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
Sábado, 22 de Agosto de 2020
Dieter Dellinger: CHEGAR A ALFA DO CENTAURO

Os Mistério do Universos - A via látea



Intodução: A Ciência tenta revelar todos os mistérios do universo com algumas provas e dados e muitas incertezas. Só as religiões fanatizantes é que têm certezas. O saber é sempre incerto e sujeito a alterações.



CHEGAR A ALFA CENTAURO



A nossa gigantesca galáxia tem cerca de 200 a 400 mil milhões de estrelas e um número semelhante ou superior de planetas, os ditos exoplanetas, dos quais o telescópio Kepler detetou mais de 4 mil, observando apenas uma pequena janela do braço Orionte em que está inserido o nosso sistema solar. Isto pela simples observação do que poderíamos denominar de irregularidades regulares nas estrelas em observação, ou seja, pontos negros que passam em frente da estrela em períodos sempre iguais a presumir que se tratam de corpos estranhos à estrela num movimento de translação que dura o ano de um planeta em causa. Pelo conhecimento da massa da estrela e da velocidade do eventual exoplaneta mais o efeito doppler de aproximação para uma centralidade e de afastamento é possível conhecer superficialmente o tamanho, a massa e até a distância desse objeto estranho à sua estrela que perturba regularmente a visão ou claridade da mesma, sendo algo como a terra e os planetas do nosso sistema solar.



Considerando a existência de centenas de milhares de milhões desses planetas é admissível que muitos sejam do tipo telúrico como a terra e possam albergar atmosferas, mares e, por ventura vida de qualquer tipo, incluindo inteligente. Muitos outros são gigantes gasosos como Saturno e Urano e há ainda planetas que já foram estrelas que passaram perto do horizonte de um buraco negro que lhes comeu a coroa, a cromosfera, a fotosfera, a zona de convecção e da radiação, deixando um núcleo que arrefeceu até tornar-se num planeta errante e frio sem uma estrela para o aquecer.



Há milhares de milhões de planetas rochosos e desérticos como Marte ou gasosos como Saturno e Urano e de qualquer dimensão. Enfim, entre milhares de milhões não pode deixar de existir tudo o que a mente pode imaginar.



Sucede que a maior parte dos exoplanetas e os sistemas solares ou estrelares de que fazem parte situam-se a distâncias enormes e insuscetíveis, de observações minuciosas e, muito menos, de visitas. Mesmo assim, há quem não tenham desistido de, pelo menos, enviar sondas a outros sistemas planetários e na nossa “vizinhança” temos 10 estrelas que podem ter sistemas planetários a distâncias que vão de 4,24 a 8,73 anos luz.



O sistema mais próximo e que poderá ser visitado ainda este século por uma sonda miniatura é o Alfa Centauro. A sua maior de duas estrelas do tipo solar chama-se mesmo Proxima Centauro e há uma terceira anã vermelha que poderá ter em sua volta planetas.



O multimilionário russo Iuryi Milner pretende ser o que foi o Infante D. Henrique nos tempos atuais e futuros próximos. Para o efeito inspirou-se nos trabalhos do físico americano Robert Forward que imaginou uma sonda gigante presa a uma enorme vela ou espécie de paraquedas de 1.000 km de envergadura impulsionada por raios laser disparados a partir da uma central fixa no nosso planeta com uma potência de 75.000 terawats vista por toda a gente como algo de um gigantismo impossível. O gigantismo da ideia tornou aquilo um autêntico disparate.



Em vez disso, Milner pensa colocar 100 milhões de dólares à disposição de uma equipe de vários físicos e engenheiros americanos e de outras nacionalidades para elaborarem um projeto extremamente miniaturizado na base de uma sonda com um peso de cerca de 1 g impulsionada por um paraquedas ou vela a receber raios laser de uma bateria de emissores laser instalada na terra. Assim, um foguetão lançaria para o espaço fora da gravidade terrestre um involucro que se desdobraria para abrir a vela tipo paraquedas com 4 metros de envergadura e a sonda que seria um chip baseado nas tecnologias existentes dos telemóveis e câmaras de vídeo miniaturizadas de 2 Mpx com peso inferior a 1g. A sonda em forma de um chip quadrado com alguns centímetros de aresta seria alimentada por uma bateria de Nano Trítio radioativo de duração quase ilimitada e emissora de eletrões como as células beta-voltaicas usadas nos pacemakers mais um micro processador de dados na base de circuitos integrados como os dos relógios com movimento proporcionado por um cristal de quartzo e um micro motor elétrico, um giroscópio, um magnetómetro e emissor de imagens vídeo captadas pela câmara com uma lente do tamanho de uma pupila e capacidade de visão semelhante a um olho humano. A vela em paraquedas seria revestida de um filme fotovoltaico capaz de produzir energia elétrica a partir da radiação das duas estrelas brilhantes do sistema Alfa do Centauro quando chegarem ao sistema Alfa do Centauro. Fundamentalmente trata-se de aproveitar a nano tecnologia já existente e cobrir o chip com um material finíssimo para proteção contra o eventual choque da sonda com partículas cósmicas.



Já houve uma tentativa de lançar 104 mini satélites em órbita que não saíram do foguetão por erro de manobra e comando.



O verdadeiro segredo do eventual êxito do projeto de chegar a Alfa do Centauro está mais na vela e sistema de raios laser impulsionadores a uma velocidade de 20% da velocidade da luz ou 60.000 km/segundo (=216 milhões de km/h). Para isso seria necessário um laser produzido pela energia elétrica de 100 GW quando uma central nuclear produz em média 1 GW. Para chegar a isso, pensou-se em utilizar a típica astúcia russa que é conseguir algo muito grande com meios simples e menores. Assim, em vez de uma grande centra laser, pensou-se em utilizar emissores de raios laser de 1 kilowat repartidos numa superfície de 1 km2 que albergaria cerca de mil unidades produtoras dos referidos raios laser. O consumo energético durante o curto período de arranque seria imenso para colocar a vela e a sonda à velocidade 60 mil km/segundo, mas acrescenta-se a ideia de reciclar os fotões emitidos contra vela que deveria ser feita num material que não só aguentará o choque imenso dos feixes laser como os refletirá para a terra para serem reaproveitados sob a forma de energia elétrica. A radiação laser será emitida no espetro infravermelho que só será absorvido pela atmosfera numa média de 90%. Se a vela absorver um milésimo da radiação laser que lhe chegar entrará em combustão, pelo que deverá ser construída num material mito especial do tipo de um espelho perfeito num filme de plástico metalizado com uma espessura inferior a um micrómetro, ou seja, de um quarto do comprimento de onda da radiação laser e que terá ainda de ser inventado ou desenvolvido. A NASA que colabora com o magnata russo anda a testar velas que para além do material especial deverão ser rotativas para se manterem com a pressão desejada.



A viagem até ao sistema Alfa do Centauro está sujeita a tempestades cósmicas, magnéticas e passagens por nuvens de poeiras que podem pôr em causa a resistência da vela. No Halo entre Nossa heliosfera e a das estrelas do Alfa do Centauro, o espaço é relativamente estável, a temperatura é da ordem dos -270ºC, o que não deverá ser um grande problema em encontrar materiais que aguentem um frio tão grande, pois as duas sondas Voyager continuam de boa saúde apesar de estarem a navegar há uns 35 anos num espaço com essa temperatura.



A radiação laser será necessária para o arranque e em cerca de meia hora, a sonda atravessará a órbita de Marte e, talvez, em um a dois dias estará na fronteira da nossa heliosfera, zona de influência magnética e ligeiramente gravitacional do Sol.



A sonda navegará à velocidade de 1070 milhões de km/h, o que pode prejudicar a observação e procura de planetas do sistema Alfa do Centauro. Em pouco mais de 4 anos, a radiação laser chegará ao conjunto sonda e vela que poderá ser orientada para orbitar uma das estrelas do sistema. Mas, o grande objetivo deste fantástico projeto é o de sempre da astronomia. Haverá vida algures num planeta? A radiação laser refletida pelo espelho formado pela parte interna da vela poderá ser o transmissor de dados e a vela refletir para a terra aquilo que a câmara da sonde vê. Mas é evidente que produção de uma sonda com a respetiva vela implicará como é timbre da nossa civilização industrial a construção de outros veículos astronómicos iguais ou melhorados, pelo que é admissível que as estrelas e eventuais planetas sejam então explorados por muitas sondas



O projeto Alfa do Centauo tem um calendário que seriam 10 anos para a construção e cerca de 20 anos para a viagem e exploração da constelação. Por volta de 2050 poderá ser o objeto de todo o noticiário internacional.



Na constelação Alfa do Centauro podem existir planetas para além das três estrela, o que seria normal, dado que formação de estrelas, principalmente anãs resulta de proto disco que além de estrelas pode originar planetas e com estrelas tão próximas umas das outras seria quase inconcebível que não existam também planetas, mas se têm vida não sabemos.



O projeto denominado em inglês é “Breakthrough Starshot” é excitante para todos os cosmólogos e deverá custar mais que os 100 milhões de dólares já disponibilizados, mas é natural que os poderes públicos da Rússia, EUA, Europa, etc. Venham a interessar-se e a contribuir com trabalhos e dinheiro.



O russo Konstatin Tsiolkovski, inventor do primeiro foguetão que deveria explorar o cosmos escreveu há mais de 100 anos: A Terra é o berço da Humanidade, mas ninguém nasceu para pass



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Quinta-feira, 13 de Agosto de 2020
Mistérios do Universo - Buracos Negros e Bancos

 

Mistérios do Universo

O Universos está cheio de mistérios desde o começo do tempo e do espaço com ou sem o Big Bang até ao aparecimento do Homo Sapiens que acredita ou acreditou que é a única espécie animal com capacidade de olhar para o céu e com a ajuda de muitos instrumentos descobriu que existem objetos estelares ditos buracos negros nos quais a matéria de uma estrela pode ter encolhido e concentrar-se num estranho objeto do tamanho de uma molécula, mas capaz de produzir uma quase infinita atração gravitacional e absorver para o interior do seu horizonte externo todas as estrelas, planetas, asteroides e gases cósmicos que circulem num certa proximidade, não permitindo a saída do mais pequeno fotão, pelo que é invisível nos telescópios, mas observável pelo seu apetite em engolir tudo o que está por perto e fazer desaparecer depois de muitos movimentos de translação, incluindo o rompimento de grandes estrelas em várias partes, das quais algumas fazem uma espécie de ricochete e são observáveis.

Os buracos negros não aparecem na física do universo por via de observações, mas antes pela teoria da relatividade geral de Einstein na qual o famoso físico previu que na presença de uma gravidade extrema o espaço-tempo enrola-se de tal maneira que não deixa escapar nada nem mesmo a luz. De acordo com cálculos realizados a partir de 1970, os buracos negros tornaram-se uma realidade astronómica sempre que uma estrela massiva morre e se afunda ou encolhe sobre ela mesmo, podendo uma estrela reduzir-se ao tamanho de uma molécula, mas com uma força gravitacional quase. infinita. Recentemente foi possível medir a existência de ondas gravitacionais produzidas pelo eventual choque de dois buracos negros.

Mas mais recentemente ainda, o físico italiano Carlo Roveli colocou a pergunta à comunidade científica: e se todos os buracos negros estejam em vias de explodir? Isto no seu livro “a realidade pode não ser o que parece” que li com dificuldade por me ter chegado em italiano e Rovelli coloca ainda a questão de que os gigantescos buracos gravitacionais capazes de engolir tudo nada mais fossem que uma ilusão. Os buracos negros passariam a ser fontes luminosas imensas e singulares em que nada entra e tudo sai.

Ravelli mostrou por cálculos astutos que essa intuição pode ser muito credível.

A relatividade Geral explica como apareceram os buracos negros a partir de estrelas que na sua juventude queimaram quase todo o seu carburante e acrescenta: logo que toda a massa fique confinada numa pequeníssima esfera de tamanho molecular, a sua densidade atinge o limite dito de Planck de acordo com as suas constantes universais, fazendo aparecer uma força oposta a toda a compressão sob a forma de um muro quântico intransponível. O processo de afundamento em si da estrela será algo para levar uns 2 mil milhões de anos e durante uns 6 mil milhões o buraco negro fará uma vida de gigantesco comilão de matéria estelar e cósmica, mas o espaço granular que o envole, segundo Einstein, acaba por se opor à concentração, fazendo com que a matéria se dilate brutalmente durante uns 10 mil milhões de anos, cuspindo para fora tudo o que engorgitou antes e ao fim de 14 mil mihões de anos desde o começo do evento cósmico que originou o buraco negro para explodir de vez. O prazo de 14 mil milhões de anos é o calculado para a origem do universo ou desde o big bang e que se tornou um tempo cósmico que se repetirá vezes sem conta. Uma espécie de metro num universo aparentemente infinito no tempo e no espaço.

Rovelli diz que é possível demonstrar matematicamente os dois filmes, o do crescimento do buraco negro e o da sua desbobinagem ou desenrolamento de toda matéria que entrou no buraco.

Eu perguntaria a Rovelli se tivesse contactos com ele. Se haverá tantos buracos negros a explodirem ou dilatarem porque não vemos a iluminação produzida. Os negros são obviamente invisíveis, mas os brancos poderiam chegar a ter a luminosidade de uma galáxia? A pergunta foi feita por escrito à revista Science et Vie. A resposta é que há dois tempos, o do interior de um buraco negro e o do exterior. Um milésimo de segundo no interior do Buraco Negro de várias massas solares corresponde a milhares de milhões de anos no exterior e se não vemos a explosão é que a sua métrica temporal não tem nada a ver com a que conhecemos e vivemos no nosso espaço cósmico. Mas, mesmo no nosso planeta, a geografia física ensina-nos que o tempo ao nível do mar decorre de um modo diferente do que no cume de uma montanha muito alta. O físico francês Aurélien Barrau escreveu-me a dizer que não podemos ver a explosão de um gigantesco buraco negro, mas será possível conhecer resíduos resultantes de explosões de miniburacos negros e as vagas de raios gama que são frequentemente detetadas na Terra podem ser o resultado dessas explosões que o novo telescópio NuStar deverá constatar pois foi construído para identificar a radiação gama que chega à terra para permitir tirar conclusões sobre estes eventos cósmicos.

Dieter Dellinger  - 13/Agosto/2020



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Quarta-feira, 29 de Maio de 2019
Einstein foi o Maior Génio da Humanidade

 

Faz hoje 100 anos que o astrónomo britânico Eddignton comprovou no âmbito de um eclipse solar que a gravidade é de facto uma deformação do espaço-tempo. O desvio das radiações luminosas perto do Sol confirmaram a Teoria da Relatividade Geral e que Einstein era o maior génio do Século XX e, talvez, de todos os tempos.

As observações foram feitas na ilha do Príncipe e no Ceará brasileiro e o britânico mostrou também que para gente inteligente não há guerra que as separe, dado que em 1919 o Império Britânico estava apenas numa situação de armistício com a Alemanha e a guerra tinha terminado alguns meses antes.

Einstein afirmava que a sua teoria não seria última. Descobertas posteriores poderiam verificar algo de diferente, mas até agora muitas experiências demonstraram a verdade do grande génio alemão desnacionalizado por ser judeu.

Einstein associou espaço-tempo e gravitação como posteriormente massa e energia (ou movimento) e unificou tudo na teoria do eletromagnetismo, afirmou mais tarde que o espaço-tempo que estrutura a nossa perceção do Mundo mais não é que uma ilusão. Sim, mas calculável nas suas fórmulas elaboradas com a ajuda do matemático alemão Hilbert.

Já próximo do fim da sua vida, Einstein começou a elaborar uma teoria sem espaço nem tempo, afirmando que ninguém a sabia construir.

É muito curiosa a pessoa de Albert Einstein. Como criança foi quase considerado um atrasado pois começou a falar muito tarde e durante muito tempo falava mal e repetia sempre as palavras. Os professores do liceu alemão disseram ao pai dele que nunca seria nada na vida.

Sem conseguir completar o liceu na Alemanha foi para a Suíça fazer a “matura” (equivalente ao liceu) e tentou entrar na Escola Politécnica de Zurique, chumbando pela primeira vez e depois conseguiu completar o curso de físico-químicas na mesma escola com más notas como dizem alguns biógrafos, mas que não eram assim tão más, só que a numeração classificativa suíça era diferente da alemã e dava a impressão de não serem boas notas.

Não conseguiu entrar como assistente na sua Politécnica e arranjou um lugar secundário no departamento de patentes de Zurique. Nas horas vagas elaborou as suas teorias que transformaram a visão do Mundo, publicando vários artigos nos “Anais da Física” alemães.

Não foi compreendido por quase todos os cientistas, exceto pelo britânico Eddington que lhe disse só há três pessoas que entendem a relatividade e Einstein perguntou, é o senhor e eu e quem é a terceira pessoa?

Com a teoria da relatividade restrita começou a ser entendida e veio o primeiro Prémio Nobel e mais tarde o segundo e um alto cargo de professor catedrático em Berlim de onde teve de se afastar por causa da ditadura nazi e foi um dos muitos cientistas europeus que foi enriquecer os EUA. Eram russos perseguidos por Estaline, alemães por Hitler e italianos por Mussolini e muitos mais.

Não há dúvida que o anti semitismo empobreceu todos os países que o praticaram a começar pela Espanha e Portugal na época dos descobrimentos e a tolerância liberal dos EUA aproveitou para se tornar na maior potência científica do Mundo, ou não estaria eu a escrever num computador e em programas criados no outro lado do Atlântico.



publicado por DD às 23:00
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Quinta-feira, 30 de Março de 2017
Dieter Dellinger: A Galáxia dirige-se para o vazio

 

A nossa galáxia desloca-se no Universo a uma velocidade fantástica de 2,3 milhões de km/h e não é impulsionada pela força da gravidade de alguma matéria ou buraco negro, mas simplesmente pelo vazio.
Não se conhece alguma concentração de galáxias que não esteja a uma distância inferior a 150 milhões de anos-luz e há um super grupo de galáxias a uns 600 milhões de anos luz (600 milhões x 300.000 km x número de segundos existentes num ano). Mas a nossa galáxia não se dirige propriamente a essas galáxias, mas antes para algo onde nada está.

Além disso, a nossa Via Láctea é maior do se supunha e não tem a forma de um disco absolutamente plano, mas sim ondulado com ´nódulos" de grande densidade de estrelas, pelo que terá muitas mais estrelas e, como tal, exoplanetas do que as cerca de 100 milhões de estrelas calculadas sem grande rigor científico ou certeza.


Isso diz-nos a astrofísica Heléne Courtois da Universidade Lyon que cartografou uma parte importante do Universo a quatro dimensões.


A 500 milhões de anos-luz do grande grupo da galáxias conhecidas por Shapley na direção oposta encontra-se um imenso espaço vazio que explica a pressa da natureza em ocupá-lo, nomeadamente a nossa "Via Láctea".
A expansão do Universo desde o Big Bang há uns 13,7 mil milhões de anos tem a ver com o vazio infinito que envolve tudo.


O Universo é jovem e poderá acabar com o fim dos protões, cuja vida está calculada 10 elevados a 793 anos. Mas é razoável pensar que o protão tenha uma existência infinita e que venha a formar uma massa fria de calhaus ou ferro daqui a 10 elevados a 1.500 anos. Quantidades insusceptíveis de serem exprimidas por palavras, apenas por números.


Muito antes disso o sol transformou-se numa super nova e depois engoliu todos os planetas até se formar uma estrela branca anã e depois uma anã castanha ou uma estrela fria de neutrões que um dia possa ser engolida por um buraco negro que acabará por explodir para dar origem a novas estrelas e planetas.
Enquanto existir variância haverá tempo que acabará com o aparecimento da matéria invariate e simétrica. Será?
Tudo indica que um Big Bang" é irrepetível e que o Universo não fará marcha atrás até se encontrar num pequeníssimo ponto.

 



publicado por DD às 23:42
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Sábado, 13 de Agosto de 2016
Exoplanetas

 

Se me perguntarem qual foi a maior descoberta científica dos últimos 25 anos? Eu responderia que foi a deteção de mais de 3.200 exoplanetas, ou seja, planetas de outros sistemas solares da nossa galáxia e que marcam um novo paradigma da Humanidade, portanto, uma nova maneira de nos vermos a nós mesmos, admitindo que haverá outras formas de vida no espaço.

Foi em 1995 que Michel Mayor e Didier Queloz da Universidade de Genebra descobriram em trânsito frente à estrela 51 Pegasi um planeta gigante e gasoso do tamanho de Júpiter e situado a 40 anos-luz de distância. Depois disso descobriram-se muitos mais planetas, incluindo apenas 21 do tipo telúrico com as condições que tem a Terra, o que à primeira vista parece indiciar uma probabilidade reduzida é certo de existir vida, principalmente inteligente na galáxia.

Na verdade, até agora o principal telescópio de observação de exoplanetas, o Kepler instalado num satélite da Nasa apenas espreitou para uma pequeníssimo quadrado do braço Orion da galáxia em que vivemos, a qual terá mais de 200 mil milhões de estrelas, tendo quase todas sistemas planetários de um a mais de uma dezena de planetas, pelo que podemos admitir a existência de cerca de um bilião de planetas (milhão de milhões) nos quais podem existir 20 mil milhões de planetas com muitas formas de vida, mesmo mais avançadas que a nossa. Uns 40 planetas habitáveis estarão num raio inferior a 40 anos-luz de nós. Claro, habitáveis não quer dizer habitados, mas com temperaturas, rochas e atmosfera suscetíveis de permitirem a invenção química da vida. Daí que muitos cientistas aconselham uma certa prudência quanto ao ruido eletromagnético que se faça para o espaço exterior.

 

Até agora foi sempre difícil detetar um exoplanetas devido à intensidade da luz das respetivas estrelas, mas a aparelhagem moderna como o citado satélite Kepler e os grandes telescópios de Atacama e do Hawai, entre outros, permitiram ver pontinhos a fazer uma ligeira sombra frente às estrelas. Repare-se que Júpiter tira 1% de luz ao sol quando visto de uma distância de muitos anos-luz e a Terra apenas 0,01%.

 

Mas, hoje já é possível observar o espectro das atmosferas de muitos exoplanetas e saber que domina o Hélio, o elemento que existe em maior quantidade no universo depois do hidrogénio, sendo um gás inerte com 2 protões e 2 eletrões que não reage com outros elementos, mas acomoda-se a qualquer gás como oxigénio, hidrogénio, etc. Uma atmosfera de hélio pode conter junto à superfície dum exoplanetas outros gases mais adequados à vida. No nosso sistema planetário não se encontrou qualquer traço de vida atual ou passada. Talvez em dois satélites de Júpiter haja qualquer coisa.

 

No espaço exterior ainda nada foi observado, mas há esperança de encontrar planetas com atmosferas que indiciem a presença de vida e, provavelmente, a sua descoberta será uma realidade nos próximos dez anos ou menos. Claro, há biólogos que dizem que a vida química na Terra é tão singular e extraordinária com a sua evolução até à forma consciente e inteligente que não pode deixar de ser única e irrepetível. Por outro lado, há biólogos mais modestos e citam a invenção da vista como câmara escura com fotorecetores inventada umas dezenas de vezes em seres vivos que não evoluíram uns dos outros. Ir ao encontro de outros seres vivos em exoplanetas não parece ser nada fácil nem possível no futuro, salvo no âmbito de uma física diferente da atual, mas já um pouco conhecida.

 

Também a visita de seres do exterior não parece tarefa viável. Os objetos celestes como meteoros e meteoritos, planetas, estrelas, deslocam-se a velocidades apreciáveis, mas muito menores que a velocidade da luz. Geralmente da ordem dos 10 a 15 km/segundo, o que nada tem a ver com os 300 mil km/s da luz e outras radiações eletromagnéticas. Todos os meteoritos que chegam à Terra têm origem no nosso sistema solar e resultam da explosão de um planeta e da formação de meteoros há mais 4,6 mil milhões de anos quando da agregação dos corpos celestes que originaram o nosso sol e os planetas do nosso sistema. Apesar da desilusão que tem sido a não descoberta de qualquer traço de vida no exterior da Terra, a realidade em que há modelos de vida terrestre capazes de viverem no espaço e até colonizarem Marte, por exemplo, que serão descritos em próximo artigo.



publicado por DD às 22:17
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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

 

 

 

 

 

 Quarks confinados num espaço energético denominado neutrão e protão. Tudo quase sem massa. O Universo e nós mesmos somos feitos de quase nada.

 

 

                                                                                                                                                                         

 



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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