As gotas de silicone pingando nesse vídeo impressionante fazem mais do que simplesmente criar ondulações esteticamente bonitas em uma superfície lisa. Elas podem ser uma evidência indireta de uma solução alternativa para uma pergunta incômoda na mecânica quântica – uma que vem de mais de um século atrás.

O vídeo está entre os vencedores do Gallery of Fluid Motion deste ano, uma competição anual da divisão de Dinâmica de fluídos da Sociedade Americana de Física, nos EUA. Ele tem origem em um experimento de 2013 realizado pelos físicos Daniel Harris e John Bush, ambos do MIT, que ofereceu um modelo para as chamadas “ondas piloto”: ondas hipotéticas no espaço-tempo que poderiam transportar partículas subatômicas como boias que flutuam em uma superfície aquosa.



Durante a Conferência de Solvay em 1927, o físico francês Louis de Broglie propôs a existência das ondas piloto como alternativa à tumultuada noção da função de uma onda. Você sabe, é a essência do famoso paradoxo do gato de Shroedinger. Todas as variantes possíveis de existir em uma superposição de estados, descritas em uma equação chamada função de onda (também conhecida como o gato está vivo e morto ao mesmo tempo). Quando a medida é feita (olhamos a caixa), faz a função de onda entrar em colapso em um único estado (o gato está vivo ou morto).

debroglieEm sua teoria das ondas piloto, de Broglie sugeriu substituir a função de onda por duas equações: “uma descrevendo a onda física e real, e a outra ligando a trajetória de uma partícula concreta às variáveis daquela equação de onda, como se a partícula interagisse e fosse impulsionada pela onda em vez de ser definida por ela,” escreveu Natalie Wolchover no Quanta no ano passado.

Ondas piloto nunca foram observadas diretamente, mas experiências feitas ao longo dos últimos dez anos envolvendo gotas de óleo quicando sobre tonéis de líquido vibrante reviveu o interesse na ideia de de Broglie. Atire uma pedra em uma lagoa e ela vai produzir ondas que viajam para fora.

A mesma coisa acontece nas experiências com as gotas, mas com uma diferença: se as vibrações forem colocadas na frequência certa – próximo da frequência de ressonância natural da gota – vai acontecer um efeito de interferência intrigante. Não apenas a gota produz ondulações ao quicar, mas também interage com essas ondas, e isso afeta a trajetória dela. É o conceito de onda piloto, só que com a gota no lugar das partículas subatômicas.

Além das implicações para mecânicas quânticas, isso é bem legal como experiência de dinâmica de fluidos. Para criar o vídeo, Harris e Bush encheram uma bandeja rasa com uma calha circular no centro com óleo de silicone e posicionada em um suporte vibratório. Eles então colocaram o suporte em diferentes frequências e observaram como isso mudava o comportamento das gotas ao redor de frequências limite específicas. Como escrevi no ano passado:

Acima do limite, o mar de ondas vai interferir no andar da onda. Abaixo dele, a superfície permanece suave exceto pelas ondas produzidas pela gota quicante. Quanto mais próximas essas vibrações estiverem do limite, mais robustas e duradouras serão as ondas piloto geradas.

Quando a gota quicante produz ondas, essas ondas interferem umas com as outras, produzindo padrões de interferência. Elas também afetam a trajetória da gota. Inicialmente parecia aleatório, mas com o tempo (cerca de 20 minutos), a gota estava mais propensa a deslizar em direção ao centro do círculo, e menos propensa a se encontrar nos anéis ondulantes que se espalhavam a partir daquele centro.

A experiência base envolvia um alto-falante, um smartphone e uma tela com um padrão de listras. E então a diversão começou. Vimos primeiro uma, duas, três e quatro gotas pingando, cada uma criando ondas no óleo de silicone, seguidas de uma série de gotas colocadas em uma estrutura estilo colmeia. Os pesquisadores depois usaram uma câmera de alta velocidade para criar alguns efeitos estroboscópicos: em uma versão, a gota parece deslizar pela superfície do óleo, em outra, ela parece passar um tempo suspensa, pausando no ar em meio às quicadas.

Você pode conferir os outros vencedores do Gallery of Fluid Motion 2015 aqui.