O ensino remoto adotado durante a pandemia de Covid-19 é tema do artigo Ensino de Física em Tempos de Pandemia: Instrução Remota e Desempenho Acadêmico, publicado por C. E. Aguiar, M. Moura e M. F. Barroso na Revista Brasileira de Ensino de Física (https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2021-0329).

O trabalho analisa se a aprendizagem de estudantes do IF-UFRJ em um tópico específico, a Termodinâmica, foi alterada pela adoção do ensino remoto emergencial em 2020. O principal instrumento do estudo foi um teste conceitual, relativo à aprendizagem das primeira e segunda leis da Termodinâmica, que vinha sendo aplicado sistematicamente em duas disciplinas do IF antes da pandemia e continuou a ser utilizado nas mesmas disciplinas após a mudança para o modo remoto. Isso permitiu comparar os resultados do teste em turmas similares e investigar se a mudança no regime de ensino afetou o desempenho acadêmico dos estudantes. As disciplinas investigadas foram “Mecânica do Sistema e Física Térmica”, da Licenciatura em Física, e “Termodinâmica”, do Mestrado em Ensino de Física. Os resultados do teste mostraram que, apesar da enorme disrupção imposta pela pandemia, nas duas disciplinas a transição para o ensino remoto não gerou mudanças estatisticamente significativas no rendimento acadêmico dos alunos.

Um aspecto tratado no artigo é a incidência de “cola”, pois é concebível que o compartilhamento de respostas entre os estudantes seja uma prática mais comum em avaliações remotas que em presenciais, invalidando a utilização de um teste como forma de comparação entre os dois modos de instrução. O artigo descreve métodos pelos quais é possível estimar se a incidência de respostas idênticas em um teste de múltipla escolha é maior que a esperada estatisticamente, e mostra que não houve mudança significativa na probabilidade de cola nos grupos avaliados.

Os autores enfatizam que não se deve generalizar os resultados apresentados no artigo, dado que diferentes disciplinas encontraram dificuldades de natureza e intensidade muito diversas durante o processo de adaptação ao regime remoto. Também ressaltam que uma avaliação de aprendizagem não alcança todas as dimensões acadêmicas afetadas pelo ensino remoto. A evasão estudantil, por exemplo, é uma variável extremamente relevante que não pode ser medida por um teste aplicado apenas a alunos que permaneceram no curso. São necessários estudos mais abrangentes para determinar a extensão dos efeitos do ensino remoto e extrair lições que possam ser aplicadas a um planejamento adequado das atividades de ensino no período pós-pandemia.

Texto de Carlos Eduardo Aguiar, Marcos Moura, Marta F. Barroso.

Um análogo do princípio de Mach na escala atômica

O princípio de Mach enuncia que a “inercialidade” de um referencial está estreitamente relacionada com o movimento da matéria no espaço. Isto pode ser resumido da seguinte forma: o que aconteceria se as estrelas estivessem subitamente girando ao nosso redor? Esse movimento tornaria referenciais inerciais em referencias não-inerciais?

Um efeito ótico mostrado pelo físico francês Georges Sagnac, há cerca de um século, ocorre quando a propagação de luz num referencial girante (com respeito a um referencial inercial) adquire uma fase especificamente induzida pela rotação – chamada de fase Sagnac. Esse efeito é utilizado nos dias atuais para estimar as rotações instantâneas de aeronaves. O efeito Sagnac ocorre tanto com ondas de luz quanto com ondas atômicas e constitui uma assinatura da rotação do referencial.

Pesquisadores dos Institutos de Física da UFRJ e da UFF usaram o efeito Sagnac para  propor um análogo da conjectura de Mach em escala atômica e no contexto da eletrodinâmica quântica. De fato, uma pergunta fundamental que Mach poderia fazer hoje em dia é a seguinte: será que o efeito Sagnac persiste quando o referencial permanece em repouso, porém com alguma matéria em rotação dentro dele? A resposta é positiva, conforme demonstrado no artigo “Quantum Vacuum Sagnac Effect” publicado na revista Physical Review Letters em 29 de Dezembro e disponível no arXiv no link (https://arxiv.org/abs/2112.01957).

Neste trabalho, mostra-se que uma nanopartícula girando muito rapidamente deixa um rastro na forma de uma fase geométrica finita, mediada pelo campo eletromagnético quântico. Quando a nanopartícula é composta de um material altamente dispersivo, obtém-se uma fase Sagnac do vácuo quântico próxima do limite de detecção dos melhores interferômetros atômicos. Isso mostra que a detecção deste novo efeito do vácuo quântico poderia ser realizada num futuro próximo.

Texto de François Impens, Paulo Maia Neto, Reinaldo de Melo e Souza, e Guilherme C. Matos.

Sistemas Turbulentos como Gases de Vórtices

Circulação é um observável particularmente importante na modelagem de diversos fenômenos da dinâmica de fluidos. Esta quantidade, definida como a integral do campo de velocidades em um contorno fechado, nos ajuda a entender como os furacões se formam e se deslocam, a estrutura quantizada de vórtices superfluidos, as volutas de vapor que emanam de uma xícara de chá, a força que sustenta um avião em voo e uma infinidade de outros exemplos igualmente impressionantes, que  podem ser encontrados até mesmo em escala cosmológica. Não resisto a mencionar, no contexto do esporte, o mítico golpe de folha-seca de Didi, lindamente discutido em um trabalho de IC supervisionado pelo prof. Carlos Aguiar do IF-UFRJ [1].

Não esperaríamos, naturalmente, que o observável circulação tivesse papel menor no estudo das características estatísticas da turbulência. De fato, visualizações de escoamentos turbulentos obtidas a partir de simulações numéricas nas décadas de 1990 e 2000, apontaram de forma muito clara que a maior parte da energia cinética turbulenta está associada a estruturas vorticosas alongadas, entrelaçadas na forma de uma miríade de pequenos “tornados”. Um escoamento turbulento pode ser afigurado, portanto, como um “gás de vórtices”, fato posteriormente corroborado em laboratório, com o auxílio de instrumentação óptica relativamente recente. Parafraseando Feynman, não basta termos à mão equações dinâmicas de evolução; é importante ver o que elas produzem para avançar no conhecimento. E as equações de Navier-Stokes produzem regimes turbulentos povoados de vórtices.

No cenário teórico, ainda pela década de 1990, Migdal [2] lançou uma proposta audaciosa, na qual métodos matemáticos usados em cromodinâmica quântica para a discussão do problema de confinamento de quarks poderiam ser empregados para a determinação das probabilidades de eventos extremos (flutuações intensas) da circulação turbulenta. A previsão essencial do trabalho de Migdal é a de que tais probabilidades deveriam ser completamente determinadas pelas superfícies mínimas limitadas pelo contorno de circulação. Superfícies mínimas são o encanto de muitos matemáticos que a elas se dedicam com devoção [3] e das crianças que brincam com filmes de sabão estendidos por contornos de arame.

Avanços na modelagem da turbulência via circulação, entretanto, tem sido historicamente muito difíceis. No curto período que vai de 2019 a 2021, como fruto de simulações numéricas em plataformas computacionais de última geração [4,5], o muro aparentemente intransponível da observação (in silico) dos eventos extremos da circulação foi quebrado pela primeira vez. Superfícies mínimas de fato determinam a ocorrência desses eventos, porém não exatamente na concepção original de Migdal (a variável de circulação deve ser reescalada de forma conveniente para que as superfícies mínimas “brotem” na definição das caudas das distribuições de probabilidade da circulação). O resultado é um marco de enorme importância em turbulência.

Motivados pelo trabalho pioneiro de Iyer et al. em 2019 [4], arregaçamos as mangas, ainda naquele ano, em colaboração com o prof. Rodrigo Pereira (IF-UFF), o Dr. Gabriel Apolinário (pós-doutor na École Normal Supérieure de Lyon) e Victor Valadão (doutorando do IF-UFRJ), para introduzir um modelo estatístico que procurasse reproduzir os resultados numéricos mencionados acima, a partir da formulação estrutural da turbulência como um gás de vórtices. O trabalho, iniciado um pouco antes da pandemia de covid-19, a atravessou, a todo vapor, no esquema de colaboração remota. Propomos uma nova maneira de olhar para um escoamento turbulento por meio de cortes bidimensionais do campo de velocidades (algo que remete, por analogia, às seções de Poincarè dos sistemas dinâmicos). Como resultado dessa estratégia de análise, emerge um modelo dimensionalmente reduzido de vórtices planares, com o qual podem-se discutir, com sucesso, as flutuações turbulentas de circulação. O artigo, publicado como uma rapid communication na Physical Review E [6], inspirou imediatamente extensões para turbulência quântica, em estudos liderados pelo grupo do Observatoire de la Côte d’Azur [7,8].

Nossos resultados abrem caminhos interessantes para o entendimento do comportamento de escala anômalo da turbulência, tal como previsto pela (suposta) estrutura multifractal do campo de velocidades (trabalho de Frisch e Parisi [9], indicado por este último em sua Nobel Lecture [10]), bem como para o papel das superficies mínimas no contexto da física da circulação, desafio teórico ainda em aberto.

A fim de destacar tais avanços, como reconhecimento da importância desse primeiro movimento de resultados recentes no desenvolvimento de novas perspectivas na teoria da turbulência, fui gentilmente convidado pelos editores dos Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) para submeter um artigo [11] que recomendo ao leitor/leitora interessado/a em um primeiro contato com a literatura relacionada.

Texto de Luca Moriconi

Acesse o artigo aqui: acesso pago, ArXiv

[1] C.E. Aguiar e G. Rubini, Rev. Bras. Ens. Fís. 26, 297 (2004).
[2] A. A. Migdal, Loop equation and area law in turbulence in Quantum Field Theory and String Theory, NATO ASI Series [Series B: Physics], editado por L. Baulieu , V. Dotsenko , V. Kazakov , P. Windey, Springer, Boston, MA, 328, 193–231 (1995).
[3] T.H. Colding e W.P. Minicozzi II, A Course in Minimal Surfaces, Graduate Texts in Mathematics 121, The American Mathematical Society (2011).
[4] K.P. Iyer, K.R. Sreenivasan e P.K. Yeung, Phys. Rev. X 9, 041006 (2019).
[5] K.P. Iyer, S.S. Bharadwaj, K.R. Sreenivasan, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118, e2114679118 (2021).
[6] G.B. Apolinário, L. Moriconi, R.M. Pereira e V. J. Valadão, Phys. Rev. E 102, R041102 (2020).
[7] N.P. Müller, J. Polanco e G. Krstulovic, Phys. Rev. X 11, 011053 (2021).
[8] J. Polanco, N.P Müller e G. Krstulovic, Nat. Commun. 12, 1 (2021).
[9] U. Frisch e G. Parisi, em: Turbulence and Predictability in Geophysical Fluid Dynamics and Climate Dynamics, Varenna Summer School LXXXVIII (1983), editado por M. Ghil, R. Benzi e G. Parisi, North-Holland, New York (1985).
[10] G. Parisi, Multiple Equilibria, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/parisi/lecture/ (2021).
[11] L. Moriconi, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118, e2117968118 (2021).

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, do inglês) foi emitida quando o universo ainda era um bebê de 380 mil anos. Ela representa a luz mais antiga observável no universo, e marca a época em que a temperatura do universo baixou ao ponto de tornar estáveis os átomos de hidrogênio. A CMB é a janela mais importante para o universo primordial: representa uma importante confirmação não só de que o universo era muito homogêneo no seu início, mas também nos informa quais componentes estavam presentes nesta época e as propriedades das sementes de toda a estrutura do universo atual.

Sua característica mais evidente é o dipolo, que representa uma onda de temperatura que perfaz todo o comprimento do universo primordial com uma amplitude em relação à média de 1 parte em 800. Em contrapartida, os demais comprimentos de ondas (ou multipolos) possuem amplitude ~100 vezes menores. No entanto, o simples movimento do nosso Sol através do universo produz exatamente esse mesmo padrão dipolar devido ao efeito Doppler. Por décadas os astrônomos se perguntaram se este dipolo poderia ser em parte também devido a uma flutuação no universo primordial. Curiosamente, o movimento do Sol produz um efeito separado: a aberração da luz. A aberração distorce a imagem geral do fundo cósmico em micro-ondas.

No artigo [1] medimos esta aberração nos dados do satélite Planck com uma nova metodologia (descrita em detalhes no artigo [2]) que permitiu isolar as contribuições primordial e oriunda da nossa velocidade. Embora a aberração da CMB já tivesse sido medida em um trabalho anterior, a medida não distinguia as possíveis contribuições para esta medida. De fato, outros fenômenos físicos contribuem na medida da aberração, a saber as lentes gravitacionais e o termo cruzado da modulação de frequência (o Doppler) com as perturbações de temperatura primordiais. Estimando a contribuição do primeiro e removendo o segundo efeito, conseguimos uma medida independente tanto da velocidade como do dipolo primordial (ou dipolo intrínseco). A velocidade do Sol no universo foi medida de forma robusta como 300 ± 99 km/s, ou 1 parte em 1000 da velocidade da luz. A contribuição primordial observada não foi significante, com um limite superior de 3,7 mK para sua amplitude de temperatura. Isso representa o primeiro limite para a amplitude da onda mais longa possível de perturbação na homogeneidade primordial.

Texto de Miguel Quartin

[1] Pedro da Silveira Ferreira and Miguel Quartin, First Constraints on the Intrinsic CMB Dipole and Our Velocity with Doppler and Aberration, Phys. Rev. Lett. 127, 101301, 2021.
[2] Pedro da Silveira Ferreira and Miguel Quartin, Disentangling Doppler modulation, aberration and the temperature dipole in the CMB, Phys. Rev. D 104, 063503, 2021.

Acesse aqui o artigo 2: assinantes / livre (arXiv: 2107.10846)