Do que são feitas as coisas? – Ciência Contemporânea –

Apresentação em tema: "Do que são feitas as coisas? – Ciência Contemporânea –"— Transcrição da apresentação:

1 Do que são feitas as coisas? – Ciência Contemporânea –
Parte 2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO HÁDRONS E LÉPTONS MODELO PADRÃO O QUE É; GERAÇÃO DE PARTÍCULAS DE MATÉRIA; AS INTERAÇÕES E SEUS MECANISMOS; LIMITES DO MODELO CORDAS CONSIDERAÇÕES

2 INTRODUÇÃO Elaborou-se conjunto de artigos para responder às perguntas: do que o mundo é feito?" “Do que são feitas as coisas?” “O que as mantém unidas?" A previsão era fazer três artigos: de tal modo que apresentássemos a evolução dessas respostas com o tempo. Assim, o primeiro seria destinado a apresentar as respostas num período, que denominamos arbitrariamente de Ciência Antiga; o segundo ao período Ciência Moderna; e o terceiro Ciência Contemporânea. Esse terceiro artigo ficou muito longo e o dividimos em duas partes. Ao terceiro – Parte 1 coube apresentar apenas a enxurrada de partículas elementares descobertas, a partir da segunda metade do século XX.

3 Então, este será nosso quarto e último artigo desta série destinado a apresentar respostas contemporâneas às perguntas: do que são feitas as coisas? Do que é feito o mundo? O que mantém as coisas unidas? As últimas respostas dadas pela Ciência a essas perguntas foram sistematizadas no Modelo Padrão. Trata-se de teoria simples e compreensível, que explica todas as centenas de partículas e interações complexas com apenas: dois grupos de partículas elementares; e partículas transportadoras de força. Este artigo trata praticamente do Modelo Padrão. A pesquisa foi realizada em diversos sítios, mas não poderíamos deixar de destacar sprace.org.br, o qual indicamos como consulta obrigatória. Esse sítio apresenta o assunto de forma muito didática e com excelentes ilustrações, as quais não poderíamos deixar de mantê-las.

4 Hádrons e Léptons HÁDRONS
Os Quarks existem somente em grupos e nunca são encontrados sozinhos. Partículas compostas por Quarks são denominadas Hádrons. Os quarks individuais têm carga elétrica fracionária e carga de cor. Apesar dessa característica, se combinam de tal maneira que os hádrons possuem uma rede de cargas elétricas inteiras e não possuem carga de cor. Existem duas classes de hádrons : Bárions e Mésons. Os hádrons compostos por três quarks são denominados Bárions.Enquanto os compostos por um quark e um antiquark são denominados Mésons.

5 Prótons e Nêutrons são Bárions, pois prótons são constituídos por dois quarks up e um quark down (uud), e nêutrons de um quark up e dois down ( udd). ILUSTRAÇÃO DE PRÓTON ILUSTRAÇÃO DE NÊUTRON Como os mésons são constituídos por uma partícula e uma antipartícula, eles são bastante instáveis. O méson kaon (K-) vive mais tempo do que a maioria dos mésons e é, por isso, que ele é denominado "estranho" . ILUSTRAÇÃO MÉSON LÉPTONS São partículas leves sem estrutura interna e parecem ser partículas puntiformes. Têm as menores massas, quando comparados às demais partículas elementares.

6 São seis tipos de léptons, mas só três possuem carga elétrica.
Os léptons são partículas solitárias, não são encontrados em partículas compostas com outros léptons. São seis tipos de léptons, mas só três possuem carga elétrica. Dos leptons com carga elétrica, o mais conhecido é o elétron (e-). Os outros dois múon e o tau têm muito mais massa que o elétron. Os outros três léptons sem carga elétrica são os três tipos de neutrinos. Além de não possuírem carga, têm massa pequena e são difíceis de serem encontrados. Para cada lépton há um antilépton. O anti-elétron tem um nome especial, o "pósitron". DECAIMENTO DOS LÉPTONS No artigo anterior definimos “Decaimento” como o processo pelo qual: núcleos atômicos se transformam em núcleos menores e de outro elemento; ou partículas elementares transformam-se em outras partículas elementares.

7 Ou seja, partículas elementares denominadas léptons transformam-se em outras partículas.
Os léptons mais pesados, o múon e o tau, não são encontrados em toda matéria. Isso porque quando são produzidos, eles decaem muito rapidamente. Os elétrons e as três espécies de neutrinos são estáveis e, por isso, são os tipos mais encontrados ao nosso redor. Quando um lépton pesado decai, uma das partículas na qual ele decai é sempre seu neutrino correspondente. As outras partículas poderão ser um quark e seu antiquark, ou outro lépton e seu antineutrino. Os físicos têm observado que alguns tipos de decaimentos de léptons são possíveis e outros não. Para explicar esse fato, eles os dividiram em três famílias de léptons: o elétron e seu neutrino, o múon e seu neutrino e o tau e seu neutrino. O número total de membros da família deve sempre permanecer constante em um decaimento.

8 MODELO PADRÃO O QUE É É uma teoria simples e compreensível, que explica todas as centenas de partículas e interações complexas com apenas: 6 quarks; 6 léptons; e partículas transportadoras de força. E, ainda, afirma: “Todas as partículas de matéria que nós conhecemos são compostas de quarks e léptons, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força”.  GERAÇÃO DE PARTÍCULAS DE MATÉRIA Tanto quarks quanto léptons  existem em 3 grupos distintos. Nós chamamos cada um desses grupos de Geração de Partículas de Matéria I, II e III, respectivamente. Tanto os grupos como as gerações de matéria correspondem as colunas na figura a seguir.

9 Cada geração contém um exemplar de quarks e léptons de cada tipo de carga. A III tende a ser mais pesada que a II e esta, que a I. Toda matéria visível no universo é feita da Geração de Partículas de Matéria I, a única geração estável : quarks up, quarks down e elétrons. Isso porque todas as partículas das Gerações II e III são instáveis e decaem, tornando-se partículas de Geração I. O uso desta imagem é cortesia da FERMILAB

10 A ciência ainda não conseguiu responder o porquê da existência das partículas das Gerações II e III, já que as mesmas decaem rapidamente, são raramente observadas e não compõem nenhuma matéria estável ao nosso redor. Existe a possibilidade de haver mais quarks e léptons a serem descobertos, com massas ainda maiores que as partículas da Geração III . Ou, talvez, a resposta seja que os quarks e léptons não são partículas elementares, mas são compostos de outras partículas ainda mais elementares. Entendemos muito mais, agora, a necessidade e a oportunidade do Bóson de Higgs. Hoje, a ciência dá como resposta á permanente pergunta dos homens , a seguinte: “as coisas são feitas, o mundo é feito das partículas mais elementares da matéria: quarks e léptons”. Sem esquecer de que: para cada partícula existe uma antipartícula ; e os quarks nunca são encontrados isolados, sempre observados em partículas compostas denominadas hadrons.

11 AS INTERAÇÕES E SEUS MECANISMOS
O universo existe porque as partículas elementares interagem. Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas, decaimentos e aniquilações. E, são essas interações que irão nos responder por que as coisas, ou as partículas elementares permanecem unidas. AS QUATRO INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS Existem quatro interações fundamentais entre as partículas: Todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações. GRAVIDADE ELETROMAGNETISMO NUCLEAR FORTE NUCLEAR FRACA

12 MECANISMO DAS INTERAÇÕES
Como dois ímãs "sentem" a presença um do outro e se atraem ou se repelem? Como o Sol atrai a Terra?  Nós sabemos que as respostas para essas perguntas são  "magnetismo" e "gravidade",  mas o que são essas forças?  Em um nível fundamental, ou subatômico, a força não é apenas algo que acontece para as partículas. "É uma coisa que é trocada entre duas partículas“ O mecanismo das interações é muito simples. Descobriu-se que todas as interações, que afetam as partículas da matéria, são devidas à troca de partículas transportadoras de força, que são tipo completamente diferente de partícula. A interação resulta da troca de partículas transportadoras de força entre os objetos que estão interagindo.

13 A Força Gravitacional atua sobre todos os objetos que tenham massa.
Uma partícula transportadora, de um tipo particular de força, só pode ser absorvida ou produzida por partículas da matéria que são afetadas por essa força. Por exemplo, elétrons e prótons têm carga elétrica; portanto, eles podem produzir e absorver as transportadoras de forças eletromagnéticas, ou seja, o Fóton. Por outro lado, Neutrinos não têm carga elétrica, então não podem absorver ou produzir Fótons. FORÇA GRAVITACIONAL A Força Gravitacional atua sobre todos os objetos que tenham massa. No Universo, os objetos possuem massa cujo valor é variável. Isso acontece pois não há limite para se agregar átomos. A força gravitacional é responsável :        - pela forma arredondada  dos corpos celestes;        - pelo movimento dos corpos celestes;        - pela evolução do Universo;        - pela curvatura do espaço.

14 A Força Gravitacional é de natureza atrativa, sempre.
Devido ao alcance e à capacidade de agir sobre todos os objetos do Universo, a Força Gravitacional é a mais importante no entendimento da estrutura macrocósmica. GRAVIDADE É claramente uma das interações fundamentais, mas o Modelo Padrão não consegue explicá-la satisfatoriamente. É um desses problemas não resolvidos pela física até hoje.  Além disso, a partícula transportadora da gravidade foi prevista - o gráviton, mas, ainda, não foi encontrada. Felizmente, os efeitos da gravidade são extremamente pequenos na maioria das situações em física de partículas, quando comparados aos das outras três interações. Assim, teoria e experimentos podem ser comparados sem incluir a gravidade nos cálculos. Portanto, o Modelo Padrão funciona mesmo sem explicar a gravidade.

15 FORÇA ELETROMAGNÉTICA
A Força Eletromagnética está presente no cotidiano das pessoas e faz com que objetos com cargas opostas se atraiam e objetos com cargas iguais se repilam. ELETROMAGNETISMO Cargas iguais se repelindo Cargas opostas se atraindo Muitas forças do cotidiano, como a força de atrito, e até mesmo o magnetismo, são causadas pela força eletromagnética , ou força E-M. A Partícula Transportadora da Força Eletromagnética é o Fóton (Y).  Fótons das mais diversas energias varrem todo o espectro eletromagnético de raios-x, luz visível, ondas de rádio e assim por diante.  Até onde sabemos, os Fótons têm massa zero e sempre viajam à "velocidade da luz", C, que é cerca de quilômetros por segundo, no vácuo. 

16 Se os átomos são eletricamente neutros, pois têm o mesmo número de elétrons (negativos) e de prótons (positivos), como os átomos podem reunir-se para formar moléculas? Descobriu-se que as partes carregadas de um átomo podem interagir com as partes com carga oposta de outro átomo produzindo um efeito chamado Força Residual E-M. Isso permite que diferentes átomos se juntem. Então, é a Força Eletromagnética quem permite que os átomos se unam formando moléculas, mantendo o mundo unido e criando a matéria que interage conosco o tempo todo. Todas as estruturas do mundo existem simplesmente porque prótons e elétrons têm cargas opostas.

17 NUCLEAR FORTE FORÇA NUCLEAR FORTE A Força Nuclear Forte age sobre algumas partículas impedindo-as de se livrarem umas das outras. As forças fortes obrigam todas as partículas, que tem o atributo cor, a viverem sempre juntas. A Força Nuclear Forte é a força do aprisionamento, e atua apenas no nível subatômico. Se os nêutrons não têm carga e os prótons se repelem uns aos outros, pois são carregados positivamente ; e se o núcleo de um átomo é formado por conjunto de prótons e nêutrons, porque o núcleo em vez de se desfazer se mantém coeso? por que o núcleo não explode? porque os prótons se mantêm unidos? A força responsável por isso não é a Força Eletromagnética que, no caso, é repulsiva e atua para que os prótons não se mantenham unidos. Também não é a Força Gravitacional, pois é fraca demais para exceder a Força Eletromagnética repulsiva.  Qual é então a força que supera a Força Eletromagnética repulsiva e que mantém o núcleo unido?

18 Já vimos que os quarks individuais têm carga elétrica fracionária e carga de cor. Apesar dessa característica, se combinam de tal maneira que os hádrons possuem uma rede de cargas elétricas inteiras e não possuem carga de cor. Tendo os quarks o atributo cor é a Força Nuclear Forte que mantém os quarks grudados para formar os hádrons. Então, suas partículas transportadoras são chamadas de Glúons ("to glue" significa colar em inglês).  A carga de cor comporta-se de modo diferente da carga eletromagnética. Os Glúons possuem carga de cor, fazendo com que, apesar de os quarks terem carga de cor, as partículas compostas de quarks tenham cor neutra, ou seja não têm carga de cor. Por essa razão, a Força Nuclear Forte apenas é levada em consideração em interações entre quarks. Agora sabemos que a Força Nuclear Forte prende os quarks juntos por terem carga de cor.

19 Já vimos, também, que prótons e nêutrons são constituídos de quarks.
Assim, é essa mesma Força Nuclear Forte entre os quarks de um próton e os quarks de um outro próton, que é forte o bastante para superar a Força Eletromagnética repulsiva entre os mesmos, mantendo-os unidos. Ilustrando: Isso é chamado de Interação Forte Residual, e é essa interação que mantém o núcleo coeso, visto que os nêutrons estão sujeitos a mesma interação forte residual, pois também são hadrions (bárions - udd) como os prótons (bárions – uud). PRÓTON Força Nuclear Forte > que Força Eletromagnética repulsiva Força Nuclear Forte = INTERAÇÃO FORTE RESIDUAL

20 FORÇA NUCLEAR FRACA Existem seis tipos de quarks e seis tipos de léptons. Mas, toda matéria estável do universo parece ser composta de apenas dois quarks leves, o quark up e o quark down, e do lépton carregado mais leve, o elétron.  A Força Nuclear Fraca é considerada como força demolidora das partículas elementares e partículas compostas, em especial as mais pesadas. Como resultado das interações fracas quase todas as partículas conhecidas se desfazem. NUCLEAR FRACA A Força Nuclear Fraca ocorre no nível subatômico. Está relacionada a decaimentos de partículas ou transmutação de elementos. Na compreensão dos fenômenos do dia a dia esse tipo de força tem pouca importância. No Universo, essa força se manifesta com muita frequência. É responsável pela geração de enormes quantidades de energia no interior das estrelas.

21 Interações Fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves. Quando partículas elementares mais pesadas decaem observamos seus desaparecimentos e sua substituições por duas ou mais partículas diferentes. Mesmo que o total de massa e energia seja conservado, um pouco da massa original da partícula é convertido em energia cinética, e as partículas resultantes sempre têm menos massa que a partícula original que decaiu.  A única matéria estável ao nosso redor é composta dos quarks e léptons mais leves, que não podem mais decair. Quando um quark ou lépton muda de tipo (um Múon transforma-se em um Elétron, por exemplo) dizemos que ele mudou de Sabor. Todas as mudanças de sabor são devidas à Interação Fraca.  As partículas transportadoras das interações fracas são as partículas W+, W-, e a  Z. As W são carregadas eletricamente e a Z é neutra. 

22 Apenas Interações Fracas carregadas, ou seja as que envolvem pártículas W podem mudar o Sabor de uma partícula. Os físicos concluíram que, de fato, as forças fraca e eletromagnética são essencialmente forças iguais. A diferença entre as duas forças é devida à grande diferença de massas entre as partículas transportadoras das mesmas . As partículas transportadoras das interações fracas W e Z são muito mais pesadas do que o fóton, que não tem massa.  A força associada à interação depende tanto da massa da transportadora de força como da distância entre os objetos que interagem.  Repetindo a resposta da Ciência Contemporânea à pergunta de como são feitas as coisas? “as coisas são feitas, o mundo é feito das partículas mais elementares da matéria: quarks e léptons”. E, o que as mantém unidas? Ou o que mantêm unidas as partículas elementares? São as interações entre as partículas, como acabamos de discorrer sobre elas.

23 LIMITES DO MODELO PADRÃO
Falta a comprovação da existência do bóson de Higgs, que explica a origem da massa das outras partículas elementares. Não indica, por exemplo, por que há três famílias (ou gerações) de léptons e quarks. Não foi capaz de explicar por que alguns léptons e quarks são tão mais pesados que seus companheiros. Experimentos recentes mostraram que os neutrinos têm massa, e isso cria para o modelo dificuldades que os físicos tentam agora driblar.

24 CORDAS Em 1960 Gabriele Veneziano ( ), físico teórico italiano, idealizou teoria sobre a constituição das coisas e do mundo. Essa teoria se propõe a realizar o sonho de Einstein da unificação. Unir a Teoria da Relatividade Geral, que é bem sucedida para o Macrocosmo, com a Mecânica Quântica que, por sua vez, faz sucesso no Microcosmo. GABRIELE VENEZIANO Segundo essa teoria, conhecida como Teoria das Cordas, ou Teoria de Tudo, tudo no Universo, da menor partícula a estrela mais distante é feito de espécie de filamentos vibrantes e minúsculos de energia chamado Cordas.

25 Assim como as cordas de um violoncelo cria uma variedade de notas musicais, as cordas minúsculas vibram das mais diversas formas, formando todos os componentes da natureza. A Teoria das Cordas trata as partículas elementares não como pontos sem dimensão, mas sim como diminutas cordas. Cada modo de vibração dessas entidades representaria uma partícula elementar. Postula a idéia de que o Quark, a mínima partícula encontrada nas camadas subatômicas, é tecido por cordas, fios energéticos que, ao vibrarem, determinam como será a natureza do núcleo atômico ao qual estão conectados. Desta forma, definem como atuará a partícula que contém esta energia vibracional. E são os diferentes padrões de vibração dessas cordas que determinam a natureza de diferentes tipos de subpartículas.

26 Existe o conceito de Supersimetria, que emerge das cordas e sugere que, para cada subpartícula atômica conhecida, haja uma subpartícula complementar, simétrica. Essas partículas complementares e simétricas, ainda desconhecidas, deveriam ser mais pesadas que as conhecidas, o que faz com que elas necessitem de mais energia para ser criadas.

27 CONSIDERAÇÕES Levaremos em conta a série de quatro artigos, os quais julgamos necessários, para o entendimento de como a Ciência respondeu e responde a antiga pergunta: “como são feitas as coisas e o que as mantêm unidas”. Observamos que a Ciência, no que se refere a essa pergunta, foi alterando sua resposta no decorrer de sua história, tal como um descascar de cebolas. A cada camada retirada, novas camadas surgem e a resposta se altera. É evidente, como demonstramos no artigo “A Ciência e a Ampliação do Visível”, que a evolução histórica dessa resposta só foi possível graças ao desenvolvimento tecnológico, que saltou da Luneta de Galileu aos Detectores de Partículas.

28 Tivemos oportunidade de observar, também , que em todos os três períodos apresentados a Ciência buscou respostas em algo único e que lhe parecesse indivisível e em forças atuantes na constituição do mundo e das coisas. Essa partícula fundamental, ou partícula divina no jargão contemporâneo, encontra-se presente desde anos anteriores a Cristo, como no pensamento de Anaximandro de Mileto e seu a-peiron, até nossos dias com o “Bóson de Higgs”. Apesar de a idéia de indivisibilidade da partícula fundamental denominada de Átomo em 1802, na teoria de John Dalton, ter iniciado sua fragmentação em 1897 com J.J. Thompson e ter tido seu apogeu de fragmentação na enxurrada de partículas descobertas na segunda metade do século XX, não podemos deixar de acrescentar que: a Ciência por um lado busca comprovar a existência do Bóson de Higgs; e por outro lança nova teoria, a Teoria das Cordas que, mais cedo ou mais tarde, contemplará uma super corda, com frequência vibratória quase infinita, que daria origem às partículas elementares.

29 Com a evolução dos detectores e nessas experiências de colisões de partículas, não seria algo impensável, ou inimaginável a descoberta de partícula em forma de diminuta corda, S-Partícula, comprovando a Teoria das Cordas. Então, a grande manchete midiática seria: “nova revolução bate à porta da Ciência”. Nossa opinião é de que tão cedo a Ciência chegará a resposta definitiva sobre de como são feitas as coisas, do que é feito o mundo e o que mantém as coisas juntas. Entretanto, sentimos que a chave está nas faixas de frequências vibratórias e que as Cordas são uma promessa. Devido nosso entendimento de que tão ou mais importante que a Ciência é: para que essa Ciência e a Tecnologia decorrente serve, vamos finalizar essa série de artigos com a transcrição do pensamento do físico teórico austríaco Erwin Schrödinger ( ):

30 Formatação e Organização do Texto:
ERWIN SCHRÖDINGER Vivemos numa era insana, mais insana do que o normal, porque, apesar dos grandes avanços tecnológicos e científicos, o homem não tem a mínima idéia de quem é ou do que está fazendo” . FONTES: brasilescola.com; ecientificocultural.com; educar.sc.usp.br; infoescola.com; orion.med.br; phisichsact.wordpress.com; sprace.org.br; e wikipédia.org. IMAGENS: brasilescola.com; cerncourrier; fimdagrave; e sprace.org.br; MÚSICA: A Dança do Sabre – Aram Khachaturian (terceiro ato do ballet Gayane) Formatação e Organização do Texto: J. Coêlho