A história do surgimento da bomba atômica

 

Bomba nuclear: uma arma explosiva com alto poder destrutivo

A descoberta do nêutron, no ano de 1932, mudou totalmente os métodos utilizados para estudar as propriedades do núcleo atômico. Ernest Rutherford, físico inglês que viveu entre os anos de 1871 e 1937, fez inúmeras pesquisas investigativas sobre a estrutura do átomo. Rutherford investigou a estrutura do átomo utilizando para isso as partículas alfa. Nos anos 30 inúmeras descobertas revelaram aspectos inesperados em relação ao núcleo do átomo. Ao bombardear átomos de urânio com nêutrons, cientistas como Otto Hahn e Lise Meitner, provaram que o núcleo desse átomo, formado por 92 prótons, é dividido em núcleos menores e descobriram ainda que o urânio pode fissionar (processo de fissão nuclear) o elemento bário e o elemento criptônio, cada qual com 56 e 36 prótons no núcleo respectivamente. Com essas descobertas os cientistas perceberam que era possível criar uma reação em cadeia com capacidade para gerar grandes quantidades de energia e que, se ela ocorresse de forma descontrolada, em uma fração de segundos a liberação de energia seria gigantesca, provocando dessa forma uma explosão de alto poder destrutivo. Após essas descobertas surgiu uma nova arma: a bomba nuclear, cujo poder destrutivo é altíssimo.

Muitos dos cientistas que se empenharam nas pesquisas sobre fissão e fusão nuclear, entre eles Einstein e Lise Meitner, se refugiaram em outros países em razão da perseguição nazista, mas mesmo assim deram continuidade em suas pesquisas. Nessa época já se tinha o conhecimento necessário para a construção da bomba nuclear. No ano de 1941, os Estados Unidos da América entram na Segunda Guerra Mundial após o bombardeio de Peal Harbor realizado pelos japoneses. A Europa estava um caos e Hitler já havia invadido vários países. Mediante esse ataque surpresa, os EUA iniciaram uma operação ultra-secreta num laboratório localizado no Novo México, para construção de uma bomba atômica. Vários cientistas foram convidados, entre eles Lise Meitner, mas ela se recusou.

Em julho de 1945, foram realizados os primeiros testes para a detonação da bomba atômica. Muitos que presenciaram os testes sabiam que a partir daquele instante a humanidade não seria a mesma. Nesse mesmo ano os nazistas se renderam, mas os japoneses não fizeram o mesmo. Dessa forma, os aviões norte-americanos bombardearam a cidade de Tóquio com bombas incendiárias matando milhares de pessoas. Em uma decisão trágica, o presidente Harry Truman autorizou o uso da bomba atômica com argumento de que a invasão por terra causaria a morte de milhões de vidas americanas e japonesas. Com a autorização para o ataque, no dia 06 de agosto de 1945, a bomba atômica - apelidada de “Garotinho” - foi lançada sobre os céus de Hiroshima, matando milhares civis e mesmo assim o Japão não se rendeu.

Bomba atômica

Três dias depois desse ataque, outra bomba produzida com elemento radioativo artificial foi detonada sobre a cidade de Nagasaki, causando novamente milhões de mortes. Esse foi o fato que, segundo algumas pessoas, marcou o fechamento da Segunda Guerra Mundial.

Foi a partir dessa guerra e desse acontecimento que a ciência passou a receber verbas para pesquisas, muitas delas diretamente do governo. Se por um lado a fissão nuclear proporcionou o desenvolvimento da bomba atômica, por outro ela favoreceu o desenvolvimento da fissão nuclear controlada, que é utilizada nos reatores nucleares e em várias aplicações na medicina.

Publicado por Marco Aurélio da Silva Santos

Disponível em: https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/a-historia-surgimento-bomba-atomica.htm

Buraco negro gigante escondido em poeira confirma teoria de 30 anos

 Com informações do ESO - 17/02/2022

O painel esquerdo mostra uma imagem da galáxia ativa Messier 77. O painel da direita mostra uma vista em primeiro plano da região central desta galáxia, o seu núcleo galáctico ativo.
[Imagem: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.]

Núcleos Ativos de Galáxias

Astrônomos descobriram que uma nuvem de poeira cósmica no centro da galáxia Messier 77 esconde um buraco negro supermassivo.

A descoberta confirmou previsões feitas há cerca de 30 anos e dá aos astrônomos novas pistas sobre os "núcleos ativos de galáxias", objetos cósmicos que se situam entre os mais brilhantes e enigmáticos que existem no Universo.

Os Núcleos Ativos de Galáxias (NAGs) são fontes extremamente energéticas impulsionadas por buracos negros supermassivos que se encontram no centro de algumas galáxias. Esses buracos negros se alimentam de enormes quantidades de gás e poeira cósmica. Antes de ser consumido, esse material espirala em direção ao buraco negro e grandes quantidades de energia são liberadas no processo, muitas vezes ofuscando todas as estrelas da galáxia.

Os NAGs têm intrigado os astrônomos desde que estes objetos brilhantes foram inicialmente observados, na década de 1950. Agora, uma equipe liderada por Violeta Gámez Rosas, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos, deu um passo fundamental para entender como eles funcionam e como eles se parecem de perto.

Para isso a equipe usou o interferômetro do VLT (Very Large Telescope), o gigantesco telescópio pertencente ao Observatório Europeu do Sul (ESO), instalado no Chile.

Tipos de núcleos ativos

Ao executarem observações extremamente detalhadas do centro da galáxia Messier 77, também conhecida por NGC 1068, Violeta e a sua equipe detectaram um anel espesso de gás e poeira cósmica que esconde um buraco negro supermassivo. Essa descoberta fornece evidências vitais para apoiar uma teoria de 30 anos, conhecida como Modelo Unificado dos NAGs.

Os astrônomos sabem que existem diferentes tipos de NAG. Por exemplo, alguns emitem na faixa de rádio, enquanto outros não; alguns NAGs brilham intensamente no visível, enquanto outros, como o da Messier 77, são bastante tênues nestes comprimentos de onda. O Modelo Unificado diz que, apesar destas diferenças, todos os NAGs apresentam a mesma estrutura básica: Um buraco negro supermassivo cercado por um espesso anel de poeira.

De acordo com este modelo, qualquer diferença na aparência dos NAGs se deve à orientação com que vemos a partir da Terra o buraco negro e o seu espesso anel. O tipo de NAG que vemos depende do quanto o anel obscurece o buraco negro, do nosso ponto de vista, escondendo-o completamente em alguns casos.

Os astrônomos encontraram anteriormente alguns indícios que dão suporte ao Modelo Unificado, incluindo a descoberta de poeira quente no centro da Messier 77. Contudo, restavam ainda dúvidas sobre se esta poeira poderia esconder completamente o buraco negro e, assim explicar porque é que este NAG brilha menos intensamente no visível do que outros.

"A verdadeira natureza das nuvens de poeira e o seu papel, tanto em alimentar o buraco negro como em determinar como é que o vemos a partir da Terra, têm sido questões centrais nos estudos dos NAGs nas últimas três décadas", explicou Violeta. "Apesar de nenhum estudo individual resolver todas as questões que temos sobre este assunto, o certo é que demos um grande passo em frente na nossa compreensão do funcionamento dos NAGs".

Os núcleos galácticos ativos são fontes extremamente energéticas alimentadas por buracos negros supermassivos.
[Imagem: ESO/Jaffe, Gámez-Rosas et al.]

Modelo Unificado

As observações foram possíveis graças ao instrumento MATISSE (Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment), que combina a luz infravermelha coletada pelos quatro telescópios de 8,2 metros do VLT por meio da técnica de interferometria. A equipe utilizou este instrumento para observar o centro da Messier 77, localizado a 47 milhões de anos-luz de distância da Terra, na constelação da Baleia.

"O MATISSE consegue observar uma ampla gama de comprimentos de onda infravermelhos, o que nos permite ver através da poeira e medir temperaturas com precisão. Como o VLTI é um interferômetro muito grande, temos efetivamente resolução suficiente para ver o que se passa em galáxias tão distantes como Messier 77. As imagens obtidas mostram detalhadamente variações em temperatura e absorção das nuvens de poeira situadas em torno do buraco negro," contou Walter Jaffe, coautor do trabalho.

Ao combinar as variações da temperatura da poeira (que vão desde a nossa temperatura ambiente até cerca de 1.200 ºC), causadas pela radiação intensa emitida pelo buraco negro, com mapas de absorção, a equipe conseguiu criar uma imagem detalhada da poeira e localizar a região onde deve estar o buraco negro.

A poeira, em um anel interno espesso e um disco mais extenso, com o buraco negro posicionado em seu centro, coincide com o previsto pelo Modelo Unificado.

"Os nossos resultados deverão nos ajudar a compreender melhor o funcionamento interno dos NAGs, assim como também podem nos ajudar a entender melhor a história da Via Láctea, que contém um buraco negro supermassivo no seu centro, que pensamos ter estado ativo no passado," concluiu Violeta.

Bibliografia:

Artigo: Thermal imaging of dust hiding the black hole in the Active Galaxy NGC 1068
Autores: Violeta Gámez Rosas, Jacob W. Isbell, Walter Jaffe, Romain G. Petrov, James H. Leftley, Karl-Heinz Hofmann, Florentin Millour, Leonard Burtscher, Klaus Meisenheimer, Anthony Meilland, Laurens B. F. M. Waters, Bruno Lopez, Stéphane Lagarde, Gerd Weigelt, Philippe Berio, Fatme Allouche, Sylvie Robbe-Dubois, Pierre Cruzalèbes, Felix Bettonvil, Thomas Henning, Jean-Charles Augereau, Pierre Antonelli, Udo Beckmann, Roy van Boekel, Philippe Bendjoya, William C. Danchi, Carsten Dominik, Julien Drevon, Jack F. Gallimore, Uwe Graser, Matthias Heininger, Vincent Hocdé, Michiel Hogerheijde, Josef Hron, Caterina M. V. Impellizzeri, Lucia Klarmann, Elena Kokoulina, Lucas Labadie, Michael Lehmitz, Alexis Matter, Claudia Paladini, Eric Pantin, Jörg-Uwe Pott, Dieter Schertl, Anthony Soulain, Philippe Stee, Konrad Tristram, Jozsef Varga, Julien Woillez, Sebastian Wolf, Gideon Yoffe, Gerard Zins
Revista: Nature
Vol.: 602, pages 403-407
DOI: 10.1038/s41586-021-04311-7

Disponível em: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=buraco-negro-gigante-escondido-poeira-confirma-teoria-30-anos&id=010175220217

Função de onda do elétron demonstrada experimentalmente pela primeira vez

 Com informações da UCSB 

A função de onda reconstruída experimentalmente bate quase perfeitamente com as teorias.
[Imagem: J. B. Costello et al. - 10.1038/s41586-021-03940-2]

Função de onda de Bloch

Físicos conseguiram reconstruir de forma experimental pela primeira vez uma representação da natureza de onda do elétron.

Além da importância do experimento para a física - lembre-se que a função de onda é uma matemática que virou realidade - o trabalho pode ter aplicações no projeto e desenvolvimento de componentes eletrônicos e optoeletrônicos de última geração.

Como toda matéria, os elétrons podem se comportar como partículas ou como ondas. Um dos principais objetivos da física é entender como o movimento ondulatório dos elétrons através dos átomos dispostos periodicamente em um material sólido dá origem às propriedades eletrônicas e ópticas desses materiais, chamados cristalinos.

E, para entender tudo isso é necessário um conhecimento profundo da onda eletrônica.

"Ter tal compreensão é especialmente importante quando projetamos componentes que tiram proveito da natureza ondulatória do elétron," explicou Joseph Costello, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara.

Demonstração experimental da função de onda

O movimento ondulatório do elétron é descrito matematicamente pela chamada função de onda de Bloch. Batizadas em homenagem ao físico suíço Felix Bloch [1905-1983], que foi o primeiro a descrever o comportamento dos elétrons em sólidos cristalinos, essas funções de onda são complexas, tendo componentes reais e imaginários. Por isso, o valor da função de onda de Bloch de um elétron não pode ser medido diretamente.

A função de onda do elétron já havia sido fotografada, mas ninguém havia conseguido reconstruir uma.
[Imagem: Zhehao Ge/Frederic Joucken/Jairo Velasco Jr.]

Contudo, certas propriedades físicas relacionadas à função de onda podem ser observadas. A equipe explorou justamente este fato para calcular a função de onda Bloch de um sistema a partir dessas propriedades observáveis, trazendo finalmente a função de onda da matemática para a observação experimental direta.

Para isso, Costello e seus colegas usaram um poderoso laser de elétrons livres para criar um campo elétrico oscilatório dentro de um semicondutor - arsenieto de gálio (GaAs) - enquanto simultaneamente usavam um laser infravermelho de baixa intensidade para energizar seus elétrons. Sempre que um elétron é energizado - ou excitado - ele deixa para trás uma "lacuna" carregada positivamente. No GaAs, essas lacunas vêm em duas variedades, pesadas e leves, que se comportam como se fossem partículas com massas diferentes.

A equipe descobriu que, se criassem elétrons e lacunas no momento certo em relação às oscilações do campo elétrico, os componentes desses pares de quasipartículas (conhecidos coletivamente como éxcitons) se afastariam um do outro, desacelerariam, parariam e depois acelerariam um em direção um ao outro antes de colidir e recombinar.

No ponto de recombinação, as duas quasipartículas emitem um pulso de luz, conhecido como banda lateral, com uma certa energia característica. Essa emissão de banda lateral contém informações sobre as funções de onda dos elétrons, incluindo suas fases - ou seja, o grau em que as ondas são deslocadas umas em relação às outras.

Como as lacunas leves e pesadas aceleram em taxas diferentes no campo elétrico, suas respectivas funções de onda adquirem diferentes fases quânticas antes de se recombinarem com os elétrons. Graças a essa diferença de fase, suas funções de onda interferem para produzir a emissão final, que pode então ser medida. A interferência também determina a polarização da banda lateral final, que pode ser circular ou elíptica (mesmo que a polarização de ambos os lasers seja inicialmente linear).

No canto inferior direito, um laser de infravermelho próximo separa os dois elétrons (círculos vazios) dos dois tipos de lacunas (círculos sólidos). As cargas são aceleradas para longe umas das outras pelo campo elétrico flutuante do laser terahertz (onda cinza). O campo oscilante arrasta as cargas uma em direção à outra, que se recombinam emitindo dois flashes de luz. As trajetórias são representadas em uma dimensão do espaço com o tempo fluindo do canto inferior direito para o canto superior esquerdo.
[Imagem: Brian Long]

Dualidade onda-partícula quantificada

De acordo com Qile Wu, membro da equipe, essa relação simples entre interferência e polarização conecta a teoria da mecânica quântica fundamental a um experimento do mundo real por meio de um único parâmetro livre, que é um número com um valor real.

Esse parâmetro real descreve completamente a função de onda Bloch da lacuna que eles criaram no GaAs - é bom não esquecer que recentemente se demonstrou que os números complexos significam que a física quântica sempre terá uma parte imaginária.

"Podemos capturar esse parâmetro medindo a polarização da banda lateral e depois reconstruindo as funções de onda, que variam de acordo com o ângulo em que a lacuna se propaga no cristal," explicou Seamus O'Hara, outro membro da equipe.

Até agora, os físicos tinham que confiar em teorias com muitos parâmetros pouco compreendidos. "Então, se pudermos reconstruir com precisão as funções de onda de Bloch em uma variedade de materiais, isso servirá de base para o projeto e a engenharia de todos os tipos de coisas úteis e interessantes, como lasers, detectores e até algumas arquiteturas de computação quântica," disse Sherwin.

Para começar, a equipe irá aplicar sua técnica a diferentes materiais e outras quasipartículas exóticas, além dos éxcitons.

Bibliografia:

Artigo: Reconstruction of Bloch wavefunctions of holes in a semiconductor
Autores: J. B. Costello, S. D. O’Hara, Q. Wu, D. C. Valovcin, L. N. Pfeiffer, K. W. West, M. S. Sherwin
Revista: Nature
Vol.: 599, pages 57-61
DOI: 10.1038/s41586-021-03940-2

Disponível em: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=natureza-ondulatoria-eletron-demonstrada-experimentalmente&id=010115220225&ebol=sim

Parabéns ao Pires Fereirense, aluno de pós doctor em Física Manoel Leonardo da Silva Neto

aprovado em pós-doutorado na Universidade de Toronto, no Canadá. Ele recebeu uma oferta de trabalho de dois anos para atuar em pesquisas com laser para aplicação em medicina e em estudos de reações químicas em escalas ultrarrápidas.

Manoel tem mestrado e doutorado em Ciências dos Materiais na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Atualmente, é estagiário de pós-doutorado na UFPE, em cooperação com a Pontifícia Universidade Católica (PUC) do Rio de Janeiro.

"Comecei essa trajetória no IFCE, que foi muito importante para mim. O IFCE me deu oportunidade de conhecer o trabalho de vários cientistas, financiando a ida a conferências e tendo bolsas de iniciação a docência e de iniciação científica", diz.

Nesta semana, Manoel visitou o campus de Sobral do IFCE e conversou com o diretor-geral e professor do curso de Física, Wilton Fraga, que, na época da graduação, foi orientador dele na iniciação científica.

Parabéns pela bela trajetória, Manoel ( Manoel Leonardo ).

disponível em: https://www.facebook.com/pg/ifce.sobral/posts/

Torres de água formadas por pingos não ligam para a gravidade

 Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/03/2021

Você já viu inúmeras vezes esses jatos emanando da água, mas só agora os físicos começam a compreendê-los - a foto da direita é de um estudo científico feito em 1897.
[Imagem: Cees J. M. van Rijn et al. - 10.1103/PhysRevFluids.6.034801]

A água que espirra da superfície

A cena é linda e muito plástica, por isso é muito comum vê-la na TV ou no Youtube: Uma gota de água pinga sobre um lago, criando uma cratera, no centro da qual sobe uma torre de água, que arremessa outra gota ao atingir seu ponto mais alto.

De tão filmado e tão visto, você deve achar que os cientistas entendem toda a física envolvida neste fenômeno.

Nada tão distante da realidade. De fato, Cees van Rijn e seus colegas das universidades de Amsterdã, Delft e Paris acabam de lançar a primeira teoria completa de como essas "torres de água" se formam e colapsam.

"Uma explicação aproximada para o efeito de formação de jato é conhecida há muito tempo. Quando uma gota atinge a superfície do líquido, a superfície pode gerar uma 'cratera de impacto' temporária. Uma vez que o líquido volta rapidamente para o centro desta cratera, ele não tem para onde ir, exceto para cima, formando então o jato," explicou Cees.

Contudo, a velocidade com que a torre de líquido se forma e depois cai não bate com o que seria de se esperar pela ação da gravidade.

Este é um enigma que permanecia em aberto há mais de um século.

Jatos líquidos

Para entender como faltavam peças nesse quebra-cabeças, basta ver que os jatos líquidos não são uniformes: Eles variam conforme a substância.

Por exemplo, se você pingar uma gota de café sobre uma xícara de café, tudo vai conforme aquela descrição tradicional. Mas se, em vez de café, você pingar uma gota de leite sobre a xícara de café, a torre de líquido será quase toda branca. Ou seja, não é o café que espirra para cima retornando da cratera de impacto, é o leite que volta para cima.

Mas há mais do que isso: Quando os pesquisadores investigaram diferentes líquidos usando luz laser e câmeras ultrarrápidas, eles descobriram que, logo após a formação, a velocidade dos jatos diminui a uma taxa incrível.

"Pode-se esperar que o principal motivo da desaceleração do jato seja a gravidade puxando o líquido para baixo. No entanto, observamos que, logo após a formação, a desaceleração pode ser de 5 a até 20 vezes mais forte do que pode ser explicado apenas pela gravidade," contou o professor Cees.

Em outras palavras, se somente a gravidade estivesse atuando, essas torres de água seriam muito mais altas.

O jato de líquido é forte o suficiente para subir, mas ele desacelera muito mais do que seria possível apenas pela força da gravidade.
[Imagem: Cees J. M. van Rijn et al. - 10.1103/PhysRevFluids.6.034801]

Tensão superficial vence a gravidade

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que o principal fator responsável por essa inesperada "desaceleração supergravitacional" extrema seria a tensão superficial do líquido - o mesmo tipo de tensão que permite a formação das bolhas de sabão. Por essa hipótese, a camada externa de líquido na torre agiria de forma semelhante a uma bolha de sabão, com sua curvatura forçando o jato a desacelerar e, eventualmente, se contrair - muito mais rápido do que se poderia esperar com base apenas na gravidade.

"O efeito é mais forte quando o jato acaba de se formar. No momento em que o líquido atinge seu ponto mais alto, a situação essencialmente volta ao normal: O líquido cai de volta com no máximo duas vezes a aceleração causada pela gravidade e perde seu último bocado de aceleração extra quando a superfície é alcançada novamente. Todo o processo intrincado ocorre em aproximadamente um décimo de segundo," contou Cees.

Com essa explicação em mente, os físicos se dispuseram a criar um modelo matemático para descrever a formação do jato. Mas o modelo fez mais do que isso, revelando uma outra propriedade surpreendente dos jatos e suas torres de líquido: Os jatos sempre parecem quase iguais - a altura e a largura do jato variam com o tempo, mas, fora isso, sua forma não muda, quando seria de se esperar um fator de escala dependente do tempo para os eixos horizontal e vertical.

Essa propriedade de "auto-similaridade" permitiu aos pesquisadores criar um modelo muito preciso, que, quando comparado com medições em diferentes líquidos - água, etanol e uma mistura de água e glicerol - corresponde com muita precisão a todas as observações.

É o primeiro modelo a explicar com precisão a formação dos jatos líquidos.
[Imagem: Cees J. M. van Rijn et al. - 10.1103/PhysRevFluids.6.034801]

O céu é o limite

Não imagine que tudo tenha sido tão fácil quanto pingar gotas em xícaras. Em entrevista ao Site Inovação Tecnológica, Cees contou que a equipe teve grande dificuldade em publicar seus resultados em uma revista científica, basicamente porque seu modelo e seus dados desafiam todo o saber científico aceito até agora como válido.

"Foi extremamente difícil publicar nossas descobertas novas e 'contestadoras', porque jatos emanados é um tópico antigo e largamente pesquisado por engenheiros de fluidos e físicos, e 'descobertas disruptivas' não são rapidamente adotadas ou aceitas, como você pode imaginar," disse ele.

Mas, vencida esta etapa - a pesquisa acaba de ganhar destaque no site da Sociedade Norte-Americana de Física -, a equipe não quer mais limites à sua pesquisa: Eles pretendem fazer as novas etapas de experimentos no espaço, a bordo da Estação Espacial Internacional, onde será mais fácil eliminar eventuais efeitos da gravidade ainda não mensurados.

"Seria muito bom nos livrarmos completamente da gravidade e entender o papel da tensão superficial sozinha. Adoraríamos fazer nosso próximo conjunto de experimentos na Estação Espacial Internacional, para ver o que exatamente acontece em um ambiente livre de gravidade," finalizou Cees.

Bibliografia:

Artigo: Self-similar jet evolution after drop impact on a liquid surface
Autores: Cees J. M. van Rijn, Jerry Westerweel, Bodjie van Brummen, Arnaud Antkowiak, Daniel Bonn
Revista: Physical Review Fluids
Vol.: 6, 034801
DOI: 10.1103/PhysRevFluids.6.034801

Fonte: Inovação tecnológica

Antenas de luz podem acabar com limites na transmissão de dados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/03/2021

As informações são transportadas em canais representados por voltas que a luz dá sobre seu próprio eixo.
[Imagem: Boubacar Kanté]

Multiplexação da luz

Em vários aspectos, o emergente campo da computação com luz está reproduzindo os passos que a computação eletrônica deu décadas atrás.

A multiplexação deu impulso ao então nascente campo das telecomunicações ao permitir que várias mensagens trafegassem ao mesmo tempo no mesmo canal de transmissão, seja um fio de telégrafo, uma linha telefônica ou uma fibra óptica.

Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley descobriram uma nova maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que pode aumentar radicalmente a quantidade de dados que essas ondas transportam.

O novo trabalho deixa em aberto a quantidade de informação que pode ser multiplexada, ou transmitida simultaneamente, por uma fonte de luz coerente.

Eles fizeram sua demonstração usando luz torcida, feixes de laser que giram sobre o próprio eixo, emitida por minúsculas antenas feitas de anéis concêntricos, com o diâmetro aproximado ao de um fio de cabelo humano, pequenas o suficiente para serem colocados dentro de chips de computador.

"É a primeira vez que os lasers que produzem luz torcida são multiplexados diretamente. A tecnologia que estamos relatando supera os limites atuais de capacidade de dados por meio de uma característica da luz chamada momento angular orbital. É uma virada de jogo, com aplicações em imagens biológicas, criptografia quântica, comunicações de alta capacidade e sensores," disse o professor Boubacar Kanté. "Estamos experimentando uma explosão de dados em nosso mundo, e os canais de comunicação que temos agora serão insuficientes para o que precisamos."

Infinitos canais na luz

O avanço é importante porque os métodos atuais de transmissão de sinais por meio de ondas eletromagnéticas estão atingindo seu limite.

A frequência, por exemplo, ficou saturada, e é por isso que há tanta interferência entre estações no rádio. A polarização, em que as ondas de luz são separadas em dois valores - horizontal ou vertical - pode dobrar a quantidade de informações transmitidas. Os cineastas tiram vantagem disso ao criar filmes 3D, permitindo que os espectadores com óculos especiais recebam dois conjuntos de sinais - um para cada olho - para criar um efeito estereoscópico e a ilusão de profundidade.

Mas, além da frequência e da polarização, a luz possui um momento angular orbital, ou MAO, uma propriedade da luz que atraiu a atenção dos cientistas porque oferece uma capacidade exponencialmente maior de transmissão de dados. Uma maneira de pensar sobre o momento angular da luz é compará-lo ao vórtice de um tornado, daí o nome "luz torcida".

"O vórtice na luz, com seus infinitos graus de liberdade, pode, em princípio, suportar uma quantidade ilimitada de dados," disse Kanté. "O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir confiavelmente o número infinito de feixes MAO. Ninguém jamais produziu feixes MAO de cargas tão altas em um dispositivo tão compacto antes."

As antenas de luz são topológicas, ou seja, tudo o que importa é a sua superfície, o que permite sua inserção no interior dos chips.
[Imagem: Babak Bahari et al. - 10.1038/s41567-021-01165-8]

Antenas topológicas e números quânticos

Para obter seu avanço, a equipe usou antenas topológicas, o que significa que suas propriedades essenciais estão em sua superfície, sendo mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado.

Usando litografia de feixe de elétrons, a equipe gravou um padrão de grade em fosfeto de arseneto de gálio e índio, um material semicondutor, e então colou a estrutura sobre uma superfície feita de granada de ítrio e ferro.

Os pesquisadores projetaram a grade para formar poços quânticos em um padrão de três círculos concêntricos - o maior com cerca de 50 micrômetros de diâmetro - para capturar os fótons. Isso criou condições para a emergência de um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento dos fótons quando um campo magnético é aplicado, forçando a luz a viajar em apenas uma direção nos anéis.

"As pessoas pensaram que o efeito Hall quântico com um campo magnético poderia ser usado em eletrônica, mas não em óptica, devido ao fraco magnetismo dos materiais existentes nas frequências ópticas," disse Kanté. "Somos os primeiros a mostrar que o efeito Hall quântico funciona para a luz."

Na demonstração, a equipe gerou feixes de laser com até 276 voltas ao longo de seu eixo em cada comprimento de onda - ou 276 número quânticos, como os físicos dizem.

"Ter um número quântico maior é como ter mais letras para usar no alfabeto," comparou Kanté. "Estamos permitindo que a luz expanda seu vocabulário. Em nosso estudo, demonstramos essa capacidade em comprimentos de onda de telecomunicações, mas, em princípio, ela pode ser adaptada a outras bandas de frequência. Embora tenhamos criado três lasers, multiplicando a taxa de dados por três, não há limite para o número possível de feixes e capacidade de dados."

Bibliografia:

Artigo: Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta
Autores: Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman, Boubacar Kanté
Revista: Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01165-8

Fonte: Inovação Tecnológica

Humanidade não conseguirá controlar computadores superinteligentes

 Com informações do MPIB - 12/01/2021

Há tempos se discute os perigos que a Inteligência Artificial trará à humanidade.
[Imagem: Manuel Alfonseca et al. - 10.1613/jair.1.12202]

Inteligência que supera os criadores

Suponha que alguém programe um sistema de inteligência artificial (IA) com uma inteligência superior à dos humanos, para que ele possa aprender de forma independente.

Conectada à internet, a IA poderia ter acesso a todos os dados da humanidade e então tentaria otimizar tudo; ela poderia substituir todos os programas existentes e assumir o controle de todas as máquinas online em todo o mundo, para que tudo funcionasse da forma mais eficiente possível.

Isso produziria uma utopia ou uma distopia? A IA encontraria a cura para o câncer, promoveria a paz mundial e evitaria um desastre climático? Ou ela iria concluir que a forma mais eficiente de resolver todos os problemas seria destruir a humanidade?

Nosso mundo é fascinado por máquinas e computadores que podem controlar carros, compor sinfonias ou derrotar pessoas no xadrez, Go e outros desafios, mas os cientistas da computação e os filósofos têm-se perguntado se sequer seríamos capazes de controlar uma IA superinteligente, para garantir que ela não representaria uma ameaça à humanidade.

"Uma máquina [computador] superinteligente que controla o mundo parece ficção científica. Mas já existem máquinas que realizam certas tarefas importantes de forma independente, sem que os programadores entendam totalmente como elas aprenderam a fazer o que fazem. Portanto, surge a questão de saber se isso poderia em algum momento se tornar incontrolável e perigoso para humanidade," justifica o professor Manuel Cebrian, do Instituto Max Planck para o Desenvolvimento Humano, na Alemanha.

E as conclusões dos estudiosos nem sempre são animadoras: A equipe internacional liderada por Cebrian fez os melhores cálculos teóricos que o saber científico atual permite para demonstrar que seria fundamentalmente impossível para a humanidade controlar uma IA superinteligente.

Superinteligência artificial

Os cientistas exploraram duas ideias diferentes de como uma superinteligência artificial poderia ser controlada.

Por um lado, as capacidades da IA superinteligente poderiam ser especificamente limitadas, por exemplo, isolando-a da internet e de todos os outros dispositivos técnicos, para que ela não pudesse ter contato com o mundo exterior. Mas isso tornaria a "IA superinteligente" significativamente menos poderosa, menos capaz de responder às missões e às questões para as quais a humanidade a projetou.

Sem essa opção, a IA poderia ser motivada desde o início a perseguir somente objetivos que atendam aos melhores interesses da humanidade, por exemplo, programando princípios éticos nela. No entanto, os pesquisadores também demonstraram que essas e outras ideias contemporâneas e históricas para controlar a IA superinteligente têm seus limites.

Máquinas que controlam máquinas estão entre os riscos existenciais para a humanidade.
[Imagem: Iyad Rahwan]

Problema incomputável

A equipe então concebeu um algoritmo teórico de contenção, que garante que uma IA superinteligente não possa prejudicar as pessoas em nenhuma circunstância, simulando o comportamento da IA primeiro e então interrompendo-a se ela for considerada prejudicial.

Mas uma análise cuidadosa mostra que, em nosso paradigma atual de computação, esse algoritmo não pode ser construído.

"Se você dividir o problema em regras básicas da ciência da computação teórica, verá que um algoritmo que comandaria uma IA para não destruir o mundo poderia inadvertidamente interromper suas próprias operações. Se isso acontecesse, você não saberia se o algoritmo de contenção ainda está analisando a ameaça, ou se ele parou para conter a IA prejudicial. Na verdade, isso torna o algoritmo de contenção inutilizável," disse Iyad Rahwan, membro da equipe.

Com base nesses cálculos, o problema de contenção é incomputável, ou seja, nenhum algoritmo único pode encontrar uma solução para determinar se uma IA produziria danos ao mundo.

Além disso, os pesquisadores demonstraram que podemos nem saber quando as máquinas superinteligentes foram criadas, porque decidir se uma máquina apresenta inteligência superior aos humanos está no mesmo reino do problema de contenção: insolúvel.

Bibliografia:

Artigo: Superintelligence Cannot be Contained: Lessons from Computability Theory
Autores: Manuel Alfonseca, Manuel Cebrian, Antonio Fernandez Anta, Lorenzo Coviello, Andrés Abeliuk, Iyad Rahwan
Revista: JAIR - Journal of Artificial Intelligence Research
DOI: 10.1613/jair.1.12202

SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Humanidade não conseguirá controlar computadores superinteligentes. 12/01/2021. Online. Disponível em www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=humanidade-nao-conseguira-controlar-computadores-superinteligentes. Capturado em 18/01/2021.