Imagine uma barra de metal que foi aquecida em uma extremidade. Em vez de o calor se espalhar gradualmente por todo o seu comprimento, a barra fica quente novamente no local onde estava originalmente. O fato de que, paradoxalmente, um sistema complexo retorna ao seu estado original em vez de evoluir em direção ao equilíbrio tem chamado a atenção dos físicos por mais de 60 anos. Graças a uma série de avanços em fibras ópticas, muito mais rico e completo do que antes, nossa equipe franco-italiana de pesquisadores acaba de dar um passo crucial para entender melhor este fenômeno.

Nossa publicação, que descreve seu progresso, foi destaque na capa de Nature Photonics . Estes não são apenas resultados importantes em física fundamental, mas também de interesse primário para o público em geral - o processo em questão está no cerne de fenômenos como a formação de ondas oceânicas desonestos ou o design de relógios ópticos de alta precisão.

O projeto Manhattan na origem do paradoxo

O paradoxo foi descoberto pela primeira vez em 1954 por cientistas importantes, alguns dos quais estavam envolvidos no Projeto Manhattan, que forneceria aos Estados Unidos a bomba atômica. Eles eram Stanislaw Ulam, John Pasta, e Mary Tsingou, e Enrico Fermi, vencedor do Prêmio Nobel de Física de 1938. Fermi teve a ideia de usar um dos primeiros computadores para explorar novos fenômenos físicos complexos cuja resolução não era possível por cálculo. Isso marca o início de uma revolução - simulações numéricas - que se tornou essencial em todas as áreas da física.

Mas para Fermi e seus colegas, os resultados do primeiro teste de computador revelaram algum comportamento completamente inesperado:O sistema que eles estavam estudando voltou ao seu estado inicial.

Desde então, o problema foi estudado e escrito extensivamente. Os repetidos esforços dos físicos para resolvê-lo têm sido particularmente frutíferos para muitos ramos da física onde pode ser observado. Em particular, eles levaram à descoberta da teoria dos solitons, pulsos que se propagam sem deformação que podem ser observados nos oceanos, física e óptica de plasma.

Alguns modelos previram que o Fermi, O fenômeno Pasta and Ulam era na verdade cíclico - o sistema voltava várias vezes ao seu estado inicial. Mas os experimentos que o destacaram nunca detectaram nada mais do que um retorno ao estado original:as perdas intrínsecas do sistema mitigaram suas manifestações muito rapidamente.

As fibras ópticas observam o paradoxo

Nossa equipe de pesquisa, baseado no Laboratório PHLAM da Universidade de Lille e associado a um teórico italiano da Universidade de Ferrara, conseguiu encontrar uma forma de compensar essas perdas em mais de 8 quilômetros de fibra óptica adicionando uma fonte de luz de uma cor muito diferente que servia como reservatório de energia. Esse processo sem precedentes nos permitiu observar pela primeira vez um segundo retorno ao estado inicial. O experimento ocorreu nas instalações da FiberTech Lille, parte da instituição de investigação IRCICA.

Graças a um dispositivo engenhoso que olhou para a difusão da luz por impurezas dentro da fibra, conhecido como espalhamento de Rayleigh, fomos capazes de medir não só a intensidade da luz, mas também o que os especialistas em óptica chamam de fase, e isso ao longo de todo o comprimento da fibra. Em seguida, observamos um comportamento sem precedentes:mudanças recorrentes de um ciclo para outro, os máximos ocupando o lugar dos mínimos.

Este resultado, previsto por alguns modelos, abre uma nova forma de compreensão deste fenômeno, que está na raiz de muitos outros processos complexos:pentes de frequência. Essas "regras de laser", avançando rapidamente nos últimos anos, trazem luz para um grande número de novos aplicativos, variando de medição de distância para carros autônomos à descoberta de exoplanetas, para citar apenas alguns.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.