Basta uma molcula para comear tudo

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 26/03/2024

Efeito da agitao de uma molcula

Uma borboleta bate suas asas no Brasil, desencadeando “microbrisas” que ento daro incio a uma cadeia de eventos que poder culminar, quem sabe, em um tornado no Texas.

Embora possamos comumente usar a frase para denotar a interconexo de nossas prprias vidas, o termo efeito borboleta est normalmente associado teoria do caos, cuja expresso mais completa que um sistema catico tem grande sensibilidade a alteraes em seus parmetros iniciais, ou seja, mesmo pequenas mudanas nas condies iniciais do sistema podem ter grandes efeitos ao longo do tempo.

Agora, Dmytro Bandak e colegas da Universidade da Califrnia de San Diego, nos EUA, levaram o efeito borboleta ao extremo, mostrando que no precisamos nem mesmo de uma borboleta batendo as asas: Basta uma molcula e seu movimento browniano aleatrio para dar o pontap inicial em uma cadeia de eventos de longo alcance.

“O que descobrimos que, em sistemas turbulentos, uma perturbao muito pequena em um ponto ter um efeito amplificado num ponto finito no futuro, mas atravs de um mecanismo que mais rpido do que o caos,” resumiu o professor Nigel Goldenfeld, coordenador da pesquisa.

Embora o mecanismo matemtico para esta amplificao, conhecido como estocasticidade espontnea, tenha sido descoberto h cerca de 25 anos, esta a primeira vez que se demonstra que o movimento aleatrio das molculas – responsvel pela emergncia do fenmeno trivial da temperatura – pode gerar estocasticidade espontnea, produzindo efeitos mensurveis mais tarde.

Clculo da turbulncia

A equipe utilizou o rudo trmico para sua demonstrao porque ele est sempre presente, sendo facilmente perceptvel, por exemplo, no chiado do aparelho de som quando nenhuma msica est tocando. Esse chiado resultado dos eltrons se movendo dentro dos componentes eletrnicos; em um fluido, a temperatura resulta dos movimentos das molculas, em vez dos eltrons.

O modelo padro para calcular esses fluxos turbulentos conhecido como equao de Navier-Stokes, mas computacionalmente invivel us-la para simular eventos turbulentos extremos, o que seria necessrio para demonstrar de forma convincente as afirmaes tericas da equipe.

Em vez disso, eles usaram uma equao simplificada, o que foi suficiente para mostrar que uma perturbao na escala de micrmetros (um milionsimo de metro) pode fazer com que sistemas fluidos inteiros apresentem estocasticidade espontnea de uma forma que no depende da fonte inicial da perturbao.

“Por enquanto, isso ter que servir, mas esperamos que futuros clculos de supercomputadores sejam capazes de confirmar nossos resultados usando as equaes completas dos fluidos,” disse Goldenfeld.

Imprevisibilidade intrnseca

Tambm para simplificar, em vez de imaginar fenmenos moleculares, pense em um pequeno galho que cai em um rio: Embora voc possa notar uma pequena perturbao na gua onde o galho cai, ningum imagina que essa ligeira perturbao v criar turbulncia, correntes circulares e redemoinhos rio abaixo.

No entanto, precisamente isso que os pesquisadores acabam de demonstrar, por meio do mecanismo da estocasticidade espontnea: A aleatoriedade surge mesmo que se esperasse que o movimento do fluido fosse previsvel. A equipe tambm demonstrou que a estocasticidade espontnea acontece independentemente da perturbao inicial. Quer seja um galho, uma pedra ou um torro de terra, a aleatoriedade que voc obtm em grande escala a mesma. Em outras palavras, a aleatoriedade intrnseca ao processo.

Alm disso, seria impossvel identificar o galho que originalmente gerou os redemoinhos rio abaixo. Na verdade, pode no haver qualquer perturbao no fluxo de gua onde o galho est localizado. V levando isso “para baixo” e voc chegar a uma nica molcula agitando-se de determinado modo.

Essas descobertas tm grande impacto em uma ampla gama de campos de pesquisa e aplicaes prticas, como na climatologia. essa aleatoriedade que torna to difcil prever com preciso o tempo com mais de algumas horas de antecedncia. As estaes meteorolgicas coletam amostras do clima em locais selecionados e simulaes de computador as unem. Mas, sem saber o clima exato em todos os lugares no momento, difcil prever o clima exato em todos os lugares no futuro. Este trabalho sugere a possibilidade de que sempre existiro limites fundamentais porque a aleatoriedade sempre aparecer.

Tambm pode haver implicaes na pesquisa astrofsica. Os cientistas j entendem que as simulaes computacionais de como as galxias so formadas e como o nosso Universo evoluiu so sensveis ao rudo. Muitas vezes, o comportamento das estrelas, planetas e galxias no pode ser facilmente explicado e pode ser atribudo aos tipos de rudo microscpico que a equipe acaba de descobrir.

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