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

 

 

 

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

 

 

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

Interacção e Intricação do Fotão

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

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

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

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

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

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

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

            Primeiro: o fotão é também um quark.

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

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

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

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

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

           

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

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

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

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

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

           

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

  

 

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

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

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

 

 

Texto de Dieter Dellinger

 

 

 

 

 


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publicado por DD às 20:04
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2 comentários:
De Fernando Santos e Silva a 26 de Dezembro de 2007 às 13:44
Permita-me cumprimentá-lo pelo excelente livro blog Hiperfisica e pela suas intervenções no seu blog, nomeadamente as relativas à energia e sua produção.
Tomo a liberdade de assinalar no capitulo Fotões o que me parece uma incorrecção de dactilografia: a unidade de energia Joule é Watt.segundo e não Watt/segundo .
Com os melhores cumprimentos

F.Santos e Silva


De DD a 29 de Dezembro de 2007 às 21:20
Caro Senhor Fernando Santos,

Obrigado pelas suas amáveis palavras e pela correcção.

Desejo-lhe um BOM ANO NOVO
Dieter


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