A Mecânica Quântica;
Radiação do Corpo Negro,
Eletrodinâmica Quântica,
Cromodinâmica Quântica,
Interação Fraca.
Teoria da Relatividade:
Relatividade Especial-Uma Introdução.
A Mecânica Quântica é uma teoria baseada no uso do conceito de uma unidade -quantum- para descrever as propriedades dinâmicas de partículas subatômicas e as suas interações. Foi iniciada pelo físico alemão Max Planck que postulou em 1900 que a energia só pode ser emitida ou absorvida em pequenas unidades chamadas quanta. Também fundamental ao desenvolvimento de Teoria Quântica é o Princípio de Incerteza formulado pelo físico alemão Werner Heisenberg em 1927: é impossível determinar com precisão absoluta, no mesmo instante, a posição e o momento de uma partícula. Quanto mais precisão buscarmos em um aspecto, mais prejudicado vai ficar outro.
Nos 18o e 19o séculos, a mecânica clássica (Newtoniana) parecia descrever precisamente o movimento dos corpos. No final do 19o e início do 20o séculos, porém, achados experimentais elevaram dúvidas sobre a perfeição de teoria Newtoniana. Entre as observações mais novas estavam as linhas que aparecem nos espectros de luz emitidas por gases aquecidos, ou gases nos quais descargas elétricas acontecem.
Um dos aspectos principais da mecânica quântica é o seu caráter probabilístico, que contrasta fortemente com o determinismo da física clássica. A impossibilidade de se obter uma informação exata e completa a respeito de um sistema impressionou muito quando a mecânica quântica foi descoberta.
Entretanto, na física estudada nos 1o e 2o graus, tendo-se conhecimento da situação inicial de um sistema, pode-se calcular as suas características após um determinado espaço de tempo. Esse é o chamado domínio clássico. Ele hoje é aceito como uma aproximação da teoria quântica em sistemas com grandes massas. Ou seja, não há um domínio clássico separado da mecânica quântica.
Em outros artigos procurarei aprofundar as explicações em outros aspectos da física quantica, como o uso da matemática de probabilidades, estado quântico, histórias alternativas,...
Basicamente, um corpo negro é um corpo com um buraco, por onde emitirá radiação quando for aquecido. Ele tem algumas características especiais, mas elas não vem ao caso. Aliás, muitos corpos podem emitir radiação como um corpo negro (inclusive o nosso).
Se a cavidade for aquecida, emitirá radiacão através do buraco. Quanto mais quentes as paredes da cavidade, maior a intensidade da emissão. No entanto, além do brilho, muda a cor (freqüência) da radiação. O problema para os físicos foi prever e explicar quantitativamente essas mudanças de intensidade e freqüência. O problema não era a medição experimental. A dificuldade estava em encontrar uma equação que correspondesse À curva dos dados experimentais.
Tal equação foi derivada e recebeu o nome de equação ou lei de Rayleigh-Jeans (seus descobridores). A intensidade I da luz é:
Onde k é a constante de Boltzman, T é a temperatura e l é o comprimento de onda. Lembre-se de que p » 3,1415926536
No entanto, a equação está errada. Se você prestar atenção, perceberá que o comprimento de onda está no denominador, o que significa que quando a freqüência aumentasse (comprimentos de onda mais curtos), a intensidade também aumentaria indefinidamente. Assim, quando entrássemos no espectro do ultravioleta, a curva acabaria violando a lei da conservação da energia. Isso é chamado de "catástrofe ultravioleta" (foi representado pela linha pontilhada).
Outros cientistas tentaram resolver o problema da catástrofe do ultravioleta, mas foram mal sucedidos. Porém, foram registrados alguns sucessos intermediários, como a lei de Wien e a lei de Stefan-Boltzman.
Enfim, Max Plank solucionou o problema. A lei ou equação de Plank é:
Onde c é a velocidade da luz e e é a constante matemática 2,782818...(Na verdade, é o limite com x tendendo a ± ¥ de (1 + 1/x)x. h é a constante de Plank, cujo valor é 6,6257 x 10 -34.
Há um detalhe revolucionário nesta equação: a constante h. Ela define um limite inferior definido e finito para as gradações da energia emitida por átomos distintos. "Segundo a física clássica, a energia irradiada por dois átomos em equilíbrio entre si poderia ser tão pequena quanto quiséssemos. A lei de plank fornece o limite inferior para essa diferença.
Plank introduziu a sua hipótese das variações quantizadas. Pode-se seguir a lei Rayleigh-Jeans e então introduzir a hipótese de Plank e assim obter a lei de Plank. Caso contrário, acontece a catástrofe do ultravioleta.
Todavia, a hipótese de Plank violou as leis físicas conhecidas, por isso generalizou-se o sentimento de que era necessário rever alguma coisa nas interpretações e nos conceitos então aceitos.
*Um visitante escreveu-me dizendo que o efeito da radiação do corpo negro foi primeiro observado e questionado por um trabalhador num celeiro que aquecia uma barra de ferro.
A QED é a teoria dos elétrons e dos fótons. O elétron é um férmion de carga negativa. O fóton é um bóson e é elétricamente neutro. Segundo a eletrodinâmica quântica, as forças eletromagnéticas entre dois elétrons surgem pela emissão dde um fóton por um dos elétrons e a sua absorção por outro elétron.
Você poderá objetar: se um elétron emite um fóton, isso significa a violação do princípio da conservação das energias ou da conservação dos momentos; o mesmo vale para a absorção de um fóton. Todavia, pela a mecânica quântica, a conservação de energia não é necessariamente válida em pequenos intervalos de tempo. O sistema pode "pedir emprestado" alguma energia para o elétron emitir o fóton; a energia é devolvida quando o outro elétron absorve o fóton. Este processo é chamado de "troca virtual de um fóton entre elétrons". Este fenômeno é representado pelo esquema abaixo (chamado diagrama de Feynman).
Neste processo, chamado de espalhamento de elétrons, ocorrem mudanças na trajetória dos elétrons pela simples "troca de um fóton". Esta é a idéia básica da QED.
Durante muito tempo pensou-se que entre as partículas da lista dos férmions fundamentais estariam o próton e o nêutron. Mas isso se revelou falso: os prótons e os nêutrons são formados por partículas mais básicas - os quarks.
Os prótons são formados por dois quarks up e um quark down, enquanto os nêutrons são formados por um quark up e dois quarks down. Os quarks up têm carga elétrica +2/3 enquanto os down têm carga -1/3.
tabela de quarks:
Assim como a força entre os elétrons se dá através da troca virtual de fótons, os quarks estão ligados por uma força que surge da troca de glúons. Os glúons são indiferentes ao sabor, mais muito sensíveis à cor. Os glúons interagem com a cor assim como os fótons interagem com o sabor. Note que existem vários tipos de glúons, um para cada situação de cor. O seguinte esquema ilustra a força entre os quarks a partir da troca de glúons.
Na primeira figura, um quark vermelho se torna azul com a emissão virtual de um glúon vermelho-azul, que é absorvido por um quark azul que se torna vermelho.
Na segunda figura, um quark azul se torna verde emitindo um glúon azul-verde. Este glúon é absorvido por um quark verde, que se torna azul.
A QCD é parecida com a QED em alguns aspectos (as interações se dão através da troca virtual de quanta). No entanto, existe uma diferença fundamental: o fóton, mediador da interacão eletromagnética, é eletricamente neutro; já o glúon, mediador da força nuclear forte (força colorida), é colorido. Por isso, eles interagem entre si, o que dá origem, nas equações da QCD, a termos que não têm análogos na QED. A QCD comporta-se, então, de forma diferente de qualquer força conhecida.
A QCD solucionou, então, o mistério do caráter da força entre os quarks, de uma forma que apresenta grande simplicidade, o que é fundamental para o sucesso de uma teoria.
Existem quatro forças (interações) fundamentais. São elas a gravitação, o eletromagnetismo, a força forte e a força fraca. A seguir, produrarei fazer uma introdução ao assunto força fraca.
Se você já leu sobre a cromodinâmica quântica, sabe que o quark u tem no quark d o seu parceiro em "sabor". Da mesma forma, o elétron tem no neutrino tipo elétron o seu parceiro em sabor. Mais abaixo vão alguns diagramas de Feynman, mas antes, vamos estudar essa interessante entidade que é o neutrino.
O neutrino é eletricamente neutro, por isso, além de ignorar a força nuclear (como o elétron) ignora a força eletromagnética. Ele pode atravessar a Terra e dificilmente vai interagir. No entanto, existe como detectá-los. Como pode-se detectá-los se são insensíveis à força nuclear e ao eletromagnetismo? A responsável é a chamada interação fraca. A interação fraca dá origem a reações como as que se seguem:
1. Um elétron trnasforma-se em um neutrino tipo elétron enquanto um próton se transforma em um nêutron
2. O processo inverso, onde um elétron se transforma em um neutrino do tipo elétron enquanto um nêutron se transforma em um próton.
Vale ressaltar que quando eu digo que um próton se transforma em um nêutron, deve-se entender o que isso significa num nível mais básico: significa que um quark u se transformou em um quark d.
Como em qualquer processo na teoria quântica de campos que envolve mudança de sabor, essas reações envolvem a troca de um quantum. Para cada uma das reações há duas versões do diagrama de Feynman, uma envolvendo a troca de um quantum positivo e outra de um quantum negativo.
É bom lembrar que existem seis léptons, correspondendo aos seis quarks. Os léptons se dividem em três dubletos (me , e-), (mn , n), (mt , t).
A teoria da relatividade surgiu para resolver uma disparidade entre as leis de Newton e as equações de Maxwel. A questão era se uma vibração luminosa (eletromagnética) se equipara a um corpo movente (uma massa), no sentido de que a sua velocidade medida depende da velocidade do observador e/ou da luz.
Suponhamos que meçamos a velocidade da luz de uma estrela com a Terra se afastando dessa estrela. Seis meses depois medimos a velocidade de novo, mas dessa vez a Terra estará se afastando. Segundo a mecânica Newtoniana, os valores das velocidades da luz deveriam diferir do dobro da velocidade relativa entre a Terra e a estrela( (vl + vet - (vl - vet)=2vet ).
Dizemos que observadores em movimento um em relação ao outro ocupam sistemas de referência distintos. Quando falamos em ondas luminosas, uma questão se impõe: em que sistema devemos medir a velocidade da luz. Nas equações de Maxwell não há implicações que a velocidade da luz dependa da velocidade da fonte ou do observador. Mas num sistema Newtoniano, se a Terra não se move em relação a uma estrela, a velocidade da luz emitida pela estrela deveria ser x; se a Terra e a estrela estão se aproximando, a velocidade da luz deveria ser maior que x; e se a Terra e a estrela estão se afastando, deveria ser menor que x.
Propôs-se que as ondas eletromagnéticas se propagariam através de uma éter absoluto e estacionário, assim como as ondas sonoras propagam-se pelo ar imóvel.
Mas se a Terra se movia em relação a esse éter, era de se esperar que uma corrente de éter fosse detectada. Os resultados experimentais foram desconsertantes. Um conjunto de experiências (como as aberrações estelares) pareceu revelar a quantidade esperada de vento de éter. Um segundo conjunto (incluindo a experiência de Michelson-Morley) não revelou nenhum vento de éter. Um terceiro conjuntode experiências (especialmente a medição de Armand Fizeau - medição da velocidade da luz na água em mavimento) revelou um afastamento parcial do éter na água.
Na próxima atualização, mais artigos sobre a Teoria da Relatividade.
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