Nova teoria redefine o que significa ser um fluido
O limite da teoria clássica
Durante cerca de dois séculos, a dinâmica dos fluidos foi descrita principalmente pelas equações de Euler e, depois, pelas equações de Navier-Stokes. Elas são extremamente úteis para modelar o fluxo de líquidos e gases, desde o desenho de asas e hélices até furacões, mudanças climáticas, lava, cinzas vulcânicas e o interior de estrelas. Mas partem de uma aproximação: tratam o fluido como uma substância contínua e perfeitamente suave, ignorando as flutuações decorrentes de sua composição molecular e atômica.
A nova abordagem, desenvolvida ao longo de cerca de 20 anos, reconstrói a teoria dos fluidos a partir de simetrias fundamentais. A proposta se apoia na teoria de campos efetiva, desenvolvida por Kenneth Wilson, que explica por que muitos detalhes microscópicos desaparecem quando se observa um sistema em escalas maiores. Nesse processo, as simetrias determinam a estrutura geral dos termos matemáticos relevantes, enquanto alguns parâmetros preservam uma ligação limitada entre o comportamento macroscópico e a composição microscópica.
A definição por simetrias
A primeira aplicação à dinâmica dos fluidos surgiu de trabalhos em cosmologia. Pesquisadores perceberam que um fluido em repouso e um universo em expansão quebram de modo semelhante a simetria associada à velocidade: em ambos os casos existe um estado de referência que permite distinguir o movimento. Os fluidos também preservam simetrias usuais de rotações e translações.
Outra característica é a possibilidade de trocar entre si parcelas do fluido sem alterar sua energia. Essa simetria de permutação não existe da mesma forma nos sólidos, que resistem à troca de regiões por meio de ruptura ou tensão interna. Ao combinar essas simetrias com o método de Wilson, os pesquisadores conseguiram derivar as equações de Euler para fluidos ideais a partir de princípios fundamentais.
A contribuição dos buracos negros
Para incluir fluidos viscosos e dissipativos, grupos de pesquisa recorreram à conexão entre buracos negros e fluidos quânticos. Sob condições especiais, a superfície de um buraco negro pode ser descrita como uma espécie de “sopa” quântica cuja viscosidade corresponde à capacidade do buraco negro de absorver energia.
A equipe liderada por Hong Liu, com Michael Crossley e Paolo Glorioso, duplicou matematicamente o fluido e fez os dois exemplares evoluírem com relógios em sentidos opostos. Essa construção permitiu representar variações aleatórias e compatibilizar a termodinâmica macroscópica com a simetria entre passado e futuro observada no movimento microscópico dos átomos. Em 2015, o grupo publicou uma teoria efetiva de 110 páginas; versões mais acessíveis, divulgadas em 2018, facilitaram seu uso.
Novos efeitos e uma nova definição
A teoria permite identificar termos pequenos antes ignorados nas equações de Navier-Stokes, relacionados ao movimento molecular aleatório. Luca Delacrétaz calculou que o calor se espalha mais lentamente nos primeiros instantes de um líquido do que o previsto, embora o efeito seja pequeno demais para ser medido na água e mais relevante em sistemas quânticos com poucas partículas.
Andrew Lucas e colaboradores também derivaram uma versão das equações para a matéria fractônica, na qual partículas individuais permanecem presas e só grupos conseguem se mover. Em 2024, o grupo relacionou uma simetria forte, ligada à conservação do número total de partículas, a uma simetria parcialmente quebrada que explica a difusão lenta de substâncias como uma gota de tinta.
A conclusão conceitual é que um fluido pode ser definido não por sua composição, mas por um conjunto específico de simetrias. A estrutura explica por que materiais microscopicamente distintos, como óleo, água e mercúrio, podem apresentar comportamentos de fluxo semelhantes e também abre caminho para prever novos estados de matéria com propriedades fluidas.