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Qual é a coisa mais lenta da Terra? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
Nas palavras do infame vilão, Dr. Evil: “Lasers.”
Lasers focam um feixe de luz estreito e dirigido num ponto específico, tornando-os uma grande ferramenta para cortar, queimar, soldar – ou no caso do Dr. Evil, atirar em inimigos a partir do topo de um tubarão. Todas estas actividades produzem ou requerem calor. Feixes laser viajam à velocidade da luz, mais de 670 milhões de milhas por hora, tornando-os a coisa mais rápida do universo.
Então, como é que um laser produz a coisa mais lenta da Terra?
Primeiro, é importante compreender a relação entre a temperatura de um objecto e a sua velocidade. Quanto mais quente uma coisa é, mais energia tem e mais rápido ela se move. Mesmo as coisas que parecem estar perfeitamente imóveis – digamos, uma caneta ou o seu caderno – não estão. A um nível microscópico, as partículas de que são feitas estão se movendo rapidamente. Isto é mesmo verdade para os seres vivos.
Vamos usar a preguiça como exemplo. Se você ampliar as moléculas que compõem o corpo deste animal famoso e lento, você as verá se comportando como crianças pulando dentro de uma casa de salto. Porquê? Cerca de 70% do corpo desta criatura é feito de água e essas moléculas de água estão pulando a centenas de milhas por hora.
Laser cooling
Então pode parecer surpreendente que eu usei lasers brilhantes e intensos para esfriar as coisas nas minhas experiências de laboratório. Eu sou um físico que está interessado em como os átomos e moléculas se comportam nas temperaturas mais frias. É um mundo estranho onde a mecânica quântica impera. Neste reino, as partículas às vezes se comportam como ondas no oceano, e acredite ou não, às vezes podem estar em dois lugares diferentes ao mesmo tempo.
Para estudar este comportamento extraordinário, eu uso lasers para produzir nuvens de átomos gelados que são as coisas mais frias da Terra – a que chamamos condensados de Bose-Einstein. Quando você esfriar um monte de átomos até quase zero absoluto, a temperatura mais fria possível, os átomos começam a obedecer à mecânica quântica e a se comportar de forma surpreendente.
Estudar nuvens de átomos ultra-frias pode fornecer pistas sobre como outros materiais estranhos, como supercondutores, funcionam. Supercondutores transportam eletricidade muito melhor do que materiais existentes, tão bem que um dia podem ser usados para construir trens de super alta velocidade.
Criando a coisa mais lenta da Terra
Então, como exatamente os lasers esfriam uma nuvem de átomos? No laboratório, começamos por brilhar os átomos dos lasers de um metal branco prateado chamado ytterbium. Estes átomos, que são realmente quentes, são mantidos dentro de uma câmara de um metro de largura. Mas depois de alguns segundos sob o raio laser, eles esfriam, diminuem a velocidade e ficam presos juntos no centro da câmara.
Como é que isto acontece? Toda a luz, incluindo um laser, é constituída por fotões, que são pacotes de energia que estão em constante movimento. Quando brilhamos um laser na nossa câmara, os átomos colidem com fluxos de fotões no feixe e abrandam e ficam mais frios – como se você tentasse correr muito rápido contra um vento forte.
Estas pequenas colisões trazem a temperatura da nuvem de átomo para baixo a apenas alguns milionésimos de um grau acima de zero absoluto. São 459 graus abaixo de 0 graus Fahrenheit.
Mas isso ainda não é suficiente para dar a esta nuvem o prémio de ser a coisa mais lenta da Terra. É preciso um último passo para torná-la apenas um pouco mais fria, uma técnica que nós físicos chamamos de “resfriamento evaporativo”.
Primeiro, capturamos todos os átomos, às vezes usando um campo magnético feito por um fio enrolado. Isto cria um poço invisível que segura os átomos: Imagine mármores sentados no fundo de uma tigela. Depois baixamos os lados deste campo de força em forma de tigela, diminuindo a corrente eléctrica que atravessa o fio. Isso permite que os átomos mais rápidos e quentes saiam da “tigela” e escapem da armadilha.
Apenas os átomos mais lentos são deixados para trás – e estão verdadeiramente além do congelamento: um décimo de um milionésimo de um grau acima do zero absoluto. Os átomos desta nuvem movem-se em câmara lenta: Se eles viajassem em linha reta em vez de saltar, levariam uma hora inteira para atravessar uma sala. Para comparação, as moléculas do seu corpo poderiam atravessar aquela sala em apenas uma fração de segundo.
Os átomos da nossa nuvem fria de átomo movem-se literalmente a menos do que o ritmo de um caracol – e aquela nuvem é a coisa mais lenta da Terra.
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