Aqui o autor - Dieter Dellinger - leva a Física aos seus Limites, ao ponto em que já não sabemos se é Física, Hiperfísica ou quase Metafísica Sem Religião
Sexta-feira, 1 de Outubro de 2010
Dieter Dellinger - Os Limites da Matéria

 

I. Volume

Os Limites da Matéria

Dos Quarqs ao Bosão de Higgs

 Por Dieter Dellinger

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                         

 



publicado por DD às 22:39
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Quinta-feira, 2 de Setembro de 2010
Introdução

 

      O livro blog é, sem dúvida, uma novidade. Não conheço nenhum, mas admito que hajam muitos, dado que a blogoesfera é um verdadeiro Universo.

      Escrever sobre os limites da matéria é, sem dúvida, entrar no terreno escorregadio e perigoso da hiperfísica, pois fundamentalmente descrevo um conjunto de eventos e partículas extremamente complexas ou, antes, alguns conhecimentos respeitantes ao que admitimos serem os limites da matéria no quase infinitamente pequeno, sem, contudo, ter uma resposta cabal para dar.

      Nem eu a tenho, nem terá a Física. Além de que a ciência em geral, e a física em particular, explicam muito do como mas nada do porquê. Mesmo assim, vale a pena fazer uma pausa e reflectir um pouco sobre o modo como a matéria estará estruturada, apesar do carácter resumido de um trabalho que pretendia ser apenas um artigo e que se verificou ser excessivamente grande para uma revista e demasiado pequeno para expor algo de eventualmente significante sobre os limites da matéria.

      A solução pequeno livro blog pareceu-me a melhor, apesar de não ser ainda moda, mas permite ao autor ir escrevendo enquanto respira e pensa. Seria interessante que a Sapo criasse um índice do livro blog que seria a sua biblioteca com edições e textos de autores que escreveram apenas para os blogs.

      Assim, tratei do conhecimento sobre as partículas ou objectos quânticos inferiores aos protões e neutrões e de alguns modelos e teorias, nomeadamente das supercordas vibratórias de dimensões ínfimas cuja vibração em campos de muitas dimensões seriam as responsáveis por tudo o que vemos e somos. Mas, demonstrado não está. São excelentes estudos daquilo que chamaria geometria lógica ou antes geometria pouco lógica, mas a nossa condição de sapiens é a de pensar mesmo no impensável. Se não fosse assim, a nossa espécie não teria certamente sobrevivido no pouco tempo de vida que temos, enquanto homo, para não dizer já sapiens, pois aí serão alguns segundos num ano que seria a história do pequeno planeta que nos serve de casa neste imenso e desconhecido Universo.

      Do ponto de vista objectivo, pensava o filósofo francês Bachelard, os factos não existem. Só existem fenómenos produzidos por via da mediação das técnicas, daí o pensador ter inventado uma epistemologia científica que designou de fenómenotécnica .

     A técnica em ciência evidencia a razão apriorística, isto é, a ciência inventa os fenómenos a observar, tal como qualquer cidadão inventa muito do seu dia-a-dia.

      A física actual é toda uma invenção de factos susceptíveis de se tornarem completos, isto é, fenómenos, termo que vem do grego e que quer dizer tornar visível.

      Este livro blog é essencialmente um objecto para fazer pensar, excitar a curiosidade, e levar os amantes da cultura a procurarem mais informações na net . .

     A hiperfísica suscita a curiosidade apaixonada e quase fanática de umas poucas dezenas de milhares de pessoas no Mundo e a incompreensão das restantes. Os estudantes olham com desconfiança a física e as Faculdade de Ciências registam uma número decrescente de matrículas. As matemáticas envolvidas, que servem de base às várias teorias e explicam muitos dos fenómenos físicos, parecem ser excessivamente complexas e daí a dificuldade em entender muito do que os físicos pretendem dizer, apesar de que, na realidade, a matemática só é artificialmente complicada quando ensinada por professores sem qualidades pedagógicas. Enfim, a hiperfísica não chegou ao homem comum em qualquer parte do Mundo e eis pois a razão principal de tentar expor o essencial da hiperfísica sem o recurso a todo o instrumental matemático.

Como é hábito nos blogs, o último capítulo aparece em primeiro lugar e o primeiro está no fim, à excepção desta introdução.

       Num segundo volume procurarei tratar os Limites da Matéria como Limite do Universo.

 

 

      Reparei que este blog foi quase completamente copiada sem alteração sequer de nomes de capítulos e sem referência ao autor e ao blog de origem.

     Da minha parte não tenho qualquer problema que estes textos sejam copiados e colocados em outros blogs ou, mesmo, em qualquer publicação, mas considero fundamental referir claramente o nome do autor - Dieter Dellinger - e a origem em termos de blog. Até porque estão aqui muitas ideias e especulações próprias que podem suscitar outras ideias.

     O nome aqui utilizado é verdadeiro e sou luso-alemão com tanto orgulho na nacionalidade portuguesa como na ascendência alemã.

     As cópias têm sido colocadas no Blog Google  "Ciência na Veia" por Daniel90. Recomendo ao autor que seja suficientemente honesto para colocar a devida referência.

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publicado por DD às 12:07
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Sábado, 31 de Julho de 2010
Capítulo I - O Modelo Padrão (Standard) - Quarks

 

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Com um escopro e um martelo um pedreiro arranca pedras de uma pedreira e vai partindo-as em pedaços cada vez mais pequenos, mas a partir de uma dada altura, para transformar as pedras numas pequenas unidades quase do tamanho de um grão de pó, já a sua energia não serve. Necessita de um moinho de bolas de aço especial para triturar as pedrinhas a fim de chegar a um pó minúsculo e depois para obter os cristais de calcite ou aragonite, por exemplo, carbonato de cálcio CO2Ca em ambos, mas com sistemas cristalinos diferentes, terá de investir ainda mais energia e muito mais para chegar aos átomos de cálcio, de oxigénio e de carbono. Quer dizer, quanto menor for a dimensão da matéria que se pretende alcançar maior a energia e a complexidade envolvida, sendo teoricamente possível utilizar uma tal energia no choque entre partículas de modo que todas sejam iguais ou nem sejam partículas sequer, atingindo-se o limite absoluto da matéria. E, provavelmente, não se está muito longe disso.

Porque os átomos têm dimensões ínfimas com raios que vão dos 0,48 Ǻngstroms (0,00000048 cm, ou seja, 0,48×10‾8 cm no Hidrogénio aos 2,62 Å do Césio, o que sendo maior continuou a ser invisível até ao desenvolvimento do microscópio electrónico com efeito de túnel, o qual permitiu pela primeira vez visualizar átomos que aparecem sob a forma de uma espécie de nuvem quase esférica formada exteriormente pelo espaço dos orbitais ou nuvens de electrões.

Passaram quase 100 anos desde o aparecimento do primeiro modelo de átomo com núcleo e electrões em órbita até visualizarem-se os primeiros exemplares.

A energia para ionizar o átomo, isto é, arrancar-lhe os electrões que envolvem o seu núcleo, já foi importante, pois tratou-se de bombardear os átomos com feixes de electrões ou aquecê-los às chamadas temperaturas de plasma. Mas, a que foi necessária para desmontar o núcleo dos átomos e concluir que se dividem em protões e neutrões foi incomparavelmente maior e mais ainda para se arquitectar o actual Modelo Padrão (Standard em inglês) em que se identificaram os dois tipos de partículas aparentemente básicas que deverão constituir a matéria estável, ou seja, os protões e neutrões com os electrões já conhecidos. A dúvida resulta de a Física da Partículas, por vezes denominada Quântica, trabalhar com modelos e métodos indirectos de experimentação que neste caso são os gigantescos aceleradores daquilo que por simplicidade de linguagem é denominado de partículas.

Deixemos para outro livrinho O Século da Física a história e os números para começarmos pelo essencial, isto é, pelo que se sabe hoje, ou antes, julga-se saber, já que na fronteira do saber nada é certo e qualquer físico pode mesmo afirmar que desconhece em absoluto o que é verdadeiramente um átomo, um electrão, um núcleo, uma partícula, a energia, o vazio, a força e o próprio Universo.

Até porque lhe falta o essencial: saber o porquê das coisas. Desconhece, mas tem um modelo bem arranjado que explica muita coisa e espera vir a poder provar o pouco que ainda parece faltar provar. Além de que a imprecisão dos limites do conhecimento não prejudicaram em nada as múltiplas utilizações da física das partículas, a começar pelo electrão.

Podemos mesmo dizer que o Século XX foi o do electrão, da electricidade portanto e há quem afirme que mais de 30% do PIB das nações desenvolvidas é o resultado das aplicações práticas da física das partículas elementares. O chip Intel do portátil em que isto é escrito é uma das muitas aplicações práticas da física do electrão e do efeito semi-condutor de certos cristais. E o Século XXI será, sem dúvida, o da física das partículas do núcleo, começando com o computador quântico e com as muitas descobertas que estão para vir, mas que se adivinham já.

 

 

Escalas Dimensionais

 

 

No fundo, a mecânica quântica, a das dimensões ínfimas em que as partículas se apresentam com ou sem massa, mas sempre com um carácter simultaneamente ondulatório e aparentemente corpuscular e em possíveis estados de sobreposição, isto é, possuem a característica da ubiquidade, estando em vários pontos em simultâneo, é o resultado de uma teoria bem elaborado por alguns físicos de génio, a qual tem sido aparentemente comprovada em gigantescos aceleradores de partículas nos quais núcleos, protões, anti-protões, neutrões, electrões e positrões (anti-electrões ou electrões com carga positiva) são acelerados a velocidades próximas da luz e levados a chocarem entre si, registando-se em câmaras apropriadas o resultado desses choques tremendos. É como se estudássemos as características de objectos voadores pelo choque entre eles e pelas peças que saltam, cuja trajectória podemos medir, mas que, evidentemente, não nos permite desenhar os referidos objectos a partir de dados tão escassos.

Acontece o mesmo com a energia, sabemos que existe porque sofremos e tiramos o proveito dela, mas é como se algo nos dê um grande empurrão pelas costas e pela massa do nosso corpo e pela aceleração a que fomos sujeitos de acordo com a fórmula força F=m×a (massa grave ou inerte em repouso vezes a aceleração ou, dito e outra maneira, energia própria de conservação × energia de aceleração) conseguimos medir a força a que fomos sujeitos. Mas ao certo não sabemos o que nos aconteceu. Sobre o que é a massa ainda falaremos em termos de dúvidas. Bem, certezas não temos em absoluto, mas boas teorias não faltam.

Aqui pretendo entrar no limite do que se julga ser o conhecimento actual e que pode muito bem ser posto de lado com o aparecimento de novos dados que permitam elaborar uma teoria mais bela e aparentemente melhor.

Para já, o Modelo Padrão rejeita, como outras teorias anteriores, o átomo indivisível inventado pelo filósofo grego Demócrito, tal como recusa o modelo de átomo planetário, dito de Bohr, e elaborado em termos físicos por Niels Bohr em 1911. Também não aceita mais o protão e o neutrão como partículas indivisíveis constituintes do núcleo em torno do qual deveriam orbitar os electrões como num minúsculo sistema planetário. E o electrão como partícula e, menos ainda, indivisível.

 

 

 

Esse modelo começou a ser elaborado nos anos setenta e depois de muitas alterações semânticas acabou por reduzir a matéria no seu estado permanente a três únicas partículas estáveis, o Quark up, o Quark down que formam o Protão e o Neutrão e o Electrão, que até podem ser compostas por outras ainda mais pequenas e acrescentou-lhe uma outra, o Neutrino do electrão que é apenas emitido pela maior parte das estrelas e por material radioactivo e, como tal, não faz bem parte da matéria do nosso dia-a-dia.

Além disso, introduziu-se no referido modelo um conjunto de partículas ditas de mediação que fazem a união dos componentes constituintes do núcleo do átomo - protões e neutrões-  e destes entre si e são responsáveis pela interacção electromagnética. Estes agentes intermediários receberam o nome geral de Bosões e são:

Os Gluões, responsáveis pela chamada ligação ou força forte que prende os quarks nos protões e neutrões e ambas essas partículas entre si.

Os Fotões, os agentes da força electrofraca que liga os electrões aos núcleos dos átomos e estes nas moléculas.

Os Bosões W+, W‾ e Wº, autores da chamada força fraca que se manifesta na radioactividade.

O Gravitão, responsável pela força de gravidade.

O Bosão de Higgs, que formará o espaço escalar da massa e proporcionará a todas as partículas as suas respectivas massas.

Acrescente-se que os dois últimos são o resultado do edifício matemático para elaborar o Modelo Padrão, mas não foram ainda detectados na prática, se bem que o Bosão de Higgs terá sido descoberto mas falta ainda uma espécie de selo oficial para confirmar a sua existência.

Há ainda 8 partículas de matéria instável que fazem parte com as quatro da matéria estável a família dos chamados Fermiões. As partículas instáveis provêm umas das radiações cósmicas e outras foram obtidas laboratorialmente. Todas são altamente instáveis e, como tal, têm uma vida muito curta e massas superiores, à excepção do Neutrino do muon, são: O Quark charm, o Quark strange, o Muon, o Neutrino do muon, o Quark top, o Tau e o Neutrino do tau. Geralmente, os seus tempos de vida são ínfimos. Estas partículas foram descobertas em resultado de choques entre protões e anti-protões, decaindo rapidamente para originarem partículas mais estáveis e conhecidas. E há ainda um longo cortejo de partículas altamente instáveis detectadas nos aceleradores e em resultado do choque protões contra anti-protões e electrões contra positrões (ou anti-electrões) que a libertarem os quarks do seu confinamento nos protões e neutrões faz com que se agrupem novamente para formar novas partículas bariónicas que são os protões, neutrões e os artificiais Delta bariões, Lambda bariões, Sigma bariões, Xi bariões, entre outras.

Essencialmente podemos dividir toda a matéria entre Bariões com massa estáveis e instáveis e matéria não bariónica desprovida de massa.

As três verdadeiras partículas ou objectos quânticos que formam os núcleos dos átomos de toda a matéria estável dos nossos corpos e tudo o que nos rodeia são apenas o Quark up, o Quark down e o Electrão.

Cada protão e neutrão dos núcleos atómicos é sempre formado por apenas um grupo de três quarqs ligado ou intermediados por 8 gluões, tudo partículas determinadas por via indirecta e nunca isoladas.

A força que liga os quarks entre si e os protões aos neutrões é uma das quatro forças fundamentais da natureza quântica da matéria, hoje reduzida para três pela união de duas. Trata-se pois da chamada Interacção Forte descrita na teoria dita de Cromodinâmica Quântica, que permitiu aos físicos David Gross, David Politzer e Franck Wilczek a elaboração do Modelo Padrão (Standard), a partir dos anos setenta, e com isso serem galardoados com o prémio Nobel de 2004.

 

Interacção quer dizer aqui troca de energias conhecidas e de fenómenos desconhecidos feita por via de mediadores, neste caso os referidos 8 gluões que ligam em cada protão e em cada neutrão os respectivos três quarqs.

A meu ver, entre os quarks pode haver mesmo troca de energia e, portanto força, ou simples troca de informação? Os gluões podem ser o equivalente dos bits e a energia é original, nasceu com o Big Bang ou existia antes? Só a informação é que estrutura a matéria desde os ínfimos quarqs aos memes ou genes do pensamento humano, passando pelos genes da biologia.

A informação terá feito nascer o Tempo. Terá mesmo? Ou antes, energia é informação e vice-versa.

A realidade é que se desconhece ainda o verdadeiro sentido da energia trocada ou mediada pelos gluões entre os quarks, até porque a força de atracção entre os quarks ou de mediação dos gluões aumenta com a distância entre eles e os quarks não têm existência singular após os choques nos aceleradores; hadronisam-se imediatamente, isto é, formam novas partículas logo após serem obrigados a sair dos protões e neutrões. Ou antes, não saem, formam novas partículas como se os protões e neutrões fossem uma espécie de balões de pastilhas elásticas que ao romperem-se formam novas massas susceptíveis de formarem novos balões.

Podemos dizer que no seu todo, o Universo é um modelo de informação, já que os fotões que levaram milhões de anos a chegar até nós em todo o espectro electromagnético desde os Raios Gama aos Raio X, passando pelo luz visível, ondas de rádio, etc., mais não são que bits informativos de uma eventual parte da chamada matéria observável do Universo, pois em princípio não possuem outra influência sobre os nossos destinos nem sobre o nosso quase insignificante sistema planetário. Claro, o estudo dessa informação é formador da nossa capacidade intelectual e replica-se sob a forma de memes de mente em mente, sendo o meme um termo inventado pelo biólogo Richard Dawkins em analogia com o gene e descrito pela primeira vez no seu livro O Gene Egoísta.

Olhar as estrelas nunca deixou o homo sapiens indiferente e, menos ainda, saber de que matéria são feitas.

Note-se que a terminologia utilizada agora é bastante diferente da que se fazia valer há poucos anos. Caminhou-se no sentido de identificar a matéria universal como constituída por menos partículas e, provavelmente, muito iguais entre si, salvo alguns poucos parâmetros como a carga eléctrica, o spin, etc. Ainda há não muito tempo, os três quarks eram considerados diferentes entre si e denominados park, lark e nark quando hoje são apenas dois, sendo que um repetido em cada protão e neutrão no que respeita à carga eléctrica, mas não a um outro parâmetro que se designou de carga de cor.

Assim, temos o Quark up com uma massa-peso de 48×10‾28 g (0,0000000000000000000000000000048 gramas) e uma carga eléctrica positiva igual ao contrário de 2/3 da carga eléctrica negativa de um electrão) e o Quark down com uma massa de 107×10‾28 g com uma carga eléctrica negativa igual a 1/3 da carga do electrão.

Os quarks representam uma pequeníssima parte da massa das partículas que formam, denominadas também Hadrons ou confinantes. Assim, em termos energéticos, a massa de um protão é igual a 0,938 GeV/c2 (Giga electrões-volts a dividir pelo quadrado da velocidade da luz), enquanto que a soma da massa dos seus dois Quark up e do Quark down é apenas 0,02 GeV/c2. Será que a massa do protão e do neutrão é o resultado do bailado dos três quarks com troca de objectos quânticos de massa quase zero como são os 8 gluões? Ou simplesmente, a massa do protão resulta de uma força exterior do tipo Campo de Higgs e a energia provém do Campo Ponto Zero de que falaremos mais para diante. Ou muito provavelmente as contas são demasiado imprecisas e não há ainda um conhecimento aprofundado das massas dos quarks?

É evidente que com os quarks entrámos nos limites da matéria. Já a parametrização dos quarks é em grande parte abstracta. Corresponde às leis da lógica resultantes da realidade da física experimental observada nos detectores dos grandes aceleradores em fracções de segundo.

 

 

Detector de Quarks

Depois de uma colisão a alta energia de partículas que contenham quarks e gluões, estas duas subpartículas são expelidas do seu confinamento neutro ou branco e formam uma zona dita de campo de força de cor, o qual é suficientemente forte para produzir quarks e gluões adicionais que se reorganizam em ínfimas fracções de segundo para dar novas combinações neutras, portanto novas partículas de confinamento como os protões, neutrões, piões e outras e o resultado de uma colisão acaba por ser sempre um jacto neutro em termos de cargas de cor de novas partículas que confinam no seu interior quarks e gluões.

Acrescente-se, contudo, que os termos up e down provêm das características estudadas nos protões, neutrões e electrões quanto ao respectivos spins ou momentos angulares (ou axiais) das referidas partículas em campos magnéticos, isto é, só pode haver aí spins de h/2 nos up e h/2 nos down, sendo h a Constante de Planck = 6,626 x 10‾34 joules. Nota: Joule é a unidade de medida padrão da electrónica, sendo a quantidade de energia empenhada quando é aplicada a força 1 Newton na deslocação de 1 metro. O Newton é a força requerida para acelerar uma massa de 1 kg a um metro por segundo quadrado. Quer isto dizer que as forças em rotação ou momentos são quase nulas e as dimensões dos objectos quânticos em causa também estão próximos do zero. Os quarks não existem fora do seu confinamento, isto é, fora daquilo que os físicos denominam em geral Hadrons, que neste caso, são essencialmente os protões, neutrões e até há pouco tempo os piões que agora foram desclassificados para a categoria de objectos menos prováveis e com menor significado do que aparentavam há pouco tempo atrás e os, recentemente descobertos Hadrons Teta ou Pentaquarqs por terem cinco quarks formados artificialmente nos aceleradores. Daí que seja impossível determinar directamente tanto a sua massa como a sua própria existência. Até agora, os quarks não foram isolados enquanto partículas, apenas como plasma de curtíssimo tempo de vida em resultado do choque de átomos de ouro acelerados a velocidades próximas da luz pelo que adquirem assim uma temperatura plasmática relativista de mil milhares de milhões de graus C que corresponderá eventualmente ao estado em que estava a matéria há 13 ou 14 mil milhões de anos atrás, pouco tempo após o chamado Big Bang. O magma formado recebeu a denominação plasma de quarks e gluões PQG e terá pois existido alguns micro-segundos depois do Big Bang.

Nos aceleradores como no RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de Brookhaven/Nova Iorque e no do LEP do CERN tem sido possível obter esse plasma, portanto matéria com núcleos e electrões livres, por fracções ínfimas do segundo, revelada pela emissão de Quarks pesados, ditos S ou estranhos, e fotões efémeros ou virtuais cuja existência só é possível devido à temperatura extremamente alta das poucas partículas atómicas de ouro que os produziram com ausência dos típicos jactos de matéria por causa da sua alta densidade e igualmente ausência de novas partículas formadas por quarqs, as J e Psi que se observam em frequentes choques de elementos acelerados mas que no interior do referido magma não podem fazer as necessárias ligações.

Há seis tipos de Quarks; os estáveis Up e Down e os instáveis Top, Bottom, Charm e Strange. Aparentemente funcionam em três pares Up/Down, Top/Bottom e Charm/Strange. Para cada um destes quarks há um anti-quark feito de anti-matéria. Quando um anti-quark encontra um quark correspondente aniquilam-se mutuamente e a sua massa é convertida em energia. Contudo, só os dois primeiros quarks é que são estáveis e formam matéria palpável, nomeadamente “baryons” constituídos por três quarks como são os protões e os neutrões. Os restantes são instáveis, formando os mesões, geralmente constituídos por um par de quarks extremamente instáveis. Mesões e bariões formam o grupo dos hadrões ou hadrons em inglês.

Isto leva-nos a perguntar que significado tem aqui a massa de um quark e como é que pode ser medida. A massa inerte é calculada pela força F=m×a (massa×aceleração, produzida pela força F). O parâmetro designado massa de um quarq controla a aceleração quando uma força é aplicada.

Tendo sido matematicamente previstos, os três quarks de cada protão, anti-protão ou neutrão estão tão fortemente ligados que para os tornar eventualmente admissíveis foi preciso fazer chocar núcleos de átomos ionizados (sem electrões) acelerados com energias altíssimas; da ordem dos vários GeV (Giga electrões-volts = mil milhões de eV). Os chamados “multi-jets” ou plasmas de quarks assim obtidos têm uma existência de não mais que 10‾24 segundos, ou 0,000000000000000000000001 segundo. A detecção tem sido feita em detectores de partículas muito complexos que serão descritos no capítulo dedicado aos aceleradores de partículas.

Quando fazemos saltar electrões dos protões e neutrões nos aceleradores, os ângulos de dispersão observados apresentam um padrão típico de spins de ½.

Também sabemos que o choque a alta energia entre o protão e o positrão (anti-electrão) com momentos iguais mas opostos produz  Hadrons e aí podem resultar:

- Quarks e anti-quarks visíveis em agrupamentos ou jactos de partículas.

- Cada quark e o seu anti-quarq irradiam um gluão de alta energia num ângulo significativo em relação à sua trajectória, o que é observável sob a forma de três jactos de partículas num só plano.

- Se cada quarq irradia um gluão ou um emite dois, obtemos quatro jactos de partículas e assim sucessivamente.

O número de jactos de partículas é uma função de energia da colisão.

A acumulação deste tipo de experiências nos aceleradores e a teoria antes desenvolvida permitem concluir que os quarqs têm uma existência real.

Assim, um determinado tipo de Neutrão de carga neutra é constituído por um determinado tipo de Quarq up e dois outros tipos de Quarq downs (+2/3 -1/3 -1/3=0) e um determinado Protão tem um certo Quarq down e dois outros Quarqs up (+2/3+2/3-1/3= +3/3 = +1.

O termo quark foi tirado do alemão que tanto quer dizer requeijão como disparate ou algo de absurdo, mas o físico Gell Mann do CERN foi buscar a palavra ao último romance de James Joyce Finnegan's Wake em que o autor coloca na fala das suas personagens numerosos termos estrangeiros e, assim, o termo acabou por ser introduzido sem alterações em todas as línguas do mundo.

As cargas eléctricas fraccionadas e a natureza dos quarks pareceram aos físicos do CERN um verdadeiro absurdo, mas só os estudantes alemães é que podem pensar que estas partículas são disparates.

Em termos de tamanho, passámos, a título de exemplificação, de um grão de sal (ClNa) com um milímetro de diâmetro para o seu cristal elementar constituído por átomos de sódio e cloro com 0,001 mm para um dos seus átomos com 0,0000001 mm (10‾7 mm). E daí para o núcleo atómico com 0,00000000001 mm (10‾11mm) e para os protões e neutrões com 10‾12 e para os quarks com 10‾15 mm.

Num espaço supostamente esférico de um milímetro de diâmetro poderíamos ter mil biliões (milhões de milhões) de quarks. Aparentemente é o que há nas estrelas de quarks, nas quais uma colher de chá de quarks pesa milhares de toneladas.

Considerando, por hipótese, um quark do tamanho de um homem, um protão ou um neutrão seriam espaços eventualmente esféricos e abertos com um diâmetro de uns 1,7 mil metros e os três homens seriam malabaristas trocando entre si oito fachos eléctricos de cor que transformariam a sua própria cor sempre que estivessem por instantes nas suas mãos. Os quarks malabaristas voariam por todo o espaço sem saírem dele apesar de não haver nenhuma membrana limitativa.

Cada neutrão e cada protão possui três quarks, os quais estarão como que ligados por 8 gluões, minúsculas partículas de mediação da família dos bosões. Estes gluões são os responsáveis pela chamada FORÇA NUCLEAR FORTE que cola os quarks entre si e é um dos três pilares da física moderna. Aparentemente, os gluões têm massa e carga eléctrica zero, diferenciando-se pelo seu Spin, ou seja, pelo momento cinético elementar produzido pela rotação da partícula sobre si mesmo e pela chamada cor ou carga de cor. Os gluões que transportam a Força Forte misturam as cores dos quarks. Enquanto os quarks e todas as partículas da família dos fermiões (matéria estável e instável sem considerar as partículas de mediação que são os bosões) têm um Spin de ½; as partículas de mediação apresentam Spins de 0, 1 ou 2.

A Teoria Cromodinâmica confere a cada quark uma cor, ou seja, uma outra carga para além da carga eléctrica e que, no fundo, é a força de interacção que une os quarks; um pouco análoga à força electromagnética produzida pelos electrões e que circunscreve o núcleo do átomo, mas com uma diferença essencial: enquanto a força provocada pelos quarks diminui com a distância e só existe como força a distâncias ínfimas, a provocada pelos electrões aumenta com a distância.

Porquê? Eis uma boa pergunta, mas como referi no preâmbulo, a ciência só explica o como e não o porquê.

Os físicos com um certo poder de imaginação chamaram a cada uma das três cargas-força adicionais dos quarks uma cor; vermelho, verde e azul; daí o termo Teoria Cromodinâmica Quântica. Isto porque de acordo com o Princípio da Exclusão de Pauli parecia que não podiam coexistir duas partículas verdadeiramente elementares de características iguais sem se excluírem uma à outra. Pauli enunciou em 1924 o seu Princípio da Exclusão para os electrões, mas hoje a experiência permite generalizá-lo a quase todas as subpartículas.

Dado que nos protões há dois quarks up e nos neutrões dois dawn foi inventado o atributo cor, o que leva-nos a dizer que o protão é constituído por um quark up vermelho e outro azul mais um quark down verde. O neutrão, por sua vez, terá um down verde e um azul e um up vermelho. São as chamadas forças de cor e cada objecto quântico terá de ser branco pela soma das suas cores. Por sua vez, o anti-protão será constituído por quarks anti-cor.

Eu diria, a soma da informação confinada num objecto quântico é branca no sentido de formar um conjunto matematicamente fechado apesar de quântico, isto é, em que a dimensão é quantitativamente limitada às constantes de Planck.

E o que são verdadeiramente as cores que os físicos não sabem ainda definir? Serão bits informativos destinados a definirem as eventuais trajectórias dos quarks num dado espaço apenas limitado pela informação ou a sobreposição dos mesmos no caso de a chamada ubiquidade quântica prevalecer no âmbito destas dimensões tão reduzidas. De resto, o termo cor surge na física quântica como sinónimo de algo que não pode ser visto. Os Gluões são os objectos que são trocados pelos quarks no interior dos protões e neutrões, alterando a cor conforme são recebidos ou emitidos. Por razões que se prendem com a Matemática Unitária (3) das três cores não há 9 gluões, mas apenas 8 porque cada gluão apresenta-se com o seu anti-gluão, ou cada cor com uma anti-cor diferente. No total, o sistema de três quarks e 8 gluões tem de ser tal que o resultado seja neutro ou branco, portanto, que haja apenas três cores e três anti-cores diferentes.

Os Gluões podem ser apenas os seguintes:

Verde e anti-azul.

Verde e anti-vermelho.

Azul e anti-vermelho.

Azul e anti-verde.

 

Vermelho e anti-azul

Vermelho e anti-verde.

Verde e anti-verde.

Azul e anti-azul.

Vermelho e anti vermelho.

Um dos três últimos nunca estará presente porque não pode haver uma probabilidade de haver o mesmo número de gluões com cor-anti-cor, quer dizer, se um quark é vermelho não pode haver um gluão vermelho e anti-vermelho, por exemplo.

Quando um quark emite um gluão muda de cor. Por exemplo, um quark vermelho muda para verde. Nesse caso, o gluão deve carriar a cor vermelha e a anti-verde e é absorvido por um quark verde que passa a vermelho e emite um gluão verde e anti-vermelho, o qual sendo absorvido por um quark azul muda para verde, emitindo um gluão verde e anti-azul.

O Modelo cromo-matemático é tal que não funciona com um nono gluão, por exemplo vermelho e anti-vermelho, mas troca todos os outros gluões.

As partículas elementares dividem-se assim em duas grandes famílias também; as que possuem cargas de cor, denominadas de Hadrons ou Hadrões e as que não possuem essas cargas, denominadas Leptons ou Leptões.

O choque de dois protões revela uma terceira partícula (Hadron) muito instável, o Pion constituída por um Quark up vermelho e um Quark down azul que decai em dois fotões gama no espaço 0,8×10‾16 segundos. Esta partícula faz parte do grupo dos mesões que são trocados entre protões e neutrões, assegurando a coesão dos núcleos dos átomos e que serão igualmente bits informativos que definem os lugares dos protões e neutrões nos núcleos dos átomos. Estes mesões são os responsáveis pelas explosões nucleares, sem que se saiba ao certo se é por virem com um neutrão emitido por um núcleo radioactivo, ou se é esse neutrão que destrói alguma das características do Pion, por exemplo, provocando a reacção em cadeia por libertação de mais neutrões. De qualquer maneira, há indícios que apontam para que a radioactividade de um elemento possa resultar da falta de Pions no núcleo dos átomos radioactivos. Mas há físicos que negam nos fóruns da Hiperfísica a importância dos pions ou piões na radioactividade.

Assim, cada objecto deverá ser branco para existir, isto é, conter a três referidas cores. Um protão estável deverá conter um quarq de cada uma das referidas cores. Mas, os quarks podem igualmente ser agrupados aos pares de quark-antiquark. Por exemplo, a junção de um Quark vermelho e um Quark anti-vermelho dá um Quark branco. Apesar desta complexidade e aparência de absurdo, o Modelo Padrão acabou por se tornar num conjunto coerente teórico e prático que descreve de uma maneira satisfatória a estrutura da matéria como se fosse um puzzle.

O verdadeiro significado da cor dos quarks ainda não foi devidamente explicado pelos físicos, nomeadamente pelos seus inventores, os sino-americanos Moo-Young Han e Yoichiro Nambu da Duke University dos EUA. De resto, também o chamado sabor dos Quarks instáveis em strange, top e bottom não é bem conhecida.

Enfim, é tudo muito chinês, mas nos seus limites é assim que funciona a ciência.

Por mim entendo que o espaço e o tempo requerem uma matéria que troque quantos de informação (bits) porque nenhum evento é aleatório e, a um certo nível, a informação é como que um vector a apontar um dado caminho. A este nível dimensional, a física é cega ou está numa caverna de Platão e vê umas sombras, tentando adivinhar o que significam. Precisamente porque não nos chegam todos os quantos de informação das partículas mais elementares como os quarks que não têm existência independente.

Em resumo, pode dizer-se que a matéria do Universo é um imenso computador quântico. Cada quark e gluão é um sistema processador de dados, sendo os bits as referidas cores, cuja natureza não foi ainda devidamente explicada. Por isso, os quarks são igualmente as peças fundamentais do electrão e muito provavelmente do fotão que será apenas um emissor de informação que mais abaixo descrevemos.

Claro, não quero ter uma visão egocêntrica e acabar por concluir que a matéria tinha como único objectivo criar o planeta Terra com a sua vida e o seu homo sapiens com o seu computador portátil. Estaria quase ver o Universo como Santo Agostinho mais os computadores.

 

Quarks detctados no CERN - Detector Delphi

 

Mas é perfeitamente possível inventar uma outra matemática cromática e classificar as cores em graus, como foi feito nos posts hyperphysics da Cornell University, sendo:

Vermelho: 0 graus.

Verde: 120 graus.

Azul: 240 graus

Magenta (anti-verde): 300 graus.

Ciano (anti-vermelho): 180 graus.

Âmbar (anti-azul): 60 graus.

A substituição das cores por graus resultou da ideia de que as cargas de cores correspondem a T (ângulos cromáticos) relacionados com coordenadas cromáticas L3, L8 para se chegar à fórmula da carga q, sendo: q = │q │(cos (T) L3 + sen (T) L8).

Quer isto dizer que quando não se conhece verdadeiramente a natureza de um objecto dá-se-lhe um nome e inventa-se uma matemática. A partir daí procuram-se evidências da realidade e os graus referidos correspondem aos ângulos que terão sido formados pelos quarqs ao saírem dos despedaçados protões e anti-protões para formarem novas partículas. E verificou-se que a força de interacção forte aumenta com a separação dos quarqs pelo que no interior dos jactos de quarks formam-se toda uma série de novas partículas para habitarem o imenso jardim zoológico das partículas ou objectos hiperfísicos instáveis, já que o processo de decaimento continua para produzir de novo objectos conhecidos e estáveis.

Será?

Os quarks com cor ou sem cor são, sem dúvida, a chave para abrir o cofre que deverá encerrar os últimos mistérios da matéria. O problema parece residir agora em encontrar a fechadura para as chaves que sabemos existirem. Não são obra do acaso a partir da sopa original formada no Big Bang, como há quem o afirme.

Pessoalmente, não acredito que na Natureza exista indeterminismo absoluto, ou a chamada lei do acaso. Quase tudo é uma resultante de eventos anteriores, por ventura de grande multiplicidade e complexidade e pouco ou nada entendemos do evento inicial, antes do qual não existiria nenhum evento, nem sequer o tempo, ou o tempo não existe a nível quântico num campo comum. Mas, matematicamente podemos dizer que a matéria e, portanto o Universo, nasceu do vazio, ou seja, de uma flutuação quântica do vazio, isto porque a energia positiva contida na matéria é igual à energia negativa da gravidade, logo não há energia excedentária na matéria, a equação é: E+ + E- = 0.

A não ser que consideremos a energia positiva como um efeito da gravidade. Assim, as moléculas de vapor de água não sobem para cima por efeito de qualquer força ou energia positiva, mas apenas porque a força da gravidade obriga a que o campo molecular se organize de tal modo que as moléculas mais pesadas fiquem mais próximas do centro de gravidade do planeta que as mais leves. O mesmo acontece com os produtos da fusão dos núcleos de Hidrogénio pesado nas estrelas que obrigam à fuga de electrões e fotões.

A física tem chegado a conclusões cada vez mais interessantes e mais capazes de incitarem à reflexão especulativa, basta entrar nos posts dos génios loucos como Gell Mann que foi por isto galardoado com o Prémio Nobel da Física.

Partindo de alguns indícios meio especulativos e meio práticos sobre um elemento em falta procura-se descobri-lo e, geralmente, essa descoberta fornece informações sobre elementos ainda inacessíveis. Foi assim que o físico teórico e experimental Leon Ledermann também ganhou o prémio Nobel por ter descoberto o Neutrino do muon e o Quark bottom no acelerador de partículas Tevatron, situado nos arredores de Chicago. Para libertar os quarks do seu confinamento protónico foi necessário acelerar a grandes velocidades e em sentidos contrários protões e anti-protões; estes bem difíceis de obter. Efectivamente, um anti-protão com três anti-quarks é obtido por um processo denominado de arrefecimento, que diminui a dispersão energética das partículas resultantes da ionização (extracção do electrão) com raios Laser em torno de um determinado valor, neste caso a carga negativa do anti-protão. Aí há sempre uma quantidade ínfima de anti-matéria que pode ser confinada num campo electromagnético para ser introduzida no acelerador de partículas.

Nos anos 70, o físico italiano Carlo Rubia (igualmente Nobel da Física) teve a excelente ideia de transformar o acelerador de um sentido do CERN num acelerador de colisão, isto é, as partículas em vez de serem aceleradas num único sentido ao longo dos 7 km do circuito da máquina passaram a circular em sentido contrário para provocar choques frontais com o dobro da energia cinética. Claro, o choque é muito mais raro entre partículas que entre estas e uma placa situada num determinado local, mas o resultado científico foi notável, pois antes a aceleração a uma energia de 450 GeV produzia um choque eficaz numa placa fixa de apenas 30 GeV, já que o grosso da energia era perdido no recuo dos átomos da placa. No caso de um choque frontal em que cada feixe de partículas é acelerado a 450 GeV, o resultado é uma colisão brutal de 900 GeV (Giga electrões-volts).

O acelerador Tevatron do Fermilab de Chicago conseguiu em 1995 produzir uma partícula de grande massa mas extremamente instável. Numa fracção de dez biliões de biliões de um segundo, a referida partícula desintegrou-se nos mais diversos quarks, entre eles o Quark top, previsto teoricamente, que, por sua vez, se desintegrou para dar electrões, neutrinos, mesões e muons.

A utilização dos anti-protões teve em vista evitar transformar o acelerador do CERN, pois o mesmo campo eléctrico e magnético acelera os protões positivos num sentido e os negativos ou anti-protões em sentido contrário, ou antes, o campo eléctrico acelera e o magnético guia as partículas na circular.

No CERN foi possível introduzir no acelerador pacotes de 600 mil milhões de anti-protões e outros tantos protões em feixes. Do choque entre três quarks e três anti-quarks de cada protão e do seu anti resultou um grande número de partículas e descobriram-se os três bosões de mediação, o W+, o W- e o Zº, responsáveis pela chamada Força Fraca ou Electrofraca que intervém na radioactividade, ou seja, na instabilidade de certos núcleos atómicos com emissão contínua de Neutrões para fora dos mesmos. Eles mesmo são extremamente instáveis e têm um tempo de vida muito curto de 10‾25 segundos ou 1/1025.

Um dos instrumentos matemáticos utilizados na descoberta e explicação dos Quarks foi, sem dúvida, o conjunto dos diagramas de Richard Freynman utilizado a partir de 1948 por aquele físico norte-americano e outros colegas na explicação e cálculo da electrodinâmica quântica, isto é, nas relações entre electrões e entre estes e o núcleo para resolver o problema da dispersão dos electrões nos sólidos. Mais adiante trataremos deste tema.

Os quarqs caracterizam-se também pela chamada hadronisação. Quer dizer, a energia utilizada em desconstruir protões, como diria o filósofo Jacques Derrida, liberta os quarks, mas é utilizada por estes para formarem novos hadrões ou memórias dos bits de informação.

 

 

A cronologia dos quarks é a seguinte:

1964 - Os físicos Murray Gell-Mann e George Zweig sugeriram que os Protões, Neutrões e outras partículas, ditas Hadrons, seriam constituídos por partículas denominadas quarks.

1965 - Os cientistas sino-americanos Moo-Young Han e Yoichiro Nambu sugeriram que os quarks possuem cores.

1969 - Uma primeira experiência do tipo colisão no acelerador linear de Stanford demonstrou a existência dos primeiros quarks.

1974 - David Gross, David Politzer e Franck Wilczek iniciaram os estudos que completaram com a Teoria Cromodinâmica Quântica da qual surgiu o chamado Modelo Padrão (Standard) definitivo, bem, até ver?

1995 - No acelerador de Stanford verificou-se a existência do último quark, ficando assim completa a família com 6 quarks, sendo três ups vermelho, verde e azul e três down nas referidas cores.

2000 - No acelerador europeu do CERN foi criado o primeiro plasma de quarqs e gluões, portanto não confinados, que sobreviveram apenas no espaço de tempo de 10‾24 segundos.

2002  A revista francesa Science et Vie dá conta da descoberta de duas estrelas de quarks a partir dos dados proporcionados pelo telescópio do satélite norte-americano Chandras que desde 1999 escrutina os céus à procura de raios X de alta energia. Tratam-se de estrelas super-massivas e pequenas com uma temperatura extremamente baixa, da ordem do milhão de graus C apenas. Ambos os objectos celestes foram estrelas de neutrões, cuja densidade aumentou tanto por via do colapso gravitacional que os neutrões se decompuseram nos seus quarks originais u e d, mas uma parte dos mesmos terá dado origem a quarks s (strange). As estrelas seriam assim constituídas por um plasma de quarqs que interagem entre si pela já referida troca de Gluões. Uma das estrelas tem apenas uns 4 a 8 quilómetros de diâmetro, estando em vias de se tornar num buraco negro, portanto a meio caminho entre uma supernova ou explosiva que consumiu toda a sua energia de expansão e projectou para fora a sua matéria envolvente. A força gravitacional restante foi tal que os protões se fundiram com os electrões para darem neutrões e estes acabaram por entrar em colapso para originar o plasma quântico de quarks e gluões.

2004 - O físico chinês Shi-lin-zhu relata na revista International Journal of Modern Physics a descoberta da partícula Teta ou Pentaquarq formada por cinco quarks. Antes de fechar, em 2003, no acelerador do LEPS (CERN) onze grupos de físicos experimentadores confirmaram a existência de tão exótica criatura, enquanto que outros afirmam não terem descortinado qualquer sinal da mesma.

2004 - Os físicos norte-americanos David Gross, Franck Wilczek e David Politzer foram galardoados com o Prémio Nobel da Física pelos seus trabalhos na finalização do Modelo Padrão, tido hoje como uma importante conquista da ciência. Apesar do seu carácter ainda aparentemente absurdo, a realidade é que os quarks surgiram mentalmente em 1965 e ainda não estão integralmente explicados, mas fizeram carreira e participaram em dezenas para não dizer centenas de teses de doutoramento. Apesar de se juntarem muitas cabeças com 100 milhões de neurónios cada continua a ser extremamente difícil chegar mesmo ao limite final da matéria, à sua origem física, portanto.

 

 Text by Dieter Dellinger


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Quarta-feira, 30 de Junho de 2010
Capítulo II - Os Electrões

 

 

            Por último, na matéria estável e palpável das nossas vidas, temos o electrão que tanto jeito nos faz por se libertar facilmente dos seus átomos e quando livre presta-nos relevantes serviços, nomeadamente no computador portátil em que escrevo e em tudo o que é electricidade.

 

 

            Até há uns tempos atrás, vigorava como verdade absoluta o chamado átomo de Bohr e admitia-se que os electrões seriam partículas, ou uma espécie de planetas que orbitavam em torno do núcleo.

 

 

            Não, os electrões não são microplanetas, mas sim objectos quânticos que não se assemelham a pontos e não circulam em trajectórias definidas. Nos átomos, os electrões não ocupam quaisquer posições precisas; estão numa situação difusa. São descritos actualmente como uma “função de onda” que determina a probabilidade da sua presença num dado local e num determinado instante, o que até pode estar errado. São mais representativos como nuvens ou orbitais mais ou menos densos e aparentemente fusiformes. As suas órbitas são tridimensionais e elipsoidais.

 

 

            De resto, no electrão, como noutras partículas, é estranha a dupla função onda e corpúsculo. No fundo, uma onda pressupõe um campo onde se verifica o fenómeno ondulatório, o que não é conciliável com uma partícula ou objecto independente de um campo. Tal como não é necessário que uma partícula seja pontiforme, tanto mais que o electrão tem obviamente uma complexa estrutura interna com capacidade para emitir e absorver fotões e outras partículas do “Jardim Zoológico” quântico.

 

 

            O electrão pode ser um objecto virtualmente discóide e unidimensional constituído por duas cargas desiguais situadas nos extremos de um eixo virtual; dois pólos, portanto, em que um seria como que visível e outro não. Dada a desigualdade das cargas opera-se aí um movimento de rotação com um momento angular e, portanto um spin. Projectado para o exterior, as duas cargas em rotação adquirem um movimento helicoidal no qual um dos pólos, o principal, seria o autor do aparente movimento ondulatório. Acaba assim a misteriosa dualidade onda-corpúsculo tão cara à mecânica quântica, mas desprovida de senso, apesar de observada no duplo fenómeno de interferência ondulatória em experiências de passagem de fotões e electrões por grelhas e, por outro lado, pela acção materialmente corpuscular sobre uma série de materiais. A interferência tida como ondulatória do electrão não será mais que um fenómeno de interferência estrutural interna do objecto bipolar que é o electrão e, provavelmente, o fotão e quase todas as partículas elementares.

 

 

            O electrão era, como tal, tido como uma corpúsculo, umas vezes, e noutras situações um pacote de ondas que entram em colapso sempre que se pretende medi-las. Os físicos sempre souberam que um ponto não dimensional como seria o electrão não poderia ter um movimento de rotação em torno de um eixo, um spin, portanto, tornou-se imprescindível imaginar uma estrutura muito especial para o electrão baseada em dois pontos não forçosamente ligados por algum objecto material. A distância entre os mesmos seria o diâmetro de um disco plano e virtual.

 

 

            Os dois pontos ou mesmo estruturas do electrão são mantidas, obviamente, por uma troca de energias causadoras de desigualdades. A intensidade de energia adicionada a um dos “pontos” seria deduzida do outro e vice-versa; algo de semelhante à troca de gluões entre os quarks. Os electrões podem ter tido origem no âmbito de uma campo energético homogéneo durante o próprio “Big Bang” e sido deslocados para o espaço do Universo que permite a existência de objectos, nomeadamente bipolares como o electrão, no qual adquiriram imediatamente um movimento de rotação. Passaram pois de objectos unidimensionais para bidimensionais por via da rotação. Por sua vez, o princípio giroscópico da precessão tão conhecido da astronomia permitiu à forma discóide do electrão adquirir uma rotação secundária perpendicular ao diâmetro virtual, permitindo a forma de esfera compósita virtual ou tridimensional.

            O electrão faz pois parte de um princípio estrutural binário e bipolar.

 

Os electrões de um átomo têm “níveis energéticos” quânticos em números bem definidos e isso explica a razão porque os átomos são estáveis. Se obedecessem aos princípios da física clássica (não quântica), os electrões tenderiam a perder a sua energia cinética e a esmagarem-se no núcleo. Claro, isso só poderia acontecer se fossem mesmo uns pequenos planetas do núcleo. Na verdade como não são nunca poderiam ter energia cinética no sentido “particular” do termo.

 

 

            Os electrões enquanto objectos quânticos tanto são corpúsculos como parecem ser ou comportam-se como pacotes de ondas. Por isso, emitem fotões e recebem fotões, outro objecto quântico responsável pela luz e por todas as radiações do vasto espectro electromagnético. Literalmente, o electrão é simultaneamente um receptor e emissor de informação.

 

 

            Como corpúsculos, os electrões desviam-se num campo magnético apenas em dois ângulos deflectores na experiência de Stern-Gerlach com átomos de prata que libertam facilmente um electrão. Esse físico sugeriu então que o electrão tem um momento angular e um momento magnético que poderá resultar da rotação de uma esfera de carga eléctrica a que chamou “spin”. Contudo o “spin” aqui é tido como um conceito quântico sem analogia com a matéria clássica. Mas, em vez da esfera teremos antes duas “esferas” ou cargas mantidas a uma distância quântica e providas de um movimento de rotação e outro giroscópico.

 

 

            Quando foram analisadas pela primeira vez as linhas espectrais do átomo de hidrogénio observou-se um desdobramento a denotar o carácter ondulatório do electrão do H e atribuídas a uma interacção entre o spin S e o momento angular L.

 

 

            Para além disso, um electrão incidente pode emitir um fotão e mudar de direcção. Acredita-se cada vez mais que os quarqs e os electrões são objectos quânticos muito semelhantes ou iguais com cargas eléctricas diferentes; são como que pequenos imanes cujas forças são fixadas pelas respectivas cargas eléctricas.

 

 

            Para o físico francês Laurent Nottale, o electrão é um objecto fractal e é composto por todas as partículas elementares. É fractal porque muda em função da escala de observação. Visto de perto é coerente, mas visto um pouco mais de perto emite e absorve fotões em permanência e mais de perto ainda vê-se que cria pares de electrões-positões, sendo estes últimos de carga positiva ao contrário do electrão normal de carga negativa. Mais de perto ainda, observam-se pares de muons-antimuons e assim sucessivamente, pois o electrão conterá todas as partículas elementares. Para além de ser responsável por quase metade do PIB (Produto Interno Bruto) da maior parte das nações desenvolvidas, o electrão é responsável por toda a informação veiculada no Universo enquanto emissor e receptor de fotões.

 

 

            Os electrões são “rotulados” pelos seus quatro “números quânticos” e pela sua geometria orbital:

1.      n = 1, 2, 3, … representativos de “energia” ou “nível energético”;

2.      l = 0, 1, …. N-1, significando o “momento angular orbital”. Quanto mais elevado for o referido “momento angular” mais afastado estará o campo de densidade do electrão do núcleo do seu átomo;

3.      m= -l,….l, a denotar a orientação (o “número quântico magnético”;

4.      s = -1/2, +1/2, significando o “spin” (ms é por vezes utilizado em vez de s) ou momento angular giratório (spin);

5.      p, s, d, etc. = orbitais dos electrões ou espaço de distribuição das suas cargas eléctricas.

            A série dos quatro números (n, l, m, s) identificam o “estado quântico” do electrão.

 

 

            Os níveis energéticos dos electrões atómicos (confinados ao seu átomo) são afectados pela interacção entre o “momento magnético do spin do electrão” e o “momento angular orbital”. Como tal, pode ser visualizado como um campo magnético provocado pelo movimento orbital do electrão interagindo com o momento magnético do spin. Este “campo magnético efectivo” pode ser expresso em termos de momento orbital angular, ou seja como num dipolo (+-) em que a energia E = L×A× B em que L = força do momento angular intrínseco; A é a aceleração produzida por essa força na rotação do electrão e B deriva do movimento orbital.

 

 

            A ideia de que os electrões têm um “spin”, ou força de um movimento de rotação, foi lançada pelos físicos holandeses Uhlenbeck e Goudsmit a partir da noção que o electrão não é um ponto como no Modelo de Bohr mas uma esfera animada de movimento de rotação em torno de um dos seus diâmetros. Esta rotação daria origem a um momento cinético e a um momento magnético. Claro, a ideia dos holandeses revelou-se relativamente falsa. Louis de Broglie em 1924 e Schroedinger em 1926 afirmavam que o spin e a determinação da trajectória do electrão são soluções aparentes sem qualquer realidade física. O que interessa é a consideração dos níveis de energia que, aliás são os que se determinam experimentalmente em função dos potenciais de ionização e excitação, mas continua-se ainda hoje a falar em rotação dos electrões e translação em torno do núcleo. O electrão será mais uma pequena nuvem em movimento com carga eléctrica negativa e uma massa ínfima, contendo no seu interior todo material com que são feitas as partículas da hiperfísica como os quarks, por exemplo.

 

 

            O spin do electrão é revelado pelas linhas do espectro do hidrogénio vistas com alta resolução. Nessa observação, em vez da aparente linha única verificou-se a existência de duas linhas muito finas e separadas, atribuindo-se essa separação à interacção entre o spin S do electrão e o momento angular orbital L, denominada de interacção spin-órbita (“spin-orbit interaction”). O desdobramento das linhas espectrais revela a existência de um campo magnético gerado pelo movimento orbital do electrão no interior do átomo.

 

 

            O electrão comporta-se como um dipolo magnético e produz uma energia de interacção igual ao produto do vector μ do spin pelo vector B do movimento orbital. É como um magneto num pequeníssimo campo magnético.

 

 

            Nos finais de 2004, alguns físicos do Laboratório de Los Álamos da Universidade da Califórnia conseguiram detectar o spin de um único electrão, isolado num transístor de silício.

 

 

            A experiência foi repetida nos laboratórios da IBM na Califórnia e teve em vista a criação de circuitos eléctrico nanométricos chamados “spintronics” e, bem assim, construir o computador quântico, melhorar a ressonância magnética para aumentar ainda mais a resolução do microscópio atómico.

 

 

            Nas imagens conseguidas dos electrões, os de energia n=1 apresentam-se como uma única esfera luminosa em aparente rotação; os de n=2 como duas “girando” em torno de um eixo vertical invisível e os de n=2, mas m=1 como duas esferas “girando” em torno de um eixo horizontal.

 

 

            As órbitas ou orbitais são mais uma espécie de conchas luminosas, fisicamente definidas como campos que representam um espaço de densidade ocupado pelos electrões. Assim, um electrão confinado não é uma partícula. Todos os orbitais do único electrão do Hidrogénio só podem ter números quânticos de n=1 a n=4.

 

 

            Nos átomos de muitos electrões é quase impossível resolver as respectivas equações quânticas. Até agora conseguiu-se apenas com o Hidrogénio, o Hélio e o Lítio.

 

 

            Os diferentes níveis orbitais de um átomo só podem ser preenchidos com os seguintes estados quânticos dos electrões: n (quantum de energia ou número quântico principal) o primeiro número e l (número quântico secundário) o segundo:

1)         1, 0  - um só electrão no primeiro nível como no H.

2)         2, 0 e 2, 1 – dois electrões

3)         3, 0 e 3, 1 – idem

4)         4, 0 e 3, 2 e 4, 1 – três electrões

5)         5, 0 e 4, 2 e 5, 1 – três electrões

6)         6, 0 e 4, 3 e 5, 2 e 6, 1 – quatro electrões

7)         7, 0 e 5, 3 e 6, 2 – três electrões.

 

 

            Este esquema obedece à chamada “Aproximação de Hartree” que prevê a ordem em que os orbitais electrónicos são aproximadamente preenchidos. Digo aproximadamente porque falta aqui o m = número quântico magnético e s = spin que, só aparentemente, têm algum papel no preenchimento dos níveis orbitais dos electrões confinados aos seus átomos.

 

 

            Chegamos aqui à explicação final quanto ao carácter da matéria, porque dada a quase ausência de massa inerte nas chamadas partículas, se não tivessem energia suficiente seriam capazes de produzir uma matéria praticamente invisível num estado mais próximo do vácuo do que de qualquer gás por menos denso que fosse. No fundo, é a união que faz a força, a união dos átomos e é a chamada interacção ou força electromagnética que se manifesta em todas as partículas electricamente carregadas que liga os electrões aos núcleos para formar os átomos e estes entre si para formar as moléculas. Em síntese, é esta interacção ou força que deu origem a toda a matéria que nos rodeia e de que somos formados

 

 

            A solidez da mesa em que escrevo dever-se-á ao “Princípio da Exclusão de Pauli” que afirma que não podem coexistir duas partículas no mesmo “estado quântico”, um princípio não demonstrável, mas explicado pela natureza das coisas. Daí resultam forças que levam os electrões de uns átomos a ligarem-se aos seus parceiros possíveis de outros átomos para dar moléculas e essas forças em equilíbrio com as cargas positivas dos protões são suficientemente fortes para produzirem a consistência de tudo o que nos rodeia.

 

 

            O “Princípio de Pauli” é em parte responsável pela tabela periódica dos elementos de Mendeleiev. Os elementos químicos caracterizam-se pela sua concha elipsóide de electrões mais afastados do núcleo do átomo, sendo a tabela organizada pelo Número Atómico = quantidade de protões igual ao número de electrões nos átomos estáveis não ionizados e Número de Massa = protões + neutrões.

 

 

            Segundo Pauli só podemos ter dois electrões para o mesmo valor de n, l e m, devendo um ter um spin de S=+1/2 e o outro de  S=-1/2, portanto, na chamada “concha” das valências. Da mesma maneira, para cada valor de m terá de haver dois electrões que diferenciem-se de outro número quântico, l por exemplo, e assim sucessivamente. Claro, isto considerando os electrões no seu estado normal, isto é, de energia mais baixa, pois quando excitados podem saltar de uma concha elipsóide para outra mais exterior e ainda para outra até tornarem-se electrões livres produtores da nossa tão utilizada electricidade ou serem electrões livres de velocidade zero correspondente à energia de potencial zero. Ou então, no elipsóide exterior uma situação de desequilíbrio por falta ou excesso de electrões é recomposta com elipsóides exteriores de outro átomo e aí temos as referidas ligações ou valências que dão as reacções químicas que produzem todas as moléculas do nosso corpo e de tudo o que nos rodeia.

 

 

            Mas em 2003 verificou-se que os electrões podem afinal derrogar o Princípio de Pauli e formar pares, sendo isso que explica o fenómeno da supercondutividade de certos materiais a temperaturas muito baixas que permite a passagem de corrente eléctrica sem resistência de modo a originar um movimento de campo eléctrico perpétuo sem fornecimento de energia adicional à necessária para o arranque.

 

 

            E tal como nos quarqs e nos protões, os electrões que também não são esferas em rotação, mas antes objectos de forma indefinida com eventuais momentos angulares de spins medidos em unidades de

            h = Constante de Planck/2π = 1,0542 × 10‾27 erg-seg.

            Sendo 1 erg = 10‾7 Joules, unidade de força que corresponde à aceleração de uma massa de um quilograma a um metro por segundo quadrado (Newton) e momento angular é o produto da força por uma distância no interior do elipsóide. Assim, a força angular do electrão daria para acelerar uma massa aproximada de 1 grama a dividir por 1017, ou 0,00000000000000001 gramas. Uma massa de um grama só poderia ser acelerada por um feixe de 10 × quatro multiplicações de milhão por milhão de electrões.

 

 

            Acrescente-se ainda que a constante de Planck h é a base de toda a física quântica e foi dada a conhecer em 1900 pelo físico alemão Max Planck que começou por estudar o resultado de pesquisas feitas a respeito das radiações de calor emitidas por um corpo negro e depois outras para chegar à sua fórmula basilar da natureza em que toda a radiação é energia e onda com uma frequência relacionada pela fórmula E=hν (sendo ν a frequência). É uma fórmula empírica resultante de muitas medições de energia com sistemas termoeléctricos muito sensíveis e apurados e da frequência das ondas propagadoras da energia dispersadas em sistemas prismáticos. Esta formulação é aplicável a todo o tipo de radiação.

 

 

            Os electrões são cargas em aceleração angular, mas não podem perder energia continuamente, só em quantidades definidas por h/2π, portanto em saltos ou quantos. São objectos quânticos e múltiplos não inteiros. O 2π aqui demonstra o carácter ondulatório do movimento dos electrões, já que é a distância angular percorrida num ciclo completo.

 

 

            A verdadeira fórmula de Planck seria mesmo E=h/2π.ν, Mas como 2π é uma unidade de relação na geometria não tem uma correspondente unidade física, pelo que a sua presença ou ausência não afecta os parâmetros intrínsecos ou conceitos quânticos.

 

 

 

Escape de Um Electrão na Linha do Campo Electrónico

 

Text by Dieter Dellinger



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Terça-feira, 29 de Junho de 2010
Capítulo III - Neutrinos dos Electrões, Muões e Taus

 

           

 

 

 

Formação Possível dos Neutrinos Solares

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mas, antes de analisarmos os objectos instáveis, façamos uma referência ao Neutrino do electrão; aparentemente uma partícula de carga eléctrica zero com uma massa inferior a 5 x 10-33 g, emitida pelo Sol e pela radioactividade e que se caracteriza por uma certa instabilidade pois transforma-se em Neutrino do Muão e Nautrino do Tau.

 

Até agora é a partícula que encontrou uma certa utilidade entre tudo o quefoi descoberto pela física fundamental ou quântica. A emissão de Neutrinos pela radioactividade para fins militares permite quantificar à distância o fabrico de material radioactivo e saber se tem um destino miliitar ou não pela percentagem de Urânio ou Plutónio cindível no material obtido.

   

 

         Tanto a cisão do Urânio 235 como do Plutónio 239 por bombardeamento com neutrões produz produtos da rotura nuclear e Neutrinos, sendo os resultantes do U-235 mais energéticos que os do Pu-239. Os Neutrinos são captados numa cuva cheia de um líquido, geralmente o solvente “white-spirit” e com as paredes revestidas de fotodetectores. Sempre que um Neutrino choca com um protão do líquido origina um raio luminoso que é detectado por um fotodetector.

 

 

 

 

            Os neutrinos são os componentes mais importantes da radiação cósmica que constantemente atravessa o nosso pequeno planeta, devendo passar cerca de 60 mil milhões de neutrinos por cm quadrado e por segundo.

 

 

 

                                                                                     

 

 

                   Explosão de neutrinos na Supernova 1987A no detector dos gelos da Antártida.

 

 

 

 

 

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 Foi durante décadas a “partícula fantasma” da radioactividade beta e foi “inventada” para resolver o problema da discrepância entre a redução de massa de um átomo radioactivo calculada teoricamente e a observada na prática.

 

 

            A radioactividade beta resulta da prévia existência de um excesso de neutrões no núcleo de um átomo radioactivo relativamente ao número de protões e, por isso, é instável e tende a emitir uma carga eléctrica negativa, electrão, o que provoca a transformação de um neutrão num protão, pelo que o número atómico aumenta de uma unidade.

 

 

            Há instrumentos muito precisos que permitem determinar a energia efectiva do electrão ejectado. Esta energia corresponde a uma perda de massa do núcleo emissor e revelou-se sempre como sendo ligeiramente inferior ao valor previsto pela teoria. E de acordo com as fórmulas da conservação de energia, esta não poderá desaparecer, pelo que o físico austríaco Wolfgang Pauli sugeriu que a energia desaparecida terá sido transportada por uma partícula cujas características são indetectáveis com os meios ao dispor na época e seria emitida em simultâneo com o electrão da radiação beta.

 

 

            Segundo Pauli, a partícula não terá massa nem carga eléctrica, mas de acordo com as leis da relatividade deveria propagar-se à velocidade da luz. Seria pois uma partícula de dimensões ínfimas, pelo que o físico italiano Enrico Fermi resolveu crismá-la de “neutrino”, o pequeno neutrão.

            Para a física dos anos cinquenta sempre seria melhor uma partícula quase invisível que atentar contra a sacrossanta lei da conservação da energia e como há radiação β (beta) de origem solar admitiu-se a hipótese de que a terra seria atravessada por neutrinos que não interagem com a matéria que constitui o nosso pequeno planeta.

 

 

             O problema da detecção do neutrino foi resolvidos pelos físicos norte-americanos Frederik Reines e Clyde Cowman que raciocinaram no âmbito da lógica da física das partículas elementares, isto é, para cada partícula há uma anti-partícula e se o pequeno neutrão, Neutrino, não interage com protões, então o seu anti-neutrino deverá fazê-lo e sabia-se então que da cisão do Urânio nos reactores e bombas nucleares resulta muita anti-matéria e, naturalmente, anti-neutrinos. Ora, se um protão consegue capturar um raro anti-neutrino dar-se-ão várias reacções que finalizarão na emissão de dois fotões facilmente detectáveis.

 

 

            Os protões estavam nos núcleos do hidrogénio da água colocada em recipientes a pouca distância do reactor de Savanah. O dispositivo em causa recebia um milhão de milhões de neutrinos por centímetro quadrado. Mas, os instrumentos só registaram em média três reacções entre anti-neutrinos e outros tantos protões.

 

 

            Contudo, os registos das detecções fotónicas mostram algumas complicações. Aparentemente haveria como que duas “espécies” mais de neutrinos que aquele que se associava ao electrão.

 

 

            Efectivamente, anos depois veio a associar-se um dos estranhos neutrinos ao Muão μ, um electrão pesado descoberto em 1935 pelo físico Carl Andersen com propriedades semelhantes ao electrão, mas com uma massa 207 vezes superior. Passou então a ser o Neutrino do Muão reconhecido pela letra vμ.

 

 

                Mais recentemente descobriu-se uma terceira partícula do tipo do electrão, mas com uma massa 3.500 vezes superior que recebeu o nome de Tau τ.

 

 

            Esta partícula também aparecia acompanhada do seu Neutrino do Tau  vτ .

 

 

            As partículas desde o quarq charm ao neutrino do tau são denominadas Leptões por terem em comum a sua instabilidade e não são mediadoras de forças pelo que possuem características muito diferentes dos hadrões, entre as quais se conta a insensibilidade à interacção ou força forte, o que mostra a sua maior associação aos electrões que aos protões e neutrões. Por outro lado, como em todas as partículas, a força da gravidade quase não as influenciam e os neutrinos como não possuem carga eléctrica não podem ser contidos no âmbito da força fraca ou electromagnética.

 

 

            Dado que a fusão termonuclear do tipo da que se verifica no Sol liberta grande quantidade de neutrinos, foi feita a tentativa de detectar neutrinos solares com cloro colocados no fundo de minas antigas a 1.500 metros de profundidade para evitar a parasitagem de outras partículas cósmicas. A interacção de um neutrino com um átomo de cloro transmuta-o em árgon radioactivo. O resultado não foi muito animador, pois detectaram-se três vezes menos neutrinos que os esperados pelas fórmulas matemáticas o que tornou o evento ainda muito mais raro do que o esperado, pois só uma pequeníssima parte de muitos milhões de neutrinos solares chega à terra. Calcula-se que dois em cada três neutrinos se transformam durante o percurso.

 

 

            Na verdade, de acordo com a teoria quântica, tendo os três neutrinos características idênticas excepto a massa, eles podem transformar-se uns nos outros; a forma electrónica pode passar à muónica e à tauónica por oscilações quânticas de acordo com determinados períodos que são função da energia de origem e da massa. Experimentalmente, só os neutrinos dos electrões são detectáveis, daí pois os fracos resultados.

 

 Text by Dieter Dellinger



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Segunda-feira, 28 de Junho de 2010
Capítulo IV - Os Bosões – Partículas de Mediação de Forças

 

 

 

 

            A descoberta das partículas de mediação, nomeadamente dos bosões intermediários W+, W‾ e Zº em 1983 foi, sem dúvida, um acontecimento impar na história da Física, já que os mesmos tinham sido previstos pela Teoria Electrofraca elaborada pelos físicos Weinberg, Glashow e Salam, entre outros, para unificar numa única explicação duas das quatro forças fundamentais da matéria nos seus limites.

            Os bosões W e Z são pois os mediadores da Força Nuclear Fraca ou Interacção Fraca responsável pela radioactividade, tal como o Fotão é o mediador da Força Electromagnética que liga os electrões ao núcleo e os átomos nas moléculas e que, além disso, é responsável por todo o espectro electromagnético, desde os raios gama às ondas hertzianas de rádio, passando pela luz, raios X, radiação ultra-violeta, e infra-vermelha.

            As massas destas partículas são extremamente maiores que as das restantes partículas, sendo da seguinte ordem de valores:

W+ = 140.000 x 10‾34 g com carga zero e 10‾25 segundos de vida.

W = tem a mesma massa inerte e a mesma carga e instabilidade.

Zº = 162.000 x 10‾28 g. e igual carga e instabilidade.

            A questão que qualquer um coloca é como é que estas partículas com uma massa inerte relativamente elevada quando comparada com a massa quase zero do fotão podem ser unidas na mesma teoria electrofraca e produzir tanto a radioactividade como o espectro electromagnético?

            A explicação é dada pela sua instabilidade ou curta vida. Decaem rapidamente para dar outras partículas.

Os bosões são 14 ao todo – até ver. Os 8 gluões, o fotão, os três W, os eventuais gravitão e o bosão de Higgs ainda por descobrir.

            Se do gravitão não se encontrou o mais pequeno sinal, outro tanto não pode dizer-se do, há tanto tempo anunciado e esperado, Bosão de Higgs.

            Efectivamente, esperou-se vinte anos para o evidenciar num acelerador e quando vieram os primeiros sinais, o acelerador do LEP do CERN teve de fechar para permitir a construção do super-gigante de 27 quilómetros. Foi entre Abril e Maio de 2000 que se acelerou com a máxima energia e perícia electrões contra anti-electrões (positrões) e das muitas milhares de colisões detectaram-se uma dúzia de novas partículas que os físicos do CERN admitem serem os tão esperados bosões de Higgs. Depois de encerrado o LEP – Laboratório Europeu de Física das Partículas, as experiências continuaram no acelerador norte-americano Tevatron do Fermilab de Chicago.

            Os físicos e engenheiros do LEP tentaram acelerar a sua máquina a um máximo, aparentemente para lá das suas possibilidades. O acelerador estava previsto para produzir colisões até 192 GeV, mas pouco antes de fechar os técnicos conseguir aumentar a energia conferida às partículas até aos 209 GeV (109 eV). Aparentemente viram os Bosões de Higgs, mas não em quantidade suficiente para terem a absoluta certeza de que se tratava da partícula tão procurada.

            A glória ainda não muito certa coube ao acelerador de 1.000 GeV Tevatron de Chicago que utiliza protões e anti-protões. Mas, estas partículas, compostas de quarks e anti-quarks, quando desconstruídas a altas energias produzem centenas de partículas efémeras, o que torna difícil identificar o bosão de Higgs.

            A esperança está agora no novo LCH, grande acelerador de colisões, do CERN que  produz colisões entre protões e anti-protões com energias que vão até aos 14.000 GeV. Espera-se então não só identificar o bosão de Higgs como muitas outras partículas supersimétricas que desvendem todos os segredos da matéria.

            Em termos teóricos, o bosão de Higgs não é bem uma partícula independente, mas apenas a manifestação da excitação do campo de Higgs que, de acordo com o mecanismo teórico inventado pelo britânico Peter Higgs em 1964, será a barreira fantasma que nos impede de compreender a verdadeira natureza da matéria. Será um campo de massa no qual todo o Universo está mergulhado e quando recebe energia uma parte do campo transforma-se em partículas mediadoras de massa, nomeadamente materializa-se no bosão de Higgs. Por isso, tanto se espera encontrar o referido bosão no choque entre electrões e positrões como entre protões e anti-protões, pois estas ditas partículas são nos aceleradores simples portadores de uma energia altíssima e obrigam o campo de Higgs, presente em toda a parte, a manifestar-se.

            Acrescente-se que o bosão de Higgs ao decompor-se rapidamente fornece a massa necessária e suficiente para justificar a existência de matéria por via de uma multitude de partículas simétricas dos quarqs e leptões, agrupados sob o nome de fermiões, e das partículas mediadoras de forças, os bosões.

            Cada bosão terá um “sócio” na família dos fermiões denominado gluino, sócio do gluão, fotino do fotão e reciprocamente cada fermião tem um parceiro na família dos bosões denominado squarq ou sleptão.

            Segundo a Teoria Supersimétrica, podem existir vários bosões de Higgs dos quais o mais ligeiro terá uma massa de 100 GeV.

            Um dos bosões pode ser o gravitão, a partícula desconhecida que seria a mediadora da força da gravidade que não é descrita no Modelo Padrão, mas que poderia dar origem a um novo Modelo Padrão Relativista que uniria todas as forças da matéria num único Modelo conceptual.

            É tudo extremamente complicado e, por isso, o ministro britânico da c1iência ofereceu um prémio avultado ao físico que lhe explicasse de uma maneira fácil o que é um Bosão de Higgs numa única folha de papel.

            O vencedor foi o cientista David Miller que apresentou a sua explicação sob a forma de cinco desenhos. No primeiro há uma sala cheia de espectadores que corresponde ao espaço vazio ocupado pelo campo de Higgs. A dada altura entra a senhora Tatcher e à sua passagem forma-se um aglomerado de admiradores que a cumprimentam e criam uma resistência, tal como uma partícula que adquire massa ao deslocar-se no campo de Higgs. Mas também pode suceder que, em vez da personalidade, é apenas um rumor imaterial que passa de boca em boca pela sala e que cria zonas de excitação semelhantes às da passagem da personalidade com o conjunto de pessoas  sentadas que se agitam e voltam-se para ouvir e transmitir o rumor a outro grupo que vai passando até toda a sala estar inteirada do mesmo.

            Há pois dois tipos de eventos físicos susceptíveis de adquirirem massa e tornarem-se matéria e, naturalmente, anti-matéria.

            Só que não tem havido uma explicação plausível para a quase inexistência de anti-matéria quando os modelos da origem do Universo admitem que se tenha formado inicialmente tanta matéria como anti-matéria.

            A experiência recente feita no acelerador linear Slac de Stanford nos EUA revelou a razão porque quase não existe anti-matéria no estado natural e que residiria na taxa de desintegração dos instáveis mesões (ou piões) B e anti-B que não seria a mesma em ambos. Aí os anti-B desaparecem menos que os B. Porquê? Não se sabe ainda, nem qual o efeito real na matéria, nomeadamente na ligação entre protões e neutrões que é da responsabilidade dos piões.

 

 

 

 As quatro forças fundamentais da natureza física. A forte, a electromagnética, a gravitacional e a fraca.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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Domingo, 27 de Junho de 2010
Capítulo V - Os Fotões

 

 

 

Luz resultante de feixes muito intensos de fotões produzidos no acelerador circular Daisy na Alemanha 

 

 

 

            Entre as 14 partículas de mediação que formam a família dos bosões, o Fotão é, sem dúvida, a mais importante, sendo a mais estável e a mais conhecida, apesar de ter uma massa praticamente igual a zero ou quase e não possuir carga eléctrica.

           Quer dizer: importância aqui é algo de relativo, pois os gluões não deverão ser menos importantes, antes pelo contrário.

           Os gluões estão associados a qualquer coisa que chamamos matéria propriamente dita nos seus limites infimamente pequenos, os quarqs, enquanto os fotões serão os responsáveis por todas as radiações do espectro electromagnético; raios γ, X, ultra-violeta, radiação visível, infra-vermelhos e rádio.

           Qualquer radiação provocada pelo objecto quântico, proto-partícula, diria eu, está associado a duas ondas que formam entre si um ângulo recto. A onda portadora do campo eléctrico é vertical à respectiva direcção de propagação, enquanto que a portador do campo magnético é horizontal. Ambas as ondas têm o mesmo comprimento de onda e frequência.

           A teoria das ondas electromagnéticas foi descoberta por Clark Maxwell que a formalizou matematicamente muito antes de haver uma prova material do evento e é desde o Século XIX o fulcro de toda a engenharia electrotécnica.

           De uma forma simplificada considera-se a velocidade de propagação c=ν×γ, sendo ν a frequência e γ o comprimento de onda. O fenómeno ondulatório que se julgava antigamente que tinha a ver com um fluido especial denominado de éter é útil para verificar e utilizar os fenómenos de difracção, interferência e polarização. É das partes da física estudada há mais tempo, principalmente no que respeita à luz visível.

           Desde Max Planck que se associa o fenómeno propagação das ondas aos quantas de energia.

           Assim, a energia de um fotão singular é função da frequência ν e do comprimento de onda γ, ou seja: W = hf = hc/γ , sendo h a constante de Planck h = 6,626×10‾27 ergs.seg. ou 1,054 × 10-27  ergs.seg (h/2π) ou 1,05459 × 10-34  J s e c a velocidade da luz no espaço c = 300×106 m/s.

          O resultado é que um fotão pode carriar uma energia de 332 × 10‾21 Joules ou Watts por segundo, portanto, 0,000000000000000000332 Watts / segundo. Valor verdadeiramente insignificante. Trata-se aqui fundamentalmente daquilo a que classifiquei da física informativa. Mesmo assim, um fotão altera a energia de um electrão, excitando-o de modo a passar para uma “concha” orbital vaga, sucedendo o contrário quando o electrão deixa o estado de excitação e passa para um orbital vago de energia inferior.

         Fazendo uma analogia com os quarks; tal como estas partículas emitem e absorvem gluões, os electrões emitem e absorvem fotões e são a sua origem e recepção. Quer dizer: um imenso pacote de fotões pode ser emitido por electrões situados numa galáxia a milhões de anos-luz de distância para ser visto pela retina de um ser humano.

 

 

 

Interacção e Intricação do Fotão

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

             Até há bem pouco tempo, via-se no Fotão apenas uma ínfima partícula ondulatória de mediação, de forças, portanto um Bosão de massa quase nula.

            Contudo, o estudo das interacções entre positrões (electrões de carga positiva ou anti-electrões) e protões permitiu investigar a estrutura do fotão virtual trocado entre ambos os referidos objectos quânticos.

            No choque a alta energia entre protões e positrões, os fotões são emitidos pelos positrões e absorvidos pelos protões que se desfazem em jactos de hadrões e, como tal, detectados no detector ZEUS. A este fenómeno deu-se o nome de “interacção directa do fotão”.

            Mas essa não é a única interacção detectada, pois o fotão pode desdobrar-se num par de partícula/anti-partícula de acordo com a lei do Princípio de Incerteza de Heisenberg, formando um mesão que terá um tempo de vida suficiente para colidir com um protão. O mesão terá o mesmo número quântico que o fotão como acontece com o par quarq/anti-quarq.

            Observando a dispersão dos jactos de partículas resultantes do choque fotão-protão em que esta última partícula deixou de ser neutra em termos de cor ou força, pode dizer-se que um dos quarqs do fotão interagiu com outro quarq do protão. E sem um ou mais quarqs, o protão desintegrou-se e os quarqs livres originaram uma chuva de novas partículas denominadas “Partons”. Há anos julgou-se que estes hadrões seriam formados por subpartículas desconhecidas e hoje sabe-se serem quarks por via da medição dos momentos angulares dos jactos hadrónicos relativamente ao eixo de colisão e da direcção que tomam. No caso em estudo, os jactos de quarks resultantes do choque protão-positrão formam duas rectas em sentidos linearmente opostos e um ângulo de aproximadamente 45º para a direita no sentido do protão e o mesmo para esquerda no do positrão.

            Qual a conclusão a tirar daqui e muito bem explicada pela fórmulas dos momentos angulares?

            Primeiro: o fotão é também um quark.

            Segundo: o quark e o gluão poderão ser as componentes mais elementares de toda a matéria do Universo.

            Ou, na minha opinião e de acordo com a Teoria das Supercordas (Superstrings):

            Primeiro: o fotão não é um quark, mas é constituído pelos mesmos objectos eventualmente infra-quânticos ou hiperfísicos que formam os quarks.

            Segundo: O quark é constituído por laços ou segmentos curvos de “supercordas” ligados a uma “membrana”, tudo de dimensão igual ao número de Planck, isto é, 10‾33 cm, que seria a dimensão mínima possível da matéria e com 11 dimensões vibratórias e o carácter ondulatório dos fotão e das restantes partículas elementares tem a ver com o facto de a sua onda aparentemente esférica inicial percorrer uma corda ligada a outra ou outras partículas emitidas no mesmo espaço-tempo, o que explicaria as já famosas experiências de “teleportação” fotónica de Genebra e Viena.

            Terceiro: As ditas “supercordas” podem no limite não ser mais que os “espectadores” do campo de Higgs e que se excitam para formarem “partículas” ou “aglomerados” portadores de energia e de alguma massa quando vibram no seu espaço próprio a 11 dimensões.

           

            As interacções entre fotões e electrões estudadas na Electrodinâmica Quântica deram origem a uma “contabilidade” complexa, inventada pelo físico norte-americano Richard Freynman que a expôs pela primeira vez em 1948 e que, para além de um portentoso edifício matemático, incluiu os seus famosos diagramas de Freynman.

            Os diagramas de Freynman representam eventos a duas dimensões: espaço no eixo horizontal e tempo, sendo associados a descrições matemáticas. Segundo Freynman, cada electrão tem uma certa probabilidade de se mover como uma partícula livre do ponto x1 a x5, sendo essa probabilidade designada por K+ (5,1). Outro electrão a aproximar-se desloca-se de x2 a x6, portanto K+ (6,2). O segundo electrão pode emitir um fotão virtual δ+ (s562) com a probabilidade de se deslocar para o ponto 5 e ser absorvido pelo primeiro electrão. A probabilidade de o evento se verificar, emissão e absorção de um fotão entre dois electrões é dada pela fórmula eγμ, sendo e a carga do electrão e γμ um vector das matrizes de Dirac (conjuntos numéricos para seguir os spins dos electrões). O electrão que “dispara” o fotão virtual sofre um recuo como o de uma espingarda e o electrão recebedor da energia e momento adicional sofre um impulso que provoca a sua dispersão do ponto x5 para x3. Freynman calcula aqui aquilo que designou por Amplitude de dispersão do electrão e fotão eD, como também calculou a Amplitude de percurso de um electrão virtual B(x,y) e a Amplitude do percurso de um fotão virtual C(x,y).

            A noção de partícula virtual vem da Teoria da Electrodinâmica Quântica que explica as forças electromagnéticas, isto é, o facto de cargas do mesmo sinal se repelirem e de sinal contrário atraírem-se a nível da mecânica quântica.

            Na Electrodinâmica Quântica, os electrões e outras partículas fundamentais trocam entre si fotões ditos virtuais.

            Uma partícula virtual é um objecto quântico que se apropriou de energia do vácuo e, como tal, surgiu como que do nada. As partículas virtuais têm de pagar rapidamente a energia que receberam numa escala de tempos determinada pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg.

           

           Os fotões virtuais, portadores de forças, por exemplo, podem adquirir a “crédito” qualquer quantidade de energia, mesmo infinita, desde que paguem rapidamente a “dívida”, e é interessante constatar que estes fotões, também denominados efémeros, foram “inventados” no âmbito de física puramente teórica e, como tal, posta em dúvida a sua existência, acabaram por ser observados no último estado da matéria a que se chegou até agora.             

  

 

            Efectivamente, no plasma quark-gluão resultante da colisão de átomos de ouro no acelerador relativista de colisão de iões pesados RHIC de Broohaven (Nova Iorque), em que o choque de átomos de ouro forma um plasma a uma temperatura de um bilião de graus C, 100.000 vezes mais que a temperatura do sol, que só terá existido alguns microsegundos após o big bang, no espaço de tempo de 10-23 segundos e numa quantidade ínfima de matéria formam-se quarks pesados e um excesso de fotões virtuais ou efémeros.

Os fotões virtuais foram detectados num fotoreceptor apropriado que serviu de termómetro, dada a relação dos fotões com a temperatura do plasma. Mas aqui ainda não se descobriu o “continente” que significa a matéria no seu limite, o estado de plasma que era deveria ser gasoso, mas afinal apresenta-se mais como uma gota líquida susceptível de alterar muitos dos conceitos respeitantes à formação do Universo, nomeadamente ao próprio big bang.

            Cada porta que se abre na física é para entrar num compartimento ainda mais misterioso com outras portas para outros tantos espaços e fenómenos desconhecidos. Mas, imaginar não é doença e, menos ainda, demonstrar o que se imaginou ou mais concretamente o que se calculou, já que a física teórica é mais uma aplicação da alta matemática a toda uma série de eventos possíveis. Há quem diga que na física, portanto na matéria, só não existe o que não é calculável ou visível.

 

 

Texto de Dieter Dellinger

 

 

 

 

 


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Domingo, 20 de Junho de 2010
Capítulo VI - Teleportação Quântica

 

 

Esquema da Teleportação reproduzido em WWW.Zamandayolculuk.com

 

         A existência do campo de Higgs ou das supercordas pode, eventualmente, ser demonstrada por via dos fenómenos de teleportação.

As mais recentes experiências de “teleportação” de fotões foram realizadas em Viena por Zeilinger e Ursin com fotões gémeos originados por uma fonte idêntica. Estes comportam-se da mesma maneira qualquer que seja a sua posição num dado espaço. Assim, uma mudança de frequência ou energia de um implica igual mudança noutro sem qualquer decalagem temporal, permitindo a afirmação que pode haver uma ausência de tempo na comunicação entre fotões.

            As experiências de teleportação foram feitas nos últimos meses de 2004 por Rupert Ursin nos túneis que conduzem em Viena as tubagens de água por baixo do Danúbio para evitar interferências e vibrações externas. Ursin fez incidir um raio laser sobre um cristal, o qual separou o raio em dois fotões, ditos gémeos. Os dois fotões são separados por um sistema de espelhos, sendo um conduzido a um finíssimo cabo de fibra de vidro óptico com 5 micrómetros de espessura e mais de 600 metros de comprimento, enquanto o outro vai chocar com outro quanta de luz nas proximidades da emissão. Desse choque resulta uma variação de frequência que se transmite instantaneamente ao fotão que faz o percurso de 600 metros até a um fotoreceptor adequado que mede a frequência, tanto de fotões emitidos sem desdobramento no cristal como com desdobramento e colisão de um dos fotões com outro na mesa emissora do raio laser inicial. De acordo com o físico austríaco Ursin, o fenómeno poderá eventualmente ter lugar a distâncias maiores, mesmo espaciais.

            A experiência de Rupert Ursin, que reproduz o que o seu professor Zeilinger fez antes no laboratório, é feita quase em contínuo, pois em cada trinta segundos há uma emissão fotónica e verificação das oscilações dos fotões à partida e após o choque e à chegada. Estamos aqui mesmo no limite do material; aparentemente há uma espécie de telepatia. Mas, talvez a questão tenha a ver com sobreposição de várias fases nos mesmos fotões por via da referida “corda” da Teoria dos Superstrings.

            Trata-se aqui de um fenómeno ainda sem explicação que faz sonhar muita gente e parece tornar realidade a “teleportação” dos filmes de ficção científica.

            Mas, já em 1998 uma equipe da Universidade de Genebra, dirigida por Nicolas Gisin, realizou uma incrível experiência quântica em que dois fotões reagiram da mesma maneira a 10 km de distância na sequência de um evento imprevisível.

            Excitaram com um raio laser um cristal de KNbO3 que emitiu dois fotões gémeos, os quais percorreram duas fibras ópticas, uma de 7,3 km e outra de 4,5 km em direcções divergentes. A meio do percurso de ambas as fibras colocaram espelhos semi-reflexíveis que tanto podiam deixar passar um fotão como reflecti-lo para um dos três detectores.

            A emissão de um só fotão sobre um dos espelhos dava sempre resultados aleatórios; uma vez passava outra vez era reflectido. Quando emitiram dois fotões gémeos, estes comportaram-se sempre da mesma maneira e deslocando-se à velocidade da luz, estando os dois espelhos a uma distância igual da fonte de emissão, mas muito longe um do outro. Aparentemente houve uma comunicação instantânea que levou os dois fotões a optarem pelo mesmo comportamento.

            A experiência mostrou que fotões gémeos muito afastados uns dos outros mantêm um contacto permanente que a ciência não sabe explicar e que parece estar a fazer abalar parte do edifício da física relativista de Einstein baseada na inexistência de velocidade superior à da luz. A comunicação aparentemente instantânea parece ser uma realidade ou haverá outro fenómeno em causa cuja explicação escapa à ciência?

            Ao fenómeno referido foi dado o nome de Intricação e é de uma importância fundamental para o pensamento científico do futuro. Em síntese, pode dizer-se que o Mundo Quântico é intemporal; não tem um antes nem um depois. Provavelmente como o Universo e, portanto, a Matéria. Precisamente no país dos relógios, alguns físicos “matam o tempo”.

            Ainda em Genebra, o professor de física e filosofia quântica da Universidade de Zurique, Antoine Suarez, fez uma experiência semelhante com detectores rotativos a 100 mil rotações por minuto e espelhos sob a forma de ondas sonoras que reflectem ou absorvem os fotões e deslocam-se a 9 mil km/h. O resultado foi idêntico por mais que a experiência fosse repetida e as condições de reflexão e detecção fossem diferentes. Os fotões-gémeos comportavam-se sempre do mesmo modo. Aparentemente o físico Antoine Suarez demonstrou a “morte do tempo” a nível quântico do fotão. Ou talvez surja daí um novo postulado que diga mais ou menos o seguinte: “num mesmo campo ainda por definir o tempo não existe” ou “a matéria nos seus limites veicula informação intemporal”. Ou no “Campo Ponto Zero” as ondas do vazio penetram em qualquer meio e mantêm dois fotões gémeos em permanente comunicação”. Ou ainda, “os fotões deslocam-se ao longo de supercordas invisíveis e indetectáveis, as quais formam um campo onde o tempo não existe por haver permanente ligação entre os fotões”. Mais adiante falaremos nestes dois últimos conjuntos de objectos quânticos.

 Será?

            Mais recentemente, o carácter quântico de toda a matéria foi demonstrado pela equipe do físico Markus Arndt. Este conseguiu evaporar com raios laser uma das moléculas mais pesadas da natureza, o fluorofluereno (C60 F48) . No estado gasoso, estas moléculas reunidas em feixes com a mesma velocidade atravessaram uma placa provida de retículos de 100 nano metros (10‾‾9 m).

Os físicos verificaram que as referidas moléculas mostraram um comportamento ondulatório depois de serem detectadas num ecrã iluminado por radiação laser que as ionizou para uma melhor identificação. As moléculas pesadas dividiram-se em bandas espectrais de interferência, mostrando que toda a matéria é quântica, só que o fenómeno não é visível no quotidiano por não estarmos em contacto com matéria suficientemente isolada. Além disso, quanto maior o objecto quântico mais curto é o comprimento de onda.

A molécula aquecida pelo primeiro laser absorveu fotões e emitiu-os ao passar como onda pela placa reticular, portanto, em vários retículos ao mesmo tempo. Deu uma informação sobre o facto, informação essa que cessou após a passagem pela placa, pelo que aparentemente o feixe de moléculas voltou a reunir-se a projectar-se como corpúsculos. Quer dizer, não é possível o fornecimento de duas informações. A fronteira entre a matéria quântica e a clássica não é uma questão de tamanhos, mas sim de informação e suficiente isolamento para que a informação chegue intacta aos detectores.  

            Conclusão: a matéria no seu limite é um super-vazio de energia infinita a nível quântico ou talvez infra-quântico, tudo banhado num campo de massa inerte, denominado campo de Higgs em que o tempo não existe e onde funcionam as tais “cordas” que não permitem a existência de um vazio, mas são uma forma de vazio ou, em vez disso, pacotes de ondas ditas frias do “Campo Ponto Zero”?

            Será?

           

 

 

 

Facsimile de Teleportação reproduzido por www.research.ibm/quantuminfo

 

 

 

Texto de Dieter Dellinger



publicado por DD às 11:58
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