Um físico de Lancaster propôs uma solução radical para a questão de como uma partícula carregada, como um elétron, respondeu ao seu próprio campo eletromagnético.

A linha preta sólida mostra a trajetória do elétron sem atrito de radiação. Nesse caso, o elétron deixa a região de alto campo imediatamente. Crédito da imagem: The PSC Project

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Esta questão tem desafiado os físicos por mais de 100 anos, mas o físico matemático Dr. Jonathan Gratus sugeriu uma abordagem alternativa, publicada no Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical com implicações controversas.

Está bem estabelecido que, se uma carga pontual acelera, ela produz radiação eletromagnética. Essa radiação tem energia e momento, que devem vir de algum lugar. Geralmente é assumido que elas vêm da energia e momento da partícula carregada, amortecendo o movimento.

A história das tentativas de calcular essa reação de radiação (também conhecida como amortecimento de radiação) remonta a Lorentz em 1892. As principais contribuições foram feitas por muitos físicos conhecidos, incluindo Plank, Abraham, von Laue, Born, Schott, Pauli, Dirac e Landau. A pesquisa ativa continua até hoje com muitos artigos publicados todos os anos.

O desafio é que, de acordo com as equações de Maxwell, o campo elétrico no ponto real onde está a partícula pontual é infinito. Portanto, a força sobre essa partícula pontual também deve ser infinita.  

Vários métodos têm sido usados para renormalizar esse infinito. Isso leva à bem estabelecida equação de Lorentz-Abraham-Dirac.

Infelizmente, esta equação tem soluções patológicas bem conhecidas. Por exemplo, uma partícula que obedece a esta equação pode acelerar para sempre sem força externa ou acelerar antes que qualquer força seja aplicada. Há também a versão quântica do amortecimento de radiação. Ironicamente, este é um dos poucos fenômenos em que a versão quântica ocorre em energias mais baixas que a clássica.

Os físicos estão procurando ativamente por esse efeito. Isso requer 'colisões' de elétrons de alta energia e poderosos feixes de laser, um desafio, pois os maiores aceleradores de partículas não estão situados perto dos lasers mais potentes. No entanto, disparar lasers em plasmas produzirá elétrons de alta energia, que podem interagir com o feixe de laser. Isso requer apenas um laser poderoso. Os resultados atuais mostram que a reação de radiação quântica existe.

A abordagem alternativa é considerar muitas partículas carregadas, onde cada partícula responde aos campos de todas as outras partículas carregadas, mas não a si mesma. Esta abordagem foi descartada até agora, uma vez que se supunha que isso não economizaria energia e momento. 

No entanto, o Dr. Gratus mostra que essa suposição é falsa, com a energia e o momento da radiação de uma partícula vindo dos campos externos usados para acelerá-la.

Ele diz que "as implicações controversas deste resultado é que não precisa haver nenhuma reação de radiação clássica. Podemos, portanto, considerar a descoberta da reação de radiação quântica como semelhante à descoberta de Plutão, que foi encontrado seguindo previsões baseadas em discrepâncias no movimento de Netuno. Cálculos corrigidos mostraram que não havia discrepâncias. Da mesma forma, a reação de radiação foi prevista, encontrada e, em seguida, demonstrada não ser necessária."

Mais informações:

Jonathan Gratus, Maxwell–Lorentz without self-interactions: conservation of energy and momentum, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical (2022). DOI: 10.1088/1751-8121/ac48ee

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Referência:

Physicist solves century old problem of radiation reaction. Phys.Org, 25, jan. 2022. Disponível em: <https://phys.org/news/2022-01-physicist-century-problem-reaction.html>. Acesso em: 26, jan. 2022.