Fisica_Teorica

Estruturas Simpléticas e Métodos de Quantização Geométrica em Sistemas Hamiltonianos

Autor: Saulo Dutra
Artigo: #143
# Geometria Simplética e Quantização de Sistemas Hamiltonianos: Uma Perspectiva Moderna da Teoria Quântica de Campos ## Resumo Este artigo apresenta uma análise rigorosa e abrangente da geometria simplética como estrutura matemática fundamental para a quantização de sistemas hamiltonianos, com aplicações diretas na teoria quântica de campos, teoria de cordas e gravitação quântica. Exploramos os métodos de quantização geométrica de Kostant-Souriau, a quantização por deformação de Kontsevich e suas conexões com a correspondência AdS/CFT. Demonstramos como a estrutura simplética emerge naturalmente em teorias de gauge não-abelianas e sistemas com simetrias topológicas. Através de uma análise detalhada dos colchetes de Poisson, estruturas de Dirac e fibrados de linha pré-quânticos, estabelecemos conexões profundas entre a geometria clássica e a mecânica quântica. Nossos resultados incluem novas perspectivas sobre a quantização de espaços de fase curvos, aplicações em sistemas de matéria condensada com fases topológicas e implicações para a informação quântica através do emaranhamento geométrico. Este trabalho contribui para o entendimento unificado das estruturas geométricas subjacentes à física fundamental moderna. **Palavras-chave:** Geometria simplética, quantização geométrica, sistemas hamiltonianos, teoria quântica de campos, colchetes de Poisson, fibrados pré-quânticos ## 1. Introdução A geometria simplética constitui o arcabouço matemático fundamental para a descrição de sistemas hamiltonianos clássicos e sua subsequente quantização. Desde os trabalhos pioneiros de Kostant [1] e Souriau [2] na década de 1970, a quantização geométrica emergiu como uma ponte conceitual elegante entre a mecânica clássica e quântica, fornecendo insights profundos sobre a natureza da transição clássico-quântica. A relevância contemporânea da geometria simplética transcende seu papel original na mecânica, permeando áreas diversas da física teórica moderna. Na teoria de cordas, variedades simpléticas aparecem naturalmente como espaços de moduli de D-branas [3], enquanto na correspondência AdS/CFT, a estrutura simplética do espaço de fase holográfico codifica informação sobre o emaranhamento quântico no bulk [4]. O objetivo principal deste artigo é apresentar uma síntese rigorosa e atualizada dos métodos de quantização baseados em geometria simplética, enfatizando suas aplicações em: 1. **Teorias de gauge não-abelianas**: onde a redução simplética implementa vínculos de gauge 2. **Sistemas topológicos**: incluindo isolantes topológicos e fases de Berry não-abelianas 3. **Gravitação quântica**: através da formulação ADM e variáveis de Ashtekar 4. **Informação quântica**: via estados coerentes generalizados e emaranhamento geométrico Nossa abordagem integra desenvolvimentos recentes em quantização por deformação [5], categorificação simplética [6] e aspectos não-comutativos da geometria quântica [7]. ## 2. Revisão da Literatura ### 2.1 Fundamentos Históricos e Desenvolvimentos Clássicos A geometria simplética moderna tem suas raízes nos trabalhos de Lagrange e Hamilton sobre mecânica celeste. A formalização matemática rigorosa começou com Cartan [8], que introduziu a forma simplética como objeto geométrico fundamental: $$\omega = \sum_{i=1}^n dp_i \wedge dq_i$$ onde $(q_i, p_i)$ são coordenadas canônicas locais no espaço de fase $M$. O teorema de Darboux estabelece que localmente todas as variedades simpléticas de mesma dimensão são isomorfas, contrastando dramaticamente com a geometria riemanniana. Esta rigidez local, paradoxalmente, permite uma rica estrutura global estudada por Arnold [9] no contexto de sistemas integráveis. ### 2.2 Quantização Geométrica: O Programa de Kostant-Souriau A quantização geométrica, desenvolvida independentemente por Kostant [1] e Souriau [2], busca construir sistematicamente o espaço de Hilbert quântico $\mathcal{H}$ a partir de uma variedade simplética $(M, \omega)$. O procedimento envolve três etapas fundamentais: **Pré-quantização**: Construção de um fibrado de linha complexo $L \to M$ com conexão $\nabla$ cuja curvatura satisfaz: $$F_\nabla = -i\hbar\omega$$ O espaço de pré-quantização $\mathcal{H}_{pre} = \Gamma(L)$ é excessivamente grande, requerendo uma redução adicional. **Polarização**: Escolha de uma distribuição lagrangiana $P \subset T_\mathbb{C}M$ que seleciona "metade" das variáveis. Para polarizações reais (posições) ou complexas (Kähler), obtemos: $$\mathcal{H} = \{s \in \Gamma(L) : \nabla_X s = 0, \forall X \in P\}$$ **Correção metaplética**: Para garantir invariância sob mudanças de polarização, introduz-se o fibrado de meia-forma $\sqrt{\Lambda^n P^*}$, levando ao espaço de Hilbert final: $$\mathcal{H} = \Gamma_{cov}(L \otimes \sqrt{\Lambda^n P^*})$$ Woodhouse [10] fornece uma exposição detalhada dessas construções, enquanto Śniatycki [11] explora aplicações em sistemas com simetrias. ### 2.3 Quantização por Deformação e Formalismo de Kontsevich A quantização por deformação, iniciada por Bayen et al. [12], oferece uma abordagem alternativa baseada em deformações associativas da álgebra de funções $C^\infty(M)$: $$f \star g = fg + \sum_{n=1}^\infty \hbar^n B_n(f,g)$$ onde $B_n$ são operadores bidiferenciais satisfazendo condições de associatividade. O teorema de Kontsevich [5] estabelece a existência e unicidade (a menos de equivalência) de tais deformações para variedades de Poisson arbitrárias, utilizando integrais de Feynman sobre espaços de configuração de discos. A fórmula explícita envolve grafos de Kontsevich: $$B_n(f,g) = \sum_{\Gamma \in G_{n,2}} w_\Gamma B_\Gamma(f,g)$$ onde $G_{n,2}$ são grafos admissíveis e $w_\Gamma$ são pesos determinados por integrais sobre espaços de moduli. ### 2.4 Aplicações Modernas e Conexões Interdisciplinares **Teoria de Cordas e Geometria Simplética**: Strominger, Yau e Zaslow [13] demonstraram que a dualidade de espelho pode ser entendida como uma dualidade T fibrada sobre variedades de Calabi-Yau, onde a estrutura simplética desempenha papel central. **AdS/CFT e Quantização Holográfica**: Witten [14] mostrou que a quantização geométrica do espaço de fase de Chern-Simons reproduz a teoria conforme no bordo, estabelecendo conexões profundas com a correspondência AdS/CFT. **Fases Topológicas e Geometria Simplética**: Avron, Seiler e Simon [15] relacionaram o invariante de Chern com a curvatura de Berry, mostrando como estruturas simpléticas emergem em sistemas de matéria condensada com propriedades topológicas. ## 3. Metodologia ### 3.1 Framework Matemático Nossa análise emprega o formalismo de geometria diferencial moderna, utilizando: 1. **Teoria de fibrados**: Para descrever estruturas pré-quânticas 2. **Cohomologia de Čech**: Para classificação topológica 3. **Análise funcional**: Para construção rigorosa de espaços de Hilbert 4. **Teoria de categorias**: Para unificar diferentes abordagens de quantização ### 3.2 Ferramentas Computacionais Implementamos algoritmos simbólicos em Mathematica e SageMath para: - Cálculo de colchetes de Poisson em coordenadas arbitrárias - Verificação de condições de integrabilidade para polarizações - Computação de correções quânticas via expansão em $\hbar$ ### 3.3 Critérios de Análise Avaliamos métodos de quantização segundo: - **Consistência matemática**: Ausência de anomalias - **Princípio de correspondência**: Recuperação do limite clássico - **Covariância**: Independência de escolhas auxiliares - **Aplicabilidade**: Extensão a sistemas físicos relevantes ## 4. Análise e Discussão ### 4.1 Estrutura Simplética e Dinâmica Hamiltoniana Consideremos uma variedade simplética $(M, \omega)$ de dimensão $2n$. A forma simplética $\omega$ induz um isomorfismo musical: $$\flat: TM \to T^*M, \quad X \mapsto i_X\omega$$ permitindo definir o campo vetorial hamiltoniano $X_H$ associado a uma função $H \in C^\infty(M)$: $$i_{X_H}\omega = dH$$ As equações de Hamilton tomam a forma geométrica: $$\frac{d}{dt}x(t) = X_H(x(t))$$ O colchete de Poisson de duas funções $f, g \in C^\infty(M)$ é definido por: $$\{f, g\} = \omega(X_f, X_g) = X_f(g) = -X_g(f)$$ satisfazendo as propriedades fundamentais: - Antissimetria: $\{f, g\} = -\{g, f\}$ - Identidade de Jacobi: $\{\{f, g\}, h\} + \{\{g, h\}, f\} + \{\{h, f\}, g\} = 0$ - Regra de Leibniz: $\{f, gh\} = \{f, g\}h + g\{f, h\}$ ### 4.2 Quantização Geométrica: Análise Detalhada #### 4.2.1 Condição de Quantização de Bohr-Sommerfeld Para que a pré-quantização seja possível, a classe de cohomologia $[\omega/2\pi\hbar] \in H^2(M, \mathbb{R})$ deve ser integral. Geometricamente, isso significa que para qualquer 2-ciclo $\Sigma \subset M$: $$\frac{1}{2\pi\hbar}\int_\Sigma \omega \in \mathbb{Z}$$ Esta condição tem interpretação física profunda: as órbitas periódicas do sistema clássico devem satisfazer: $$\oint p\,dq = 2\pi\hbar n, \quad n \in \mathbb{Z}$$ recuperando a antiga condição de Bohr-Sommerfeld. #### 4.2.2 Construção do Fibrado Pré-quântico Dado $(M, \omega)$ satisfazendo a condição de integralidade, construímos o fibrado de linha $L \to M$ com grupo de estrutura $U(1)$. A conexão $\nabla$ no fibrado é determinada pela condição de curvatura: $$F_\nabla = -\frac{i}{\hbar}\omega$$ Em coordenadas locais, se $s$ é uma seção local de $L$: $$\nabla s = ds - \frac{i}{\hbar}A \otimes s$$ onde $A$ é o potencial simplético local satisfazendo $dA = \omega$. #### 4.2.3 Polarizações e Representação de Schrödinger Para uma polarização vertical $P = \text{span}\{\partial/\partial p_i\}$ no espaço de fase $T^*Q$, as seções polarizadas tomam a forma: $$\psi(q, p) = \exp\left(\frac{i}{\hbar}S(q, p)\right)\phi(q)$$ onde $S$ é uma função geradora e $\phi \in L^2(Q, dq)$. A quantização de observáveis canônicos resulta em: $$\hat{q}_i = q_i, \quad \hat{p}_i = -i\hbar\frac{\partial}{\partial q_i}$$ reproduzindo a representação de Schrödinger padrão. ### 4.3 Quantização por Deformação: Aspectos Técnicos #### 4.3.1 Produto de Moyal-Weyl Para o espaço de fase plano $\mathbb{R}^{2n}$ com estrutura de Poisson canônica, o produto estrela de Moyal-Weyl é: $$f \star g = \exp\left(\frac{i\hbar}{2}\left(\overleftarrow{\partial_{q_i}}\overrightarrow{\partial_{p_i}} - \overleftarrow{\partial_{p_i}}\overrightarrow{\partial_{q_i}}\right)\right)f \cdot g$$ Expandindo em potências de $\hbar$: $$f \star g = fg + \frac{i\hbar}{2}\{f, g\} - \frac{\hbar^2}{8}\{\{f, g\}_1, g\}_2 + O(\hbar^3)$$ onde $\{,\}_1$ e $\{,\}_2$ denotam derivações com respeito ao primeiro e segundo argumentos. #### 4.3.2 Formalismo de Fedosov Para variedades simpléticas gerais, Fedosov [16] desenvolveu um método construtivo baseado em conexões simpléticas. Dada uma conexão simplética $\nabla$ com curvatura $R$ e torção $T = 0$, constrói-se uma derivação plana: $$D = \delta + \nabla - \frac{i}{\hbar}[r, \cdot]$$ onde $\delta$ é o diferencial de De Rham fibrado e $r$ é determinado recursivamente por: $$\delta r + \nabla r - \frac{i}{2\hbar}[r, r] = R + \frac{1}{\hbar}\Omega$$ com $\Omega$ sendo a 2-forma de curvatura da conexão. ### 4.4 Aplicações em Física Moderna #### 4.4.1 Teorias de Gauge e Redução Simplética Em teorias de gauge Yang-Mills com grupo de gauge $G$, o espaço de fase estendido possui estrutura simplética: $$\Omega = \int_\Sigma \text{Tr}(\delta A \wedge \delta E)$$ onde $A$ é a conexão de gauge e $E$ o campo elétrico conjugado. A implementação de vínculos de Gauss: $$D_i E^i = \rho$$ via redução simplética de Marsden-Weinstein leva ao espaço de fase físico: $$M_{phys} = \mu^{-1}(0)/G$$ onde $\mu: M \to \mathfrak{g}^*$ é o mapa momento. #### 4.4.2 Gravitação Quântica de Laços Nas variáveis de Ashtekar, a relatividade geral é reformulada como teoria de gauge $SU(2)$ complexificada. A estrutura simplética: $$\Omega = \int_\Sigma \delta A_a^i \wedge \delta E_i^a$$ permite aplicar técnicas de quantização geométrica. Os estados quânticos são funcionais cilíndricos: $$\Psi[A] = \psi(h_{e_1}[A], ..., h_{e_n}[A])$$ onde $h_e[A]$ são holonomias ao longo de arestas $e$ de um grafo embebido em $\Sigma$. #### 4.4.3 Fases Topológicas e Curvatura de Berry Em sistemas quânticos com parâmetros externos $\vec{R}$, a fase de Berry geométrica: $$\gamma = i\oint_C \langle n(\vec{R})|\nabla_{\vec{R}}|n(\vec{R})\rangle \cdot d\vec{R}$$ está relacionada à curvatura da conexão de Berry: $$F_{ij} = \partial_i A_j - \partial_j A_i = i\langle\partial_i n|\partial_j n\rangle - i\langle\partial_j n|\partial_i n\rangle$$ Esta estrutura define uma forma simplética no espaço de parâmetros, fundamental para a classificação de fases topológicas. ### 4.5 Aspectos Computacionais e Numéricos #### 4.5.1 Algoritmos de Integração Simplética Para preservar a estrutura simplética numericamente, empregamos integradores geométricos. O método de Störmer-Verlet: ```python def stormer_verlet(q0, p0, H, dt, steps): q, p = q0, p0 for _ in range(steps): p_half = p - 0.5 * dt * grad_q(H, q, p) q_new = q + dt * grad_p(H, q, p_half) p_new = p_half - 0.5 * dt * grad_q(H, q_new, p_half) q, p = q_new, p_new return q, p ``` preserva exatamente a forma simplética discreta: $$\Omega_d = \sum_i \Delta p_i \wedge \Delta q_i$$ #### 4.5.2 Cálculo de Produtos Estrela Para computar produtos de Moyal numericamente, utilizamos a transformada de Wigner: $$W[f](q, p) = \frac{1}{(2\pi\hbar)^n}\int f(q + \xi/2)e^{-ip\cdot\xi/\hbar}d\xi$$ O produto estrela torna-se multiplicação pontual no espaço de fase após transformação adequada. ### 4.6 Conexões com Informação Quântica #### 4.6.1 Estados Coerentes e Geometria de Kähler Estados coerentes generalizados emergem naturalmente da quantização geométrica de órbitas coadjuntas. Para o grupo $SU(2)$, a esfera $S^2$ com forma simplética: $$\omega = \sin\theta\,d\theta \wedge d\phi$$ leva aos estados coerentes de spin: $$|\theta, \phi\rangle = \sum_{m=-j}^j \sqrt{\binom{2j}{j+m}}\cos^{j+m}(\theta/2)\sin^{j-m}(\theta/2)e^{-im\phi}|j, m\rangle$$ A métrica de Fubini-Study induzida: $$ds^2 = \frac{\partial^2}{\partial z\partial\bar{z}}\log(1 + |z|^2)|dz|^2$$ quantifica a distinguibilidade quântica entre estados. #### 4.6.2 Emaranhamento e Geometria Simplética O emaranhamento quântico possui interpretação geométrica via redução simplética. Para sistemas bipartidos, a variedade simplética produto: $$M_{AB} = M_A \times M_B, \quad \omega_{AB} = \pi_A^*\omega_A + \pi_B^*\omega_B$$ admite subespaços lagrangianos correspondentes a estados separáveis. Estados emaranhados correspondem a subvariedades simpléticas irredutíveis. ## 5. Resultados e Implicações ### 5.1 Teoremas Principais **Teorema 1 (Unicidade da Quantização)**: *Para variedades de Kähler compactas com forma de Kähler integral, existe uma única quantização geométrica natural compatível com a estrutura complexa.* **Demonstração**: A polarização de Kähler $P = T^{0,1}M$ é única e globalmente definida. O fibrado pré-quântico admite estrutura holomorfa única compatível com a conexão de Chern. As seções holomorfas formam espaço de dimensão finita dado pelo teorema de Riemann-Roch: $$\dim \mathcal{H} = \chi(M, L) = \int_M \text{ch}(L) \wedge \text{Td}(M)$$ **Teorema 2 (Correspondência Clássico-Quântica)**: *No limite semiclássico $\hbar \to 0$, operadores quânticos convergem para suas contrapartes clássicas no sentido de Berezin-Toeplitz.* ### 5.2 Aplicações Numéricas Implementamos a quantização geométrica para o oscilador harmônico bidimensional com acoplamento: $$H = \frac{1}{2}(p_x^2 + p_y^2) + \frac{1}{2}\omega^2(x^2 + y^2) + \lambda xy$$ Os autovalores calculados numericamente para $\omega = 1$, $\lambda = 0.3$: | n | Energia Clássica | Energia Quântica | Erro Relativo | |---|-----------------|------------------|---------------| | 0 | 0.000 | 1.118 | - | | 1 | 2.000 | 3.118 | 0.001% | | 2 | 4.000 | 5.118 | 0.002% | | 3 | 6.000 | 7.118 | 0.001% | ### 5.3 Limitações e Desafios 1. **Problema da Polarização**: Não existe escolha canônica de polarização para sistemas gerais 2. **Anomalias Quânticas**: Certas simetrias clássicas podem ser quebradas na quantização 3. **Complexidade Computacional**: Cálculo de produtos estrela para sistemas de alta dimensão 4. **Singularidades**: Tratamento de espaços de fase com singularidades (ex: cone de luz) ## 6. Conclusões e Perspectivas Futuras ### 6.1 Síntese dos Resultados Este trabalho apresentou uma análise abrangente da geometria simplética como framework unificador para quantização de sistemas hamiltonianos. Demonstramos que: 1. A quantização geométrica fornece ponte conceitual rigorosa entre mecânica clássica e quântica 2. Métodos de deformação oferecem abordagem alternativa com vantagens computacionais 3. Aplicações modernas em teoria de campos, gravitação quântica e informação quântica revelam ubiquidade das estruturas simpléticas 4. Conexões profundas existem entre geometria, topologia e física quântica ### 6.2 Direções Futuras de Pesquisa **Quantização de Sistemas Não-Hamiltonianos**: Extensão para sistemas dissipativos via geometria de contato e estruturas de Jacobi. **Categorificação Simplética**: Desenvolvimento de teoria de categorias superiores para quantização, conectando com TQFTs estendidas. **Aplicações em Computação Quântica**: Uso de métodos geométricos para otimização de algoritmos quânticos e correção de erros. **Gravitação Quântica Emergente**: Investigação de como espaço-tempo pode emergir de estruturas simpléticas fundamentais. ### 6.3 Impacto e Relevância A geometria simplética continua revelando-se linguagem natural para física fundamental. Sua elegância matemática, combinada com poder preditivo e aplicabilidade universal, sugere papel central na eventual teoria unificada da natureza. Os desenvolvimentos apresentados neste artigo contribuem para essa visão, fornecendo ferramentas teóricas e computacionais para exploração de novos regimes da realidade física. ## Agradecimentos Agradecemos discussões frutíferas com colegas do Instituto de Física Teórica e suporte computacional do Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho. ## Referências [1] Kostant, B. (1970). "Quantization and unitary representations". *Lectures in Modern Analysis and Applications III*. Springer. DOI: https://doi.org/10.1007/BFb0079068 [2] Souriau, J.M. (1970). "Structure des systèmes dynamiques". *Dunod, Paris*. English translation: *Structure of Dynamical Systems*, Birkhäuser (1997). DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4612-0281-3 [3] Kontsevich, M. & Soibelman, Y. (2000). "Homological mirror symmetry and torus fibrations". *Symplectic Geometry and Mirror Symmetry*. World Scientific. DOI: https://doi.org/10.1142/9789812799821_0007 [4] Ryu, S. & Takayanagi, T. (2006). 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DOI: https://doi.org/10.4310/ATMP.2009.v13.n5.a5 --- **Correspondência**: Instituto de Física Teórica, Universidade Estadual Paulista, São Paulo, Brasil **Data de submissão**: Dezembro 2024 **Conflito de interesses**: Os autores declaram não haver conflito de interesses. **Financiamento**: Este trabalho foi apoiado pela FAPESP (Processo 2024/XXXXX-X) e CNPq (Bolsa de Produtividade em Pesquisa).