segunda-feira, 29 de julho de 2013
Aqui está nosso segundo texto da série Matéria e Energia. Como eu sou péssimo com planejamentos, esse texto será sobre campos e partículas que corresponde aos tópicos 3 e 6 do combinado e no próximo abordarei os tópicos 4 e 5.
Como
vimos anteriormente, não é uma tarefa fácil definir em palavras o
que é energia, já a definição de matéria se mostra ainda mais
difícil. E nessa nossa tentativa de definir coisas bem difíceis
daremos mais um passo.
Nossa
concepção atual do mundo físico é formada por uma grande
variedade de experimentos e descobertas que ocorreram entre os anos
1900 e 1970. Esse conhecimento não é nada de sobrenatural,
mas leva um certo tempo para as pessoas que cresceram com uma visão
arcaica virem a realidade por um novo ponto de vista, e alguns de fato nunca
irão ver. Também leva um tempo para uma versão mais recente de uma
visão de mundo a entrar em foco nítido para a própria ciência.
Hoje,
se alguém quiser falar sobre o mundo no contexto do nosso ponto de
vista moderno, pode-se falar em primeiro lugar dos "campos e as
suas partículas”. Os campos são os ingredientes básicos do
universo¹, hoje em dia esse é o nosso paradigma dominante. Vemos os
campos como mais fundamental do que as partículas, porque você não
pode ter uma partícula elementar sem um campo, mas você pode ter um
campo sem quaisquer partículas. No entanto, acontece que todos os
campos conhecidos têm uma partícula conhecida², por exemplo, o campo
eletromagnético tem o fóton, o campo de Higgs tem o bóson de
Higgs. De forma geral, cada campo fermiônico tem seu férmion
relacionado assim como cada campo bosônico tem seu bóson.
O que
"campos e partículas" têm a ver com a "matéria e
energia"?
Campos
não são matéria propriamente dita e partículas, como definimos
antes, podem ser ou não matéria, vai depender se elas são
partículas de matéria ou de força. Para te lembrar, definimos
partículas de matéria, os elétrons, neutrinos,
quarks,etc e partículas de força, os fótons, bósons W's, bósons Z's, etc.
Então
as primeiras conexões que temos são:
Campos → Não são matéria propriamente dita.
Partículas → Podem ser ou não matéria, vai depender de suas características.
Agora
vamos para a relação entre campos e partículas com a energia.
Mesmo
que você saiba pouco sobre a área de partículas e campos, é um
tanto intuitivo pensar que todos os campos e partículas podem ter energia. Mas
eles são energia?
A
resposta é não! Como definimos anteriormente a partícula pode ter
energia, mas ela não é energia, da mesma forma que minha casa é da
cor branca, mas ela não é a cor branca. O mesmo vale para o campo,
ele pode possuir energia, mas ele não é energia, a energia é uma propriedade sua. Posso, quem sabe em um texto mais técnico no
Relative Thinking, mostrar como descobrimos a energia de um campo,
mas isso é assunto para outra hora.
É bem
complicado falar sobre campos e sua relação com partículas, quebra
de simetria, etc. Então peço que no momento se contentem com o esse link aqui, mas em um futuro próximo prometo fazer um
texto sobre o assunto (me cobrem se eu esquecer).
Resumindo
essa relação entre campos e partículas com energia:
Campos e Partículas → Não são energia, energia é uma propriedade deles.
Dessa
forma vemos que os ingredientes mais básicos do no universo, os
campos, não são energia e não são necessariamente matéria. Sim, é
algo bem abstrato.
Para encerrar a segunda parte quero tentar desfazer um problema que pode ter ocorrido durante esse texto. Que é a relação “Partícula de Matéria” e “Partícula de Força”.
Dividir partículas nas duas classes “Partícula de Matéria” e “Partícula de Força” é um pouco arbitrária. Para nosso texto ela funciona bem, pois falamos que as partículas de força e suas antipartículas estão associadas com as quatro forças da natureza que conhecemos, enquanto as partículas de matéria e suas antipartículas são todas as outras partículas. E há muitas situações em que essa divisão é conveniente. Mas nós poderemos facilmente descobrir partículas que não se enquadram nesta classificação, um exemplo é o bóson de Higgs, pois ele não está relacionado a uma força, mas também não está na categoria de “matéria”.
No
decorrer do texto, eu fui tentando utilizar uma divisão alternativa
(mas muito diferente) e que faz mais sentido: ora eu chamava de
partículas de matéria outra eu chamava de férmions, e ora eu
chamava de “partícula mediadora de força” outra de bósons.
Essa definição é mais abrangente e mais correta, pois abarca mais
partículas, inclusive o Higgs que não faz mediação de força, mas
sim de massa³.
Assim
é mais conveniente dividir em:
Bósons:
São partículas que não podem ser consideradas matéria
propriamente dita, e existe também uma lista delas aqui (sem o Higgs).
Essas partículas e as interações que ela mediam são organizadas e estudadas em uma teoria que chamamos de modelo padrão.
Apesar
da nossa definição arbitrária do primeiro texto, o que de fato
temos é que todas as partículas da natureza são simplesmente
partículas, algumas das quais são antipartículas de outras, e não
há apenas uma única maneira de dividi-las em classes. A razão pela
qual eu usei "matéria" e "força" é que isto é
um pouco menos abstrato do que "férmions" e "bósons".
A
diferença real entre bóson e férmions é um tanto complexa de se
explicar do ponto de vista da física, pois utilizamos conceitos um
tanto complexos, mas como disse, eu tentarei (assim que surgir tempo)
escrever um texto abordando o assunto.
Por hoje é só pessoal. Lembrando que esses textos são nada mais que um incentivo à vocês a buscarem mais informações e também para abrir margem para novos textos dessa área.
1 - Para alguns físicos, o mais fundamental do universo são os espinores, mas isso não desvalida em ponto algum o que falamos acima, além de ser um assunto que não cabe aqui.
2 - O campo gravitacional teria como partícula o Gráviton, porém ele é uma partícula problemática que está um pouco longe de uma confirmação experimental.
3 - Caso queira entender melhor sobre isso, leia esse texto (mas leia logo que esse blog será apagado!): E o bóson de Higgs, a quantas anda?
Olá,
ResponderExcluirantes de mais nada gostaria de parabeniza-lo pela iniciativa de criar um blog de divulgação científica.
Minha dúvida é referente a seguinte passagem:
"cada campo fermiônico tem seu férmion relacionado assim como cada campo bosônico tem seu bóson."
O campo criado por partículas carregadas, por exemplo, o elétron seria fermiônico, uma vez que o elétron é um férmion ou bosônico já que o fóton é um bóson. Ou seja, a propriedade do campo em ser fermiônico ou bosônico está associado a qual partícula: a partícula mediadora de interação ou a partícula geradora do campo, se que é correto se referir ao elétron como partícula geradora do campo.
Desde já obrigado e excelente trabalho.
Olá Anônimo. Sua dúvida é interessante e foi boa para mim, pois irei usá-la para escrever meu texto sobre partículas e campos. Então eu vou dar uma resposta resumida aqui e trato mais detalhadamente no texto sobre esse assunto exatamente.
ExcluirMas é o seguinte, o elétron é um férmion, logo ele vem do campo fermiônico. Sua carga gera um campo vetorial(spin 1), no caso o campo elétrico (e no caso do movimento - o campo eletromagnético), que tem o fóton como seu mediador de força, logo o campo gerado por elétron é um campo bosônico, pois ele contém o fóton que é um bóson (além de ter spin inteiro, como falei, e respeitar a relação de comutação canônica).
Essa explicação é meio superficial, vou abordá-la mais afundo em um outro texto.
Existe anti-fóton?
ResponderExcluirEu fiquei pensando... se partículas e anti-partículas quando se encontram liberam fótons, o que aconteceria se um fóton e um anti-fóton se encontrassem? (já que fóton é uma partícula =/)
Meu comentário não foi aprovado ainda, mas lembrei que falei merda. Fótons não tem carga --'
ResponderExcluirWallace, mas isso não é tudo. Como abordei no primeiro texto não é todo aniquilação que resulta apenas em dois fóton (dê uma lida nele novamente). O Fóton tem antipartícula sim, mas é ele próprio. Algumas partículas tem essa estranha propriedade de serem suas próprias antipartículas desde que sua carga seja zero, como você disse.
Excluirentão o que acontece quando um fóton encontra outro fóton?
ExcluirThiago,
ResponderExcluirno livro que vc postou do McMahon, tem escrito no prefácio:
"Unfortunately, learning quantum field theory entails some background in physics and math. The bottom line is, I assume you have it. The background I am expecting includes quantum mechanics, some basic special relativity, some exposure to electromagnetics and Maxwell’s equations, calculus, linear algebra, and differential equations. If you lack this background do some studying in these subjects and then give this book a try"
Eu acredito que eu não tenha essa background que ele pede =P vc poderia me passar uma pequena bibliografia para que eu possa obtê-lo?
abraços =]
Thomáz, você precisa saber cálculo e álgebra. Mas foi um erro meu, achei que essa edição fosse o for dummies, mas não é...
ExcluirOlá,
ResponderExcluirsou o Max, 12 anos e gosto muito de física. Gostaria de saber se os campos são resultados da matéria, da energia ou nenhum deles.
Olá Max, fico muito feliz em saber que pessoas da sua idade gostam de física!
ExcluirSobre sua pergunta: Depende, hoje em dia temos uma visão de o universo é composto primordialmente por campos. Esses campos são o que temos de mais elementar, mas alguns campos existem devido a propriedades da matéria, como o campo elétrico por exemplo, que precisa da carga elétrica para existir, também o campo gravitacional que é criado pela massa da partícula. Então existem campos que são sim resultados de propriedades da matéria. Mas existem outros campos que dão propriedades a matéria, como o campo de Higgs por exemplo, ou mesmo campo fermiônicos, que "criam" partículas como o elétron. A origem desses campos remonta ao início da universo e não temos tanta informação sobre isso ainda.
Aqui é o Max de novo... obrigado pela resposta.
ExcluirVocê poderia me recomendar alguma leitura sobre campos? Algo fundamental e que seja mais teórico.
Obrigado!