________________________* QUARKS, LÉPTONS e BÓSONS ________________________* COMUNISMO de DIREITA e NAZISMO de ESQUERDA. É o FIM da PICADA...! ________________________* http://www.nano-macro.com/?m=1
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http://www.nano-macro.com/?m=1
__________* Quarks, léptons e bósons
__________* Vencedor de Nobel apresenta novo estudo sobre partículas fundamentais
__________* Bóson de Higgs – Como, onde e porque surgiu
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__________* Como surgiram os BÓSONS de Higgs, QUARKS e LÉPTONS ?
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__________* Luana Castro - Facebook:
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Bóson de Higgs – Como, onde e porque surgiu. – focuscosmus
Para não comprometer o entendimento de todos, esse texto será divido em 3 partes;
Peter Higgs
1 – Introdução,
2 – O Higgs para leigos,
3 – O Higgs para não tão leigos.
– O porquê:
1 – Introdução:
Nós sabemos que a matéria é formada por átomos e há não muito tempo se descobriu que os átomos são compostos de outras partículas menores, como os elétrons, prótons e nêutrons. Mais recentemente ainda, se descobriu que o próton e o nêutron poderiam ser divididos em partículas ainda menores, chamadas de quarks. No decorrer do século passado foi descoberto um grande número de partículas novas que possuíam propriedades características diferentes entre si. Os físicos viram então a necessidade de organizar seu grande armário de partículas elementares para a coisa não ficar bagunçada.
As partículas fundamentais foram dividas em dois grandes grupos chamados de Férmion e Bóson. Esses dois grupos são fundamentalmente diferentes. O primeiro é composto por partículas de matéria propriamente ditas (SIC) e possui spin semi-inteiro, 1/2, 3/2, 5/2, por exemplo. Dentro desse mesmo grupo as partículas são divididas em 12 subclasses chamadas de sabores. Entre essas partículas estão os elétrons, vários sabores de quarks e de neutrinos. Quando juntamos esses quarks eles formam partículas maiores chamadas de hadrons – que é exatamente o que significa aquele H do LHC – que compreendem os prótons, nêutrons e píons, basicamente.
Imagem com Bosons Hadrons e Fermions.
Por sua vez o grupo dos bósons é composto de partículas que, de forma geral, são mediadoras de campos e possuem spin inteiro, 0,1,2. Os bósons com spin 1 são chamados de bósons vetoriais, pois são provenientes de campos vetoriais. Os bósons de spin 2 são tensoriais (provenientes de campos tensoriais) e os bósons de spin 0 são chamados escalares (provenientes de campos escalares). Dentro desse grupo temos o fóton, que é o mediador de interações eletromagnéticas, o glúon, os bósons Z e W que são responsáveis pela mediação da força nuclear fraca e bóson de Higgs, que por sua vez é mediador de uma interação de massa.
Modelo padrão.
“Zoológico” conhecido de partículas elementares. A primeira coluna são as partículas estáveis do nosso universo. Em verde, as partículas responsáveis pelas forças da natureza (elétrica, nuclear forte e nuclear fraca). Imagem do astro.iag.usp.br.
Quando juntamos todas essas partículas fundamentais e as interações que elas representam, temos um zoológico de partículas e interações chamado de “Modelo Padrão”. Esse modelo é muito bonito e funciona muito bem, é quase como uma tabela periódica dos físicos de partículas. Mas existe um “porém” nessa beleza toda, falta uma partícula para fechar esse modelo, o maldito bóson de Higgs. Tão maldito que o físico norte americano Lederman escreveu na década de 90 um livro chamado The Goddamn Particle, “A partícula maldita” em uma tradução literal, mas os editores acharam mais legal trocar o nome para The God Particle, A Partícula Deus. Como era de se esperar foi uma cagada homérica que só deu dor de cabeça para os físicos.
2 – Higgs Para Leigos (e para jornalistas)
Mas enfim, que diabos é essa partícula exatamente? Obviamente a resposta correta e formal para essa pergunta exigiria uma boa quantidade de matemática, então isso fica para a seção 3. Aqui irei me ater a uma explicação superficial, mas ainda sim dentro da margem do que se considera correto.
Nossa charmosa teoria que descreve as interações entre as partículas e forças funciona muito bem, mas existe um problema que tira o sono de muitos cientistas. A teoria diz que as partículas não deveriam ter massa e, portanto viajar a velocidade da luz, como acontece com o fóton. Entretanto, as partículas que conhecemos têm massa, então alguma coisa deve estar errada ou não estar sendo considerada nesse modelo. Para sanar o problema algumas propostas surgiram, entre elas uma bem elegante dizia que existia um campo responsável por frear essas partículas e esse freamento poderia ser entendido como a “massa” dela. E se produzíssemos uma perturbação nesse campo iríamos gerar ondulações que na teoria quântica de campos são vistas como partículas. Então, chama-se as oscilações no campo de Higgs de bóson de Higgs e é exatamente isso que o LHC tenta fazer, criar essas perturbações no campo.
Assim, a grosso modo, o bóson de Higgs é responsável pela massa das partículas, mas existe um pequeno misconception passado por muitas pessoas nesse ponto e que pode surpreender você. A existência do bóson de Higgs nos mostraria a origem direta da massa de apenas uma pequena parte das partículas que conhecemos, como o elétron, e não de TODA a matéria do universo. Porém, mesmo que a massa de outras partículas, como o próton, tenha origem em grande parte na força nuclear forte elas são afetadas diretamente pelo campo de Higgs (note que falei campo e não bóson), assim podemos considerar que estudos sobre o campo e o bóson de Higgs têm efeitos praticamente sobre toda a matéria ordinária que conhecemos. Caso você queira uma segunda explicação bem didática veja esse texto: Dossiê Higgs
A busca pela partícula maldita começou antes do LHC, no acelerador Tevatron que funcionou até 2011 no Fermilab, EUA.
No final da década de 90 e começo de 2001 esse acelerador passou por algumas modificações para realizar o seu Run II que durou até encerrar suas atividades em 2011. Um de seus programas era estudar o quark Bottom, porém houve a possibilidade de se estudar o bóson de Higgs associado aos bósons W e Z, uma vez que o Higgs decaía em quarks bottom. No geral o estudo foi um grande sucesso tanto para os quarks bottom quanto para o bóson de Higgs. Na física de partícula a confiança estatística de que a partícula exista é dada em sigmas, quanto maior o sigma melhor, mas a partir de 5σ já é possível anunciar a descoberta de uma nova partícula, por sua vez o Tevatron conseguiu 3σ para o bóson de Higgs.
Nesse tempo de árduo trabalho do Tevatron, o LHC ficou pronto e como trabalha com energia, intensidade mais altas e com detectores melhores, a chance de se obter uma medida mais precisa que 3σ era bem maior. E foi exatamente isso que aconteceu, no dia 4 de julho os cientistas anunciaram a significância combinada de 5σ e dias depois subiram para 5.9σ. Ou seja, encontraram algo bem na faixa de energia onde o safado do bóson de Higgs deveria estar. Além dessa ótima notícia teve também a enxurrada de cagadas jornalísticas que despertaram a fúria de alguns cientistas, até a emissora de TV Al Jazira falou enfaticamente sobre o assunto e muitos sites intitularam seus artigos de “Encontraram a partícula de Deus”.
3 – Higgs para Não Tão Leigos.
Após essa introdução vamos nos aprofundar um pouco mais no assunto. Aqui nós seremos levados a caminhos sombrios e muito bonitos da área de partículas e campos. Minha intenção é expor com maior número de detalhes possível o porque, onde e como surgiu o bóson de higgs. Indico as (muitas) linhas abaixo apenas a quem está disposto a entender o assunto de verdade, vai depender de seu esforço de absorver o que escreverei, pois não é nada trivial, embora seja deverás interessante. Não deixe de ler todos os textos linkados e também as referências.
3.1 – Quebra de Simetria Eletrofraca.
Antes de começarmos, dê uma lida nesse texto aqui: Campos e Partículas. Eu vou partir desse princípio.
O primeiro ponto a ser tratado é o que é a teoria eletrofraca e o que é uma quebra de simetria eletrofraca. Partiremos desse ponto pelo fato de o mecânismo de Higgs, que é o mecânismo com que algumas partículas ganham massa, ser uma quebra de simetria eletrofraca no modelo padrão.
Então, cabe a nós agora entendermos como funciona a quebra de simetria eletrofraca no modelo padrão.
Anteriormente abordei no texto sobre matéria e energia, que o que consideramos matéria propriamente dita são os férmions, que como você sabe temos como exemplo os quarks e elétrons, entre várias outras partículas. Os quarks interagem fracamente, fortemente e eletromagnéticamente, enquanto os léptons, como o elétrons, não interagem pela força forte. Em todo o caso, as interações fracas e eletromagnéticas de ambos os quarks e léptons são descritos de forma (parcialmente) unificada pela teoria eletrofraca. Resumindo, a teoria eletrofraca é basicamente a unificação da força nuclear fraca com a força eletromagnética.
Ok, onde entra a simetria nisso?
Podemos dizer que o universo ama simetrias, e a grande matemática Noether conseguiu mostrar que simetrias estão matematicamente relacionadas à conservações de propriedades como a carga elétrica, por exemplo. Mas que tipo de simetria são essas? Podemos dividir as simetrias nas leis da física em duas, as Globais e as Locais. Simetrias Globais são aquelas aplicadas uniformemente sobre todos os pontos do espaço. Se pegarmos um balão e marcarmos seus meridianos e paralelos (como na imagem a baixo), ao girarmos esse balão no seu eixo, por exemplo, veremos que a nova posição do balão é idêntica a primeira, isso porque todos os seus pontos foram girados de forma igual, sendo assim todos os pontos sobre o balão sofrem o mesmo deslocamento angular, essas simetrias são as que levam à conservação de cargas. As simetrias locais (também conhecidas como Simetria de Gauge¹) são aquelas aplicadas a cada ponto do espaço, tomando a mesma linha do exemplo anterior, é como se a simetria de local fizesse o balão manter a mesma forma, porém dessa vez cada ponto irá se mover independentemente, com isso surgirão forças aplicadas nos diversos pontos do balão, causando uma deformação dos meridianos e dos paralelos.
apenas os meridianos.
Em 1954, a dupla de físicos Yang e Mills, demonstrou que se uma interação física tem simetria global e exigirmos que ela também seja invariante por simetria local, teremos então que colocar novos campos na interação desejada, isso porque precisamos dar origens àquelas forças “ponto-a-ponto” que surgem da simetria local. Esses novos campos são chamados de campos de gauge, que serão muito importantes para esse texto, uma vez que estão associados a bósons sem massa (como o caso do fóton).
A interação fraca é descrita por um campo de gauge, assim ela possui simetria local, um tipo específico que chamamos de SU(2), mas essa nomenclatura não importa muito para esse texto. Como sabemos, campos estão associados à partículas e as partículas associadas a campos de gauge são bósons vetoriais massivos. Pô, mas eu acabei de dizer acima que Yang-Mills previa bósons vetoriais não massivos, mas agora a interação fraca requer bósons massivos?! Tem um problema aí?!
Sim, a teoria feita por Yang e Mills tinha um problema, quando ela tentava descrever bósons massivos surgiam valores infinitos nas equações, e isso significa que alguma coisa deu merda. Quando surgem infinitos em uma teoria dizemos que ela não é uma teoria renormalizável para aquela situação, assim ela não funciona direito. Afim de descrever a forma com que os bósons na teoria de Yang-Mills ganham massa, algumas idéias foram propostas, e a principal delas pode ser vista nessa imagem abaixo:
Esses papers, acima mostraram que os bósons vetoriais da Teoria de Yang-Mills poderiam ganhar massa a partir de uma mecanismo que quebra esponataneamente a simetria de gauge. Esse mecanismo é chamado de “mecanismo de higgs” e ele quebra a simetria que impedia os bóson vetoriais ganharem massa. Podemos chamar esse evento de quebra de simetria eletrofraca, pois está associado a essa interação. A essa quebra de simetria eletrofraca existe um bóson associado, o bóson de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble, injustamente conhecido apenas como bóson de Higgs.
3.2 – Mecanismo de Higgs, e a coisa fica mais complicada.
Aqui vamos precisar de um pouco de matemática, mas não se assuste, muito provavelmente você não irá entender algumas coisas, mas meu foco é que você entenda ao menos o que cada termo das equações abaixo significa.
A pergunta inicial aqui é “como descrevemos um campo matematicamente ?”. Para fazer isso nós usamos a energia do campo, subtraímos a energia potencial da energia cinética do mesmo, da seguinte forma:
L=K−V
K é o termo cinético e V é o termo potencial, a essa subtração damos o nome de Lagrangiana. São essas lagrangianas que descrevem o comportamento do campo. Se considerarmos um campo escalar massivo da seguinte forma:
Esse campo é chamado de dubleto, pois possui dois termos e o que nos interessa é o de baixo, ϕ0. ϕ+ está associado a um campo não físico e ϕ0 está associado ao famoso campo de Higgs, dado por:
H é um campo real escalar associado ao bóson de Higgs e v é a relação μ/λ√. A Lagrangiana² que descreve o campo é a seguinte:
Dμ é uma derivada covariante em quatro dimensões de Φ, “Dagger” (†) indica que é um conjugado hermitiano da derivada de Φ e de Φ.
Tá, mas e agora? o que fazemos com isso?
O primeiro passo que devemos dar é esquecer o termo cinético e encontrar o termo de potencial mínimo. Potencial mínimo pode ser entendido classicamente de forma simples. Imagine uma montanha russa, na parte mais alta dela a energia potencial é máxima, na parte mais baixa a energia potencial é mínima, se o campo fosse uma montanha russa nós estaríamos tentando encontrar a parte mais baixa dele. O potencial mínimo é chamado de vácuo, e assim como a montanha russa, podemos ter vários pontos de mínimo, ou seja, de vácuos. Quando formos tentar encontrar o mínimo do potencial na lagrangiana do campo, nós encontraremos apenas um vácuo de todos os possíveis. Nesse contexto a quebra espontânea de simetria “escolhe” um vácuo possível do sistema. Ou seja, escolhe um mínimo do potencial.
Ok, eu sei, ficou confuso então tentarei dar um exemplo mais simples. Imagine que você está em uma mesa de jantar redonda repleta de pessoas, e existem copos à direita e a esquerda de cada pessoa, como na imagem a baixo.
como você pode ver, o copo a esquerda de um será sempre o copo a direita do outro
minimo de potencial no campo de Higg
Antes de você escolher seu copo, todos têm a chance de escolher o copo da direita ou da esquerda, porém se você resolver beber no copo da esquerda irá forçar as outras pessoas a escolherem o copo da esquerda também. Isso é a quebra espontânea de simetria. As pessoas representam o campo e o copo representa o mínimo de potencial (vácuo).
Tomando o mínimo do potencial (derivando o potencial), como eu tinha dito, obtemos:
Agora basta fazer uma substituição direta de Φ2 no potencial V e obtemos
H é nosso Bóson de Higgs com massa de 2λv2, o H3 e H4 são termos que chamamos de auto-interação. Nós acabamos de fazer um monte de conta, mas o que elas significam é algo ainda mais bonito. Traduzindo em palavras, o que temos é um bóson vetorial que não possuía massa, mas após uma quebra espontânea de simetria local ele ganha massa. Esse mecanismo de uma partícula sem massa ganhar massa na quebra de simetria é chamado de mecanismo de Higgs e pode ser resumido assim:
4 campos escalares + 4 bósons não massivos —> 1 campo escalar + 3 bósons massivos + 1 não massivo
Note que nesse resumo, 3 campos escalares massivos desaparecem, isso acontece porque os bósons sem massa “engolem” esses campos e adquire massa. Da mesma forma que fizemos para um bóson, podemos fazer para férmions, como é o caso do elétron, mas aí é muito mais complicado e não cabe nesse texto.
Acima demonstrei e falei muitas coisas extremamente complicadas que só começam a ser vistas pelos físicos no mestrado e doutorado, logo abaixo voltarei a tratar em termos leigos alguns aspectos que considero importante sobre a existência do campo de Higgs.
3.3 – Higgs existe? Ele está ligado ou desligado?
O Higgs está envolvido de formas diferentes à massa de determinadas partículas. Por exemplo, o Higgs dá massa diretamente às partículas elementares conhecidas, férmions e bóson, como elétrons, quarks, bóson Z e W, etc. Embora os prótons sejam formados por 3 quarks, grande parte de sua massa vêm da interação forte. Mas meu foco aqui será: o campo de Higgs existe? Se existe ele está “ligado” ou “desligado”?
Começaremos com uma ilustração clássica e simples que é correlata – O campo elétrico é bem diferente do campo de higgs em muitos aspectos, mas para esse exemplo ele funciona bem. Vocês se lembram daquelas TV’s de tubo de antigamente? Então quando a ligávamos e passávamos perto da tela, sentíamos os pelos do nosso braço se arrepiarem, nesse caso o campo elétrico estaria ligado. Um campo elétrico desligado seria uma região neutra, como a que você está agora provavelmente. Sendo assim, o campo elétrico existe e pode ser medido, mas ele pode estar “ligado” ou “desligado”.
Com o Higgs acontece algo semelhante, se ele existir de fato no nosso universo, ele pode estar “ligado” ou “desligado”. Detectar um bóson de Higgs confirma a existência do campo de Higgs e mostra que ele está ligado. Usando o elétron como exemplo, se o campo de Higgs não existisse, ele não teria massa. Se o campo de Higgs existisse, mas não estivesse ligado, então sua massa seria menor do que a observada, pois teria origem na força nuclear forte e em pequenas interações entre os elétrons e o campo de Higgs desligado.
Agora que sabemos onde, como e porquê o bóson de Higgs surge, vamos nos focar em aspectos experimentais e propriedades específicas, mas esse texto já tem informações demais, então darei uma semana para você tentar digerir isso tudo até a postagem do próximo texto. Minha intenção na sequência é continuar fazendo um misto de assuntos mais técnicos e com mais leigos, vamos analisar dados, falar de acoplamento e outros termos técnicos e legais. Espero que tenham gostado.
Bibliografia:
– The Higgs Hunter’s Guide – Dawson etall- 1990
– P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132, Phys. Rev. Lett, 13 (1964) 508,
Phys. Rev. 145 (1966) 1156; F, Englert and E. Brout, Phys. Rev. Lett
13 (1964) 321; G-S. Guramik, C.R. Hagen and T.W.B. Kibble,
Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585; T.W.B. Kibble, Phys. Rev. 155 (1967)
1554.
– S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. W (196?) 1264; A. Salam, Proceedings of
the 8th NoM Symposium (Stockholm), edited by N. Svartholm (Almqvist
and Wiksell, Stockholm, 1968) p. 367.
– S. Glashow, Nvcl. Phys. 22 (1961) 579.
– M. Veltman, Acta Phys. Pol. B8 (1977) 475.
– B.W. Lee, C, Quigg and G.B. Thacker, Phys. Rev. Lett. 38 (1977) 883;
Phys. Rev. D16 (1977) 1519.
– L. Susskind, Phys. Rev. D20 (1979) 2619; S. Weinberg, Phys. Rev. D19
(1979) 1277.
– I.J.R. Aitchison and A.J.G. Hey, Gauge Theories in Particle Physics
(Adam Hilger, Bristol, 1982).
– T.-P. Cheng and L.-F. Li, Gange Theory of Elementary Particle Physics
(Oxford University Press, Oxford, 1984).
– H.E. Haber and G.L. Kane, Phys. Rep. 117C (1985) 75.
– Gauger Theories In Particle Physics.
– Higgs Boson Physics part I.
– Theory of Higgs Bosons: The Standard Model and Beyond.
– Introduction to the Physics of Higgs Bosons.
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Vencedor de Nobel apresenta novo estudo sobre partículas fundamentais
De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, toda matéria no universo é formado por partículas fundamentais chamadas férmions. Essas partículas são constituídas pela combinação de dois tipos de quarks denominados “up” e “down”, que se juntam a elétrons (léptons) para formar a matéria.
A física aponta que para cada partícula de matéria, existem três gerações. Os elétrons, no caso, são seguidos pelos múons (segunda geração) e pelo taus (terceira geração). O Modelo Padrão, no entanto, ainda não consolidou explicações para a existência dessas categorias.
Mas segundo a Quanta Magazine, o ganhador do Prêmio Nobel em física e um dos precursores do Modelo Padrão, Steven Weinberg, 86, parece disposto a investigar o problema. Um paper recente publicado pelo físico reavivou a discussão ao apresentar padrões intrigantes nas massas de partículas fundamentais, as quais poderão guiar a mais descobertas no futuro.
Embora a teoria não explique o porquê, a hipótese defendida pelo Modelo Padrão é que as categorias diferem a partir da massa das partículas. Até agora, os físicos medem esses valores de forma experimental e os adicionam em equações.
É estimado, por exemplo, que elétrons pesam cerca de 0,5 megaelétrons volts (MeV), enquanto seus léptons correspondentes da segunda e da terceira geração de férmions, e as partículas “múon” e “tau”, apresentam 105 MeV e 1,776 MeV, respectivamente.
De forma similar, a primeira geração dos quarks “up” e “down” são relativamente mais leves, enquanto seus semelhantes da segunda categoria, “charm” e “strange” apresentam peso considerado médio. Já o terceiro grupo, formado pelos quarks “top” e “bottom” são os mais pesados. Para se ter uma ideia, um quark “top” chega a atingir 173,210 MeV.
Já a massa das partículas corresponde ao grau de capacidade para interagirem em meio ao campo de Higgs. Este conceito retrata um campo de energia que existe em todas as regiões do universo, o qual é acompanhado pela partícula fundamental conhecida como Bóson de Higgs, responsável por garantir as forças das partículas no universo.
Neste cenário, os quarks e léptons com maior massa apresentam dificuldades de se locomover pelo campo de Higgs. Por outro lado, as partículas mais leves, como os elétrons, transitam com mais fluidez.
No entanto, um estudo de 2008 de dois teóricos, Patrick Fox e Bogdan Dobrescu, físicos do laboratório de aceleração de partículas de Illinois, nos EUA, apontaram que apenas partículas mais pesadas, ou seja, da terceira geração, conseguiam se manter estáveis no campo de Higgs. De forma que apenas o quark superior se movimenta conforme o padrão.
Já as outras partículas reagiriam indiretamente, graças ao fundamento da mecânica quântica, a qual permite às partículas se materializarem por breves momentos. Estas aparições súbitas formam nuvens de partículas virtuais em torno das partículas mais permanentes.
Ao se aglomerarem em torno de um múon (lépton de segunda geração), por exemplo, os quarks virtuais seriam capazes de expô-lo ao campo de Higgs via interação com uma nova partícula teórica, dando ao múon um pouco de massa. Por se tratar de uma exposição indireta, o múon ainda permaneceria muito mais leve que o tau, por exemplo.
A publicação recente de Weinberg considera uma grande variedade de formas que esse processo quântico poderia funcionar. Na teoria do pesquisador, toda a terceira geração de partículas de matéria são sensíveis ao campo de Higgs – ou seja, o quark superior, o quark inferior e a partícula tau. Assim, a massa da terceira geração poderia ser transferida para a segunda e primeira geração por meio das interações com partículas virtuais.
Porém, tanto o estudo de Weinberg, como de Fox e Dobrescu, ficam aquém de qualquer descoberta disruptiva. O estudo dos últimos não consegue explicar o fênomenos no campo de Higgs, pelo contrário, adiciona mais números de constantes inexplicáveis ao Modelo Padrão.
A proposta de Weinberg, por sua vez, confunde as relações entre as massas e não descreve como as partículas de maior geração podem se transformar em partículas de menor geração, o que explicaria por que não vemos átomos feitos de partículas de segunda ou terceira geração.
A única evidência sólida que poderia suportar ou distinguir entre as teorias das massas das partículas de matéria seria a descoberta das várias partículas exóticas que cada uma prevê. E, apesar dos avanços de grandes colisores de partículas, nenhuma espécie do tipo pôde ser vista por cientistas ainda.
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Você e o Universo…
- Comente! -
Quero que você se olhe um pouco.
Não, não é necessário buscar um espelho para isso.
Basta apenas observar a pele dos seus braços, suas mãos. Toque seu rosto.
Agora observe os objetos em sua volta (incluindo o computador).
Observe sua composição.
Observando bem ficamos maravilhados na gama enorme de coisas que podem ser feitas com menos de uma centena de elementos básicos.
Eu, você, familiares, bichinhos de estimação, computador, maçã (que acabara de comer uma) e tudo que nos cerca é feito de elementos químicos.
Carbono, Ferro, Fósforo, Magnésio, Potássio, Oxigênio, Hidrogênio e Nitrogênio ou, como nos computadores, Silício, Tungstênio e tantos outros (há equipamentos eletrônicos que possuem ouro na composição por suas propriedades únicas).
Essas coisas podem ser encontradas na Terra ou pelo Universo na forma livre ou com “amiguinhos” criando compostos (o silício por exemplo é facilmente encontrado em rochas; o hidrogênio na sua forma pura é raro na Terra, vivendo sempre em compostos como a água ou combinado com o carbono).
Acontece que nem sempre foi assim.
Esses elementos não surgiram espontaneamente na Terra.
Aliás, cientistas atualmente precisam de uma energia muito alta para gerar elementos comuns na superfície terrestre, como o Ferro.
Se hoje esses elementos surgem em modernos laboratórios onde os cientistas (modernos alquimistas) criam e modificam elementos para surgir outros e sabendo que nós somos feitos desses compostos e que não somos (como espécie) mais antigos que a Terra uma pergunta deve ser feita:
onde surgiu essa miríade de elementos que compõem não apenas você ou eu, mas toda a vida na Terra (incluindo a própria Terra)?
A resposta é simples: do Universo (dãã…).
Ok, ok… creio que a resposta era mais nítida antes mesmo de ser feita a pergunta.
Mas eu cheguei no ponto onde eu quero fazer a verdadeira pergunta:
onde surgiu no Universo todos os elementos que nos compõem?
Até o Ferro, tudo bem…
Sol, fonte de energia para praticamente toda as formas de vida da Terra (excetuando algumas formas microscópicas que vivem nas profundezas do oceano e conseguem viver bem de compostos de enxofre vindos de vulcões subterrâneos).
Graças a sua conversão de hidrogênio em hélio (seguindo a famosa equação de Einstein E=mc²) ocorre a liberação de luz e calor que é irradiado para todos os lados.
Uma pequena fração dessa radiação atinge a Terra, permitindo que a vida flua e evolua nas mais diversas formas. A transformação de hidrogênio em hélio no interior do Sol acontece devido às altas pressões e temperatura em seu núcleo. Os átomos de hidrogênio estão tão próximos e se movendo tão rápido que frequentemente ocorre uma colisão entre eles. Imagine que um átomo de hidrogênio seja uma pessoa. Imagine agora o metrô de São Paulo no horário de pico. Agora imagine essas pessoas (hidrogênios) juntas dentro do metrô (núcleo do Sol) em horário de pico com greve dos ônibus coletivos e em dia de chuva. A proximidade e a colisão entre elas é inevitável. Acontece que, ao contrário das pessoas que apenas colidem, os átomos de hidrogênio no interior do Sol se chocam com uma velocidade muito alta, fundindo-os. Quando isso acontece, ocorre liberação de energia em forma de luz e calor, além de surgir um átomo de hélio. Aliado a tremenda pressão e gravidade do Sol, os fótons produzidos nessas colisões no núcleo demoram cerca de 200 mil anos para sair do Sol e chegar até à Terra.
Bom, a energia chegou aqui e pronto acabou… mas é só isso que acontece no Sol? Converter hidrogênio em hélio? Não, meu amigo ou minha amiga. A pressão no interior do Sol permite que avancemos na tabela periódica. Ou seja, além do hélio, também é produzido o lítio, berílio, boro, carbono e assim sucessivamente. Isso acontece do mesmo jeito para produzir o hélio, através de colisões, só de átomos cada vez mais pesados. E isso vai até chegar no ferro.
Ué, mas por que não até no último elemento natural, o urânio?
Então, estrelas como o Sol não tem condições de produzir elementos mais pesados pois é necessária uma pressão muito alta. E como sabemos que esses elementos existem, eles devem ter sido produzidos em algum lugar do Universo. Era preciso alguma coisa muito mais poderosa para dar conta do recado.
Explosão básica…
Olhando para os céus, os astrônomos encontraram estrelas que era não uma ou duas mas 20, 30 vezes maiores que o Sol (como medida de comparação, cabem cerca de um milhão de planetas Terra no Sol. Um milhão!) A sua força gravitacional é incrivelmente alta e a pressão em seu interior muito forte. Entretanto, ainda não era suficiente para produzir urânio, por exemplo. Mas, ao analisar o ciclo de uma estrela desse porte os cientistas descobriram que a morte desse tipo de estrela é muito, mas muito violenta. A energia liberada na explosão da que chamamos de supernova é tão alta que permite construir os elementos naturais mais pesados da natureza, como o urânio. A explosão da estrela manda esses elementos para todos os lados do Universo e podem vir a fazer parte na constituição de novos sistemas estelares no futuro.
Em um passado muito distante, existiam, como existem hoje, diversas supernovas. Essas estrelas tem vida muito curta (é como se vivessem a vida adoidado), cerca de 10 a 100 milhões de anos. Estrelas como o Sol tem vida mais longa (são estrelas menos festeiras) e podem viver cerca de 10 bilhões de anos. Num passado distante, essas estrelas explodiram, criando todos os elementos que existem na natureza. Essas nuvens da explosão remanescente foram, aos poucos, se juntando e com o passar dos milhões e milhões de anos começaram a surgir novas estrelas e planetas. E isso foi o que aconteceu com nossa querida Terra. Toda essa diversidade de elementos que existem hoje no planeta (e em você também) veio de estrelas e de supernovas.
É fascinante pensar isso. Olhe para você novamente. O fósforo, carbono, nitrogênio e demais elementos que compõem cada uma de suas células esteve, num passado distante, fazendo parte da constituição de uma supernova! Ela, que no passado fez brilhar uma parte do Universo hoje faz parte do que podemos chamar de eu, de você, desse computador ou do seu bichinho de estimação. Pensar em coisas assim nos coloca em nosso devido lugar no Universo. E que um ser, dotado de um cérebro consegue, ao ler essas palavras, imaginar o Sol, uma supernova ou viajar nos lugares mais distantes do Universo e compreender os mais variados processos realmente nos mostra o quão incrível é a natureza.
Antes de terminar, gostaria de fazer uma pergunta: bom, sabemos como os elementos mais pesados no Universo surgiram, certo? Mas, e o elemento mais leve, o hidrogênio. Como ele surgiu? As estrelas são constituídas primariamente por hidrogênio e ele deve ter surgido de algum modo. Os cientistas pensaram nessa questão por muitos anos. Em uma espécie de continuação, no próximo post vamos ver a resposta que eles propuseram para o surgimento não apenas do hidrogênio, mas de todo o Universo. Até a próxima sexta-feira. :)
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De ONDE veio o HIDROGÊNIO?
- 16 comentários -
Esse post é uma espécie de continuação de “Você e o Universo…”. Recomendo que leia para se inteirar do assunto.
O hidrogênio é um dos principais elementos (senão o principal) que existe na natureza. Composto apenas por um próton em seu núcleo atômico e de um elétron orbitando em sua eletrosfera, o átomo de hidrogênio é o mais simples e por isso, tem presença marcante em todos os lugares. Sua mais famosa associação é com o oxigênio, formando o H2O ou simplesmente água. Ele também participa em praticamente todos os compostos orgânicos existentes (ligando-se ao carbono como por exemplo para constituir a glicose que é o açúcar C6H12O6).
Um dos elementos mais abundantes da natureza (cerca de ¾ da matéria do Universo) estava desafiando os físicos. De onde o hidrogênio surgiu? Ele é constituinte primário de estrelas e de nebulosas. Sua presença em estrelas serve como estopim para a formação de todos os demais elementos da natureza, começando pelo segundo mais simples (hélio) até o mais pesado naturalmente (urânio). Embora ele seja raro na forma pura na Terra (já que o átomo dele é tão “leve” que ele escapa da força de gravidade), encontramos facilmente em compostos, que constituem a água, eu ou você. A Ciência precisava responder essa questão.
O início das coisas
Para grandes pensadores como Aristóteles, o Universo sempre esteve aqui. Estava do mesmo jeito no passado, estava como está hoje e no futuro não teria mudado uma vírgula sequer. Esse Universo de Estado Estacionário servia bem para as observações da época e explicava com clareza do porque as coisas serem como serem. Esse pensamento manteve-se pouco alterado durante séculos até que um senhor, metido a britânico da alta sociedade, disse que as coisas que compunham o Universo, como nebulosas, estavam se afastando uma das outras. Ora, quem é esse cara que disse isso? Quem foi esse senhor que fez Einstein dizer que cometera o maior erro de sua vida? Foi Edwin Hubble.
Por nossa sorte, indo contra o que os pais queriam (que fosse advogado), Hubble era apaixonado pelas estrelas e passava horas observando e tirando fotografias do céu noturno. Com o tempo, e com dados do americano Vesto Slipher, percebeu que nebulosas e galáxias estavam se distanciando uma das outras. Mais ou menos na mesma época Einstein havia criado uma Constante Cosmológica para frear o Universo em expansão que surgia de seus cálculos. Para ele o Universo deveria ser estático caso contrário ele se colapsaria contra a própria ação da gravidade. Ao observar e analisar os estudos de Hubble e de outros, ele vira que sua equação estava certa e que aquela Constante não serviria para nada. Por isso que ele disse que havia feito o maior erro de sua vida (hoje Einstein poderia ficar feliz ao saber que sua Constante não foi totalmente esquecida entre os astrônomos que ainda o usam para outros fins).
Por incrível que pareça, na mesma época, um padre belga chamado Georges Lemaître havia proposto que no passado, tudo no Universo estava concentrado num único ponto que, num dado momento, explodiu. Isso justificaria o fato das coisas estarem se expandindo nas observações e nas equações de Hubble. Além do mais, ela explicava algo muito interessante.
No passado distante, toda a matéria do Universo estava concentrado num ponto muito pequeno, extremamente quente e denso. Num determinado momento, aquilo explodiu. Não interprete explosão como de uma bomba, mas de que tudo aquilo expandiu rapidamente, ocupando “espaço”. Em nanossegundos muitas coisas aconteceram que não convém detalhar aqui mas nesse período ocorreu o que os cientistas chamam de Teoria Inflacionária o qual o Universo se expandiu muito rápido. Isso é importante para que entendamos um conceito que direi daqui a pouco. A medida que o Universo se expandia sua temperatura foi caindo e aquela energia toda dispersa começou a fazer sentido com o surgimento de radiações e partículas fundamentais, como quarks e os fótons. Os quarks e outros fundamentais são os que constituem a matéria.
Cerca de 100 segundos depois disso, bárions (que são constituídos por três quarks) começaram a se juntar. Prótons e nêutrons, que são bárions, formaram o núcleo dos primeiros átomos. Uia, quer dizer que… calma, ainda não terminei! Quase 400 mil anos depois de surgiu o Universo, a temperatura havia caído tanto que elétrons (também partículas fundamentais) que estavam vagando pelo Universo finalmente começaram a se sossegar na presença dos núcleos atômicos, constituindo a eletrosfera. Núcleo mais elétrons formam o que chamamos de átomo!
Sim meu caro, aí está a explicação para a formação do elemento mais simples do Universo, o hidrogênio (olhinhos brilhando). E sabe qual é a teoria que explica o surgimento disso tudo? Você deve ter ouvido falar como a Teoria do Big Bang! Obviamente Lemaître não chegou dizendo tudo isso mas a base da teoria está aí: de que as coisas expandiram repentinamente e que explica com sucesso a expansão que observamos atualmente. Além disso, ela explica, satisfatoriamente, a origem de elementos simples, como o hidrogênio. Outros elementos leves, como hélio também surgiram nessa época, já que nada impedia a união de mais prótons e nêutrons para constituir núcleos um pouco mais pesados, mas a maior parte da matéria produzida foi hidrogênio.
Lembra-se da parte que havia dito sobre Teoria Inflacionária? Então, muita gente não acreditava na teoria do Big Bang na época em que ela foi apresentada. Entretanto essas vozes foram caladas quando, em 1964, os americanos Arno Penzias e Robert Wilson detectaram um estranho, mas persistente ruído quando apontavam uma antena para o céu. E o ruído era sentido em todas as direções que apontavam a antena. Julgaram a princípio que poderia ser algum problema na antena e iniciaram possíveis reparos (incluindo a retirada de um ninho de pombos no interior da antena). Entretanto, ao religarem os aparelhos o ruído continuava lá. Não demorou para perceberem que o que estavam ouvindo era o ruído do Big Bang!
Hoje o Universo emite um “ruído”, chamada de Radiação Cósmica de Fundo na temperatura de quase 3 K. Isso é constante e ocorre para qualquer lugar que você aponte a antena. Uma explicação para isso foi que, no princípio, o Universo estava muito juntinho permitindo a transferência de calor por igual em todas as áreas mantendo a mesma temperatura. E como o Universo expandiu muito rápido (Teoria Inflacionária, lembra) isso se manteve constante no Universo e hoje detectamos como essa radiação constante de 3 K em todos os lados. Sabe aquele canal de TV fora do ar ou aquele ruído que você ouve ao trocar de faixa no rádio. Então, aquilo é o ruído do Big Bang. Ou seja, se você quer um bom programa de domingo na TV é só colocar num canal que não exista e curtir o domingão. rsrs
Concluindo (finalmente…)
Nenhum cientista trabalha sozinho. Nenhum cientista está certo de tudo. A Ciência é o trabalho de diversas pessoas ao longo dos anos, cada um contribuindo com um tijolinho para aumentar nosso conhecimento sobre as coisas. Muitas da teorias defendidas séculos atrás não tem fundamento nenhum hoje e, com certeza, teoria hoje defendidas ficaram sem sentido daqui a vários anos. A Ciência é essa incrível ferramenta que ajuda a entender o mundo e tudo que nos cerca. Pode não ser grande coisa em nosso cotidiano saber como o hidrogênio surgiu ou o carbono de meu corpo mas são perguntas que são feitas a medida que vamos aprendendo mais coisas e temos curiosidade em saber realmente o lugar onde vivemos. Sinto-me maravilhado em saber que os átomos que me constituem vieram de um estrela, de uma supernova e de um grande estrondo que deu origem a todo o Universo.
Embora isso não seja talvez conversa para falar entre amigos (quem me conhece sabe que menti agora) eu sei que em meu íntimo, ao olhar para o céu noturno pipocado de estrelas (no interior onde moro ainda tenho essa dádiva) não sinto medo pois ele é conhecido para mim pois eu fui ele no passado e ele será alguém no futuro. Fico feliz em saber disso…
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