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No intrincado reino da turbulência das ondas, onde a previsibilidade vacila e o caos reina, surgiu um estudo inovador. A nova pesquisa explora o coração da turbulência das ondas usando um gás quântico ultrafrio, revelando novos insights que podem avançar nossa compreensão da física do não-equilíbrio e ter implicações significativas para vários campos.
Enquanto para sistemas físicos em equilíbrio, a termodinâmica é uma ferramenta inestimável para fazer previsões sobre seu estado e comportamento sem a necessidade de acesso a muitos detalhes, encontrar descrições igualmente gerais e concisas de sistemas fora do equilíbrio é um desafio aberto. Um exemplo paradigmático de sistemas de não-equilíbrio são os sistemas turbulentos, que são onipresentes tanto em ambientes naturais quanto sintéticos, do fluxo sanguíneo aos aviões. Especialmente a turbulência das ondas é conhecida por ser um problema muito difícil, difícil de calcular e difícil de medir, já que ondas de tantos comprimentos de onda diferentes estão envolvidas.
Agora, cientistas da Universidade de Cambridge conseguiram fazer algum progresso explorando a turbulência das ondas através de um gás quântico ultrafrio. O ponto focal desta investigação é o condensado de Bose-Einstein (BEC), um estado da matéria alcançado quando o gás é resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto. Este gás quântico, mantido dentro de um “recipiente” gerado a laser no vácuo, foi submetido a vibrações controladas, gerando uma cascata de ondas semelhantes a fractais chamada cascata turbulenta. Como o BEC é continuamente agitado, ele atinge um estado estacionário que tem uma forma de cascata completamente diferente dos estados de equilíbrio.
O que diferencia esta pesquisa é sua capacidade de explorar e medir sistematicamente as propriedades de cascatas turbulentas e construir experimentalmente uma equação de estado (EoS) para isso, um esforço que permaneceu indescritível em outros sistemas fora do equilíbrio. As descobertas publicadas em Natureza elucidar como variando a entrada de energia através das vibrações, as características do estado turbulento dependem exclusivamente da magnitude da energia, não de fatores externos como frequência de vibração ou formato do recipiente. “Sempre senti que havia uma estrutura geral em nossa turbulência medida”, compartilha a primeira autora do artigo e estudante de doutorado do Cavendish Laboratory, Lena Dogra. “Levamos 3 anos para encontrar o ângulo correto de onde olhar para os dados. Finalmente, tudo combinou e obtivemos essa bela relação universal.”
A descoberta ecoa a universalidade da lei do gás ideal para estados de equilíbrio para cascatas turbulentas distantes do equilíbrio. Pensando na lei do gás ideal, que não depende de como o sistema atingiu seu estado atual, os pesquisadores descobriram que o mesmo vale para a cascata turbulenta longe do equilíbrio, alterando repentinamente a força do tremor e alternando entre diferentes estados turbulentos. Por fim, variando as propriedades internas do BEC, ou seja, a densidade e a força da interação entre os átomos, eles descobriram que o EoS pode ser trazido para uma forma universal que captura todos eles juntos.
“As formas sistemáticas de entender os sistemas de equilíbrio estão bem estabelecidas. Este trabalho é um passo para estender essas abordagens aos sistemas de não-equilíbrio, que normalmente têm sido muito mais difíceis de entender”, disse o Prof. Zoran Hadzibabic, Cavendish Laboratory. O aspecto mais interessante desta pesquisa é desvendar como um sistema caótico pode ser encapsulado por uma simples relação universal. Embora seja um passo em direção à equação de estado (EoS), o estudo das transições entre estados turbulentos é cativante por si só. Os pesquisadores gostariam de resolver o que acontece durante o tempo transitório logo após a mudança do tremor e gostariam de explorar como as medições se conectam às previsões da dinâmica que um sistema sofre no caminho do equilíbrio para um estado distante do equilíbrio e vice-versa, o que muitas vezes envolve turbulência.
Os resultados têm semelhanças e discrepâncias com as teorias de turbulência aplicadas à chamada equação de Gross-Pitaevskii (GPE), que descreve o gás condensado de Bose-Einstein como um objeto clássico. Ele também captura muitos outros sistemas, desde fibras ópticas até ondas de gravidade na superfície da água. As discrepâncias entre as descobertas atuais e as teorias podem se originar do colapso da teoria aproximada da turbulência ou de efeitos quânticos não capturados no GPE. Responder qual o papel que ambos os aspectos desempenham é um desafio emocionante para o futuro.
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