Os Gênios de Solvay - parte 6

A fotografia acima foi retirada na Conferência de Solvay realizada em 1911, em Bruxelas, na Bélgica. O objetivo da conferência era discutir os avanços recentes na física e estabelecer uma compreensão mais profunda dos princípios fundamentais da natureza. 

A conferência contou com a presença de alguns dos maiores nomes da física da época, incluindo Albert Einstein, Max Planck, Marie Curie e Niels Bohr. 

Durante a conferência, foram discutidos tópicos como a teoria quântica, a estrutura atômica e a natureza da radiação eletromagnética e foi um marco na história da física e ajudou a estabelecer a física moderna como a conhecemos hoje.

A seguir alguns dos personagens do congresso, na segunda parte da série que teve registro histórico:

18 - Jules-Émile Verschaffelt

Físico belga que trabalhou em grandes laboratórios e universidades europeias no final do século XVIII e primeiro quartel do século XIX.

19 - Paul Langevin

Físico francês que trabalhou com a moderação de nêutrons, sendo, portanto, um dos precursores para a construção dos reatores nucleares. Foi um dos inventores do sonar ao descobrir que era possível utilizar a piezoeletricidade dos cristais de quartzo.

Seria o presidente das 5ª e 6ª Conferência de Solvay.

20 - Louis de Broglie

Físico francês que contribuiu para a formulação da Teoria da Mecânica quântica com pontos como a teoria da Onda Piloto, experimento da Fenda Dupla, entre outros.

Seu Nobel de física de 1929 foi por conta da descoberta da natureza ondulatória do elétron. 

21 - Charles-Eugène Guye

Físico suíço que atuou nas áreas da corrente elétrica, descargas elétricas em gases, magnetismo, etc. Conseguiu provar a teoria da relatividade restrita de Einstein ao mostrar que a massa do elétron depende da sua velocidade.

Kleber Bastos

Prof. IFAM/CMC

Colaborador: GEDEP-fis / GIRPEN

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Existe algo menor que as partículas elementares?

Por Dom Lincoln.

O objetivo final da física é identificar os menores blocos de construção a partir dos quais o Universo é construído e descrever as leis que os governam. Até que façamos isso, nossa compreensão da natureza será incompleta. Atingir esse objetivo nos desafiará no futuro previsível, mas os pesquisadores estão usando uma enorme instalação na Europa para estudar esses minúsculos blocos de construção. No Large Hadron Collider, os pesquisadores aquecem a matéria a temperaturas muito mais altas que o centro do Sol.

Questão clássica, progresso moderno.

Quais são os menores e mais básicos ingredientes do Universo? A indagação é tão antiga quanto a própria ciência. Os filósofos gregos perguntaram pela primeira vez há 2.500 anos. Os cientistas modernos sabem muito mais sobre o assunto, mas ainda hoje os pesquisadores não conseguem uma resposta definitiva. E assim, após dois milênios de investigação e muitas descobertas, o estudo científico continua sobre esta velha questão. 

Como qualquer estudante de química sabe, a matéria que nos cerca é feita de infinitas combinações de cerca de 100 tipos diferentes de átomos — átomos com nomes como hidrogênio, oxigênio, cobre e estanho. Embora uma compreensão completa dos átomos lhe ensine a maior parte do que você precisa saber sobre química, os átomos não são o menor componente da matéria.

Quase um século atrás, os cientistas perceberam que os átomos são feitos de objetos ainda menores. Dois tipos minúsculos de partículas, prótons e nêutrons, foram encontrados nos núcleos densos no centro dos átomos. Um terceiro tipo de partícula fervilham ao redor do núcleo como uma nuvem de mosquitos "hipercafeinados". Esta terceira partícula é chamada de elétron.

Prótons, nêutrons e elétrons eram então considerados os menores blocos de construção da matéria, mas sua classificação logo seria usurpada. Há cerca de meio século, os cientistas descobriram que o próton e o nêutron são compostos de partículas ainda menores chamadas quarks. Até agora, o elétron resistiu a todas as tentativas de encontrar uma partícula menor dentro dele. Continua sendo o membro mais conhecido de uma classe de partículas chamadas léptons. Quarks e léptons foram observados e são considerados ciência estabelecida.

Observando as menores partículas do Universo.

Até esta escrita, os quarks e os léptons são os menores blocos de construção conhecidos na natureza e, de fato, são muito pequenos. A instrumentação mais poderosa pode ver objetos menores que um próton, mas quarks e léptons são pequenos demais para serem visualizados diretamente com equipamentos modernos. No entanto, apesar de seu tamanho minúsculo, muitos pesquisadores se perguntam se talvez quarks e léptons sejam feitos de coisas ainda menores.

Quando os cientistas procuram objetos cada vez menores, eles não usam mais os microscópios convencionais. Em vez disso, eles se voltam para aceleradores de partículas, que esmagam prótons que viajam perto da velocidade da luz. A capacidade de observar coisas em escalas tão pequenas depende crucialmente da energia na qual os prótons são colididos. A maior energia é capaz de imaginar as menores coisas.

O acelerador de partículas de maior energia do mundo é o Large Hadron Collider, localizado na fronteira franco-suíça. Esta incrível instalação, que iniciou suas operações em 2011, pode gerar as temperaturas mais altas já alcançadas em um laboratório. Usando dados registrados na última década, os cientistas são capazes de imaginar coisas tão pequenas quanto 1/10.000 do tamanho de um próton. Quando os pesquisadores o usaram para procurar objetos menores que quarks e léptons, não encontraram nenhum. Se tais objetos existirem, eles são menores do que a instalação pode detectar.

O Large Hadron Collider, no entanto, continuará a operar nas próximas décadas para melhorar nossa compreensão de como a matéria se comporta sob condições extremas. Entre muitos outros estudos, os cientistas continuarão a procurar objetos dentro de quarks e léptons, e os dados futuros devem render uma melhoria de dez vezes nos menores tamanhos que podem ser observados. O Large Hadron Collider, é claro, faz muito mais do que procurar as menores partículas – a instalação é capaz de fazer muitas medições. Até agora, os dados registrados do colisor foram usados ​​para publicar mais de 3.000 artigos científicos.

Os cientistas esperam construir uma instalação ainda mais poderosa que supere as capacidades do Large Hadron Collider. Se construída, tal instalação será capaz de estudar mais profundamente as leis da natureza, inclusive procurando por coisas ainda menores. O horizonte de tempo para tal instalação começar a operar seria no início da década de 2040.

A busca pelas menores partículas continua sendo uma das maiores buscas da ciência. Essas partículas teriam dominado o Universo imediatamente após o cataclísmico Big Bang. Se realmente quisermos entender como todo o cosmos veio a existir, devemos seguir os primeiros passos percorridos pelos antigos gregos. Só então finalmente alcançaremos os objetivos finais da pesquisa física.

Fonte: bit.ly/3qhd9e5

Uma partícula subatômica é uma partícula que faz parte de um átomo, como um elétron, próton ou nêutron.

Crédito: Rick/Adobe Stock.

Para saber mais …A quântica explicada

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Kleber Bastos

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Propriedades Quânticas das Partículas Elementares

Segundo o Professor Alberto Santoro, uma partícula elementar é uma partícula subatômica que não tem subestrutura conhecida, ou seja, não pode ser dividida em partes menores (até o momento), sendo definida por um conjunto de números quânticos que descrevem suas propriedades. Essas partículas são consideradas "blocos de construção" fundamentais da matéria e da energia e incluem elétrons, prótons, nêutrons, neutrinos, fótons e várias outras.

Uma propriedade quântica de uma partícula elementar refere-se a uma característica ou comportamento específico que é descrito pelas leis da física quântica.

Algumas das propriedades quânticas importantes incluem:

1. Superposição: Uma partícula quântica pode existir em múltiplos estados ao mesmo tempo, em uma combinação linear desses estados. Isso significa que ela pode estar em vários lugares ou possuir diferentes valores de outras propriedades simultaneamente.

2. Emaranhamento: Duas ou mais partículas quânticas podem estar intrinsecamente ligadas, de modo que o estado de uma partícula esteja intimamente relacionado ao estado das outras partículas emaranhadas. Mudanças em uma partícula afetam instantaneamente as outras, independentemente da distância entre elas.

3. Indeterminação: O princípio da incerteza de Heisenberg estabelece que certas propriedades, como posição e momento, não podem ser conhecidas simultaneamente com precisão arbitrária. Quanto mais precisamente uma propriedade é medida, menos precisão pode-se ter na medição de outra propriedade complementar.

4. Quantização: As propriedades de algumas partículas estão quantizadas, o que significa que elas só podem ter valores discretos em vez de valores contínuos. Por exemplo, a energia de um elétron em um átomo está quantizada em níveis de energia específicos.

Para as partículas elementares algumas propriedades quânticas são fundamentais:

A CARGA ELÉTRICA - é uma medida da interação eletromagnética de uma partícula e determina como ela responde a campos elétricos e magnéticos.

Na física clássica, a carga elétrica é considerada contínua e pode ter qualquer valor. No entanto, na física quântica, descobriu-se que a carga elétrica é quantizada, o que significa que ela só pode ocorrer em múltiplos inteiros de uma unidade básica, que é a carga elementar.

A carga elementar é denotada por "e" e tem um valor aproximado de 1,602 x E-19 coulombs. Ela é a menor quantidade de carga elétrica observada na natureza e é carregada pelos elétrons. A carga elétrica de um próton é exatamente oposta à carga do elétron, sendo também igual em magnitude.

Além disso, as partículas carregadas podem ter cargas positivas ou negativas, dependendo da presença de elétrons em excesso ou falta em relação aos prótons em um átomo ou partícula.

A carga elétrica é uma propriedade conservada, o que significa que a soma total de cargas em um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo. Isso é conhecido como lei da conservação da carga.

As interações eletromagnéticas entre partículas são mediadas por partículas portadoras de carga, chamadas de fótons. A carga elétrica das partículas desempenha um papel fundamental em fenômenos quânticos, como a formação de átomos, a estrutura da matéria e as interações fundamentais na física de partículas.

A MASSA - é uma propriedade quântica das partículas elementares, que descreve a quantidade de matéria contida na partícula. Ela está intrinsecamente relacionada à inércia da partícula, ou seja, sua resistência a mudanças no estado de movimento.

Na física clássica, a massa é considerada uma grandeza contínua e pode ter qualquer valor positivo. No entanto, na física quântica, a massa também está sujeita à quantização. As partículas elementares têm massas específicas que são características delas e não podem assumir qualquer valor.

Diferentes partículas elementares têm massas diferentes. Por exemplo, o elétron tem uma massa específica, o próton tem outra massa e assim por diante. A massa das partículas elementares é medida em unidades de energia, de acordo com a famosa equação de Einstein, E = mc², onde E é a energia, m é a massa e c é a velocidade da luz no vácuo.

A massa é uma propriedade conservada, o que significa que a soma total de massas em um sistema isolado permanece constante ao longo do tempo, de acordo com a lei da conservação da massa.

O SPIN - é uma propriedade quântica intrínseca das partículas elementares. É uma medida da quantidade de momento angular intrínseco que uma partícula possui, independentemente de seu movimento de rotação física.

O spin não tem uma interpretação clássica direta, pois não corresponde a uma rotação literal da partícula em torno de um eixo. Em vez disso, é uma característica fundamental das partículas quânticas, que descreve seu comportamento sob rotações espaciais.

O spin é quantizado, o que significa que só pode ter valores discretos. Para as partículas elementares, como elétrons, prótons e nêutrons, o spin tem um valor intrínseco de "spin-½". Isso significa que o spin de tais partículas pode assumir apenas dois valores: +½ ou -½ (em unidades da constante de Planck dividida por 2π).

O spin possui algumas características notáveis:

1. O spin é uma propriedade conservada. Isso significa que o spin total de um sistema isolado de partículas se conserva durante interações, a menos que haja uma força externa envolvida.

2. O spin tem relação com a estatística das partículas. Partículas com spin inteiro obedecem à estatística de Bose-Einstein e podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente, como fótons (spin-1). Partículas com spin semi-inteiro seguem a estatística de Fermi-Dirac e obedecem ao princípio da exclusão de Pauli, onde não podem ocupar o mesmo estado quântico, como elétrons (spin-½).

3. O spin é uma propriedade fundamental na física de partículas e na teoria quântica de campos. Ele influencia as interações eletromagnéticas, fortes e fracas entre partículas e está relacionado à estrutura de simetria das teorias físicas.

Embora o spin seja uma propriedade abstrata e não possa ser visualizado diretamente, é uma característica essencial para a descrição e compreensão das partículas elementares e seu comportamento quântico.

Entender sobre as propriedades quânticas das partículas significa compreender a descrição da natureza em escalas subatômicas. 

Para saber mais ... Entrelaçamento Quântico (link)

TIRINHA DO DIA

Próximo tema: O CERN e seu detectores de partículas , espero você na segunda dia 03 de julho.

Kleber Bastos

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Viagem na Eletricidade

 Episódio 6 - Volts para ir mais longe 

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Os Gênios de Solvay - parte 5

A fotografia acima foi retirada na Conferência de Solvay realizada em 1911, em Bruxelas, na Bélgica. O objetivo da conferência era discutir os avanços recentes na física e estabelecer uma compreensão mais profunda dos princípios fundamentais da natureza. 

A conferência contou com a presença de alguns dos maiores nomes da física da época, incluindo Albert Einstein, Max Planck, Marie Curie e Niels Bohr. 

Durante a conferência, foram discutidos tópicos como a teoria quântica, a estrutura atômica e a natureza da radiação eletromagnética e foi um marco na história da física e ajudou a estabelecer a física moderna como a conhecemos hoje.

A seguir alguns dos personagens do congresso, na segunda parte da série que teve registro histórico:

14 - Paul Dirac

Físico britânico que contribui ativamente para a mecânica quântica e a eletrodinâmica quântica. Formulou a Equação de Dirac que descreve o comportamento do férmion e, em consequência, levou à previsão da existência da antimatéria.

Recebeu o Nobel de física em 1933 pela descoberta de novas formas da teoria atômica.

15 - Albert Einstein

Físico alemão conhecido, principalmente, pela Teoria da Relatividade Geral, uma das bases da física da atualidade, o qual é criador. Embora seu trabalho mais famoso fique por conta do E=mc², seu Nobel veio com outra pesquisa: "Contribuições à física teórica e especialmente pela descoberta do efeito fotoelétrico", em 1921.

Além disso contribuiu para a teoria quântica, criou a Teoria Geral da Relatividade, a explicação do Movimento Browniano, entre muitas outras contribuições, inclusive, o projeto Manhattan (do qual viria a se arrepender amargamente), que culminou na criação da bomba atômica.   

16 - Erwin Schrödinger

Dono do famoso Gato de Schrödinger, o físico austríaco é bastante conhecido por suas contribuições à mecânica quântica, em especial a Equação de Schrödinger. Foi, inclusive, por este trabalho que ele levou o Prêmio Nobel de física de 1933. Foi um físico que se dedicou aos aspectos filosóficos da ciência, ética e religião.

17 - Arthur Holly Compton

Físico americano que levou o prêmio Nobel de física de 1927 em sua área por ter descoberto o Efeito Compton, que trata da diminuição de energia de um fóton de raio-X, ou de raio gama, quando ele interage com a matéria.

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Albert Einstein e a teoria da grande unificação

Albert Einstein nascido em 14 de março de 1879 é considerado um dos maiores físicos do século XX; no ano miraculoso de 1905 escreveu seus mais conhecidos artigos que mudariam a nossa compreensão do universo.

Em 1915 publicou a teoria da relatividade geral, que expandiu a teoria da relatividade especial para incluir a gravidade, mostrando que a mesma é uma curvatura do espaço-tempo causada pela presença de massa e energia. Sua proposta teórica foi confirmada por várias observações, incluindo a curvatura da luz ao redor do sol durante um eclipse solar em Sobral.

Einstein foi fundamental para a física quântica ao propor o conceito de "fóton", uma partícula de luz, mostrando seu comportamento dual dependendo da situação. Uma outra importante contribuição veio com a teoria do movimento browniano, explicando como partículas em suspensão se movem em um líquido.

Durante grande parte de sua vida Einstein buscou uma teoria unificada que pudesse explicar todas as forças fundamentais do universo, incluindo a gravidade. A teoria unificada é uma teoria hipotética que busca a unificação das quatro forças fundamentais da natureza: a força gravitacional, a força eletromagnética, a força forte e a força fraca. Atualmente, a física moderna tem duas teorias principais que descrevem o comportamento dessas forças: a relatividade geral de Einstein, que descreve a gravidade, e o modelo padrão da física de partículas, que descreve as outras três forças.

As duas teorias são incompatíveis entre si e não conseguem explicar certos fenômenos, como a natureza da matéria escura e a origem do universo.

Existem atualmente algumas abordagens para a teoria da grande unificação, incluindo a teoria das cordas e a teoria M. Tais teorias propõem que as partículas fundamentais da natureza não são pontos, mas sim cordas vibrantes em dimensões extras além das três dimensões espaciais e uma dimensão temporal que conhecemos; também propõem que todas as forças fundamentais da natureza são manifestações diferentes de uma única força unificada em escalas de energia muito altas.

Para saber mais ... A teoria das cordas (link)

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Os Bósons e a mediação das forças da natureza

Bósons são partículas mediadoras das forças da natureza que  fundamentam o modelo padrão, sendo constituídos por 13 partículas mensageiras que conectam as partículas elementares.  Sua família é constituída pelas partículas de Gauge: glúons, fóton, Zo, W+ e W- (bósons vetoriais) e pelo Bóson escalar: Higgs.

                                                      

Como partículas elementares, desempenham um papel fundamental na física de partículas e na compreensão do funcionamento do universo.

São responsáveis por mediar as interações entre partículas elementares por meio de três forças fundamentais da natureza: a força eletromagnética, a força fraca e a força forte. A força gravitacional ainda não foi associada a um bóson específico no Modelo Padrão. Sem os bósons mediadores, as partículas não seriam capazes de interagir e as forças fundamentais não poderiam ser transmitidas.

Sobre suas interações com as forças fundamentais:

1. Bóson de Higgs (Higgs): O bóson de Higgs é associado ao campo de Higgs, que é responsável por conferir massa a outras partículas elementares. Ele interage consigo mesmo e com outras partículas carregadas, como elétrons e quarks, conferindo massa a essas partículas através do mecanismo de Higgs.

2. Bóson W e Bóson Z: Esses são os bósons intermediários que mediam a interação fraca. O bóson W vem em duas variedades, W⁺ e W⁻, que estão envolvidas na interação de partículas carregadas por meio da troca de carga elétrica. O bóson Z é neutro e está envolvido na interação neutra. Esses bósons são responsáveis pela transição entre quarks e léptons e pela ocorrência de decaimentos radioativos.

3. Fóton: O fóton é a partícula mediadora do campo eletromagnético e está associado à interação eletromagnética. Ele não possui massa e carrega carga elétrica. Os fótons são responsáveis pela transmissão da força eletromagnética entre partículas carregadas, como elétrons e prótons, e são os responsáveis pela luz e outras formas de radiação eletromagnética.

4. Glúon: Os glúons são os bósons mediadores da força forte, também conhecida como interação forte ou interação nuclear forte. A interação forte é responsável pela coesão dos quarks dentro dos hádrons, como prótons e nêutrons. Diferentemente dos outros bósons mencionados, os glúons também carregam a carga de cor, que é uma propriedade associada à interação forte.

O bóson de Higgs foi o último descoberto em dois detectores do CERN em 2012, é uma partícula fundamental que está associada ao campo de Higgs. A interação com esse campo confere massa às outras partículas elementares. O mecanismo de Higgs proposto explica como as partículas adquirem massa e é fundamental para a nossa compreensão da estrutura da matéria.

Bósons desempenham um papel essencial na descrição e classificação das partículas elementares. Através das interações mediadas pelos bósons, é possível estudar as propriedades das partículas, suas massas, cargas e como elas se transformam umas nas outras. Isso nos ajuda a entender a estrutura fundamental da matéria e como as partículas elementares se organizam e interagem.

Seu papel na física de partículas é essencial para construir modelos teóricos e realizar experimentos que nos permitem entender o funcionamento do universo em suas escalas mais elementares.

 Para saber mais ... Higgs explicado (link)

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Próximo tema: As propriedades quânticas das partículas , espero você na segunda dia 26 de junho.

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