Artigo de bolsista do PNPD propõe avanço teórico da Física

O físico Jader Pereira dos Santos, pesquisador da Universidade Federal do ABC (UFABC), publicou um trabalho no qual desenvolve um modelo teórico para tratar da questão da irreversibilidade de sistemas quânticos abertos. Intitulado Wigner Entropy Production Rate , o artigo foi publicado na edição mais recente da revista Physical Review Letters , uma das publicações mais relevantes da área de Física, em coautoria com os pesquisadores Gabriel Landi, da Universidade de São Paulo (USP) e Mauro Paternostro, da irlandesa Queen’s University Belfast . A pesquisa inova ao fornecer uma medida simples para estimar a irreversibilidade de um sistema que pode ser facilmente testada por meio de experiências.

Quantificar a irreversibilidade - medida da impossibilidade de reaver a energia que se gasta - é importante para o desenvolvimento de tecnologia, pois permite presumir as perdas de energia ocorridas durante um processo. O conceito de irreversibilidade foi desenvolvido para sistemas macroscópicos, visível a olho nu, mas ele também é aplicado em sistemas microscópicos - visíveis apenas com aparelhos de aumento sofisticados -, a exemplo de motores biológicos, nanodispositivos e tecnologias como computação e comunicação quânticas. Atualmente não há uma teoria universalmente aceita para medir a irreversibilidade.

Bolsista do Programa Nacional de Pós-Doutorado (PNPD) da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Jader Pereira esclarece que essa pesquisa tem natureza formal. “Este estudo em particular foi puramente teórico. Ele teve como motivação diversos experimentos em física quântica, mas busca contribuir principalmente para o conhecimento teórico da irreversibilidade. Atualmente, estamos buscando formas de aplicar nossos resultados para experimentos em áreas como ótica quântica, ressonância magnética e átomos ultrafrios”.

Termodinâmica e Mecânica Quântica
Termodinâmica é o ramo da Física que estuda a energia e o trabalho de um sistema. Nascida no século 19 a partir de pesquisas que produziram os primeiros motores a vapor, a termodinâmica tornou possível a invenção de refrigeradores. Suas três leis buscam prever operações de sistemas físicos macroscópicos.

A chamada Lei Zero da Termodinâmica, ou Lei do Equilíbrio, estabelece que dois corpos que estejam em equilíbrio térmico com um terceiro, estão em equilíbrio entre si. Isso torna possível que a temperatura seja uma medida fundamental da matéria. A Primeira Lei, ou Princípio da Conservação de Energia, estabelece que a energia pode ser apenas transferida ou transformada, mas nunca criada ou destruída. A Segunda Lei estabelece que a energia empregada em um sistema tende a não ser mais recuperável; ou seja, a chamada entropia, ou desordem, tende a sempre aumentar. A irreversibilidade, estudada no artigo de Jader Pereira, é esse fenômeno de aumento da entropia.

Já a física quântica é o campo de estudos dos fenômenos que ocorrem na escala muito pequena das partículas elementares que compõem o universo, como átomos, elétrons e outros. Iniciada em 1900 pelo físico alemão Max Planck, ela resulta da dificuldade em aplicar as leis de Newton no mundo minúsculo dos átomos. Segundo a mecânica quântica, tudo o que existe apresenta propriedades aparentemente contraditórias de partícula (matéria) e onda (energia). Alguns anos depois, Albert Einstein propôs que a energia se propaga como por meio de “pacotes”, os quanta - o que acabou nomeando a área-, de forma descontínua, ao contrário do que se supunha até então. A mecânica quântica revolucionou a Física, e tornou possível, por exemplo, a invenção de televisores.
De forma geral, a termodinâmica não se aplica a fenômenos quânticos. Contudo, segundo Jader Pereira, o estudo explora possíveis conexões. “O artigo trata da quantificação de irreversibilidade em processos envolvendo sistemas quânticos acoplados à reservatórios que podem ou não estar em equilíbrio térmico. Esse estudo está em uma área chamada de termodinâmica quântica, que trata, de uma maneira geral, de como as leis da termodinâmica podem ser aplicadas no contexto da mecânica quântica”.

Para Jader, o tema estudado no artigo permite vários desdobramentos. “Em particular, estamos aplicando um formalismo análogo para estudar irreversibilidade em sistemas de spins, sendo que já obtivemos muitos resultados interessantes que, de certa forma, são análogos aos encontrados no caso bosônico. Além disso, como mencionado anteriormente, estamos buscando colaborações com grupos experimentais para aplicar nosso formalismo”, diz o pesquisador da UFABC.

Leia aqui o artigo.

(Lucas Lopes)