25/11/2015

Forças Fundamentais


As forças fundamentais são o mecanismo pelo qual as partículas interagem entre si.
Cada fenómeno físico observado, desde a colisão de galáxias até ao movimento dos quarks, pode ser explicado por estas interações.
Tradicionalmente, a física moderna lista quatro interações fundamentais:
  • a gravitação
  • o electromagnetismo
  • a força nuclear fraca
  • a força nuclear forte
No entanto, existe uma crença muito forte de que o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte sejam a manifestação de uma única interação, mais fundamental (como aconteceu com a eletricidade e o magnetismo).
O eletromagnetismo e as forças nucleares fracas têm-se mostrado como dois aspetos da força eletrofraca. De uma forma mais especulativa, a força eletrofraca e a força nuclear forte, podem vir a ser combinadas, usando as Teorias da Grande Unificação.
A gravitação quântica, por sua vez, tenta combinar a gravidade com as outras três forças.

TeoriaInteraçãoMediadorMagnitude RelativaComportamento de longo alcanceFaixa
Cromodinâmica quânticaForça Nuclear ForteGluão103811.4x10-15m
Eletrodinâmica quânticaForça EletromagnéticaFótão10361/r2Infinito
Teoria EletrofracaForça Nuclear FracaBósões W e Z1025(1/r)e-m W, Z r10-18m
Relatividade GeralGravidadeGravitão (hipotético)11/r2infinito
A visão da mecânica quântica moderna das três forças fundamentais (excepto a gravidade) é de que as partículas da matéria (fermiões) não interagem entre si, mas através da troca de partículas virtuais (bosões), designadas por condutores de interação ou mediadores de interação.  Por exemplo, o fotão faz a mediação da interação das cargas elétricas, e os gluões mediam a interação das cargas de cor.
Esta duplicidade da matéria (fermiões) com as partículas mediadoras (bosões) são entendidos como sendo o resultado de alguma simetria fundamental da natureza.


Visão geral das interações fundamentais

No modelo conceptual das interações fundamentais, a matéria consiste em fermiões, que carregam propriedades chamadas cargas e com spin +1/2 (momento angular intrínseco   ±ħ2  onde ħ  é a constante de Planck reduzida). Elas atraem-se ou repelam-se ao trocarem bosões.
A interação entre qualquer par de fermiões na Teoria das Perturbações, pode ser resumido por:
  • Entram dois fermiões  → interação por troca de bosões  → saem dois fermiões modificados.
A troca de bosões leva leva sempre energia e momentum entre os fermiões, logo, muda a velocidade e direção destes. A troca pode igualmente transportar uma carga entre os fermiões, alterando assim a carga dos fermiões durante o processo (por exemplo, mudando um tipo de fermião noutro). Uma vez que os bosões levam uma unidade de momentum angular, a direção do spin do fermião muda de +1/2 para -1/2 (ou vice-versa) durante este tipo de troca (em unidades da constante reduzida de Planck).
Devido ao facto de uma interação resultar na repulsão ou atração entre si, um termo mais antigo para "interação" é força.
De acordo com o entendimento presente, há quatro interações fundamentais ou forças: gravitação, eletromagnetismo, a interação fraca e a interação forte. As suas magnitudes e comportamentos variam grandemente entre si, como se pode verificar na tabela em cima. Os físicos modernos tentam explicar todos os fenómenos através do uso destas interações e, para além disso, tentam reduzir  o número de interações o máximo possível. Dois casos dessa redução são as unificações de:
  • Forças eletrica e magnética no eletromagnetismo;
  • A interação eletromagnética e a interação fraca na interação eletrofraca.
Tanto a magnitude ("força relativa") quanto o "alcance", como são dados na tabela, só têm significado dentro de determinados quadros teoréticos complexos. Também deve ser sublinhado que as propriedades conceptuais apresentadas no quadro acima fornecido, ainda estão a ser sujeitos a pesquisa.

Força gravitacional

Esta força manifesta-se entre os corpos devido ao facto de estes terem massa, isto é, junta a matéria. É sempre atrativa, pelo que as suas ações são cumulativas. É isso que a torna tão importante, embora seja relativamente pouco intensa.
A interação gravitacional é a força que está na origem da formação das galáxias, das estrelas e dos planetas. É a responsável pelas marés e pelos movimentos dos satélites, dos corpos celestes, das galáxias e pela expansão do universo.
Ainda que a gravidade ser a mais fraca das quatro interações, é aquela com um maior longo alcance de todas (o termo longo alcance refere-se ao decaimento da interação com a distância r a uma razão igual a 1/r2).
Contrariamente a outras interações, a gravidade atua de forma universal em toda a matéria e energia.
Assim:
  • é a única interação que atua em todas as partículas que tenham massa;
  • tem um alcance infinito, tal como o eletromagnetismo mas ao contrário das forças fraca e forte;
  • Não pode ser absorvida, transformada, ou bloqueada;
  • atrai sempre, nunca repele.
Apesar do eletromagnetismo ser bastante mais forte do que a gravidade, a atração eletrostática não é relevante para corpos celestes, tal como planetas, estrelas e galáxias, pois estes corpos contêm um número igual de protões e eletrões, tendo assim uma carga elétrica nula. Não há nada que "cancele" a gravidade, uma vez que é sempre atrativa, contrariamente às forças elétricas que podem ser atrativas ou repulsivas. Por outro lado todos os objetos que tenham massa estão sujeitos à força gravitacional, que só atrai. Assim sendo, só a gravidade é que tem importância para a larga escala do universo.
A gravitação foi o primeiro tipo de interação explicada por uma teoria matemática. Aristóteles teorizava que objetos de massas diferentes deveriam cair a velocidades diferentes. Durante a Revolução Científica, Galileu Galilei determinou experimentalmente que não era o caso - se a fricção devida ao ar fosse negligenciada, todos os objetos acelerariam em direção ao solo com a mesma velocidade. S Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton (1687) foi uma boa aproximação do comportamento geral da gravidade. Em 1915, Albert Einstein completou a Teoria Geral da Relatividade, uma descrição mais acurada da gravidade em termos de geometria do Tempo-Espaço.
Uma área de pesquisa atualmente ativa envolve a fusão da relatividade geral e mecânica quântica numa teoria mais geral da gravitação quântica. É aceite pela generalidade da comunidade científica de que esta teoria seria mediada por uma partícula sem massa de spin-2, conhecida como gravitão, embora estes ainda não tenham sido observados.
Embora a  Relatividade Geral tenha sido confirmada experimentalmente (pelo menos no campo fraco ou caso Post-Newton), há teorias gravitacionais rivais.

Força eletromagnética

Está na origem dos fenómenos elétricos e magnéticos, isto é, é a força que atua entre partículas eletricamente carregadas. Este fenómeno inclui a força eletrostática que atua entre partículas em repouso e o efeito combinado entre as forças elétricas e magnéticas que atuam em partículas carregadas, em movimento em relativo.
Esta força tanto pode ser atrativa quanto repulsiva, em que cargas elétricas com o mesmo sinal repelem-se, cargas elétricas com sinais opostos atraem-se. Por exemplo, é a força eletromagnética que mantém os eletrões (de carga negativa) em torno do núcleo, com carga positiva.
A interação eletromagnética permite explicar quase todos os fenómenos da vida quotidiana, exceptuando a gravidade. A força eletromagnética é a responsável pela coesão dos corpos, e está na base de todas as ligações químicas. A força de atrito, por exemplo, tem a sua origem na interação eletromagnética entre as superfícies em contato. Também é a responsável pela emissão e absorção de luz e de outras formas de radiação eletromagnética ( a luz é emitida quando uma partícula com carga elétrica ou quando um fotão desce de um nível de energia mais elevado para um mais baixo).
Trata-se de uma força de alcance infinito como a gravidade, relativamente forte, presente na maioria dos fenómenos diários (desde o laser e o rádio, até às estruturas dos átomos e do arco-íris, ao relâmpago, etc). O eletromagnetismo, fundamentalmente, determina todas as propriedades dos elementos químicos macroscópicos e a nível atómico, incluindo todas as ligações químicas.
Os fenómenos elétricos e magnéticos têm sido observados desde os tempos antigos, mas só no século XIX é que se descobriu que ambos eram dois aspetos de uma interação mais fundamental. Em 1864, através das equações de Maxwell pode-se quantificar e unificar as forças elétricas e magnéticas. Em 1905, a relatividade restrita resolveu a questão da constância da velocidade da luz, e Einstein explicou o fenómeno fotoelétrico pela teorização que a luz era transmitida em pacotes, denominados de "quanta", os quais hoje em dia são chamados de fotões. Por volta de 1927, Paul Dirac unificou a mecânica quântica com a relatividade especial dando origem à Teoria Quântica de Campos (trata-se da eletrodinâmica que foi completada na década de 1940). 
A eletrodinamica quântica e a mecânica quântica dão a base teórica para o comportamento eletromagnético, tal como o tunelamento quântico, no qual uma certa percentagem das partículas eletricamente carregadas movem-se em sentidos que seriam impossíveis segundo a teoria clássica do eletromagnetismo, e que é necessário para aparelhos diários funcionarem, como por exemplo os transistors.
Theodor Kaluza, em 1919, notou uma curiosa propriedade do eletromagnetismo - que a Teoria Clássica de Maxwell (não quântica) do eletromagnetismo surge naturalmente das equações da relatividade geral se se supor que exista uma quarta dimensão extra do espaço. Esta propriedade é a base das teorias de Kaluza-Klein, a qual tem sido usada para formular a gravitação quântica.

Força forte

O núcleo dos átomos é constituído por protões e por neutrões que estão muito próximos. Se considerarmos as repulsões eletrostáticas entre os protões, torna-se difícil entender que o núcleo possa existir. Isso só acontece porque há uma interação atrativa forte que se sobrepõe à repulsão eletrostática entre os protões .
A força forte é a responsável pela coesão do núcleo dos átomos e tem aproximadamente a mesma intensidade quer se considerem dois protões, dois neutrões ou um protão e um neutrão.
A  intensidade desta força é elevadíssima quando a distância é menor do que 10-15 m e torna-se desprezável quando a distância é maior do que isso. Devido à enorme intensidade desta força, os nucleões ficam coesos de tal forma que se dá uma libertação de enormes quantidades de energia quando os núcleos leves são fundidos (reação de fusão nuclear) ou quando os núcleos pesados são desfeitos (reação de fissão nuclear). A interação forte é em grande parte responsável pelas reações termonucleares que ocorrem no centro das estrelas, em particular, pela transformação do hidrogénio em hélio, que é acompanhada pela libertação de energia. É graças à interação forte que o Sol e as estrelas brilham.
A teoria quântica da força forte é conhecida como cromodinâmica quântica ou QCD. Em QCD, a força forte é mediada por partículas denominadas de gluões e atua entre partículas que contêm uma "carga de cor", isto é, quarks e gluões.


Força fraca

A interação fraca é responsável por um tipo de radioatividade de alguns átomos, por exemplo o decaimento beta - divisão espontânea de um neutrão num protão, num eletrão e num anti-neutrino. Se um neutrão dentro de um núcleo decair deste modo, o núcleo emite um eletrão e o neutrão transforma-se num protão. Isto aumenta o número de prótões nesse núcleo, mudando assim o número atómico desse elemento, transformando-o noutro elemento químico.
A força nuclear fraca permite explicar a taxa de ocorrência das reações nucleares em algumas estrelas e a transformação dos neutrões em protões. O seu alcance é ainda menor do que o da que o da força nuclear forte.
A força fraca é a responsável por alguns fenómenos ao nível atómico, tais como o decaimento beta.
O eletromagnetismo e a força nuclear são, teoricamente, entendidos como dois aspetos da força eletrofraca unificada - este foi o primeiro passo para a formulação teórica de um modelo conhecido como Modelo Padrão. Na teoria eletrofraca, os condutores da força fraca são os bósões de calibre massivo designados de bosão W e Z.
A força fraca é a única força conhecida que não conserva paridade, isto é, na qual direito e esquerda são assimétricos.
Esta força é responsável pela síntese dos elementos químicos diferentes no interior de estrelas e de explosões de super novas, através dos processos que envolvem a captura e decaimento dos neutrões.

A unificação das forças

Nas temperaturas (cerca de 3 K ou -270,15º C) e energias atuais do universo as quatro forças são distintas entre si e apresentam potências diferentes, no entanto, a valores muito elevados a situação muda.
Nas energias mais elevadas, que se conseguiu alcançar atualmente com os aceleradores de partículas (cerca de 10 e 15 K) as forças fracas e eletromagnéticas deixam de ter identidades diferentes, unificando-se numa única força - força eletrofraca. Segundo as Grandes Teorias Unificadas (GUTs), as forças forte e eletromagnética comportam-se como uma única força unificada em energias e temperaturas que são um trilião de vezes mais elevadas do que as temperaturas mencionadas acima.
Embora ainda não tenha sido alcançada uma teoria completa ou de tudo ( "Theory of Everything" - TOE) que abrange todas as forças, muitos físicos acreditam que a energias ainda mais elevadas, a gravitação unir-se-ia às outras, formando assim umas "superforça".
À medida que o universo se ia expandido e arrefecendo, as temperaturas das partículas diminuíram e as forças separaram-se, ganhando cada uma, dessa forma, as suas propriedades individuais. Essa separação deu-se:

ForçaTempo após o Big Bang (segundos)Temperatura a que o Universo se encontrava
Gravidade10-43 s1032 K
Interação Forte    10-35 s1027 K
Interação fraca e Eletrodinamica10-12 s1015 K




Notas
  • O termo de "forças fundamentais" é contestado algumas vezes devido ao facto de a gravidade não ser totalmente explicada por uma "força"  no sentido Newtoniano: nenhuma "força gravitacional" está a atuar à distância de forma a levar um corpo a ganhar aceleração. A teoria da relatividade geral explicou a gravitação pela curva do espaço-tempo.
  • Matéria e antimatéria - A mecânica quântica, linguagem que os físicos utilizam para descrever as forças e as partículas  que aparecem nos átomos e no núcleo, é um conjunto de conceitos muito matemáticos e abstratos. Mas como teoria funciona e as suas previsões servem de base à concepção de circuitos eletrónicos, ao fabrico de supercondutores e a muitas outras indústrias.
    Uma das previsões mais surpreendentes desta teoria é que para cada partícula, por exemplo um protão ou um eletrão, existe uma partícula com a mesma massa mas com uma carga exatamente oposta - um «eletrão» com uma carga positiva, por exemplo. São as chamadas antipartículas, ou antimatéria. Embora o mundo seja constituído quase inteiramente por matéria, as partículas de antimatéria aparecem muitas vezes em detetores como as câmaras de bolha. O eletrão positivo - positrão - e o protão negativo é o antiprotão.
  • Ação à distância - Qualquer pessoa que tenha tentado empurrar um contra o outro os pólos iguais de dois ímanes conhece o conceito de «ação à distância». A repulsão mútua dos ímanes pode ser detetada a distâncias relativamente grandes, mesmo que se coloquem obstáculos entre eles. A força gravitacional também se transmite no vácuo, sem uma aparente ligação com os corpos envolvidos, tal como acontece com as forças eletrostáticas de atração e repulsão. Estas estranhas interações são descritas pelos físicos em termos de campos - regiões do espaço à volta dos corpos em questão, em que uma força pode ser detetada. Os campos são vulgarmente representados por linhas de força que emergem do objeto. A força que atua entre dois objetos diminui com a distância, o que é representado graficamente por uma diminuição da densidade das linhas de campo. O conceito de campo é uma maneira útil de descrever o modo como estas forças atuam, mas não resolve a questão de se saber porque existem.
  • Força nuclear forte e troca de partículas - De acordo com as leis que os cientistas do século XIX conheciam, os núcleos atómicos não deveriam existir. São conjuntos incrivelmente densos de neutrões eletricamente neutros e de protões com carga positiva. Mesmo à distância relativamente grande de 1mm, a força repulsiva entre dois protões é mais de 10.000 vezes superior à atração gravitacional sobre eles. Quando os protões se aproximam um do outro, a força repulsiva aumenta rapidamente e, à escala de um núcleo (1 fentómetro, a milionésima bilionésima parte do metro), a repulsão é tão grande que o núcleo devia rebentar. Só a presença de uma força de atração ainda maior - conhecida pela força nuclear forte - mantém a coesão do núcleo. Esta força atua apenas a pequeníssimas distâncias. Não existem núcleos estáveis que tenham muito mais de 80 protões porque os que se encontram em lados opostos do núcleo estão tão longe que a força forte é suplantada pela repulsão elétrica.
  • As variedades de partículas e o quark - os eletrões foram as primeiras partículas subatómicas a serem identificadas, seguidos do núcleo e dos componentes nucleares - o protão e o neutrão. Com o tempo, detetores cada vez mais sofisticados foram revelando cada vez mais partículas. Um grupo com propriedades compropriedades entre as dos eletrões e as dos protões recebeu o nome de mesões. Encontram-se quatro tipos: pi, mu eta e K. Este número crescente de partículas punha em causa a simplicidade subjacente à física. A salvação veio sob a forma de uma ideia ousada - uma partícula hipotética chamada de quark. Quase todas as centenas de partículas encontradas podiam relacionar-se umas com as outras em padrões simples se fossem consideradas como constituídas  por diferentes combinações de apenas seis tipos de quark e das suas congéneres de antimatéria.
  • A desintegração dos neutrões e a força fraca  - Quase todos os núcleos atómicos são combinações de protões e neutrões. Mas, quando estão isolados, os neutrões tornam-se instáveis. Após alguns minutos de existência solitária, transformam-se em protões, criando eletrões e partículas chamadas antineutrinos, por um processo designado por desintegração beta. Embora algumas das partículas implicadas tenham carga, a desintegração beta não é prvocada pelas propriedades elétricas das partículas. A força nuclear forte não pode ser responsável porque atua sobre os neutrões e os protões, mas não sobre os eletrões e os antineutrinos.  É outra interação entre partículas, a força nuclear fraca, a responsável. Tal como a força eletromagnética, pensa-se que a interação fraca é transmitida através da troca de partículas. Em 1983, uma experiência descobriu provas da existência destes portadores, que receberam o nome de bosões W- e Z-. Esta descoberta permitiu que as duas teorias fossem ligadas através da interação eletrofraca.



Fontes

A Nova Enciclopédia da Ciência em Movimento, Círculo de Leitores, 1997
Desafios da Física, 11º ano, Daniel Marques da Silva, Lisboa Editora, 2008

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«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...