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
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



publicado por DD às 00:44
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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



publicado por DD às 21:15
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Segunda-feira, 28 de Junho de 2010
Capítulo IV - Os Bosões – Partículas de Mediação de Forças

 

 

 

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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

 

 

 

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

 

 

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

Interacção e Intricação do Fotão

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

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

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

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

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

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

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

            Primeiro: o fotão é também um quark.

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

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

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

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

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

           

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

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

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

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

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

           

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

  

 

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

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

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

 

 

Texto de Dieter Dellinger

 

 

 

 

 


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

 

 

Esquema da Teleportação reproduzido em WWW.Zamandayolculuk.com

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 Será?

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

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

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

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

            Será?

           

 

 

 

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

 

 

 

Texto de Dieter Dellinger



publicado por DD às 11:58
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