Cecylia Payne e as estrelas

 

》》Desde a sua morte em 1979, a mulher que descobriu do que é feito o universo não recebeu muito reconhecimento, apenas uma placa comemorativa na parede da Universidade e nada mais.

Seus obituários de jornal não mencionam sua maior descoberta. Todo estudante do ensino médio sabe que Isaac Newton descobriu a gravidade, que Charles Darwin explicou sobre a evolução, e que Albert Einstein descobriu a relatividade do tempo.

Mas quando se trata da composição do nosso universo, os livros didáticos simplesmente dizem que o átomo mais abundante do universo é o hidrogênio. E ninguém se atrela ao fato de que alguém teve que descobrir isso. Esse alguém foi Cecília Payne. Ela foi dona e autora da tese de doutorado mais brilhante já escrita em astronomia.

E pensar que a mãe de Cecilia Payne se recusou a gastar dinheiro na sua faculdade, dizendo que era bobagem uma mulher estudar. Foi que ela então ganhou uma bolsa de estudo em Cambridge.

Ela concluiu seus estudos, mas Cambridge não lhe deu um diploma porque era uma mulher, então mudou-se para os EUA para trabalhar em Harvard. Ela foi a primeira pessoa a ganhar um doutorado em astronomia no Colégio Radcliffe, com o que Otto Strauve chamou de "A tese de doutorado mais brilhante já escrita em astronomia."

Também descobriu do que é feito o sol. Literalmente, qualquer estudo sobre estrelas variáveis baseia-se no seu trabalho. Foi a primeira mulher a ser promovida professora de Harvard.

E mesmo com todo esforço e dedicação ela não é mencionada com o devido respeito que uma cientista de tal gabarito merece.

Então, esse pequeno texto é só para homenagear e lembra de Cecília Payne, a mulher que descobriu do que as estrelas são feitas.

Feynman e os diagramas

Um ano passou antes do trabalho de Feynman, agora terminado, nos seus famosos diagramas, ter sido publicado: ele queria e, de fato, estava ansioso por partilhar as suas ideias em conversa com quem o estava a ouvir, mas achou desagradável a tarefa de escrever uma comunicação formal e procrastinou esta operação até que ele era possível. A sua comunicação original, "Aproximação Espaço-Time à Eletrodinâmica Quântica", talvez nunca tenha sido escrita se Feynman não tivesse viajado para Pittsburgh para passar alguns dias com os seus amigos Bert e Mulaika Corben.

Enquanto estava no Corben, amigos o forçaram a sentar-se e escrever a peça, enquanto Feynman arranjou todas as desculpas para não o fazer. Mulaika, que era uma mulher com uma personalidade extremamente forte, decidiu recorrer a medidas extremas: trancou-o no seu quarto e recusou-se a deixá-lo sair antes que o artigo fosse concluído. Ela foi uma das poucas pessoas capazes de enfrentar Feynman se opor à sua vontade à dele.

Tal como várias outras anedotas sobre Feynman, isto também pode ter sido enriquecido por graus como foi dito, mas para qualquer um que conhecesse Mulaika e Feynman, isso permanece absolutamente verdade. "

De um extrato escrito por Freeman Dyson.

Os diagramas de Feynman, de acordo com David Kaiser, "revolucionaram quase todos os aspectos da física teórica". Mas, como Dyson disse, cada evento relacionado com Feynman é um íman para anedotas de todos os tipos. De fato, parte da teoria associada a esses diagramas tinha sido publicada anteriormente em francês pelo físico suíço Ernst Stueckelberg numa revista quase indescrutável, a Helvetica Physics Acta. É pensar que o Feynman não sabia desse trabalho. Diz-se que, em 1965, durante a festa de Feynman para celebrar o seu Prêmio Nobel, ele recebeu um telegrama assinado por Stueckelberg dizendo "Devolva-me as minhas notas, por favor". Segundo uma fonte, o inventor desta piada foi Gell-Mann. Mas como Martinus Veltman escreveu no seu livro "Fatos e Mistérios na Física de Partículas Elementary":

“Perguntei a Gell-Mann se ele tinha enviado aquele telegrama, mas ele negou, acrescentando, no entanto, que era uma ideia gira. ”

A equação de Dirac

A equação de Dirac deduzida para ser uma ponte entre a Relatividade Restrita  e a Mecânica Quântica 

Por Argos Arruda Pinto.

Obs.: Este texto, por se referir a uma equação de grande complexidade na Física, possui mais a intenção de descrevê-la e mostrar a sua importância, tanto na Mecânica Quântica quanto na Física de Partículas, e na relação entre a Teoria da  Relatividade e a Física Quântica. Por isso o divido em duas partes.

Parte I - O contexto

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) ou simplesmente Paul Dirac, foi um físico teórico e matemático inglês, considerado um dos fundadores da Mecânica Quântica e da Eletrodinâmica Quântica. Sua contribuição inclui a famosa equação de Dirac, uma formulação matemática fundamental na Física Quântica e na Teoria da Relatividade, sendo desenvolvida em 1928.

Naquela época já existia, evidentemente, a Mecânica Quântica para movimentos de partículas não relativísticas, descritas pela equação de Schrödinger,  mas ela não está de acordo com a relatividade especial. Dizemos que ela não é covariante sob as transformações de Lorentz.

Dirac queria obter uma relação entre o movimento de elétrons em velocidades próximas à da luz, ou seja, a relação entre  a  Teoria da Relatividade de Einstein com a Mecânica Quântica para este problema, e, então,  teria que ajustar a equação de Schrödinger, introduzindo um  operador de nome  hamiltoniano e assim chegar na sua própria equação. Evidente haver mais detalhes da Matemática na busca dessa equação, mas um primeiro e fundamental passo seria o operador hamiltoniano. 

Ele é um conceito da Mecânica Quântica que representa a energia total de um sistema. É usado para descrever como o estado de um sistema quântico muda com o tempo. Em termos simples, você pode pensar nele como uma regra que diz como as coisas se movem e interagem em um nível quântico. 

Havia também  naquela época, em termos relativísticos, a equação de Klein-Gordon de 1927 que explicava apenas as partículas de spin 0 e a equação de Proca descrevendo as partículas de spin 1, estranhamente sem data de publicação. 

Dirac acabou por explicar as partículas de spin ½ como os elétrons e os quarks.

Ele acabou até por provar teoricamente a existência do pósitron, a antipartícula do elétron, a antimatéria do elétron. 

Em 1933, Paul Dirac foi laureado pelo Nobel de Física devido à descoberta do pósitron pelo físico estadunidense Carl A. Anderson (1904-1991) em 1932. Anderson também levou o Nobel de Física quatro anos depois, em 1936.

A importância dessa formulação não parou por aí.

Outras contribuições incluem:

1. A Eletrodinâmica Quântica (QED)

A QED é uma teoria que descreve a interação entre partículas carregadas e o campo eletromagnético.

A equação de Dirac é usada para formular a QED, permitindo cálculos precisos de propriedades do elétron.

2. A Cromodinâmica Quântica (QCD)

É uma teoria fundamental na física teórica que descreve as interações fortes. Essa força atua entre quarks,  partículas elementares que compõem prótons, nêutrons, píons, e glúons.

Os glúons são as partículas mediadoras da força nuclear   forte entre quarks e os píons são os mésons leves denominados π0, π+ e π-, responsáveis pela chamada força residual forte.  O píon é a abreviação de méson π, partícula descoberta pelo físico brasileiro César Lattes (1924-2005) e equipe, em 1947.

Aqui estão algumas características importantes da QCD:

2a. Confinamento: A força entre quarks não diminui à medida que eles se afastam. Isso significa que quarks nunca são encontrados isoladamente; eles estão sempre confinados dentro de partículas compostas chamadas hádrons, que são os bárions e mésons.

Os bárions são as partículas constituídas de três quarks, como os prótons e os nêutrons.

2b. Liberdade assintótica: Em altas energias, quarks e glúons interagem fracamente, criando um plasma de quarks e glúons. Essa previsão da QCD foi reconhecida com o Prêmio Nobel de Física em 2004.

Em resumo, a QCD é essencial para entender a estrutura da matéria e é uma parte importante do modelo padrão da física de partículas.

Cientistas se inspiram em trabalhos de outros cientistas, obtém novas ideias, modificam partes de um trabalho, ou seja, como em todas as atividades humanas, uma pode ser refutada, estendida, alterada  ou servir de caminho a novas realizações. 

Dirac mostrou ao mundo na década de 20 que a equação de Schrödinger, além da adaptação à Relatividade Restrita, realizaria descobertas importantes para a Mecânica Quântica com partículas de altas energias. 

Talvez esse fato, e aqui abro uma conjectura, inspirou outros grandes físicos a trilharem novas rotas investigativas ou realizarem trabalhos em termos de ideias já concebidas naqueles anos.

Então eu tomo a liberdade aqui de mudar um pouco o assunto, mas ficar nas partículas de altas velocidades, energias, estados correlacionados, etc., e, o próprio Paul Dirac pode ter influenciado muitos cientistas a procurar outras relações entre as diversas áreas da Física.

Einstein, por exemplo,  dedicou grande parte da sua vida de pesquisador, após a Relatividade Geral, ao procurar uma teoria denominada Teoria do Campo Unificado.

Seria uma teoria que unificaria todas as forças fundamentais  das  partículas  elementares do universo,  através de apenas um campo. Não conseguiu e este problema continua em aberto.

Não sabemos se foi devido ao Dirac, mas, aquela época era propícia para tanto como eu já disse.

Após Einstein, físicos tentaram unificar todos os fenômenos físicos, inclusive unir  a Teoria da Relatividade Geral com a Mecânica Quântica, algo bem difícil, na chamada Teoria de Tudo. Reuniriam todas as energias, forças, partículas, etc. Também não conseguiram.

Veio então a Teoria-M, tentando unificar a Teoria das Cordas, a Supergravidade e a Supersimetria. 

Ela é considerada uma teoria ainda em desenvolvimento e muitos aspectos dela são pouco compreendidos e explorados. A Teoria-M é complexa e requer mais evidências experimentais para ser validada ou refutada.

Existe até um receio dos físicos em se tentar uma teoria única englobando toda a Física em um conjunto de equações relacionadas entre si.

Não conseguir um feito desses representa um fracasso na carreira deles, deixando-os no quase esquecimento. A exceção foi Einstein devido à sua enorme contribuição para a Física em seus trabalhos.

De qualquer maneira, se toda a energia do universo estava concentrada em algo naqueles primeiros instantes iniciais de 0 s a 10^(-43) s, existe, creio eu, uma relação entre as quatro formas de energia entre si. Todas, e todas as suas consequências, forças, campos, etc., vieram do mesmo “algo”, e, tenho certeza, sempre haverá um físico, pelo menos, na jornada de descobrir uma relação entre tudo.

Parte II - A equação de Dirac em seus  termos constituintes

Na imagem abaixo temos a equação de Dirac e perceba a matemática de alto nível nela presente, os seus termos, e conforme a descrição que farei para apenas um primeiro contato seu. E também não posso nesta breve descrição colocar uma frase ou uma palavra chave a mais, pois eu teria que adicionar mais e mais explicações, tornando este texto inviável em tamanho.

1. O termo entre parênteses incluí 4 outros:

1a. A constante de Planck reduzida ou o “h cortado”, igual a h/2π, ou seja, a constante de Plank dividida por 2π, muito usada na Mecânica Quântica;

1b. A letra grega γ (gama) elevada a outra letra grega μ (mu), representa as matrizes de Dirac, objetos ou construções matemáticas facilitando a compreensão da relatividade especial com o spin dos elétrons;

1c. Agora, a letra ∂ (Del) com índice μ (mu) é um operador de derivadas parciais. Já citei neste grupo as derivadas de apenas uma variável. As derivadas parciais possuem diversas variáveis e se mantém algumas fixas para derivar aquela que você precisa;

1d. E o termo mc é a massa da partícula multiplicada pela velocidade da luz.     

1e. Então termina-se o parênteses, seguido pela letra grega ψ (psi), que é a função de onda de Schrödinger para o elétron, neste caso. Ela   contém todas as informações sobre o estado de uma partícula e é usada para calcular probabilidades de encontrar a partícula em diferentes posições ou estados.