sábado, 28 de novembro de 2015

1822-De que se compõe o Universo?


O Universo se compõe de energia e informação

Introdução

Sem energia nada há. Os argumentos podem ser eloquentes. O planeta Terra tem na água a sua base, tanto quanto o corpo humano. Somos água. Mas o que organiza tudo, todos os componentes químicos da natureza, começando pelas estrelas e acabando nos componentes do átomo, é a energia. Mas, a energia sozinha nada produz. Carece de informação. Aí entra a mente. Podemos aqui incluir uma mente supra poderosa, que eu e você podemos chamar de mente de Deus, quiçá uma hierarquizada composição de mentes intermediárias passando pelo ser humano e chegando a muitas outras mentes que estão abaixo desse nível. A organização da construção ordenada dos sistemas e organismos pertence à mente.

É onde este artigo quer chegar.

Mas, antes, vamos dar uma olhadinha para o que existe para a gente estudar.

Forças Fundamentais da Natureza

A Natureza possui 4 forças básicas:

Gravidade – que mantém os planetas em órbita;

Eletromagnetismo – que responde pela luz, pelo calor, pela eletricidade e tudo que está relacionado à energia;

Interação forte – que mantém unido o núcleo do átomo;

Interação fraca – que responde pela transmutação dos elementos e pela decomposição radiativa.

Sabemos que existem apenas 4 forças, ou interações, fundamentais na natureza. São elas a interação gravitacional, a interação eletromagnética, a interação forte e a interação fraca, explicadas a seguir.

Nome da Força Fundamental/intensidade/teoria/mediador:

1.Forte – 10 – cromodinâmica quântica – gluon

2.Eletromagnética – 10-2 – eletrodinâmica – fóton

3.Fraca – 10-13 – flavordinâmica – W± e Z0

4.Gravitacional – 10-42 – geometrodinâmoca - graviton

Explicando a Intensidade:
 
Os valores acima atribuídos para as intensidades das forças não devem ser considerados de modo absoluto. Você verá valores bastante diferentes em vários livros, em particular no que diz respeito à força fraca. O cálculo desta intensidade depende da natureza da fonte e a que distância estamos fazendo a medição. O que importante notar é a razão entre elas: a força gravitacional é, de longe, a mais fraca entre todas, porém é a de maior alcance, sendo a responsável pela estabilidade dinâmica de todo o Universo.


Explicando a Teoria:

Vê-se que cada força está associada a uma teoria física, cada uma com seus conceitos. Alguns detalhes:


Força Gravitacional - A teoria clássica da gravitação é a lei de Newton, da Gravitação Universal. Sua generalização relativística é a teoria da Gravitação de Einstein, também chamada de Teoria da Relatividade Geral de Einstein. O melhor termo para ela seria Geometrodinâmica, uma vez que a relatividade geral geometriza a gravitação. Para descrever os estágios iniciais da formação do Universo precisamos de uma teoria quântica da gravitação, algo que os físicos ainda não possuem, apesar dos enormes esforços desenvolvidos para isto.

Explicando a Eletrodinâmica:

Esta é a teoria física que descreve os fenômenos elétricos e magnéticos, ou seja, as forças eletromagnéticas. A formulação clássica da Eletrodinâmica foi feita por James Clerk Maxwell. A teoria clássica construída por Maxwell já era consistente com a teoria da relatividade especial de Einstein. O "casamento" desta teoria com a mecânica quântica, ou seja, com a construção de uma "Eletrodinâmica Quântica", foi realizada por grandes nomes da física tais como Feynman, Tomonaga e Schwinger, nos anos que compõem a década de 1940.

Explicando a Força Fraca:

As forças fracas são aquelas que explicam os processos de decaimento radiativo, tais como o decaimento beta nuclear, o decaimento do pion, do muon e de várias partículas "estranhas". É interessante notar que esta força não era conhecida pela física clássica e que sua formulação como teoria é estritamente quântica. A primeira teoria das interações fracas foi apresentada por Fermi em 1933. Mais tarde ela foi aperfeiçoada por Lee, Yang, Feynman, Gell-Mann e vários outros nos anos da década de 1950. Sua forma atual é devida a Glashow, Weinberg e Salam, que a propuseram nos anos da década de 1960. A nova teoria das interações fracas, que é chamada de flavordinâmica por causa de uma das propriedades intrínsecas das partículas elementares, é mais justamente conhecida como Teoria de Glashow-Weinberg-Salam. Nesta teoria, as interações fraca e eletromagnética são apresentadas como manifestações diferentes de uma única força, a força eletrofraca. Esta unificação entre a interação fraca e a interação eletromagnética reduz o número de forças existentes no Universo a apenas 3: força gravitacional, força forte e força eletrofraca.

Mais um pouco sobre Força fraca:

Em 1896, Henry Becquerel obteve os primeiros indícios da força nuclear fraca na descoberta da radioatividade. Nos anos 30 houve um grande impulso no entendimento desta força: naquele tipo particular de radioatividade descoberto por Becquerel um nêutron dentro do núcleo atômico se transforma em um próton, criando, ao mesmo tempo, um elétron e uma outra partícula conhecida como antineutrino, ambas lançadas para fora do núcleo. Esse evento, conhecido como decaimento beta não podia ser consequência de outros tipos de forças. A força nuclear forte mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo e a eletromagnética tenta separar os prótons. A força gravitacional não faz nada do gênero.

Inicialmente houve grande confusão em relação a essa força. Os físicos não gostavam da teoria: ela funcionava bem para o decaimento beta, mas quando era aplicada a processos mais exóticos fornecia resultados sem sentido.

Em 1967, o paquistanês radicado na Inglaterra Abdus Salam e o americano Steven Weinberg propuseram teorias que unificavam estas interações com a força eletromagnética , exatamente como Maxwell unificara eletricidade e magnetismo cerca de cem anos antes.

Ambos sugeriram que, além dos fótons, existiam outras partículas, tipo fótons, que eram previstas teoricamente: partículas W eletricamente carregadas, positivamente e negativamente, cuja troca induz a força fraca da radioatividade beta e partículas Z, neutras. o W significa fraco, em inglês weak. A partícula irmã, foi batizada de Z por Weinberg porque tinha carga zero e por ser Z a última letra do alfabeto. (Weinberg esperava que esta fosse a última partícula da família).

Na teoria de Weinberg e Salam, o fóton, cuja emissão e absorção produz a força eletromagnética, e as partículas W e Z, sob energias maiores do que 100 GeV, atuariam da mesma maneira. Sob energias mais baixas, esta simetria entre as partículas W positivo, W negativo e Z nulo seria quebrada e todas elas ganhariam massas volumosas tornando o alcance das forças que carregam muito pequeno. Naquela época poucas pessoas acreditavam na teoria e, além disso, não existia acelerador de partículas potente o suficiente para atingir 100 GeV.

Em 1978, um novo experimento em Stanford mediu a força fraca entre elétrons e núcleos atômicos confirmando o que a teoria tinha previsto e em 1979 Weinberg e Salam foram indicados para o Prêmio Nobel de Física. Em 1983 um grupo de várias centenas de físicos, sob a batuta de Carlos Rubbia, descobriu a partícula W, e em 1984, a partícula Z cujas existências e propriedades já haviam sido previstas na teoria original. Rubbia recebeu o Prêmio Nobel em 1984.

Explicando a Força Forte:

As forças fortes são aquelas responsáveis pelos fenômenos que ocorrem a curta distância no interior do núcleo atômico. A estabilidade nuclear está associada à força forte. É ela que mantém o núcleo unido evitando que os prótons que os constituem, por possuírem a mesma carga elétrica, simplesmente sofram uma intensa repulsão e destruam o próprio átomo. Se a força forte não existisse a matéria que forma o Universo, tal como o conhecemos, também não existiria. Prótons e nêutrons não conseguiriam se formar. Nós, seres humanos, não poderíamos existir. O trabalho pioneiro sobre as forças fortes foi realizado por Yukawa em 1934 mas até meados da década de 1970 não havia, realmente, uma teoria capaz de explicar os fenômenos nuclear. Foi então que surgiu a cromodinâmica quântica.


Miais um pouco sobre Força forte:

Essa força mantém os quarks juntos no próton e no nêutron, e estes reunidos no núcleo do átomo. Provavelmente essa força deve ser conduzida por outra partícula de spin-1, conhecida como glúon, que interage consigo mesma e com os quarks.

A força nuclear forte apresenta uma curiosa propriedade, chamada confinamento: ela sempre liga partículas reunidas em combinações incolores. Não se pode ter um único quark em si mesmo porque ele teria uma cor (vermelha, verde ou azul). Em vez disso, um quark vermelho tem que ser ligado a um verde e a outro azul por uma 'fileira' de glúons (vermelho + verde + azul = branco). Tal trio constitui um próton ou um nêutron.

Outra possibilidade é um par composto de um quark e um antiquark (vermelho + antivermelho, ou verde+antiverde, ou azul + antiazul = branco). Tais combinações produzem as partículas conhecidas como mésons, que são instaveis porque o quark e o antiquark podem se anular, produzindo elétrons e outras partículas. Da mesma forma, o confinamento evita que se tenha um único glúon em si mesmo, porque os glúons também têm cor. Em vez disso, é preciso que se tenha um conjunto de glúons cujas cores se somem no branco. Tal conjunto forma uma partícula instável, chamada glueball.

O fato de que o confinamento evita que se observe um quark isolado, ou um glúon, pode parecer criar toda a noção dos quarks e glúons como partículas de alguma forma metafísicas. Entretanto, há uma outra propriedade da força nuclear forte, chamada liberdade assintótica, que torna bem definidos os conceitos de quarks e glúons. A energias normais, a força nuclear forte é realmente forte e liga os quarks muito intimamente. Entretanto, experimentos com grandes aceleradores de partículas indicam que, em altas energias, a força forte se torna muito mais fraca, e que os quarkse gluons se comportam como partículas independentes.

Explicando os Mediadores:

Após a física ter abandonado o conceito de "ação-a-distância", foi introduzido o conceito de "campo". Cada partícula criava à sua volta uma perturbação, seu "campo", que era sentido pelas outras partículas. A Teoria Quântica de Campos (TQC) introduziu o conceito de "mediadores". Segundo a TQC cada uma das forças que existem na natureza é mediada pela troca de uma partícula que é chamada de "mediador". Estes mediadores transmitem a força entre uma partícula e outra. Assim, a força gravitacional é mediada por uma partícula chamada graviton. A força eletromagnética é mediada pelo fóton, a força forte pelos gluons e as forças fracas pelas partículas W± e Z0, que são chamadas de bósons vetoriais intermediários. Isto complica ainda mais o estudo das interações entre as partículas. Veja que antes descrevíamos a interação entre dois prótons como sendo a interação entre duas partículas. Hoje, sabendo que os prótons são partículas compostas por 3 quarks, vemos que a interação entre dois prótons é, na verdade, uma interação entre 6 quarks que trocam gluons incessantemente durante todo o processo. Só para te avisar, existem 8 tipos de gluons. Como você pode ver, aqui não existe simplicidade.

Explicando a Gravidade:

Uma definição fácil para essa força: tudo atrai todo o resto. Além disso, essa força é universal, isto é, age sobre qualquer partícula.

A força gravitacional é, de longe, a mais fraca de todas. É muito, muito fraca mesmo. Tão fraca que seria praticamente impossível percebê-la, não fosse duas propriedades fundamentais:
1- é sempre atrativa
2- age através de grandes distâncias. (o que quero dizer por grandes distâncias? Imensas. Há indícios que sua ação se prolonga para muito longe de nossa galáxia, até os confins do universo)

A essa força devemos a explicação de muitos fenômenos: a Terra orbitando o Sol, por exemplo. Também explica as marés. Sim, com a influência da gravidade, a lua atrai a água para cima e provoca as marés. Havia muitas dúvidas devido ao fato da maré subir e descer em 12 horas. Foi Newton que explicou o fenômeno em detalhes. O mecanismo é assim: a lua atrai a Terra e a água sobre sua superfície. Mas o ponto de equilíbrio se encontra no centro. Só que temos que atentar para os vários níveis de profundidades da água. Assim, a água mais próxima da lua é atraída mais do que a restante. Consequentemente, a água mais afastada é atraída menos que a média. Soma-se a isso o fato de a água conseguir fluir, ao contrário da Terra, que é rígida. A combinação dessas duas coisas forma a dança das marés.

A terra é redonda porque tudo atrai todo o resto, juntando-se ao máximo possível. Na verdade, a Terra não é 100% esférica por que está girando e produz efeitos centrífugos que tendem a se opor à gravidade na região do equador. Então, o Sol, a Terra e a lua são quase esferas.

Você pode pensar: então, quando caminho perto de outra pessoa, nossos corpos se atraem? Sim, é exatamente isso que acontece, e não precisa estar perto dessa outra pessoa. Você atrai qualquer corpo, vivo ou inanimado. Eu sei que estou te atraindo agora. Mas atrair é uma coisa, e colocar em movimento é outra. A força gravitacional é muito fraca, e seus efeitos, apesar de existirem em qualquer lugar, só são observados na interação entre corpos muito maciços, como dois planetas por exemplo.

Explicando a Eletromagnética:

A força eletromagnética determina as maneiras em que partículas com carga eléctrica interatuam umas com as outras, e com campos magnéticos. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva. Cargas eléctricas com o mesmo sinal (duas positivas ou duas negativas) repelem-se; com sinais diferentes atraem-se.

A força eletromagnética segura os elétrons [cargas negativas] nas suas orbitais, à volta do núcleo [carga positiva] do átomo. Esta força mantem os átomos em existência.

A força eletromagnética controla o comportamento de partículas com carga eléctrica e de plasmas (um plasma é uma mistura de quantidades iguais de ions positivos e elétrons, negativos) como, por exemplo, em proeminências solares, laços coronais, luminâncias, e outros tipos de atividade solar.

A força eletromagnética também governa a emissão e absorção de luz e outras formas de radiação eletromagnética. Luz é emitida quando uma partícula com carga eléctrica é acelerada (por exemplo, quando um elétron passa perto dum ion, ou interatua com um campo magnético) ou quando um elétron desce dum nível de energia mais alto para um mais baixo, num átomo (duma 'órbita' afastada para uma 'órbita' próxima à volta do núcleo do átomo).

É evidente que o assunto é muito amplo e muito profundo. O que blog tenta fazer é introduzir os leitores neste tema. Podemos voltar ao assunto em breve.

Até semana que vem.

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