Sólidos expandem ou se contraem quando a temperatura é aumentada ou reduzida. Por esta razão os trilhos de trem possuem pequenas lacunas ao longo da linha, as quais evitam que os mesmos venham a se distorcer devido à expansão térmica.
Outro exemplo comum (e anômalo!) do nosso dia a dia para se entender a expansão térmica é a mudança de estado da água. Quando colocamos certa quantidade de água à temperatura ambiente, na fase líquida, no congelador de nossos refrigeradores, ocorre a solidificação e a água se expande ao invés de se contrair.
Considerando tópicos atuais de pesquisa, medidas de expansão térmica de alta resolução utilizando o método capacitivo permitem desvendar detalhes sobre diversas manifestações exóticas da matéria. Exemplos incluem a expansão da rede cristalina quando uma transição metal-isolante de Mott ocorre e a expansão térmica anisotrópica quando uma fase ferroelétrica de Mott-Hubbard é induzida.
No caso do universo em que vivemos, medidas de redshift apontam para uma expansão adiabática acelerada e anisotrópica. O termo redshift deriva de um dos extremos do espectro de cores da luz visível e é definido como o desvio para o vermelho da radiação eletromagnética medida em experimentos de espectroscopia.
Conceitos básicos de Termodinâmica nos permitem inferir que toda expansão adiabática é acompanhada de um resfriamento, o qual é denominado efeito calórico e quantificado pela chamada razão de Grüneisen. Em 1908, E. Grüneisen (1877 1949) propôs uma expressão matemática que relaciona o coeficiente de expansão térmica, o calor específico e a compressibilidade isotérmica.
No início dos anos 2000, L. Zhu e co-autores propuseram a chamada razão de Grüneisen, ou seja, a razão entre a contribuição crítica para o coeficiente de expansão térmica e respectivo calor específico a pressão constante. Zhu e colaboradores observaram que a razão de Grüneisen é aumentada expressivamente nas vizinhanças de um ponto crítico quântico devido ao acúmulo de entropia nas vizinhanças do mesmo.
Em 2010, M. de Souza e colaboradores demonstraram que o mesmo ocorre para um ponto crítico à temperatura finita, como é o caso do chamado ponto de crítico de Mott. Em artigo recente, publicado no periódico Results in Physics (fator de impacto 4,565) do grupo Elsevier, pesquisadores da Unesp utilizaram o parâmetro de Grüneisen para descrever aspectos intricados relacionados à expansão do universo.
A dinâmica associada com a expansão do universo é descrita amplamente pela pintura de um fluído perfeito, cuja equação de estado é dada por ω = p/ρ, onde ω é o chamado parâmetro da equação de estado, p a pressão e ρ a densidade de energia do universo. Embora amplamente utilizado na descrição da expansão do universo, o significado físico de ω ainda não havia sido discutido apropriadamente, ou seja, ω era tratado apenas como uma constante para cada era.
Um dos resultados importantes deste trabalho é a identificação de ω como o parâmetro de Grüneisen efetivo por meio da chamada equação de estado de Mie-Grüneisen. Os pesquisadores demonstraram, utilizando o parâmetro de Grüneisen, que o contínuo resfriamento do universo está associado a um efeito barocalórico, o qual por vez está linkado com a expansão adiabática do universo.
Sob esta perspectiva, foi proposto que no caso da era dominada pela energia escura, o parâmetro de Grüneisen depende do tempo. Ainda, utilizando conceitos de Física do estado sólido, como stress e strain, os pesquisadores reportam que o parâmetro de Grüneisen está naturalmente incluído no tensor stress energia-momento presente nas celebradas equações de campo de Einstein, dando origem a uma nova maneira de se investigar efeitos anisotrópicos associados à expansão do universo, os quais estão conectados com a pintura de um possível “big rip” no universo.
Ainda, sob a perspectiva do parâmetro de Grüneisen, os pesquisadores discutem que a mudança entre os regimes de uma expansão desacelerada (era dominada pela radiação e pela matéria) para uma acelerada (era dominada pela energia escura) se assemelha a uma transição de fase termodinâmica.
Tais descobertas abrem um importante novo caminho para se conectar aspectos de Cosmologia e Física da Matéria Condensada em termos do parâmetro de Grüneisen. O artigo publicado constitui parte da tese de doutorado de Lucas Squillante, atualmente pós-doutorando, sob supervisão do Prof. Mariano de Souza. A pesquisa foi proposta e idealizada pelo Prof. Mariano de Souza.
Os pesquisadores Antonio Seridonio (Unesp – Campus de Ilha Solteira) e Roberto E. Lagos-Monaco (Unesp Câmpus de Rio Claro); Gabriel Gomes (Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo, IAG-USP); Guilherme Nogueira (Unesp Câmpus de Rio Claro); e a doutoranda Isys F. Mello, orientanda do Prof. Mariano de Souza, também assinam o artigo.
As pesquisas que levaram à produção do artigo receberam apoio da FAPESP por meio dos projetos 11/22050-4 e 18/094130 e CNPq 302887/2020-2 e 308695/2021-6. O artigo “Exploring the expansion of the universe using the Grüneisen parameter” pode ser acessado em https://doi.org/10.1016/j. rinp.2024.107344 LUCAS SQUILLANTE O artigo publicado constitui parte da tese de doutorado do colaborador, atualmente pósdoutorando.