Bosões - Os Gluões e a Força Nuclear Forte

Forças Fundamentais da Natureza

Força Forte

Na física, força forte é a interação entre quarks e glúons descrita pela cromodinâmica quântica. Antigamente, era entendida como aforça nuclear, que ocorria entre prótons e nêutrons, até então considerados indivisíveis. Sempre foi classificada como uma interação fundamental da natureza. A força nuclear forte é uma das quatro forças fundamentais da natureza. Sendo a mais forte embora tenha um curtíssimo raio de ação de aproximadamente  centímetros(dez elevado à potencia menos treze, uma distância muito pequena). O trabalho pioneiro sobre as forças fortes foi realizado pelo físico japonês Yukawa em 1934, mas até meados da década de 1970 não havia uma teoria capaz de explicar os fenômenos nucleares. Foi então que surgiu a cromodinâmica quântica, a teoria que explica os fenômenos que ocorrem no interior do núcleo atômico. As outras forças fundamentais são força nuclear fraca, força eletromagnética e a força gravitacional.

História[editar]

Antes da década de 1970, os físicos estavam incertos acerca do mecanismo de ligação do núcleo atômico. Era claro que ele era formado por prótons e nêutrons, e que o próton tinha carga elétrica e o nêutron era eletricamente neutro. Pela compreensão física da época, os prótons deveriam se repelir e fazer o átomo decair rapidamente, mas isso não acontecia, era necessária uma nova teoria da física.

A Força Forte foi postulada para explicar como o núcleo atômico continua unido apesar da mútua repulsão eletromagnética do prótons. Essa era a hipótese da Força Forte, uma força fundamental que atuava nos nucléons (os prótons e nêutrons). Experimentos mostram que isso força os nucléons a ficaram juntos mesmo com a repulsão eletromagnética dos prótons (a Força Forte é cem vezes mais forte que a eletromagnética).

Então foi descoberto que os prótons e nêutrons não eram as partículas fundamentais, e que eram formados de quarks, e que a atração entre nucléons era efeito colateral do que ocorria dentro deles, fazendo os quarks ficarem unidos. A Teoria da Cromodinâmica quântica, e que os quarks transportavam o que era chamado carga de cor, embora não tenha nenhuma relação com a luz visível, quarks com cor diferentes se atraem como resultado da forte interação que é mediada por partículas chamadas de glúons.

Comportamento da força forte[editar]

A interação de quarks dentro de um nêutron deve-se à força forte.

A forte força contemporânea é descrita pela Cromodinâmica quântica (QCD), sendo parte domodelo padrão da física de partículas. Matematicamente, a QCD é uma teoria de calibre não abeliana, com base em um calibre (local) de grupo de simetria chamado SU (3).

Os quarks e glúons são as únicas partículas que não tem o desaparecimento da carga e cor, podendo então participarem da forte interação, sendo que esta atua diretamente nestes.

A força forte, ao contrário das outras forças fundamentais da natureza (eletromagnética, fraca e gravidade) não fica menos poderosa com a distancia de seu alcance (que é do tamanho de um hádron), a sua força de atuação é de cerca de 10.000 newtons, em QCD isto é chamado confinamento da cor, mas implica que somente hádrons e não quarks individuais podem ser observados. A explicação é que a quantidade de trabalho realizado contra uma força de 10.000 newtons (sobre o peso de uma tonelada métrica de massa sobre a superfície da Terra) é o suficiente para criar novas partículas pelo choque entre elas. Em termos simples a própria energia aplicada para puxar dois quarks separados irá gerar um novo par de quarks. O fracasso em observar quarks livres é uma evidencia desse fenômeno.

O glúon^PB ou gluão^PE é um bóson vetorial de massa nula, associado ao campo de cor, na teoria da cromodinâmica quântica, mediador das interações fortes entre quarks, e responsável pela força de coesão que mantém os quarks unidos para formar hádrons.

No século XX foi confirmada a existência do átomo e das partículas, que se pensavam ser elementares, que o constituem: os prótons, nêutrons e elétrons. Alguns anos depois foi descoberta a existência dos quarks (partículas constituintes dos protóns e neutrons). Três quarks formam hádrons (prótons, neutros) enquanto um par de quark-antiquark formam mésons.

Força eletromagnética

A força eletromagnética (AO 1945: força electromagnética), ou força coulombiana, resulta da ação das atrações e repulsões elétricas e magnéticas de corpos distantes entre si.

As raízes da noção de força eletromagnética[editar]

Isaac Newton foi quem estabeleceu uma concepção causal do Universo. Segundo esta todo o efeitos observados são causados por forças exercidas por objetos situados a uma determinada distância. A partir desta visão se iniciou a busca pela causa final de todas as forças através de uma analogia com a massa gravitacional.

Os estudos dos efeitos da força eletromagnética no final do século XVIII se ampliaram e houve a tentativa de explicar os mecanismos de interação entre os corpos.

Charles Augustin de Coulomb e Henry Cavendish observaram as substâncias eletricamente carregadas e os ímãs, estabelecendo, assim, as leis empíricas que regiam seu comportamento e que indicavam uma possível relação entre aquelas forças.

Imagem de um espectro eletromagnético

A força eletromagnética (AO 1945: força electromagnética), ou força 

Relação entre magnetismo e eletricidade[editar]

A relação entre magnetismo e eletricidade finalmente foi descoberta em 1820 quando Hans Christian Øersted ao aproximar umabússola de um fio que unia os dois polos de uma pilha elétrica, verificou que a agulha imantada em vez de apontar para o Norte, orientava-se perpendicularmente ao condutor elétrico.

Na mesma época Dominique François Arago descobriu que o ferro adquiria propriedades magnéticas nas proximidades de umacorrente elétrica e André-Marie Ampère ao envolver uma barra de ferro com um condutor enrolado em helicoidal criou o primeiroeletroímã e executou os estudos que levaram aos fundamentos da eletrodinâmica.

Seguindo a concepção de Universo formulada por Newton onde todo efeito observado na matéria obedece aos efeitos de forças exercidas por objetos situados à distância a teoria eletromagnética propôs que as atrações e repulsões magnéticas e elétricas resultavam de interações mútuas nos corpos através do espaço.

Neste contexto se deu a busca da causa final dessas forças, procurando-se similaridades entre a massa gravitacional de Newton e os mecanismos de interação eletromagnética entre os corpos.

Ampère e Faraday[editar]

André-Marie Ampère, pesquisando sobre correntes elétricas, expôs uma teoria que afirmava a existência de partículas elementaresque se deslocavam no interior das substâncias e que este deslocamento poderia ser a causa dos efeitos magnéticos. Porém, apesar da busca, jamais encontrou as tais partículas.

Durante o século XIX Michael Faraday e James Clerk Maxwell continuaram os trabalhos de seus antecessores nas descobertas das leis que regem a força eletromagnética, o eletromagnetismo e a eletrodinâmica.

Em seu trabalho Faraday concebeu que o espaço entre os objetos eletricamente carregados era composto de linhas de força e que estas eram correntes de energia invisíveis e mensuráveis que comandavam o movimento dos corpos.

Segundo Faraday as linhas de força eram criadas pela presença mútua dos objetos entre si. Introduziu neste momento a ideia decampo de força, onde uma carga elétrica móvel produz perturbações eletromagnéticas em volta de si e estas são linhas de campo que interam com outra carga próxima.

James Clerk Maxwell desenvolveu matematicamente o modelo dos campos de força que vieram a alterar a visão de que forças agiam sob uma espécie de controle remoto.

Joseph John Thomson, seguindo as ideias e teorias matemáticas de seus antecessores, observando em 1897 os desvios dos feixes de raios catódicos na presença de um campo elétrico, acabou por deduzir a existência de uma partícula chamada elétron.

O eletromagnetismo confirmou então a origem da força eletromagnética através do movimento orbital dos elétrons ao redor dos núcleos dos átomos. E passou a estudar não só a força eletromagnética, mas também relações elétricas e magnéticas da matéria, sendo então considerado como uma verdadeira disciplina científica.

Força nuclear fraca

Força nuclear fraca ou interação fraca é uma das quatro forças fundamentais da natureza. É comumente vista no decaimento betarelacionado a radiação. Ela afeta todos os léptons e quarks. É mediada pelos bósons W e Z. A força nuclear fraca (ou simplesmente força fraca) é a força que cinde as partículas. O Modelo padrão da física de partículas, desenvolvido em 1968 por Sheldon Glashow,Abdus Salam e Steven Weinberg, descreve a interação eletromagnética e a interação fraca como dois aspectos diferentes de uma mesma interação eletrofraca¹ .

Corrente neutra[editar]

Em 1933, Enrico Fermi, físico italiano, introduziu o conceito de interação fraca, que em conjunto com o recém postulado neutrino, entrariam na teoria do decaimento beta. Assim numa interação fraca um neutrino é sempre produzido com um pósitron, ou umantineutrino com um elétron, o que dá um conjunto de carga eletricamente carregado.

Esperava-se que nas correntes fracas e raras, a interação entre neutrino e a matéria, um neutrino desse um elétron. Observou-se esse fenômeno mas também um fenômeno inesperado, um neutrino que interagia guardando a sua carga nula. Era preciso concluir na existência de uma corrente neutra, o que já permitia de relação indireta com as previsões da teoria electrofraca.

Gargamela[editar]

A Gargamela no museu Microcosmo do CERN.

Foi em 1973 na experiência da câmara de bolhas Gargamela, do CERN, com um feixe de neutrinosque permitiu estabelecer a existência de interacção fraca electricamente neutra, a força nuclear fraca -

Força da Gravidade

A gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza (junto com a força forte, eletromagnetismo e força fraca) em queobjetos com massa exercem atração uns sobre os outros.¹Classicamente, é descrita pela lei de Newton da gravitação universal. Foi entendida primeiramente de modo matemático pelo físico inglêsIsaac Newton e desenvolvida e estudada ao longo dos anos.

Do ponto de vista prático, a atração gravitacional da Terra conferepeso aos objetos e faz com que caiam ao chão quando são soltos no ar (como a atração é mútua, a Terra também se move em direção aos objetos, mas apenas por uma ínfima fração). Ademais, a gravitação é o motivo pelo qual a Terra, o Sol e outros corpos celestes existem: sem ela, a matéria não se teria aglutinado para formar aqueles corpos e a vida como a entendemos não teria surgido. A gravidade também é responsável por manter a Terra e os outros planetas em suas respectivas órbitas em torno do Sol e a Lua em órbita em volta da Terra, bem como pela formação das marés e por muitos outros fenômenos naturais.

Gravitação[editar]

Gravitação é a força de atração que existe entre todas as partículas com massa no universo.

A gravitação é responsável por prender objectos à superfície de planetas e, de acordo com as leis do movimento de Newton, é responsável por manter objectos em órbita em torno uns dos outros.

A gravidade faz muito mais do que simplesmente segurar-nos às nossas cadeiras. Foi Isaac Newton quem a reconheceu. Newton escreveu numa das suas memórias que na altura em que estava a tentar compreender o que mantinha a Lua no céu viu uma maçã cair no seu pomar, e compreendeu que a Lua não estava suspensa no céu mas sim que caía continuamente, como se fosse uma bola de canhão que fosse disparada com tanta velocidade que nunca atinge o chão por este também "cair" devido à curvatura da Terra.

Segundo a terceira lei de Newton, quaisquer dois objectos exercem uma atracção gravitacional um sobre o outro de igual valor e sentido oposto.

Lei de Newton de Gravitação Universal[editar]

Por que uma maçã cai da macieira para o chão, em vez de flutuar? A suposta situação deIsaac Newton gerou toda uma área especial para os estudos da gravidade.

Pouco se sabia sobre gravitação até o século XVII, pois acreditava-se que leis diferentes governavam os céus e a Terra. A força que mantinha a Lua pendurada no céu nada tinha a ver com a força que nos mantém presos à Terra. Isaac Newton foi o primeiro a pensar na hipótese das duas forças possuírem as mesmas naturezas; até então, havia apenas a teoria magnetista de Johannes Kepler, que dizia que era o magnetismo que fazia os planetas orbitarem o Sol

Newton explica, "Todos os objectos no Universo atraem todos os outros objectos com uma força direccionada ao longo da linha que passa pelos centros dos dois objectos, e que é proporcional ao produto das suas massas e inversamente proporcional aoquadrado da separação entre os dois objectos."

Newton acabou por publicar a sua, ainda hoje famosa, lei da gravitação universal, no seu Principia Mathematica, como:

onde:

• F = força gravitacional entre dois objectos
• m₁ = massa do primeiro objecto
• m₂ = massa do segundo objecto
• r = distância entre os centros de massa dos objectos
• G = constante universal da gravitação

A força de atração entre dois objetos é chamada de peso.

Rigorosamente falando, esta lei aplica-se apenas a objectos semelhantes a pontos. Se os objectos possuírem extensão espacial, a verdadeira força terá de ser encontrada pela integração das forças entre os vários pontos. Por outro lado, pode provar-se que para um objecto com uma distribuição de massa esfericamente simétrica, a integral resulta na mesma atracção gravitacional que teria se fosse uma massa pontual.

Foi este obstáculo que levou Newton a adiar por vários anos a publicação da sua teoria, já que ele não conseguia mostrar que a gravitação exercida pela Terra sobre um corpo à sua superfície era a mesma como se toda a massa da Terra estivesse concentrada em seu centro.²

Forma Vetorial[editar]

A forma acima descrita é uma versão simplificada. Ela é expressa mais propriamente pela forma que segue, a qual é vetorialmente completa. (Todas as grandezas em negrito representam grandezas vetoriais)

onde:

• 
   é a força exercida em  por 
•  e  são as massas
• 
   e 
  
   são os vectores posição das duas massas respectivas
•  é a constante gravitacional

Para a força na massa dois, simplesmente tome o oposto do vetor

A principal diferença entre as duas formulações é que a segunda forma usa a diferença na posição para construir um vetor que aponta de uma massa para a outra, e de seguida divide o vetor pelo seu módulo para evitar que mude a magnitude da força.

Aceleração da gravidade[editar]

Para saber a aceleração da gravidade de um astro ou corpo, a fórmula matemática é parecida:

onde:

• A = aceleração da gravidade
• m = massa do astro
• r = distância do centro do objecto
• G = constante universal da gravitação

Comparação com a força eletromagnética[editar]

A atração gravitacional dos prótons é aproximadamente um fator 10 ³⁶ mais fraco que a repulsão electromagnética. Este fator é independente de distância, porque ambas as forças são inversamente proporcionais ao quadrado da distância. Isso significa que, numa balança atômica, a gravidade mútua é desprezável. Porém, a força principal entre os objetos comuns e a Terra e entre corpos celestiais é a gravidade, quando pelo menos um deles é eletricamente neutro, ou quase. Contudo se em ambos os corpos houvesse um excesso ou déficit de único elétron para cada 10 ¹⁸ prótons isto já seria suficiente para cancelar a gravidade (ou no caso de um excesso num e um déficit no outro: duplicar a atração).

A relativa fraqueza da gravidade pode ser demonstrada com um pequeno ímã, que vai atraindo para cima pedaços de ferro pousados no chão. O minúsculo ímã consegue anular a força gravitacional da Terra inteira.

A gravidade é pequena, a menos que um dos dois corpos seja grande, mas a pequena força gravitacional exercida por corpos de tamanho ordinário pode ser demonstrada com razoável facilidade por experiências como a da barra de torção de Cavendish.

Sistema Auto-Gravitacional[editar]

Um sistema auto-gravitacional é um sistema de massas mantidas juntas pela sua gravidade mútua. Um exemplo de tal é uma estrela.

História[editar]

Ninguém tem certeza se o conto sobre Newton e a maçã é verídico, mas o raciocínio, com certeza, tem seu valor. Ninguém antes dele ousou contrariar Aristóteles e dizer que a mesma força que atrai uma maçã para o chão mantém a Lua, a Terra, e todos os planetas em suas órbitas.

Newton não foi o único a fazer contribuições significativas para o entendimento da gravidade. Antes dele, Galileu Galilei corrigiu uma noção comum, partida do mesmo Aristóteles, de que objetos de massas diferentes caem com velocidades diferentes. Para Aristóteles, simplesmente fazia sentido que objetos de massas diferentes demorassem tempos diferentes a cair da mesma altura e isso era o bastante para ele. Galileu, no entanto, tentou de fato lançar objetos de massas diferentes ao mesmo tempo e da mesma altura. Desprezando as diferenças devido ao arraste do ar, Galileu observou que todas as massas aceleravam igualmente. Podemos deduzir isso usando a Segunda Lei de Newton, . Se considerarmos dois corpos com massas  e  muito menores do que massa da terra , obtemos as equações:

Dividindo a primeira equação por  e a segunda por  obtemos:

ou seja, .

A teoria geral da gravidade de Einstein[editar]

Representação da curvatura do espaço-tempo em torno de uma massa formando um campo gravitacional

A formulação da gravidade por Newton é bastante precisa para a maioria dos propósitos práticos. Existem, no entanto, alguns problemas:

1. Assume que alterações na força gravitacional são transmitidas instantaneamente quando a posição dos corpos gravitantes muda. Porém, isto contradiz o fato que existe uma velocidade limite a que podem ser transmitidos os sinais (velocidade da luz no vácuo).
2. O pressuposto de espaço e tempo absolutos contradiz a teoria derelatividade especial de Einstein.
3. Prediz que a luz é desviada pela gravidade apenas metade do que é efectivamente observado.
4. Não explica ondas gravitacionais ou buracos negros,
5. De acordo com a gravidade newtoniana (com transmissão instantânea de força gravitacional), se o Universo é euclidiano, estático, de densidade uniforme em média positiva e infinito, a força gravitacional total num ponto é uma série divergente. Por outras palavras, a gravidade newtoniana é incompatível com um Universo com estas propriedades.

Para o primeiro destes problemas, Einstein desenvolveu uma nova teoria da gravidade chamada relatividade geral, publicada em 1915. Esta teoria prediz que a presença de matéria "distorce" o ambiente de espaço-tempo local, fazendo com que linhas aparentemente "rectas" no espaço e no tempo tenham características que são normalmente associadas a linha "curvas".

Embora a relatividade geral seja, enquanto teoria, mais precisa que a lei de Newton, requer também um formalismo matemático significativamente mais complexo. Em vez de descrever o efeito de gravitação como uma "força", Einstein introduziu o conceito deespaço-tempo curvo, onde os corpos se movem ao longo de trajetórias curvas.

A teoria da relatividade de Einstein prediz que a velocidade da gravidade (definida como a velocidade a que mudanças na localização de uma massa são propagadas a outras massas) deve ser consistente com a velocidade da luz. Em 2002, a experiência de Fomalont-Kopeikin produziu medições da velocidade da gravidade que corresponderam a esta predição. No entanto, esta experiência ainda não sofreu um processo amplo de revisão pelos pares, e está a encontrar cepticismo por parte dos que afirmam que Fomalont-Kopeikin não fez mais do que medir a velocidade da luz de uma forma intrincada.

Constante cosmológica[editar]

Ver artigo principal: Constante cosmológica

Ao escrever a equação da gravitação segundo a Relatividade Geral, Einstein introduziu um termo chamado de constante cosmológica, para que a solução das equações fossem um universo estático. Ao tomar conhecimento da expansão do Universo, Einstein removeu este termo, dizendo que este foi o seu maior erro.

Esta constante tem sido objeto de estudo, para explicar o período conhecido como inflação cósmica. O efeito da constante cosmológica seria análogo a uma "gravidade repulsiva", e, no tempo presente, causaria uma aceleração da expansão do Universo.

Mecânica quântica[editar]

A força da gravidade é, das quatro forças da natureza, a única que obstinadamente se recusa a ser quantizada (as outras três - oeletromagnetismo, a força forte e a força fraca podem ser quantizadas). Quantização significa que a força pode ser medida em partes discretas que não podem ser diminuídas em tamanho, não importando o que aconteça; alternativamente, essa interação gravitacional é transmitida por partículas chamadas gravitons. Cientistas têm estudado sobre o graviton por anos, mas têm tido apenas frustrações nas suas buscas para encontrar uma consistente teoria quântica sobre isso. Muitos acreditam que a Teoria de cordas alcançará o grande objetivo de unir Relatividade Geral e Mecânica Quântica, mas essa promessa ainda não se realizou.

Comparação da força da gravidade em diferentes planetas[editar]

A aceleração devido à gravidade à superfície da Terra é 9,80665 m/s² (o valor real varia ligeiramente ao longo da superfície da Terra; ver g para mais detalhes). Esta medida é conhecida como g_n, g_e, g₀, ou simplesmente g. A lista que se segue apresenta a força da gravidade (em múltiplos de g) na superfície dos planetas do Sistema Solar^{Nota 1} .

Mercúrio		0.376
Vénus		0.903
Terra		1
Marte		0.38
JúpiterNota 2		2.34
SaturnoNota 2		1.16
UranoNota 2		1.15
NetunoNota 2		1.19