Engenheiros transformam ruido em visão

Ruido é usado para criar imagens mais nítidas

Ajustando uma tensão elétrica sobre o cristal de niobato de estrôncio e bário, os pesquisadores conseguiram de "sintonizar" uma imagem nítida no monitor.[Imagem: Jason Fleischer/Dmitry Dylov]

Uma nova técnica capaz de criar imagens nítidas de objetos escondidos poderá um dia permitir que os pilotos enxerguem além da neblina e os médicos vejam mais precisamente o interior do corpo humano sem a necessidade de uma cirurgia.

Desenvolvido por engenheiros da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, o método baseia-se na surpreendente possibilidade de aumentar a nitidez de uma imagem usando os mesmos raios de luz que normalmente borram a imagem, fazendo-a ficar irreconhecível.

Interação entre ruído e sinal

"Normalmente, o ruído é considerado uma coisa ruim," afirma Jason Fleischer, um dos criadores da nova técnica. "Mas às vezes o ruído e o sinal podem interagir, e a energia do ruído pode ser usada para amplificar o sinal. Para sinais fracos, como imagens distantes ou muito escuras, na verdade a adição de ruído pode melhorar a sua qualidade."

Para demonstrar isto, os pesquisadores restauraram uma imagem obscurecida em um padrão claro de números e linhas. O processo equivale a melhorar a recepção de TV usando a parte do sinal de transmissão que dá o chiado ou a interferência às imagens.

A capacidade de amplificar sinais dessa forma pode ser utilizada para melhorar uma ampla gama de tecnologias baseadas na transmissão de sinais, incluindo os ultrassons que os médicos utilizam para ver imagens dos bebês ainda no útero e os sistemas de radar que os pilotos usam para navegar através das tempestades.

A técnica também abre caminho para tecnologias como óculos de visão noturna, inspeção de estruturas submarinas, como oleodutos ou pilares de pontes, e até na esteganografia, a prática de mascarar sinais para fins de segurança.

Ruído nas imagens

Em seu experimento, Fleischer e seu colega Dmitry Dylov primeiro disparam um feixe de laser através de um pequeno pedaço de vidro gravado com números e linhas, semelhantes aos cartões utilizados pelos oftalmologistas.

O laser "imprimiu" a imagem dos números e das linhas em um receptor conectado a um monitor de vídeo, que exibiu claramente o padrão.

A seguir, eles colocaram um pedaço de plástico translúcido entre o vidro e o receptor.

O plástico dispersou a luz do laser antes que ela chegasse ao receptor, tornando o sinal visual tão cheio de ruído que os números e as linhas do padrão tornaram-se irreconhecíveis no monitor, de maneira parecida com o que acontece quando a fumaça ou a neblina obstruem a visão de uma pessoa.

Substância não-linear

A parte essencial da experiência veio quando Fleischer e Dylov colocaram outro objeto no caminho do feixe de laser.

Exatamente na frente do receptor, eles montaram um cristal de niobato de estrôncio e bário (SBN), um material que pertence a uma classe de substâncias conhecidas como "não-lineares" por sua capacidade de alterar o comportamento da luz de forma estranha - neste caso, o cristal não-linear mistura diferentes partes da imagem, permitindo que o sinal e o ruído interajam.

Ajustando uma tensão elétrica sobre o cristal de SBN, os pesquisadores conseguiram de "sintonizar" uma imagem nítida no monitor.

O SBN reuniu os raios que tinham sido espalhados pelo plástico translúcido e usou sua energia para aumentar a nitidez da tênue imagem de linhas e números.

"Nós usamos o ruído para alimentar os sinais," afirma Dylov. "É como se você tirasse uma foto de uma pessoa no escuro, e nós aumentamos o brilho da pessoa e tornamos o fundo mais escuro para que você possa vê-la. O contraste faz com que a pessoa se destaque."

Ressonância estocástica

A técnica, conhecida como "ressonância estocástica", só funciona com uma quantidade determinada de ruído, já que o excesso pode sobrecarregar o sinal.

Com base nos resultados de sua experiência, Fleischer e Dylov desenvolveram uma nova teoria sobre como os sinais cheios de ruido movem-se através de materiais não-lineares, combinando conceitos das áreas de física estatística, teoria da informação e óptica.

Agora eles planejam incorporar sua técnica de processamento de sinais para melhorar a clareza das imagens no campo do imageamento médico, incluindo os exames que usam o som e o ultrassom em vez da luz.

Medição de partículas brownianas revela erro de Einstein

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/05/2010

Uma esfera de sílica de 5 micrômetros de diâmetro é levitada no ar por um único feixe de laser vindo de baixo. Esta armadilha óptica é formada pelo equilíbrio entre a força do laser, agindo de baixo para cima, e a ação da gravidade, puxando a esfera para baixo.[Imagem: Tongcang Li]

Erros de Einstein

Em 1905, Albert Einstein não publicou apenas a sua Teoria da Relatividade Restrita.

Em um artigo que já bastaria para tê-lo colocado na história da física, ele estudou o chamado movimento Browniano, afirmando ser impossível observar a velocidade instantânea de partículas muito pequenas porque elas se agitam e vibram o tempo todo.

Mas uma equipe de cientistas da Universidade do Texas, nos Estados Unidos, afirma ter provado que Einstein estava errado nessa afirmação - não em sua teoria, mas em sua afirmação de que o experimento não poderia ser realizado.

Aparentemente, Einstein era melhor físico do que profeta.

Medição do movimento Browniano

"Esta é a primeira observação da velocidade instantânea de uma partícula Browniana," afirma Mark Raizen, coordenador da equipe. "Era uma previsão de Einstein que se manteve sem verificação por 100 anos. Ele propôs um teste para observar a velocidade em 1907, mas afirmou que o experimento não poderia ser realizado."

Certamente isso era verdade em 1907. Vale lembrar que as suas teorias já eram inovadoras e bem fundamentadas o bastante para fazer com que os físicos aceitassem definitivamente a existência de átomos e moléculas, algo extremamente controverso na época.

Se propor que essas partículas poderiam ser observadas diretamente no futuro já poderia ser considerado algo próximo a uma alucinação - os céticos da época eram muito tenazes em suas oposições - Einstein teria sido definitivamente internado em um sanatório se tivesse dito que partículas de vidro um dia poderiam ser presas e suspensas no ar por pinças ópticas.

Mas foi justamente isso o que os pesquisadores fizeram agora.

Levitação de partículas

Configuração do experimento que permitiu a medição do movimento browniano de uma partícula. [Imagem: Li et al./Science]

Usando dois feixes de laser para segurar as partículas no ar, os cientistas usaram uma placa - um transdutor - para gerar vibrações ultrassônicas e sacudi-las de forma aleatória e em alta velocidade, simulando a vibração das moléculas.

O ar é um meio menos denso do que um líquido, o que torna as colisões entre as partículas menos frequentes e, portanto, suas variações de direção demoram mais para ocorrer.

Isso permitiu que as variações impostas pelo movimento da partícula na luz do laser pudessem ser medidas com precisão a cada 5 microssegundos.

Teorema da Equipartição

As medições foram suficientes para demonstrar que o chamado Teorema da Equipartição permanece válido para a previsão do movimento browniano de uma partícula. Este teorema é um dos fundamentos básicos da chamada mecânica estatística.

Em seu trabalho de 1907, Einstein previu que a energia cinética de uma partícula é proporcional à temperatura do seu meio - o Teorema da Equipartição - e não de sua massa ou tamanho.

Foi a verificação experimental dessa ideia que ele afirmou ser "impossível", porque o número imenso de colisões que as partículas brownianas sofrem faz com que sua direção e velocidade mudem rápido demais.

Novos problemas e novas soluções

Os cientistas afirmam que o experimento abre o caminho para que as partículas em movimento possam ser levadas até próximo ao seu estado quântico, que poderá ser observado diretamente.

"Nós agora observamos a velocidade instantânea de uma partícula Browniana," diz Raizen. "Em certo sentido, estamos fechando uma porta sobre esse problema na física. Mas nós estamos de fato abrindo uma outra porta muito mais larga para futuros testes do Teorema da Equipartição em nível quântico."

O cientista acredita que, no nível quântico, o Teorema da Equipartição falhará, levando a novos problemas e à busca de outras soluções para a mecânica quântica das partículas muito pequenas, mas compostas de muitos átomos.

Três bons livros .