Escola de Física da UFF 2017
HORÁRIO 23/10 – SEG 24/10 – TER. 25/10 – QUA. 26/10 – QUI. 27/10 – SEX.
09:30 – 10:00 Recepção
10:00 – 10:30 Mini-curso 1: Marco Moriconi Relatividade (1) Mini-curso 2: Daniele Freitas Novos Materiais (1) Mini-curso 4: Raíssa Mendes Ondas Gravitacionais (1) Mini-curso 3: Roberto Muniz Magnetismo (2)
10:30 – 11:30 Colóquio 4: Nivaldo Lemos Cosmologia
14:00 – 15:30 Mini-curso 1: Marco Moriconi Relatividade (2) Mini-curso 3: Roberto Muniz Magnetismo (1) Mini-curso 2: Daniele Freitas Novos Materiais (2) Mini-curso 4: Raíssa Mendes Ondas Gravitacionais (2) Visita à laboratórios & Casa da descoberta
15:30 – 16:00 CAFÉ Café & Poster
16:00 – 17:00 Apresentação oral de alunos
16:00 – 16:20 Braian P. Silva 16:00 – 16:20 Ingrid S. Chanca 16:00 – 16:20 Saulo A. Filho
16:20 – 16:40 Renata L. Alves 16:20 – 16:40 André L. Oestereich 16:20 – 16:40 Jaime C. Filho
16:40 – 17:00 Luiz T. Junior 16:40 – 17:00 Lucas C. Squillante 16:40 – 17:00 Ivan B. Coulamy
17:00 – 18:00 Colóquio 1: Jorge Sá Martins Ensino de Física Colóquio 2: Ladário da Silva Física Forense Colóquio 3: Bruno Mota Física Médica e Neurociência
MIni-curso 1: Relatividade
Prof. Dr. Marco Moriconi (Instituto de Física - UFF)
Nessas duas aulas, discutimos os fundamentos da teoria da relatividade especial e sua extensão para a teoria da relatividade geral. Apresentamos as transformações de Lorentz e suas consequências, como fim da simultaneidade absoluta, dilatação do tempo, contração dos comprimentos, além da discussão de paradoxos clássicos, como o paradoxo dos gêmeos e o paradoxo da escada. A extensão para a teoria da relatividade geral e algumas de suas consequências, como desvio para o vermelho em campos gravitacionais, desvio da luz por corpos massivos e ondas gravitacionais são apresentadas de forma intuitiva.
Mini-curso 2: Novos Materiais: síntese e caracterização estrutural
Profa. Dra. Daniele Freitas (Instituto de Física - UFF)
O estudo de materiais é uma área fascinante. Muitos dos problemas enfrentados atualmente do ponto de vista científico e tecnológico são devido às limitações dos materiais que estão disponíveis no momento, e, como resultado, os avanços neste campo são susceptíveis de ter um impacto significativo sobre o futuro da sociedade. Neste mini-curso discutiremos a síntese de novos materiais e a sua caracterização estrutural usando difração de raios X. Uma introdução sobre essa ferramenta poderosa será realizada. Trata-se de uma técnica multidisciplinar usada como primeira caracterização de um dado material. A técnica consiste em incidir um feixe de raios x em um material cristalino, e analisar o padrão de interferência construtiva causado pelo espaçamento do arranjo periódico dos átomos no cristal. Entre suas aplicações podemos destacar análise quantitativa de fases, determinação estrutural com identificação das posições atômicas e composição química, entre outras. Por fim serão abordadas algumas características de materiais de baixa dimensionalidade do tipo oxiboratos.
Mini-curso 3: Ondas gravitacionais: uma nova janela para a observação do Universo
Profa. Dra. Raissa Mendes (Instituto de Física - UFF)
Uma das principais predições da teoria da Relatividade Geral é a existência de soluções ondulatórias para o campo gravitacional. Essas ondas gravitacionais, geradas abundantemente por sistemas massivos variando rapidamente com o tempo, se propagariam desimpedidas como distorções no espaço-tempo. Embora sua existência tenha sido predita teoricamente por Einstein já em 1916, por muito tempo se duvidou de que a radiação gravitacional pudesse ser de fato detectada, já que sua influência sobre a matéria seria mínima. A primeira evidência de seus efeitos foi obtida pela análise da radiação eletromagnética advinda de sistemas binários contendo pulsares, em particular no sistema binário de Hulse-Taylor, descoberto em 1974. Em 2016, a colaboração do LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) anunciou a primeira detecção direta de ondas gravitacionais, feita em 14 de setembro de 2015, cuja análise revelou serem advindas da fusão de dois buracos negros de aproximadamente 30 vezes a massa do Sol. Essa detecção, que foi seguida por outras duas, abriu uma nova era para a observação e o entendimento do Universo, em que poderemos obter informações sobre sistemas praticamente invisíveis na janela eletromagnética e testar teorias gravitacionais em um regime extremo, nunca antes explorado. Neste mini-curso, vamos abordar esse tema fascinante, respondendo a três questões principais:
Como ondas gravitacionais são detectadas? Vamos discutir como uma onda gravitacional afeta pequenas massas, distorce distâncias e os princípios básicos do funcionamento de detectores interferométricos como o LIGO.
Como ondas gravitacionais são produzidas? Vamos mostrar que ondas gravitacionais são geradas, primariamente, pela variação do momento de quadrupolo de objetos massivos. Vamos discutir os processos astrofísicos que dariam origem a sinais mensuráveis e os eventos já detectados pelo LIGO.
O que podemos aprender a partir da detecção de ondas gravitacionais? Vamos enfatizar implicações para a física de buracos negros (como testes de teoremas de "no-hair"; e mecanismos astrofísicos de formação de buracos negros) e estrelas de nêutrons (em especial, consequências para sua composição microscópica), além de testes da Relatividade Geral. Se houver tempo, vamos discutir também como ondas gravitacionais podem nos informar sobre o universo primordial, e possíveis modificações quânticas à gravitação na escala do horizonte de eventos.
O mini-curso tem como pré-requisito noções básicas de Relatividade Geral, mas uma fração será mais informativa e acessível.
Mini-curso 4: Magnetismo: Propriedades magnéticas de materiais
Prof. Dr. Roberto Muniz (Instituto de Física - UFF)
Características magnéticas de alguns materiais. Momentos magnéticos não interagentes: diamagnetismo e paramagnetismo. Momentos magnéticos interagentes. Modelo de Heisenberg, ordenamento ferromagnético e antiferromagnético. Interação dipolar, domínios magnéticos. Curva de histerese magnética. Interação spin-órbita, Interação de Dzyaloshinskii-Moriya, anisotropia magnética; ordenamento não colinear. Magnetismo em metais, modelo de Hubbard, critério de Stoner. Multicamadas metálicas magnéticas, acoplamento RKKY. Excitações coletivas: ondas de spin.
Colóquio 1: Ensino de Física: o papel da pesquisa
Prof. Dr. Jorge Sá Martins
A pesquisa em ensino de Física tem por objetivos investigar como se dá o aprendizado desta disciplina e gerar estratégias de ensino que sejam capazes de dar mais eficácia ao empreendimento educacional. Nesta palestra farei um breve resumo do que já aprendemos sobre estes temas, expor algumas experiências educacionais realizadas no âmbito do IF-UFF, e apresentar alguns resultados alcançados.
Colóquio 2: Problemas em Balística Forense
Prof. Dr. Ladário da Silva
Nesse seminário iremos abordar problemas clássicos da balística forense, realtivos à revelação de número de série de armas e a exames de resíduos similares aos de tiros. Apresentaremos exemplos e algumas contribuições nossas, considerando a realidade brasileira.
Colóquio 3: Em busca das leis da morfologia e desenvolvimento do cérebro a partir de primeiros princípios
Prof. Dr. Bruno Mota (Instituto de Física - UFRJ)
É quase um clichê das discussões de mesa de bar entre cientistas dizer que a biologia é descritiva e focada em detalhes e exceções, enquanto a física é analítica e sempre em busca teorias unificadoras. Na medida em que este estereótipo é verdadeiro, isto se deve ao fato de que a biologia é difícil. Muito difícil. Não no sentido de ser mais complicada, mas sim de ser menos avessa a uma abordagem reducionista. Foi o paradigma reducionista que levou a física a alguns dos seus grandes sucessos. As leis newtonianas da mecânica e gravidade resultaram em parte da compreensão que o movimento de uma maçã em queda e da Lua são regidos pela mesma lei natural. A complexa dança dos planetas e luas no sistema solar pode então ser entendido como a composição aditiva das interações entre os vários pares dos seus corpos constituintes.
A biologia também tem uma teoria fundamental muito bem-sucedida, na forma da evolução darwiniana através da seleção natural. Mas a evolução seleciona genomas a partir da adaptação dos fenótipos resultantes. Ela diz pouco como os primeiros levam aos segundos. A forma biológica é, portanto, fundamentalmente um fenômeno emergente. De alguma forma, a ordem emerge, de forma robusta e reproduzível, a partir de alguns poucos kilobits de informação genética, e uma complexa sequência de sinais e síntese biológicas. Células se constituem em órgãos que se constituem em organismos; todos impressionantemente diversos e assustadoramente complexos. E nenhuma estrutura é mais complexa, mais intrinsecamente interconectada, e com a relação entre forma e função mais opaca, que o córtex cerebral. Em humanos, ele é composto por dezenas de bilhões de neurônios conectados entre si por trilhões de sinapses, organizados em estruturas espacialmente complexas e apresentando atividade ocorrendo em escalas de tempo que vão de milissegundos a décadas. Este não parece ser um sistema cujas propriedades essenciais possam ser obtidas a partir de primeiros princípios. Mas hoje vivemos uma época única na história da neurociência. Graças a avanços experimentais e computacionais, pela primeira vez dados quantitativos precisos e detalhados sobre a estrutura e desenvolvimento do cérebro estão ficando amplamente disponíveis. Podemos agora não só descrever em detalhe córtex cerebral, mas também procurar desenvolver teorias que expliquem a sua morfologia a partir de princípios fundamentais simples, e que produzam previsões empíricas testáveis.
Vou descrever diferentes técnicas experimentais que permitem a reconstrução da superfície cortical de diversas espécies de mamíferos, e de centenas de pacientes humanos; e mostrar como uma escolha criteriosa de variáveis sugere a existência de regularidades numéricas sugestivas apesar de toda a enorme diversidade e complexidade da forma biológica. Partindo de tais regularidades, e fazendo uso de princípios físicos bem estabelecidos, produzimos então um modelo que explica porque alguns córtices se dobram e outros são lisos, e que prevê o valor correto da dimensão fractal desta última sem ajuste de parâmetros, e mostra que a única escala de tamanho relevante para a girificação é dada pela espessura cortical. O modelo prevê ainda a existência de uma relação empírica entre diversas variáveis morfológicas. Ao ser testado empiricamente, ele se mostra em excelente concordância com dados obtidos a partir de córtices de mais de 60 espécies de mamíferos, que vão do camundongo ao elefante. A mesma lei de escala também é verificada em comparações entre córtices humanos, de uma maneira que sugere um 'afrouxamento' mecânico de seus axônios, que é gradual no envelhecimento sadio, mas bastante abrupto na doença de Alzheimer. Talvez de forma ainda mais surpreendente, vou mostrar como a mesma lei de escala que se aplica entre espécies, e entre indivíduos da mesma espécie, também é válida ao compararmos, em um mesmo indivíduo, diferentes regiões e diferentes escalas do córtex.
Finalmente, vamos discutir alguns dos desafios específicos presentes no estudo de sistemas complexos na interface entre a biologia teórica e empírica. Além de problemas não triviais de medição, o número de graus de liberdade necessário para descrever mesmo os sistemas biológicos menos complexos é grande demais para ser incorporado em um modelo teórico. A escolha de um conjunto mais limitado de variáveis é, portanto, crucial, e necessariamente implica em hipóteses simplificadores. Para fazer isto de forma criteriosa, de modo que o modelo resultante ainda capture a dinâmica essencial do sistema a ser descrito, é importante usar princípios evolucionários da biologia (e não a conveniência matemática) como guia. A existência de um ancestral comum para todas as espécies mamíferos, e o fato de que a evolução tende a reutilizar estruturas pré-existentes, sugere que um bom critério para tais hipóteses deve ser a retenção de propriedades globais que sejam ou invariantes ou que variem de forma sistemática entre diferentes espécies e indivíduos. O objetivo é produzir teorias testáveis que expliquem estruturas biológicas não só em um caso específico, mas para toda sua diversidade.
Colóquio 4: O UNIVERSO: PRESENTE, PASSADO E FUTURO
Prof. Dr. Nivaldo Lemos (Instituto de Física - UFF)
Após um breve descrição da estrutura e da escala de distâncias do Universo atual, faz-se uma síntese da origem histórica da noção de universo em expansão tanto em seus aspectos teóricos quanto observacionais. São formulados os modelos mais simples da cosmologia relativística. Discutem-se alguns problemas dos modelos cosmológicos tradicionais e como o modelo inflacionário é capaz de resolvê-los. São revistas as evidências observacionais de que o Universo encontra-se em expansão acelerada e é apresentado o modelo cosmológico mais aceito no presente momento, que incorpora a expansão acelerada. Finalmente, são discutidos os dois maiores enigmas da cosmologia contemporânea: a matéria e a energia escuras.