Tradução: “S03E17: The Precious Fragmentation (A Fragmentação do Precioso)”

Os telespectadores podem ter se preparado para o desapontamento esta noite, pensando que não haveria física suficiente neste episódio para que eu escrevesse no blog. Mas é claro que a Física está em todo lugar.

Esta noite, nossos amigos Leonard, Sheldon, Raj e Howard adquirem um anel do “Senhor dos Anéis”. O “Um Anel”, conforme nos foi dito, para unir os Anéis do Poder da Terra-Média. Ou, ao menos, eles tinham uma réplica dele. Nenhum deles colocou o anel, mas se tivessem — se fosse o anel de verdade — ele os teria deixado invisíveis. A invisibilidade é um dos principais poderes do anel. Ah, e a dominação mundial também.

Os físicos trabalham hoje para criar a invisibilidade. Já que não temos acesso ao Fogo de Mordor e nem aos ferreiros élficos, temos que recorrer às Equações de Maxwell. São essas as quatro elegantes equações que descrevem tudo a respeito da eletricidade, do magnetismo e da luz. É por causa de James Clerk Maxwell e suas quatro equações que sabemos que a luz é composta de campos eletromagnéticos.

As quatro equações que descrevem tudo a respeito da eletricidade, do magnetismo e da luz - As Equações de Maxwell - são simples o bastante para caberem numa camiseta.

As Equações de Maxwell foram desenvolvidas ao longo de muitas décadas durante o século XIX por físicos que estudavam a eletricidade e o magnetismo, dentre eles: Gauss, Ampère e Faraday. Mas foi Maxwell quem achou o elo, o termo que liga tudo, e reduziu o resultado àquelas quatro belas equações. Na minha própria universidade, a UCLA, assim como em muitas outras, entender as equações de Maxwell é o ápice do primeiro ano do curso de Física. Dando início com bolas que deslizam sobre superfícies inclinadas e progredindo com a compreensão, passo-a-passo, da Física, os alunos são capazes de entender todas as equações de Maxwell após apenas um ano de estudo, e por conseguinte acabam entendendo o que talvez seja uma das maiores conquistas intelectuais de todos os tempos.

O sábio senso-comum de se escrever sobre ciência popular diz que com cada equação perderei metade dos meus leitores. Então vou pular as “equações” e apenas descreverei  as quatro “regras” de Maxwell que resistiram ao teste do tempo com vários experimentos:

  1. Os elétrons e os prótons criam campos elétricos.
  2. Não existem cargas magnéticas.
  3. A mudança de campos magnéticos cria loops de campos elétricos.
  4. Cargas elétricas em movimento OU a mudança de campos elétricos criam loops de campos magnéticos.

Mas o que essas quatro regras significam para a vida cotidiana? Muito.

A Regra 1 descreve porque você recebe um choque no inverno depois de mexer com lã. Quando esfregamos tecidos, acumulamos um excesso de carga elétrica no corpo. Por esta regra, uma carga elétrica cria um campo elétrico, o que significa que ela cria dois pontos no espaço com voltagens diferentes. Você agora se encontra com uma voltagem maior do que, por exemplo, a maçaneta da porta. Uma diferença na voltagem conduz correntes e permite qualquer coisa, desde fazer torradas a fazer sua televisão funcionar. Quando você encosta na maçaneta, a corrente flui e… Zap! A propósito, a “voltagem” sozinha não tem significado algum. São apenas as diferenças em voltagem que importam. Então quando você vê um aviso dizendo “Cuidado: Dez Mil Volts”, ele deveria dizer, na verdade, “Cuidado: Dez Mil Volts em Relação a VOCÊ”. Se você tocar algo com 10.000 Volts de diferença em relação a você, a corrente irá fluir e por alguns segundos você é que será a torradeira.

A Regra 2 foi o assunto da expedição dos rapazes ao Ártico.

Regra 3: ela nos diz como os geradores elétricos funcionam. Movimente um ímã pelo meio de um aro de metal e você conseguirá uma diferença de voltagem que conduzirá uma corrente, construindo, assim, um gerador. Se você inverter a situação e conduzir uma corrente pelo aro, poderá movimentar um ímã e terá feito um motor. Todo motor é um gerador e todo gerador é um motor. Esses blocos fundamentais da nossa tecnologia não foram inventados por alguém que disse: “Precisamos de um jeito de fazer eletricidade”, e nem por alguém que disse: “Será que existe alguma maneira de utilizar a corrente elétrica para mover as coisas?”. Ao invés disso, eles foram um subproduto da pesquisa básica do dia-a-dia sobre a natureza elemental da eletricidade e do magnetismo. A curiosidade, e não a necessidade, é a mãe de todas as invenções.

Regra 4 : A primeira parte nos diz como fazer um ímã por meio da condução de uma corrente por um aro de arame. Até mesmo um ímã de geladeira funciona porque os elétrons dentro do ímã estão se movendo em círculos e formando campos magnéticos.

Agora vem a segunda parte da Regra 4: “A mudança de campos elétricos cria loops de campos magnéticos”. A descoberta desta última parte foi a genialidade de Maxwell. Maxwell se perguntava, se a mudança de um campo magnético podia produzir loops de campos elétricos, por que o oposto também não poderia ocorrer? Então ele deu um chute de que a mudança dos campos elétricos poderia criar loops de campos magnéticos.

E criam, sim. Muito pequenos, quase imperceptíveis, mas criam. Então, mais notoriamente, mesmo em um espaço perfeitamente vazio, a mudança dos campos elétricos irá produzir uma mudança nos campos magnéticos, que irá produzir uma mudança nos campos elétricos, e assim por diante, para todo o sempre. Maxwell notou que ao combinar as equações 3 e 4 ele poderia fazer uma onda; uma onda que, descobriu-se, viajava precisamente à velocidade da luz. A onda é criada pelas mudanças de campos elétricos e magnéticos criando umas às outras eternamente, de acordo com as regras 3 e 4.

O fato de que ele podia prever que a onda viajava à velocidade da luz levou Maxwell à conclusão de que a luz é uma onda eletromagnética. (A conclusão estava correta, mas por acidente. Agora sabemos de muitas coisas, não apenas a luz, que viajam à velocidade “da luz”, ou próximas dela. Se ele soubesse de todas essas outras coisas, não poderia concluir tão rapidamente que suas ondas eram ondas de luz. Às vezes, um pouquinho de ignorância é uma bênção.)

Agora, mais de 100 anos depois, os engenheiros estão projetando materiais que interajam com as propriedades eletromagnéticas da luz. Esses materiais podem fazer com que a luz se curve de maneiras que nenhum material natural faria e, por isso, são chamados de meta-materiais. A luz que entra em um meta-material pode ser curvada completamente ao redor de um objeto, produzindo, efetivamente, um artifício de camuflagem.

Um exemplo de "metamaterial". Utilizando as equações de Maxwell, este novo material pode curvar a luz ao redor de um objeto, tornando-o invisível. (retirado da Science Magazine)

 

A parte complicada é que você precisa fabricar componentes elétricos menores do que o tamanho de uma oscilação da onda. Peças menores que uma polegada se mostraram eficientes ao curvar ondas de rádio e microondas (que são um tipo de luz) ao redor de objetos. A luz visível precisaria de elementos 100.000 vezes menores. Mas as técnicas estão se aproximando disso o tempo todo!

(Alerta de Easter-egg:  Os Meta-materiais estão presentes de forma proeminente nos quadros brancos de um dos episódios anteriores: “The Creepy Candy Coating Corollary” ou “O Corolário da Arrepiante Cobertura Doce“, S03E05.)

Então, na verdade, nossos heróis não precisam que um Senhor das Trevas faça para eles um tolo anel da invisibilidade. Ao laboratório!!


Tradução feita por Hitomi a partir de texto extraído de The Big Blog Theory, de autoria de David Saltzberg, originalmente publicado em 8 de Março de 2010.

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