Fácil introdução à Física Quântica para leigos (como eu).

Fácil introdução à Física Quântica para leigos (como eu).

(Este artigo foi publicado originariamente no meu blog em 2012 https://bardochoppgratis.blogspot.com.br/2012/07/facil-introducao-fisica-quantica-para.html )

Esta é uma tentativa para tornar fácil o conhecimento da Física Quântica até para quem nunca frequentou os bancos de uma Universidade. Pode ser que assim se desperte o interesse e se comece uma busca na Net para entender mais e mais, cada vez mais...

Escolha o momento para pensar na Física quântica. Não pode ser qualquer um. De preferência à noite, descansado(a), relaxado(a). Apague todas as luzes. Relaxe. De preferência num sofá, numa cama. Assegure-se de que não há ruídos nem sons de qualquer natureza à sua volta. Antes, porém, lembre-se que para explicar o Universo onde estamos os físicos (teóricos) começaram por teorias. Se essas teorias explicassem o universo que vemos, seriam consideradas e aceitas. Se houvesse falhas seriam revistas ou até mesmo esquecidas.

Vamos começar?

Feche agora os seus olhos sem apertá-los. O que vê?

Nada. Não vê nada! Pior ainda, não tem nem noção de profundidade, de espaços, comprimento largura e altura. Com um pouco de abstração poderá sentir que o tempo também não existe. Isto é muito parecido com o que existia “antes” do início deste Universo. Se esperar, de olhos fechados, por um bom tempo, verá que começam a aparecer alguns sinais de que algo existe nessa escuridão, e pode ver alguns pontos de tonalidade diferente, talvez uma estrela, um ponto de luz. Vamos chamar a esse “nada” de “falso vácuo”, porque o vácuo verdadeiro nem o conseguimos fazer ainda. Por melhores que sejam os nossos instrumentos ou que o espaço fora da Terra seja considerado como vácuo, há sempre uma partícula, um raio de luz, e isso, como é matéria ou energia, não permite o vácuo total ou verdadeiro. Desse vácuo verdadeiro nada poderia emergir, aparecer. No falso vácuo, pode.

Nossos conhecimentos atuais não permitem que se saiba o que existia “antes” do início dos universos. Somente a partir de algo tão pequeno no tempo como 0,00000000000000000000000000000000001 segundo após o seu inicio.  Aquele “nada” que viu é apenas uma aproximação. O falso vácuo que existia era metaestável, ou seja, algo poderia aparecer a qualquer tempo. Bastava que se esperasse o tempo suficiente. Teoricamente – apenas teoricamente – poderíamos algum dia vir a fazer novos universos, mas isso está fora de cogitação: Exigiria condições que não podemos antever como viáveis nem num futuro em longuíssimo prazo.

O que a Física Quântica nos diz é que nesse “nada” a que chamamos de “falso vácuo”, poderia materializar-se uma partícula, até um ônibus ou coisa maior. A probabilidade de aparecer um ônibus seria tão infinitamente menor do que aparecer uma partícula, que, se esperássemos uma eternidade poderíamos correr o risco de jamais o vermos materializar-se. Pelo contrário, o aparecimento de uma partícula seria mais provável. Bem mais provável. Podemos entender essa probabilidade através da complexidade do que se materializaria.

Chamemos a esse “nada” que sabemos agora ser o “falso vácuo” de Campo. Campo é uma região, um local, onde atuam forças. Peter Higgs, um físico teórico britânico, ainda vivo, e que deverá ganhar o prêmio Nobel deste ano de 2012, imaginou que esse campo, sujeito a forças, completamente instável, pudesse gerar uma partícula, a menor possível, chamada de bóson de Higgs. Esse campo de “nada” passou a ser chamado de “campo de Higgs”. Recentemente, no Grande Colisor de Hádrons em Genebra, descobriu-se que Higgs estava certo! A partícula de Higgs existe realmente e é a constituinte de toda a matéria que conhecemos.

Numa dessas flutuações dos campos de Higgs formou-se uma pequeníssima esfera com algumas “protuberâncias”. O diâmetro dessa pequena esfera era ainda menor do que o diâmetro de um átomo atual. Ele inflou e deu origem a todo o Universo que conhecemos e o que sabemos existir, muitas e muitas vezes maior. Tantas que podemos até julgá-lo infinito, mas para uma ideia melhor do que é a Física Quântica, poderíamos dizer que se baseia nas probabilidades de uma partícula estar ou não em determinado lugar.  

Tentei simplificar ao máximo o que é a Física Quântica de que tanto se fala e a sua principal conseqüência: O Universo e a vida, e para os mais céticos, que acham que a física quântica é coisa de cientistas, aqueles que nem acreditam na teoria da evolução ou que o homem já foi á Lua, este fenômeno quântico da probabilidade das partículas pode ser visto no "salto quântico" dos elétrons. Se fecharmos um punho e o considerarmos como o núcleo de um átomo, a última camada de elétrons - guardadas as proporções - Estaria passando no topo do Empire State Building. Pois bem, o salto quântico, é efetuado pelos elétrons - que nunca sabemos onde realmente estão, apenas podemos saber o local mais provável de estarem -  saltam de uma camada para as outras sem "percorrerem" o espaço entre elas. 

® Rui Rodrigues

Para saber mais

Pode consultar  on line http://super.abril.com.br/saude/ponto-zero-443417.shtml

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Livros :

O Universo numa Casca de Noz, Stephen Hawking, ARX, São Paulo, 2002

O Universo Inflacionário, Alan Guth, Campus, São Paulo, 1998

God in the Equation, Corey S. Powell, Free Press, Nova York, EUA, 2002

Instabitity Rules, Charles Flowers, John Wiley & Sons, Nova York, 2002

The Big Questions Richard Morris, Times Books, Nova York, 2002

Divagando sobre o espaço-tempo - 3

(continuação de 2- A Origem do Espaço-tempo.)

3- Houve duas entropias no Big-Bang ?

Muitas vezes o que nos parece lógico não é, mas, poucas vezes acontece também que o que nos parece ser ilógico seja o certo. Já me salvei assim numa prova de múltipla escolha tentando decifrar a "mente" do mestre: Respondi tudo o que sabia e o resultado dos meus cálculos contradiziam a aparente lógica. Ainda me faltava responder a algumas perguntas. Dei-me um descanso de uns cinco minutos e fui no banheiro. Passei água no rosto e vi que tinha pouco tempo para responder o resto das perguntas. Chutei as respostas seguindo o padrão. Passei! Acertei umas quantas.



Por falar em padrão, e deixando a imaginação correr, se em principio a matéria escura e a energia escura não interagem (exceto pela gravidade), e se a matéria escura, o tempo e a energia escura fizerem parte exclusivamente do espaço-tempo, então desde o Big-Bang nosso universo teria estado sujeito a duas entropias:

1- A que deu origem à matéria luminosa
2-A do espaço-tempo.

Teria então havido uma separação. Uma parte, quase inamovível, a do universo que daria origem à matéria iluminada, era passível de processos químicos e físicos. Ficou pairando, flutuando no espaço-tempo.
A outra, a matéria e a energia escuras, não, constituiriam o que chamamos de espaço-tempo que se expande inflacionariamente desde os primeiros instantes do Big-Bang. 
Parece ter sido que a matéria iluminada foi "processada", sofreu diferente entropia da outra, num espaço-tempo que a suportou. Verifica-se que esse é o comportamento. A energia térmica é uma outra forma de interação das duas matérias e tudo indica que no futuro mais distante de nosso Universo chegaremos a um equilíbrio térmico no zero absoluto. Mas talvez haja outras formas de interação entre matéria e energia escuras e matéria e energia visíveis.

Muito provavelmente o espaço tempo dure infinitamente e o que possa ser destruído, modificado, seja apenas a matéria iluminada, como no interior de estrelas, na explosão de super-novas. Atualmente falamos apenas de uma "entropia" do universo englobando as duas matérias. Curiosamente, as únicas interações que se podem avaliar entre a matéria escura e a iluminada é o efeito da gravidade e a tendencia ao equilíbrio térmico no zero absoluto pelas leis da termodinâmica. Mas talvez em determinadas condições, a matéria escura emita partículas de matéria "Iluminada" de forma constante (que poderia ser confundida com a radiação de fundo). Isto porque a densidade critica do Universo deve andar perto do valor um (1). Na medida em que o Universo se expande, surge nova massa para compensar, extraída da energia escura, ou seja, do espaço-tempo.  

Por outro lado, a ser assim, o que se expande no Universo é o espaço-tempo (matéria e a energia escuras, tempo e claro, espaço).

Note-se que como a energia e a matéria escura não emitem luz, podem expandir-se a velocidades superiores a 300.000. km/s, exatamente o que nos diz a Teoria do Universo Inflacionário de Alan Guth e outros.

Aparentemente estamos querendo juntar num só estudo o que nasceu - necessariamente - separado. Mesmo numa singularidade, o espaço-tempo se comprime, torce, mas não se destrói. Continua sendo Espaço-tempo suportando matéria iluminada cuja "aparência" pela "imobilização" da luz e efeitos da gravidade parece semelhante 
à da matéria escura do espaço-tempo. Talvez uma se tenha transformado na outra dentro do horizonte de eventos, em função da enorme ação da gravidade.



As duas entropias explicariam - em parte - porque a inflação do espaço-tempo ganhou exponencialmente em velocidade da matéria iluminada que simplesmente ficou "parada", flutuando no Universo, seus movimentos praticamente limitados aos efeitos da gravidade. E pode ser que as duas extremidades dos buracos de minhoca relativos a duas singularidades se toquem, mas não se rompam para "abrir" o túnel. Os cálculos para o Espaço-tempo devem ser diferenciados dos cálculos relativos a matéria iluminada em muitas oportunidades.

(Continua no próximo capitulo)

® Rui Rodrigues

Divagando sobre o espaço-tempo - 2

(continuação de 1- O Espaço-Tempo que vemos)

2- A Origem do Espaço-tempo.

Podemos resumir o que sabemos sobre o Big-Bang e sua evolução da seguinte forma:

Campos de Higgs, uma flutuação, uma ínfima esfera ligeiramente imperfeita com altíssima temperatura e densidade, cria-se uma singularidade. Ela se expande inflacionariamente. É o Big Bang, a origem do nosso Universo que ainda se expande. Em termos práticos sabemos existir nele: 

1- Matéria normal, que representa cerca de 4% de toda a matéria do Universo e se pode transformar em Energia normal, através da fórmula de Albert Einstein E=mc2;

2- Matéria Escura e energia escuras que a principio não se sabe de sua constituição, mas cujos efeitos se podem sentir e ainda que precariamente avaliar;

3- Espaço-tempo onde as matérias e as energias se encontram como que "flutuando" e se movem em função da atração gravitacional, mas que não se sabe de que é feito, nem o espaço nem o tempo. 

A matéria normal, ou visível, cujo Bóson de Higgs parece ser a última fronteira inferior da sua constituição, forma Galáxias com estrelas, planetas, buracos negros, etc. Grandes massas de matéria normal provocam o desvio de raios de luz.  

A matéria escura mantém coesa a matéria normal, o que se nota nos braços das galáxias espirais que giram a velocidades que, contrariamente, as fariam disparar pelo espaço-tempo. Desvia a luz de sua trajetória, causa efeitos gravitacionais.

A energia escura é responsável pela expansão do universo.




Onde estão essa matéria escura e essa energia escura? E qual a constituição da matéria escura a nível atômico, se é que se constitui de átomos tais como os de Bhor? Como interagem as matérias e as energias do universo?

Há muitas tentações que parecem óbvias e coerentes. Quando se iniciaram os descobrimentos marítimos, dizem, muitas embarcações foram empurradas por correntes marítimas. As correntes do pensamento são parecidas. Seguirei uma: Matéria e energia escuras fazem parte integral e indissociável do Espaço-tempo, são o próprio espaço-tempo. (Este conceito fez parte da matéria enviada para a Science, que foi rejeitada)

E como seria isso?

Não se sabe o que existia antes do instante zero do Big-bang, nem no próprio instante zero. O que se sabe é que existiam os campos de Higgs no "falso vácuo". A primeira pergunta que ocorre é: O falso vácuo do qual se originou o "nosso" universo, tinha espaço? Parece evidente que sim. Poderia conter matéria e energia escura ou apenas matéria escura? A matéria escura pode "emitir" partículas de matéria normal, como por exemplo Bósons de Higgs?

O espaço-tempo pode ser uma espécie de "cristal" maleável absolutamente transparente e permeável, assim como um "gel", que pode ser esticado, comprimido, torcido, constituído de matéria e energia escuras... Veremos como.

Continua no próximo capitulo.  

® Rui Rodrigues

O espaço-tempo que pensamos ver.

1- O espaço-tempo que vemos. 



Tudo no Universo se tem demonstrado ser muito simples e elegante aos olhos das leis da Física. Tão simples como o que vemos olhando para cima, para a escuridão do céu em noite sem nuvens. Pensou-se que a Terra fosse plana, as estrelas luzeiros como velas de estearina ou algo assim, talvez uns archotes, e isso tudo era o que Deus tinha feito de "Universo" além é claro, do Sol e da Lua. Tão simples também, é a fórmula E=mc2, de Albert Einstein, mas esta se comprovou estar certa.


Olhamos para o Espaço-tempo, e vemos tudo transparente, como se nada existisse no espaço entre a matéria normal, por exemplo, da Terra e da Lua, ou quando perscrutamos o infinito do espaço-tempo através de telescópios. Só nos damos conta que o tempo existe quando olhamos nossos relógios, mas, curiosamente, seja qual for a direção em que caminhemos ou voemos ou naveguemos no espaço, o tempo nos persegue como se estivesse grudado em nós, mudando de "velocidade" em função da gravidade provocada por corpos de grande massa ou singularidades, ou em função da velocidade em que viajamos. Podemos medir esses efeitos, mas ... De que é feito o "tempo" e o espaço em que viajamos, e onde os astros se "acomodam"?

Somos tentados a dizer que nada existe ali, naquelas partes escuras do espaço-tempo, nesse "volume" todo, imenso, a achar que o espaço seja apenas uma "convenção de três dimensões" e que o tempo, associado ao espaço, uma quarta "dimensão" também imaterial. Toda a matéria conhecida, de estrelas, planetas, galáxias, meteoros, buracos negros, cometas, poeira cósmica, etc, "flutuaria" nesse espaço-tempo suportada por "forças"...

Haja o que houver, mesmo que sejam cordas infinitesimais, parece-nos ser transparente", qualquer matéria normal o pode ocupar, mover-se através dele sem que nada se note, evidentemente a uma velocidade máxima de cerca de 300.000 km/s que é a velocidade limite da luz...

Onde nos poderia levar a idéia de que o espaço-tempo e o tempo em si, sejam algo "material" ou de energia, ou uma coisa e outra, mensuráveis, e "literalmente" suportam a matéria conhecida tal como os oceanos suportam navios, navios que são sugados por sorvedouros, rodamoinhos, como buracos negros sugam a matéria visível? Provavelmente nos levaria à matéria escura e à energia escura, e algo mais: A constituição física do tempo!

Parece lógico, porque toda a matéria normal, que sabemos existir no Universo, representa apenas cerca de 4% do total que tem que existir para que este continue a  expandir-se na taxa em que se expande, e os braços das Galaxias girem em torno do centro sem se desintegrarem. 

Sinto-me como que nascendo para uma outra visão do Universo. Pelo menos teoricamente.



(Segue)

® Rui Rodrigues