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Campos e Partículas - A Nossa Visão Moderna do Universo
No texto passado
falamos sobre simetrias nas leis da física. Nesse texto de hoje
vamos tratar de uma leve introdução da relação entre partículas
e campos do ponto de vista da Teoria Quântica de Campos (TQC). No
próximo texto iremos relacionar os dois assuntos tratando da quebra
espontânea de simetria e, nesse contexto, falaremos sobre dois
mecanismo muito importantes, o de Goldstone e o de Higgs. Vou deixar
os planos a curto prazo em formato de lista para que você possa
acompanhar melhor:
1 – Simetrias
2 – Partículas e
Campos
3 – Quebra Espontânea
de Simetria.
4 – O que são
Partículas Elementares?
5 – O que é
Supersimetria?
Vamos ao que interessa.
No final do século
XIX, o Lorde Kelvin¹ disse que o céu estava limpo, exceto por duas
pequenas nuvens negras, se referindo a como estava a física da
época. O problema é que essas duas pequenas nuvens negras eram nada
mais do que a mecânica quântica e a teoria da relatividade. Em
pouco tempo, essas duas nuvens negras cresceram e deram origem a uma
enorme tempestade.
É justamente da junção
de parte dessas nuvens que vamos falar aqui, mas não vou me focar em
descrições de títulos, e sim dar explicações e depois atribuir
títulos a elas.
Uma coisa que é comum
de se ler por aí é sobre a incompatibilidade entre a mecânica
quântica e a teoria relatividade. Mas isso não é totalmente
verdade, existem vários pontos em que a mecânica quântica e a
relatividade se encaixam muito bem e é disso que se trata a TQC².
Desde a formulação de teorias modernas da física, os campos se
fizeram presente, como na teoria do eletromagnetismo de Maxwell, por
exemplo. Então veio Einstein, Minkowski, Lorentz, Poincaré e deram
a física clássica uma nova abordagem, a abordagem relativística,
que deu formas diferentes a nossa visão dos campos. A essa nova
visão sobre os campos nós chamamos hoje de Teoria Clássica de
Campos. Com a inserção da mecânica quântica nesse contexto, ou
seja, com a quantização desses campos, obtivemos uma teoria bem
abrangente e que mete o bedelho desde a cosmologia até a física da
matéria condensada, que é a Teoria Quântica de Campos.
Mas qual a graça da TQC?
Essa teoria foi
postulada pela primeira vez no final de 1920 e desenvolvida ao longo
das décadas seguintes. E uma das principais coisas que a TQC fez,
foi mudar nossa visão de mundo. Pois essa teoria nos fez ver um
universo todo permeado por campos, que dão origem as partículas que
formam nosso universo, colocando os campos em uma posição
fundamental para compreendermos a natureza. Mas para ficar mais fácil
nossa compreensão, para começar, vamos pensar apenas em elétrons.
Em todo o universo, há
um campo chamado de “campo de elétrons”, que é um campo
fermiônico que citamos no texto sobre Matéria e Energia. Um elétron
propriamente dito não é um campo, mas sim uma vibração localizada
em um campo. Na verdade, cada elétron no universo é uma vibração
localizada em um único campo.
Os elétrons não são
as únicas partículas que consistem em vibrações localizadas de um
campo, na verdade todas as partículas são. Por exemplo, há um
campo de fótons, um campo de quark up, um campo de glúons, um campo
de múon, ou seja, há um campo para cada partícula conhecida. E,
para todos eles, uma partícula é apenas uma vibração localizada
do campo.
Esse é o caso também
do bóson de Higgs. O campo de Higgs interage com as partículas
fornecendo a sua massa, mas é difícil observar este campo
diretamente. Por esse motivo temos que fornecer energia para esse
campo, através de colisões de partículas, para lhe causar
vibrações que são detectadas como partículas, no caso, o bóson
de Higgs. Então, observar uma partícula em acelerador, por exemplo,
é nada mais do criar e observar vibrações em determinados campos.
Essa idéia dá uma
visão completamente diferente de como o mundo subatômico funciona.
Pois existe uma grande variedade de diferentes campos permeando todos
os lugares e o que nós pensamos que é uma partícula, na realidade
é simplesmente uma vibração do campo ao qual ela é associada.
Isto tem consequências
importantes sobre a forma como pensamos sobre como as partículas
interagem. Por exemplo, considere um processo simples, onde dois
elétrons são disparados um contra o outro e são espalhados. Na
visão semi-clássica de dispersão, um elétron emite um fóton e
depois recua. O fóton viaja para o outro elétron, que o “recebe”
e também recua. Isto é como ter duas pessoas em cima de dois skates
e um deles joga uma bola para o outro: o skate da pessoa que
arremessa a bola se move para trás em resposta à massa da bola,
assim como o skate da pessoa que apanha a bola.
Na TQC,
uma vibração no campo do elétron provoca uma vibração no campo
dos fótons. A vibração no campo do fóton transporta energia e
momento para outra vibração no campo do elétron e é absorvida.
No famoso processo em
que um fóton se converte em um elétron e um anti-elétron, as
vibrações do campo dos fótons são transferidas para o campo do
elétron e dois conjuntos de vibrações são configurados – um dos
quais está de acordo com a vibração do elétron e o outro de
acordo com a vibração do anti-elétron³.
Essa abordagem de campos e
vibrações explica como o universo funciona em um nível profundo e
fundamental. Estes campos abrangem todo o espaço. Alguns campos
podem interagir com outros campos, enquanto que outros podem parecer
inertes. O campo fóton pode interagir com os campos de partículas
carregadas, mas não pode interagir com os campos dos glúons ou dos
neutrinos. Por outro lado, um fóton pode interagir indiretamente com
o campo do glúon, em primeiro lugar, fazendo vibrações nos quarks
que, em seguida, fazem os glúons vibrar.
Campos quânticos são
realmente uma forma bem diferente de ver o universo. Tudo, e eu quero
dizer TUDO mesmo, é apenas uma consequência da vibração de muitos
campos infinitamente grandes. O universo inteiro é feito por esses
campos e essa coisa dá um grande nó na nossa cabeça.
No próximo texto, nós
vamos tratar de como essas partículas “aparecem” na quebra
espontânea de simetria nesse campos. Iremos falar um pouco sobre o
mecanismo de Goldstone, em que partículas perdem sua massa e o
mecanismo de Higgs, no qual partículas ganham massa. Caso você
queira acompanhar bem o próximo texto aconselho que você dê uma
estudada em “energia potencial” pode ser por material de ensino
médio, ou por esse texto.
1 - Em The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Series 6, volume 2, page 1 (1901) "Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light."
2 - Note que o ponto problemático da junção entre Mecânica Quântica e Relatividade se dá no campo gravitacional, quando tentamos quantizar esse campos surgem infinitos na nossa teoria que estragam a nossa brincadeira.
Veja mais:
- Lectures on Physics - Feynman (o física em 12 lições também serve)
- Introduction to Quantum Field Theory. John Cardy
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Matéria e Energia - Partículas e Campos (Pt 2)
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?
Matéria e Energia - Diferenças que você precisa saber!
Você leigo,
que adora ler texto sobre física na internet, sempre se depara com a relação entre
matéria e energia, e recebe definições diferentes sobre como elas se
relacionam. Por esse motivo resolvi escrever esse texto, que será enorme e por
isso vou dividir em 3 posts abordando 2 tópicos em cada texto. A idéia é tentar
dar uma definição mais precisa sobre a relação entre matéria e energia para que
você pare de receber conceitos errados e possa ter um conceito mais formal para
carregá-lo para a vida.
Os tópicos
que irei abordar são:
1 – Matéria e Energia realmente são a mesma coisa?
2 –
Aniquilação de partículas não é matéria se transformando em energia.
Mãos a obra:
1 – Matéria e Energia realmente são a
mesma coisa?
Uma causa dos
grandes problemas com a definição da relação entre matéria e energia é que com o
tempo de estudo na física você vai aprendendo a separá-las em sua cabeça e elas
se tornam (e são) coisas realmente diferentes, tanto experimentalmente quanto
matematicamente. Por esse motivo não perdemos muito nosso tempo tentando
explicar as diferenças e similaridades em livros e textos, aí causamos isso, um
monte de gente que não sabe distinguir as duas coisas, já que os textos de
divulgação fazem questão de usar definições ambíguas e que mudam de texto para
texto.
O mais comum
de se ler por aí é que matéria e energia são a mesma coisa e isso não é verdade
– É José, o documentário mentiu pra você. Matéria e energia nem sequer estão na
mesma categoria, mas vamos
definir as coisas com mais calma.
Primeiramente
definiremos o que é matéria e fazer isso é bem complicado. Vamos começar com
uma definição simples que você não terá problemas em compreender:
- A forma
mais automática de se pensar em matéria é ela como sendo as coisas a nossa
volta, como cadeiras, mesas, a água, o ar, a terra. Podemos estender essa
definição para os átomos, e por sua vez estender ainda mais para partículas
ainda menores como elétrons, múons, taus, três tipos de neutrinos, seis tipos
de quarks, ou seja, todos os tipos de partículas que não são bósons – que não
são mediadoras de força.
Mas quero deixar bem claro que até mesmo essa definição acima é um tanto contraditória quando consideramos a matéria escura, por exemplo, mas isso é assunto para um tópico mais adiante.
Embora a
energia seja algo bem definido fisicamente e matematicamente, no dicionário ela
possui mais significados que a palavra “matéria”, ou seja, temos um problema lingüístico
para distinguir precisamente o que é a energia, mas vamos tentar.
- O físico R.P. Feynman possuía uma forma interessante de se definir energia, mais ainda sem ser menos abstrata. Ele dizia que energia é uma quantidade que sempre se conserva, não importa o que você faça com um corpo ou um sistema de corpos, sempre conservará essa quantidade. Mesmo em sistemas com dissipação de energia podemos encontrar a quantidade perdida pelo corpo em forma de calor, som, vibração, etc.
- A energia pode ser “confinada” na massa de um objeto, que é o famoso E = mc², e também chamado de "energia de repouso", uma vez que é a energia que um objeto tem quando está parado.
- A energia está associada com o movimento de um objeto, cujo nome técnico é "energia cinética". Este tipo de energia é bastante intuitiva e nos leva a notar que os objetos mais rápidos têm mais energia do que os mais lentos e juntando com a primeira definição, um objeto de maior massa tem mais energia cinética do que um mais leve, se os dois estiverem viajando na mesma velocidade.
- A energia pode ser armazenada nas relações entre os objetos (energia potencial). Ele pode ser armazenado em uma mola esticada, ou na água atrás de uma represa, ou na interação gravitacional da Terra com o Sol, ou na relação entre átomos numa molécula, ou quando simplesmente levantamos uma pedra com nossas mãos. É aquele conceito simples de energia potencial que aprendemos no ensino médio.
As quatro
definições acima estão longe de serem simples de se entender assim de primeira,
então vá discutir com seus amigos e ler mais textos.
Mas vamos
resumir tudo isso de forma BEM simplória dizendo que energia não é por si só
um objeto. Por exemplo, Um átomo contém energia, mas ele não é energia
propriamente. E você precisa saber que partículas se movendo por conta própria
através do espaço podem ter dois tipos de energia: energia relacionada à massa
e energia relacionada ao movimento.
2 –
Aniquilação de partículas não é matéria se transformando em energia.
(Não é a
minha intenção explicar aqui o processo de aniquilação entre partículas e suas
antipartículas, mas sim analisar seus produtos. Talvez no futuro eu possa
escrever ou traduzir algo sobre isso)
Talvez
aqueles que estejam a pouco tempo pesquisando e lendo materiais de divulgação
sobre física não tenham tido contato com o assunto. Então vou explicar com mais
calma.
Quando uma
partícula e sua antipartícula se encontram elas se aniquilam e, segundo muitos
textos e alguns documentários por aí, o resultado dessa colisão é nada mais que
simples e “pura” energia. Mas infelizmente, a afirmação não é verdadeira.
Na maior parte dos textos que falam sobre isso, a “energia pura” é referida aos
fótons provindos da aniquilação entre elétrons e pósitrons. Mas o fóton também
não é energia, ele contém energia! Por exemplo, minha casa possui a cor branca,
mas ela não é a cor branca, ou seja, a cor branca é apenas uma propriedade da
minha casa.
Mas podemos
considerar o aniquilamento entre outras partículas, por exemplo. Quando um múon
se aniquila com o antimúon, existe a mesma probabilidade de resultar em um par
de fótons ou em um par elétron-pósitron. Ou seja, temos matéria se aniquilando
em matéria e não em energia pura. O aniquilamento do par múon/antimuon em dois
fótons ou no par elétron/pósitron representa exatamente o mesmo processo, então
não precisamos fazer distinções que não existem!
Com isso acredito que tenha ficado claro que não
é verdade que matéria e a antimatéria se aniquilam formando energia
propriamente dita, elas se aniquilam formando outras partículas que contém
energia. Ok?!
Espero que
tenham gostado da nossa primeira parte. À medida que eu for encontrando tempo
vou escrevendo mais. Lembrando que estou me baseando nos textos do professor
Matt Stressler, então dê uma checada no blog dele que vocês irão achar bastante
coisa legal.
2- Acho importante fazer aqui um adendo. Note que falamos que fótons são partículas assim como elétrons, mas no início definimos que elétron é matéria propriamente dita e fótons (que é um bóson) não. O que acontece é que a definição de "partícula" é mais abrangente do que a definição de matéria. Em "partículas elementares" temos duas classes que são os Férmions e os Bóson, os férmions são matéria propriamente dita, da maneira que de definimos. Por sua vez, bóson são partículas mediadoras de força e estão fora da nossa definição de matéria.
*E uma dica
final dessa seção: É corriqueiro até mesmo professores passarem uma visão de
que a energia é quase um substância fluída que passa de um corpo para outro,
mas isso não é verdade, energia não é uma substância e nem é trocada de forma
continua entre dois corpos, mas deixemos isso para um próximo texto
