidos, embora eu não saiba com que seriedade ela é aplicada no meio acadêmico brasileiro. Além disso, mesmo que ela seja aplicada, ainda cabe lembrar a imensa diferença (sem nenhum juízo de valor aqui) entre não ter estabilidade mas continuar empregado e ser despedido.

Categorias:Ars Physica

Bolsa Fulbright de Ciência e Tecnologia e Ações Afirmativas

quinta-feira, 11 fev 2010; \06\UTC\UTC\k 06 2 comentários

Há uma vasto interesse na baixa representatividade das mulheres nas chamadas ciências duras. Junto com esse interesse há imensa discordância sobre o porquê desse desequilíbrio com argumentos calorosos que vão de opressão social à psicologia evolutiva. Só para não dizerem que não alimentei o discurso, eis um link interessante:

THE SCIENCE OF GENDER AND SCIENCE – PINKER VS. SPELKE – A DEBATE

O Pinker, que é um autor de livros que gosto muito, defende um ponto de vista muito fraco nesse debate. Mas é interessante de qualquer forma. Além disso, o leitor interessado pode procurar por grupos de ações afirmativas nessa direção em praticamente todas as universidades americanas (procure por algo como Women in Science, por exemplo o que existe em Stony Brook).

Sem entrar em maiores discussões, queria mostrar uma outra ação afirmativa interessante. Até 8 de maio estão abertas as inscrições para a bolsa Fulbright de Ciência e Tecnologia, cujo nome oficial é o longuíssimo The International Fulbright Science and Technology Award for Outstanding Foreign Students. Essa é uma bolsa de bastante prestígio aqui nos EUA.

NB: Essa não é a mesma bolsa CAPES-Fulbright. Você pode aplicar para as duas no mesmo ano sem problema.

O que quero chamar atenção dos leitores é a preferência explícita por mulheres para concessão dessa bolsa. Acho uma escolha muito acertada da comissão Fulbright que faz seu papel para trazer a representatividade das mulheres nas ciências a níveis mais saudáveis.

Categorias:Ars Physica

Medidas em Física de Altas Energias e uma aplicação de estatística Bayesiana

quarta-feira, 10 fev 2010; \06\UTC\UTC\k 06 Deixe um comentário

Sempre achei que esses títulos grandes dão uma certa importância ao texto que vem a seguir. E sempre achei que textos com primeira frase sobre o próprio estão enrolando porque não têm nada para dizer.

Bem, não é nenhum dos dois casos. Queria continuar falando sobre técnicas experimentais em física de altas energias. Essas que são feitas em grandes experimentos de aceleradores de partículas, como o LHC sobre o qual é tão falado na mídia. Como todo mundo sabe, o LHC é um colisor de prótons. É engraçado que, hoje em dia, mesmo pessoas que não sabem o que é um próton sabem que o LHC colide prótons. A idéia desses aceleradores é estudar interações entre prótons que tem seções de choque muito pequenas (ie, muito raras), que geram partículas muito massivas – possivelmente interações e partículas que não estejam de acordo com nossa compreensão atual do Modelo Padrão.

Essas novas partículas são vistas através de detectores de partículas que basicamente servem para ou medir o traço ou a energia dessas partículas (pergunta para o pessoal pensar: se em mecânica quântica não há o conceito de trajetória, como pode-se dizer que alguém mediu o traço de uma partícula?). Não vem muito ao caso agora como cada um desses detectores funciona. Não que não se saiba, a maioria dos processos físicos pelos quais eles funcionam são muito básicos, mas o importante é que o conjunto de detectores num experimento é complicado. Complicado o suficiente para não podermos escrever de forma analítica a relação seção de choque \to sinal no detector. Ok, então o que se faz?

Uma das coisas que se faz é tentar descrever cada pedaço desse detector individualmente, entendendo como cada tipo de partícula interage com o material que encontra no caminho. Isso certamente é possível e as pessoas fazem isso, mas o tempo de processamento computacional é, em geral, proibitivo. Uma outra razão pela qual isso nem sempre é aplicável é que não sabemos descrever alguns dos processos que geram as partículas, principalmente a parte não-perturbativa da QCD. Embora alguns métodos existam para estudar esse setor, como dualidades do tipo AdS/CFT, elas não dizem nada sobre o dito processo de hadronização nesse setor.

Vamos supor então que queremos identificar uma nova partícula. Por exemplo, a muitos anos atrás foi dado um prêmio Nobel à descoberta do bóson Z no CERN, no antigo colisor deles que se chamava LEP. Esse era um colisor de elétrons e pósitrons que podiam produzir um Z, pois tinham massa para isso. O que isso significa é que foi medido a produção de, entre outras coisas, um par de léptons que aprecem como sinais nesses detectores e a seção de choque tem uma estrutura de ressonânica típica de interações em teorias quânticas de campos que pode-se associar à existência de uma partícula. Eu já falei isso no meu último post e não quero falar de novo, só quero argumentar que em colisores de prótons (ou hádron de uma forma geral) isso é um pouco mais complicado. Para início de conversa não temos como saber exatamente a energia com que a colisão ocorreu. Mesmo que saibamos a energia do próton, o que colide são os quarks que o compõem, e eles tem uma certa distribuição de momento dentro do próton. Tudo que podemos fazer é medir a probabilidade de certo quark existir com certo momento (e calcular a evolução dessa quantidade usando Teoria Quântica de Campos).

Então, muitas vezes o que se faz é medir alguma outra variável que dependa dessa quantidade que está sendo medida. Por exemplo, vamos dizer que estamos tentando medir a massa de uma nova partícula que decai em um elétron e outra coisa. Podemos medir o momento desses elétrons e nos perguntar qual é a massa mais provável dessa partícula dado as hipóteses da nossa teoria e dos dados observados. Isso é o que as pessoas chamam medida por template fitting em estatística. Claro que determinar esses templates sempre vai conter incertezas que devem ser levadas em conta, mas que não queremos que seja o fator limitante na nossa medida. Afinal, esse é apenas um artifício de conta, não há física envolvida aí. Em termos simples, o que precisamos fazer então é simular muitos eventos para diminuir essa incerteza. Como disse acima, simular cada pedacinho do detector é demorado e está fora de questão para o nível de precisão que se busca em física de altas energias.

O que se faz então é parametrizar a resposta do experimento com um número mínimo de variáveis mas que ainda descreva bem as distribuições em termos da quantidade que queremos medir. Essa parametrização, num leve abuso de nome, é chamado de Fast Monte Carlo. Nessa parametrização vai entrar inclusive aquela parte de eventos físicos que nem temos uma teoria para descrever (então, no melhor estilo Bayesiano, não faz nem muito sentido calcular probabilidades para ela), isso porque esses sinais tem que ser separados dos eventos que queremos medir.

Existe uma razão mais física para descrever muito bem esse “lixo” do produto da colisão. Muitas partículas não são vistas diretamente no detector, seja porque sua interação é negligível como é o caso do neutrino, seja o caso de haver leis de conservações extras, como é o caso de SUSY (simetria R), dimensões extras (alguma simetria vinda de transformações discretas das dimensões extras) ou qualquer outra teoria além do modelo padrão. Então, separar o “lixo” do evento das coisas que não vemos é importante se quisermos realmente medir algo novo (que, por hipótese, sabemos descrever)

Em geral, se usa dados medidos para parametrizar esses eventos que não interessam. Muitas coisas entram nesse “lixo”: colisões secundárias, remanescentes dos próton (coisas que vêm dos outros quarks que não colidiram) ou outras partículas que foram produzidas juntamente com a partícula que queremos medir no evento principal. As duas primeiras são razoavelmente simples de se medir, basta se lembrar que nossos eventos são incrivelmente mais raros do que qualquer outra dessas coisas (algumas dezenas de pb contra centenas de mb!!!), então na ausência de qualquer seleção de eventos, tudo que temos é uma imensa biblioteca desses dados.

Quanto ao resto do evento produzido na mesma interação que deu origem à partícula do campo que quermos medir, a coisa é mais complicada. Nesse caso temos que ser mais espertos. Uma idéia é fazer a biblioteca de dados usando alguma interação similar que podemos traduzir na de nosso interesse. Por exemplo, os eventos de Z que discuti acima podem ser usados para dizer algo sobre W. Nesse caso, o resto do evento poderia ser o recuo hadrônico dos quarks produzidos junto ao W.

Muito bom, mas como traduzir um certo W com dado quadrimomento para um recuo medido. Aí que a estatística Bayesiana pode nos ajudar. A aplicação é simples, mas ainda assim poderosa. O que queremos fazer é o que se conhece em estatística como unfolding de uma distribuição. Basicamente queremos saber qual vai ser o recuo no estado final F dado um certo W produzido no estado inicial I. Temos a distribuição de estados finais n(F) medida e um modelo para P(F|I). O que queremos determinar é P(I|F). O teorema de Bayes nos diz que:

P(I|F) = \frac{P(F|I)P(I)}{\sum_F P(F|I)P(I)}

o fator no denominador não é importante, é apenas uma normalização que diz que toda partícula no estado final veio de alguma interação do estado inicial, não acho que causalidade esteja em questão aqui e não estamos levando em consideração sinais falsos separadamente. A dificuldade, como sempre em estatística Bayesiana, é determinar o prior P(I). Não há uma maneira de se determiná-lo diretamente, mas há um processo iterativo que funciona em muitos casos. A idéia é pegar um prior qualquer P_0(I) (uniforme, por exemplo), usar o teorema de Bayes e daí os dados medidos para calcular um novo prior P_1(I)=\sum_F n(F)P(I|F). Nos casos que eu já fiz, esse procedimento costuma convergir bem rápido e nos possibilita então descrever a parte do evento que não nos interessa muito bem para podermos então nos concentrar na parte que interessa para nossa teoria.

Bem legal, não? Bem, depois de dois posts sobre física experimental, na próxima vez eu juro que volto a falar de física teórica.

Categorias:Ars Physica
%d blogueiros gostam disto: