Minicurso de Física Moderna

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1 Minicurso de Física Moderna
Blog: Eliane P Serra Xavier Facebook: eliane.xavier.14

2 Minicurso de Física Moderna
Explorando a ciência de um modo profundo e sensível: Física de Partículas – Partículas Fundamentais; partículas transportadoras de força, antimatéria; bóson de Higgs. Conceitos Básicos da FQ – Dualidade onda-partícula; colapso da função de onda; o papel do observador na FQ; Princípios da Incerteza e da Complementaridade; Campo Quântico. Teoria das Cordas – A Teoria de Tudo, o sonho de Einstein; as múltiplas dimensões; entendendo a quinta dimensão. Teoria M – Universos Paralelos; como a nossa consciência nos leva aos Universos Paralelos. Reflexão Multimensional sobre o Universo e o nosso papel dentro dele - A física moderna na nossa vida diária.

3 Descartes (1596/1650) – Universo dividido entre mente e matéria.
MODELOS ATÔMICOS Física clássica Isaac Newton (1643/1727) – átomo – pequenas partículas sólidas, duras, indivisíveis. Descartes (1596/1650) – Universo dividido entre mente e matéria. Laplace (1749/1827) – conhecendo as condições iniciais o futuro seria previsível.

4 FÍSICA QUÂNTICA Visão de Mundo – século XXI O que é este mundo que nos cerca? O que é a matéria? O que é o Universo? Quem somos nós e qual o nosso papel dentro do Universo?

5 Física Quântica e Teoria das Cordas
O átomo é vazio! A matéria são ondas de possibilidades que se colapsam pelo observador. Nosso Universo conhecido representa apenas 4% de tudo o que existe. Universo -> Multiverso. Transitamos por múltiplas dimensões e Mundos Paralelos segundo nosso estado de consciência. Força -> Campo Quântico

6 Conversão Energia-Massa ( E=mc² )
MODELOS ATÔMICOS Conversão Energia-Massa ( E=mc² ) Coloca-se as partículas de massa pequena num acelerador, dá-se a elas muita energia cinética (velocidade) e faz-se a colisão. A energia cinética das partículas se converte na formação de novas partículas de maior massa. Criam-se partículas pesadas instáveis e estuda-se suas propriedades.

7 Aceleradores de Partículas
CERN: Laboratório Europeu para Física de Partículas. Esse laboratório atravessa a Suíça e a França. LHC - Prótons viajando à velocidades muito próximas da luz num túnel de 27 km de comprimento.

8 MODELOS ATÔMICOS Modelo de Bohr (1913)- Um elétron só pode se mover em órbitas definidas. Se o elétron recebe energia suficiente, passa a ocupar uma órbita mais externa ficando o átomo num estado excitado. Se um elétron passar de uma órbita para outra interior ele libera energia (fóton).

9 Salto Quântico Modelo de Bohr: Os elétrons se movem em órbitas definidas e emitem ou absorvem fótons para saltarem de uma órbita a outra (salto quântico).

10 A matéria está cheia de vazio!
MODELOS ATÔMICOS 99, % do volume de um átomo é apenas espaço vazio!  A matéria está cheia de vazio! 

11 MODELOS ATÔMICOS Do que o mundo é feito? As partículas fundamentais. -6 quarks -6 léptons -partículas transportadoras de força.

12 O que mantém a matéria unida?
MODELOS ATÔMICOS O que mantém a matéria unida? Existem quatro interações fundamentais entre as partículas, e todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações! Gravidade, Eletromagnetismo, Força Forte e Força Fraca.

13 Forças são criadas por pacotes discretos de energia chamados quanta
Campo Quântico Forças são criadas por pacotes discretos de energia chamados quanta Forças diferentes são causadas pela troca de quanta diferentes. Max Planck A partícula é onde o campo toma “individualidade”.

14 MODELOS ATÔMICOS  Todas as estruturas do mundo existem simplesmente porque prótons e elétrons têm cargas opostas!

15 MODELOS ATÔMICOS A partícula transportadora da força eletromagnética é o fóton.  Partículas transportadoras de carga de cor, relacionadas a força forte. As partículas transportadoras das interações fracas são W+, W- e Z   A partícula transportadora da força gravitacional é o gráviton.  

16 O Observador

17 O Observador

18 O Observador

19 Quantização da energia
Física Quântica Max Planck (1901) – propôs a quantização da energia para explicar a radiação do corpo negro. Quantização da energia

20 Física Quântica Einstein utilizou a ideia de Planck, da quantização da energia, para explicar o efeito fotoelétrico. Nobel em 1921

21 Fóton – partícula de luz – pacotinho de energia - quantum
Física Quântica Einstein propõe em 1905 uma explicação para esse efeito: “Um quantum de luz fornece toda sua energia a um único elétron”. Quantum? O que seria isso? Fóton – partícula de luz – pacotinho de energia - quantum

22 Física Quântica De acordo com Einstein, a energia de toda radiação eletromagnética não se distribui uniformemente como é previsto pela teoria ondulatória clássica. Essa energia se distribui em pequenos pacotes de energia chamados de quantum de energia. E=hv

23 Física Quântica Postulado da Mecânica quântica:
De Broglie (1923)- Dualidade onda-partícula Ondas de matéria ! Experiência da fenda dupla Postulado da Mecânica quântica: Colapso da função de onda

24 Interferência de ondas
Física Quântica Interferência de ondas Interferência construtiva Interferência destrutiva

25 Entender a física quantica é algo muito difícil para nossa cabeça "engessada" pelas leis da física e matemática clássicas. Mas siga tentando entender os novos conceitos da fisica quântica. Chegará um momento que o esforço parece que "arrebentará" sua mente reduzindo-a a muitos caquinhos. Não se importe. Junte-os e siga novamente a procura do entendimento. Novamente sua cabeça arrebentará em muitos pedaços e você os juntará outra vez. Mas dessa vez você vai notar que não é necessário juntar todos os pedaços; sua mente trabalhará muito melhor só com metade dos pedaços. Vá em frente e todas as vezes que explodir em pedaços, junte apenas a metade deles. Chegará um momento em que você já terá uma mente mais leve, mais ampla, mais capaz, mais veloz, mais universal. E finalmente quando notar que você não precisa mais de nenhum pedaço, bem aí, você já será a própria sabedoria do Ser universal que todos somos.

26 Física Quântica O Princípio da Complementaridade
Niels Bohr Os modelos corpuscular e ondulatório são complementares; se uma medida prova o caráter ondulatório, então é impossível provar o caráter corpuscular na mesma medida e vice-versa. A escolha de que modelo usar é determinada pela natureza da medida. Assim, o princípio da complementaridade atesta a ambigüidade e natureza dual da matéria e energia.

27 Interpretação probabilística
Física Quântica Modelo corpuscular  Modelo ondulatório Interpretação probabilística

28 Princípio da Incerteza de Heisenberg
Física Quântica Princípio da Incerteza de Heisenberg A Mecânica Quântica prevê vários resultados possíveis para uma observação, cada um com a sua probabilidade e, portanto, informa-nos acerca das probabilidades de cada um dos futuros estados possíveis. Mecânica quântica - interpretação basicamente estatística, ao contrário da teoria clássica.

29 Princípio da Incerteza de Heisenberg
Física Quântica Princípio da Incerteza de Heisenberg Uma experiência não pode determinar simultaneamente o valor exato da velocidade e da posição da partícula. > O próprio ato da medição interfere no sistema. Deus não joga dados. Einstein Não diga a Deus o que fazer. Niels Bohr

30 Por que não parece que estamos criando a nossa realidade?
Física Quântica Por que não parece que estamos criando a nossa realidade? Na verdade raramente estamos no estado de consciência dotado de escolha. Este só ocorre quando estamos criativos, conectados com os arquétipos.

31 Física Quântica Segundo Einstein “A crença em um mundo exterior independente do observador é a base de toda a ciência natural.” A mecânica quântica, entretanto, encara as interações entre objeto e observador como a realidade fundamental. Ela usa a linguagem de processos e relações físicas em vez de qualidades e propriedades físicas. Ela rejeita como sem sentido e sem utilidade, a noção de que por detrás do universo de nossa percepção está escondido um mundo objetivo, governado pela causalidade; em vez disso ela se restringe à descrição de relações entre percepções.

32 Qual é a natureza da realidade?
Física Quântica Qual é a natureza da realidade? Isto tudo que nós experienciamos com nossos sentidos físicos é uma realidade sólida? «Somos seres que nos definimos através de processos de relação. Nossas identidades não são possíveis de descrever em si mesmas, mas apenas como forma de relação. Relações positivas produzem felicidade, relações negativas produzem sofrimento. » Lama Padma Samten

33 Física clássica -> Física Quântica
Isaac Newton (1643/1727) – átomo – pequenas partículas sólidas, duras, indivisíveis. A matéria está cheia de vazio! Descartes (1596/1650) – Universo dividido entre mente e matéria. O observador é parte ativa no processo da medida. Laplace (1749/1827) – conhecendo as condições iniciais o futuro seria previsível. Princípio da Incerteza de Heisenberg

34 MODELOS ATÔMICOS Do que o mundo é feito? As partículas fundamentais. -6 quarks -6 léptons -partículas transportadoras de força.

35 A antipartícula do elétron é o pósitron.
MODELOS ATÔMICOS Mas a estória toda é um pouco mais complicada. Há uma partícula de antimatéria para cada partícula de matéria. A antipartícula do elétron é o pósitron. Quando uma partícula de matéria e uma partícula de antimatéria se encontram, elas se aniquilam em pura energia!

36 Aceleradores de Partículas
A partícula de Deus – Bóson de Higgs A ambição dos físicos é recriar as condições do Universo uma fração de segundo após o Big Bang.

37 Aceleradores de Partículas
Bóson de Higgs – partícula transportadora de massa, que confere massa às outras partículas. Por que a partícula W tem uma massa elevada enquanto o fóton não possui massa, se ambos são transportadores de forças? O que causa a geração e distribuição de massas entre as partículas e por que elas são tão diferentes? 

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39 Aceleradores de Partículas
CERN: Laboratório Europeu para Física de Partículas. Esse laboratório atravessa a Suíça e a França. Detectores de partículas gigantescos.

40 MODELOS ATÔMICOS Modelo Padrão: Explica o que é o mundo e o que o mantém unido. É uma teoria que explica todas as centenas de partículas e interações complexas com apenas: > 6 quarks.  > 6 léptons. O lépton mais conhecido é o elétron. > Partículas transportadoras de força, como o fóton.

41 MODELOS ATÔMICOS Todas as partículas de matéria que nós conhecemos são compostas de quarks e léptons, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força.   Desde galáxias até montanhas e moléculas, são feitas de quarks e léptons.

42 MODELOS ATÔMICOS Cada nova geração de partículas fundamentais tende a ser mais pesada que a anterior.  Matéria visível no universo - primeira geração de partículas quarks up, quarks down e elétrons. Todas as partículas da segunda e terceira gerações de partículas são instáveis e decaem, tornando-se partículas de primeira geração, a única geração estável. 

43 (1930) Matéria Escura – invisível e indetectável
A mão invisível do Universo.   A matéria escura ajuda a determinar a forma e o espaçamento das galáxias e pode ser a principal ligação entre vários aspectos da formação das galáxias que pareciam desconectados.

44 Matéria Escura Rotação da Via Láctea é rápida demais para ser explicada sem a “matéria escura" A matéria normal das galáxias é mantida no agrupamento pela força da gravidade de uma massa ainda maior de matéria escura. Sem a matéria escura, que é invisível e somente pode ser detectada através do efeito de sua gravidade, as velocíssimas galáxias e o gás quente rapidamente se esfacelariam e espalhariam.

45 Matéria Escura – comprovação pela NASA
A imagem mostra matéria escura e matéria normal separadas em uma gigantesca colisão de dois grandes agrupamentos de galáxias [em vermelho, a matéria normal, em azul, a matéria escura]. A descoberta, feita usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA e outros telescópios, fornece evidência direta da existência da matéria escura.

46 Física Quântica No vácuo existem outras flutuações quânticas além do campo magnético. A Mecânica Quântica descreve o vácuo como uma entidade preenchida por pares partícula-antipartícula, que são continuamente criadas e destruídas.

47 Vácuo Quântico O vácuo quântico e a energia escura Física Quântica
(sec XXI) - Em sua falsa aparência de ambiente inerte, o vácuo quântico abriga uma tormenta de fenômenos microscópicos. Efeito Casimir – um dos mais intrigantes fenômenos da física.

48 Teoria das cordas A Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade são incompatíveis. A tranquilidade do espaço x tempo de Einstein não condiz com a turbulência do mundo quântico.

49 Teoria das cordas Os físicos modernos têm boas teorias para a mecânica quântica, relatividade e gravidade. Mas essas teorias não funcionam bem em conjunto. Existem problemas causados por vivermos num espaço de três dimensões. Se vivêssemos em um mundo com mais de três dimensões, esses problemas seriam naturalmente resolvidos.

50 Teoria das cordas De acordo com a teoria das SuperStrings os ingredientes do universo não são partículas pontuais - tal como aprendemos na escola. Ao contrário, os ingredientes são finos e minúsculos filamentos, que vibram de acordo com sua energia. Estas cordas podem ser abertas ou fechadas.

51 Teoria das cordas A ideia central é que a unidade mais básica da matéria são cordas a vibrar num determinado padrão. Elétrons, quarks, fótons, grávitons serão assim resultado de um padrão de vibração específico de cada corda.

52 Interpretação de Copenhagen
Interpretações da FQ Interpretação de Copenhagen Uma partícula, que pensamos ser algo sólido, existe no que chamamos de superposição, espalhando uma onda de possíveis localizações, todas ao mesmo tempo. E quando você olha, ela passa a estar em apenas uma das possíveis posições.

53 Interpretações da FQ Interpretação de Copenhagen
No momento da observação teríamos um estado definido para o gato. Ou vivo, ou morto. Colapso da função de onda. Gato de Schroedinger. O gato tem 50% de chance de estar vivo e 50% de chance de estar morto.

54 Interpretação de Copenhagen
Interpretações da FQ Interpretação de Copenhagen Stephen Hawking se pergunta: A distinção (entre o real e o imaginário) está apenas em nossas mentes? A interpretação de Copenhagen diz que essa probabilidade é tudo o que podemos e o que há para saber; é algo absolutamente aleatório saber aonde a partícula aparecerá.

55 Interpretações da FQ A Hipótese dos Muitos Mundos afirma que, quando uma partícula aparece em determinado local, todas as outras probabilidades de ocorrências acontecem em outros Universos inteiramente diferentes. Essa hipótese, apesar de fantástica, foi desenvolvida num estilo matemático muito sofisticado (proposta por Everett, Wheeler e Graham)

56 Interpretações da FQ Quando deixamos cair uma carta de baralho a pessoa que estivesse olhando para a carta entraria numa superposição de dois estados mentais diferentes, cada qual percebendo um dos resultados, ganhando e perdendo a aposta simultaneamente. As duas partes da função total de onda (do observador mais a carta) evoluem independentemente, qual dois mundos paralelos.

57 Interpretação de Copenhagen – apenas um resultado ocorre.
Interpretações da FQ Interpretação de Copenhagen – apenas um resultado ocorre. Interpretação dos Muitos Mundos de Everett – todos os resultados ocorrem simultaneamente em Universos Paralelos..

58 Interpretações da FQ É algo radical que precisamos compreender, mas é muito difícil, pois achamos que o mundo já existe independente da minha experiência. Mas não é assim, e a física quântica é bem clara. Amit Goswami

59 Teoria das Cordas Total de 10 dimensões. Teríamos seis dimensões espaciais "escondidas" em minúsculos formatos geométricos em cada ponto individual do universo. Para uma corda oscilando é necessário ter espaço suficiente para ela vibrar e quando organizamos isso tudo em uma equação matemática é necessário haver 10 dimensões (9 espaciais e 1 temporal) para descrever esse movimento das cordas. Existem mais movimentos na corda do que nós podemos fazer e entender.

60 Hiperespaço espaço x tempo.
As leis físicas se tornam mais simples se considerarmos mais dimensões. Albert Einstein simplificou as complicadas equações de Maxwell unificando espaço x tempo. O tempo é a quarta dimensão, e pode ser convenientemente unificado numa teoria quadridimensional.

61 As Leis da Natureza são mais simples em múltiplas dimensões.
A QUINTA DIMENSÃO As Leis da Natureza são mais simples em múltiplas dimensões. Einstein unificou espaço x tempo introduzindo a quarta dimensão. Unificação de todas as quantidades físicas medidas por espaço x tempo. E=mc²

62 Teoria da Relatividade
Gravidade como um resultado da geometria do Espaço x Tempo: O corpo de maior massa deforma o espaço a sua volta fazendo que o corpo de menor massa fique “preso” no seu campo gravitacional.

63 Teoria da Relatividade
Buraco Negro A densidade é tão grande, e consequentemente a força gravitacional, que nada escapa dele, nem mesmo a luz.

64 Teoria da Relatividade
A luz sempre têm a mesma velocidade em qualquer que seja o referencial. A luz não pode ser mais rápida do que a luz. Implicação -> A contração do espaço, a dilatação do tempo e o aumento da massa de um corpo.

65 Teoria da Relatividade
Para um observador parado, um relógio em movimento parece andar mais devagar do que um relógio estacionário. (paradoxo dos gêmeos) A massa de um objeto aumenta com sua velocidade.

66 A QUINTA DIMENSÃO É possível mudar conchas de caracol enroscadas para a direita em conchas enroscadas para a esquerda e tirar objetos de garrafas lacradas. Essas façanhas, impossíveis em três dimensões, são banais para alguém capaz de mover objetos através da quarta dimensão.

67 A QUINTA DIMENSÃO Em sua passagem por um plano a esfera parece ser um círculo que se torna sucessivamente maior e depois menor. Assim, embora não possam visualizar os seres tridimensionais, os chatalandeses são capazes de entender suas seções transversais.

68 A QUINTA DIMENSÃO A sombra do cubo aparece como um quadrado dentro de outro quadrado. Se o cubo for rotacionado os movimentos dos quadrados parecerão impossíveis a um chatalandês. Da mesma maneira a sombra de um hipercubo é um cubo dentro de um cubo.

69 A QUINTA DIMENSÃO

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