Pela primeira vez, os físicos gravaram o som que flui de um fluido “perfeito”

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Pela primeira vez, os físicos registraram ondas sonoras movendo-se através de um fluido perfeito com a menor viscosidade possível, conforme permitido pelas leis da mecânica quântica, um glissando ascendente das frequências em que o fluido ressoa.

Esta pesquisa pode nos ajudar a entender algumas das condições mais extremas do Universo – o interior das estrelas de nêutrons ultradensas e a “sopa” de plasma de quark-gluon que encheu o Universo nos anos logo após o Big Bang.

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Os fluidos abrangem uma variedade de estados da matéria. A maioria das pessoas provavelmente pensa neles como líquidos, mas um fluido é qualquer substância incompressível e que se adapte ao formato de seu recipiente: gases e plasmas também são fluidos.

Foto: (Reprodução/ Internet)

Todos esses três estados de fluido – líquido, gás e plasma – sofrem atrito interno entre as camadas do fluido, o que cria viscosidade ou espessura. O mel, por exemplo, é altamente viscoso. 

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A água é menos viscosa. No hélio líquido super-resfriado, uma fração do fluido torna-se um superfluido de viscosidade zero. Mas ainda não é necessariamente um fluido perfeito.

O fluído perfeito na mecânica quântica 

Foto: (Reprodução/ Internet)

Um fluido perfeito, de acordo com a mecânica quântica, é aquele com o menor atrito e viscosidade possíveis, que pode ser descrito com equações baseadas na massa da partícula fermiônica média de que é feito e uma constante fundamental da física chamada constante de Planck.

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E, uma vez que a viscosidade de um fluido pode ser medida pela forma como o som se dissipa por ele – uma propriedade chamada difusão sonora – uma equipe de pesquisadores desenvolveu um experimento para propagar ondas sonoras através de um fluido de partículas fermiônicas para determinar sua viscosidade.

Férmions são uma classe de partículas que incluem os blocos de construção de átomos, como elétrons e quarks, bem como partículas que são feitas de férmions, como nêutrons e prótons, que são feitos de três quarks.

Saiba mais sobre os Férmions

Foto: (Reprodução/ Internet)

Os férmions são limitados pelo princípio de exclusão de Pauli da mecânica quântica, que afirma que duas dessas partículas em um sistema (como um átomo) não podem ocupar o mesmo estado quântico. Isso significa que eles não podem ocupar o mesmo espaço um do outro.

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Resfrie um monte de férmions, como 2 milhões de átomos de lítio-6, até um bigode acima do zero absoluto e espreme-os em uma gaiola de lasers, e sua imprecisão quântica os deixará se acotovelarem em ondas que quase não têm atrito – o fluido perfeito. 

Como e quais foram os experimentos? 

Foto: (Reprodução/ Internet)

O experimento teve que ser planejado para maximizar o número de colisões entre os férmions, e os lasers ajustados para que os férmions correndo para os limites retornassem ao gás. Este gás foi mantido a temperaturas entre 50 e 500 nanoKelvin ( -273,15 graus Celsius, ou -459,67 graus Celsius).

Para “bater” na lateral do recipiente, a equipe variou a intensidade da luz em uma das extremidades do recipiente cilíndrico. Isso, de acordo com a intensidade, enviou vibrações como diferentes tipos de ondas sonoras através do gás, que a equipe registrou por meio de milhares de imagens – um pouco como a tecnologia de ultra-som.

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Isso permitiu que eles encontrassem ondulações na densidade do fluido análogas a uma onda sonora. Em particular, eles estavam procurando por ressonâncias acústicas – uma amplificação na onda sonora que é produzida quando a frequência da onda sonora corresponde à frequência da vibração natural do meio.

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Os pesquisadores encontraram ressonâncias muito claras em seu gás, particularmente em baixas frequências. A partir deles, eles calcularam a difusão do som do fluido. Esse era o mesmo valor que poderia ser derivado da massa da partícula fermiônica e da constante de Planck – indicando que o gás lítio-6 estava de fato se comportando como um fluido perfeito.

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Isso tem algumas implicações muito interessantes. O interior das estrelas de nêutrons em rotação, embora muitas ordens de magnitude mais altas em temperatura e densidade, também são considerados fluidos perfeitos. Eles também têm muitos modos de oscilação, nos quais as ondas sonoras se propagam pela estrela.

Traduzido e adaptado por equipe Saibamais

Fonte: ScienceAlert

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