{"id":40784,"date":"2021-10-21T12:00:00","date_gmt":"2021-10-21T15:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ufrgs.br\/amlef\/?p=40784"},"modified":"2021-11-19T15:27:32","modified_gmt":"2021-11-19T18:27:32","slug":"capitulo-8-o-espaco-nao-e-tao-vazio-parte-1","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ufrgs.br\/amlef\/2021\/10\/21\/capitulo-8-o-espaco-nao-e-tao-vazio-parte-1\/","title":{"rendered":"Cap\u00edtulo 8: O espa\u00e7o n\u00e3o \u00e9 t\u00e3o vazio (parte 1)"},"content":{"rendered":"\n
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Para con\u00adti\u00adnuar o pla\u00adne\u00adja\u00admento de nossa viagem espa\u00adcial, pre\u00adci\u00adsa\u00admos buscar res\u00adpos\u00adtas para uma das per\u00adgun\u00adtas que assom\u00adbram a huma\u00adni\u00addade desde seus pri\u00adm\u00f3r\u00addios: do que a mat\u00e9ria e n\u00f3s somos feitos? O que h\u00e1 no \u2018vazio\u2019 do espa\u00e7o?<\/p>\n\n\n\n

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Das nuvens \u00e0s part\u00edculas<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
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Figura 1 -<\/strong> C\u00e2mara de N\u00e9voa Con\u00adt\u00ed\u00adnua (AMLEF063<\/a>).<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Desde 1895, o f\u00edsico C. T. R. Wilson (1869 \u2014 1959) buscava enten\u00adder os pro\u00adces\u00adsos por tr\u00e1s da for\u00adma\u00ad\u00e7\u00e3o de nuvens. Para isso, ele cons\u00adtruiu uma C\u00e2mara de Nuvens<\/a> (Figura 1), que con\u00adsis\u00adtia em uma caixa fechada de vidro pre\u00aden\u00adchida com vapor super\u00adsa\u00adtu\u00adrado<\/a> (quando uma subs\u00adt\u00e2n\u00adcia est\u00e1 como vapor sob con\u00addi\u00ad\u00e7\u00f5es que deveria estar l\u00edquido, podendo con\u00adden\u00adsar com qual\u00adquer per\u00adtur\u00adba\u00ad\u00e7\u00e3o). Os cien\u00adtis\u00adtas da \u00e9poca acre\u00addi\u00adta\u00advam que a causa da con\u00adden\u00adsa\u00ad\u00e7\u00e3o (tran\u00adsi\u00ad\u00e7\u00e3o do vapor para o estado l\u00edquido) em nuvens era causado por par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas de poeira na atmos\u00adfera. Por\u00e9m, ap\u00f3s v\u00e1rios expe\u00adri\u00admen\u00adtos, Wilson mostrou que havia a con\u00adden\u00adsa\u00ad\u00e7\u00e3o do vapor mesmo em meios sem poeira, con\u00adcluindo que outro pro\u00adcesso deveria causar o fen\u00f4meno.<\/p>\n\n\n\n

Mais ou menos na mesma \u00e9poca, diver\u00adsos tra\u00adba\u00adlhos revo\u00adlu\u00adci\u00ado\u00adna\u00adram a forma como se enten\u00addia a cons\u00adti\u00adtui\u00ad\u00e7\u00e3o da mat\u00e9ria. Come\u00ad\u00e7ando com a des\u00adco\u00adberta dos raios\u2011x por Wilhelm Conrad R\u00f6ntgen (1845 \u2014 1923) e da radi\u00ado\u00ada\u00adti\u00advi\u00addade por Antoine Henri Bec\u00adque\u00adrel (1852 \u2014 1908). Assim, cien\u00adtis\u00adtas como Ernest Ruther\u00adford (1871 \u2014 1937) e J. J. Thomson<\/a> (1856 \u2014 1940) estu\u00adda\u00adram as causas desses fen\u00f4\u00adme\u00adnos, o pri\u00admeiro, a res\u00adpeito da radi\u00ado\u00ada\u00adti\u00advi\u00addade e o segundo, sobre pro\u00adcesso de for\u00adma\u00ad\u00e7\u00e3o dos raios\u2011x nos raios cat\u00f3\u00addi\u00adcos. Com isso, novos modelos at\u00f4\u00admi\u00adcos foram desen\u00advol\u00advi\u00addos. Al\u00e9m disso, Ruther\u00adford des\u00adco\u00adbriu a exis\u00adt\u00ean\u00adcia de outros dois tipos de part\u00edculas\/radia\u00e7\u00e3o, a alpha e a beta. J\u00e1 em 1899, o cien\u00adtista Paul Ulrich Villard (1860 \u2014 1934) des\u00adco\u00adbriu a radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o gama. \u00c9 impor\u00adtante res\u00adsal\u00adtar que os con\u00adcei\u00adtos de onda e par\u00adt\u00ed\u00adcula se mis\u00adtu\u00adram a partir do in\u00edcio da Mec\u00e2\u00adnica Qu\u00e2n\u00adtica, com o pos\u00adtu\u00adlado de Louis de Broglie (1892 \u2014 1987) sobre a natu\u00adreza ondu\u00adla\u00adt\u00f3\u00adria da mat\u00e9ria.<\/p>\n\n\n\n

Figura 2 -<\/strong> Foto\u00adgra\u00adfia tirada por Wilson da tra\u00adje\u00adt\u00f3\u00adria de par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas alpha. Fonte: Astro\u00adpar\u00adti\u00adcle Physics\/Elsevier<\/a>.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

E o que isso tem a ver com o estudo de for\u00adma\u00ad\u00e7\u00e3o de nuvens? Dentro do con\u00adtexto das des\u00adco\u00adber\u00adtas citadas, Wilson come\u00e7ou a sus\u00adpei\u00adtar que a causa da con\u00adden\u00adsa\u00ad\u00e7\u00e3o do vapor eram, na verdade, par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas car\u00adre\u00adga\u00addas que, ao pas\u00adsa\u00adrem pela c\u00e2mara, inte\u00adra\u00adgiam (atraindo, repe\u00adlindo ou coli\u00addindo) com as mol\u00e9\u00adcu\u00adlas do vapor, per\u00adtur\u00adbando o sistema e con\u00adden\u00adsando sua tra\u00adje\u00adt\u00f3\u00adria. Assim, ele uti\u00adli\u00adzou tubos de raios cat\u00f3\u00addi\u00adcos<\/a> para ilu\u00admi\u00adnar sua c\u00e2mara de nuvens e obser\u00advou a for\u00adma\u00ad\u00e7\u00e3o de diver\u00adsos tra\u00e7os sob dife\u00adren\u00adtes con\u00addi\u00ad\u00e7\u00f5es. Al\u00e9m disso, Wilson uti\u00adli\u00adzou fontes radi\u00ado\u00ada\u00adti\u00advas dentro de sua c\u00e2mara. As imagens abaixo mostram foto\u00adgra\u00adfias tiradas por Wilson dos tra\u00e7os for\u00adma\u00addos por par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas alpha, que se des\u00adco\u00adbriu pos\u00adte\u00adri\u00ador\u00admente serem com\u00adpos\u00adtas por dois pr\u00f3tons e dois n\u00eau\u00adtrons (um n\u00facleo de H\u00e9lio)!<\/p>\n\n\n\n

Figura 3 -<\/strong> Regis\u00adtro em emuls\u00e3o nuclear da tra\u00adje\u00adt\u00f3\u00adria de par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas m\u00e9son. Fonte: CERN Courier<\/a>.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Novas t\u00e9c\u00adni\u00adcas simi\u00adla\u00adres a de Wilson sur\u00adgi\u00adram com o passar dos anos. Entre elas, o uso de emuls\u00e3o foto\u00adgr\u00e1\u00adfica para regis\u00adtrar per\u00adma\u00adnen\u00adte\u00admente as tra\u00adje\u00adt\u00f3\u00adrias ao inv\u00e9s de vapor, inven\u00adtada pelo cien\u00adtista Cecil Powell (1903 \u2014 1969). Essa nova t\u00e9cnica per\u00admi\u00adtiu a des\u00adco\u00adberta de muitas outras par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas, como o M\u00faon e o M\u00e9son Pi. A Figura 3 mostra o regis\u00adtro da tra\u00adje\u00adt\u00f3\u00adria de M\u00e9sons Pi e Tau.<\/p>\n\n\n\n

Por\u00e9m, a origem da radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o n\u00e3o estava total\u00admente com\u00adpre\u00aden\u00addida. Em uma de suas notas de labo\u00adra\u00adt\u00f3\u00adrio, Wilson escreve: \u201cExistem \u00edons no ar normal (per\u00adma\u00adnen\u00adte\u00admente) ou quando expos\u00adtos \u00e0 radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o solar?\u201d.<\/p>\n\n\n\n

Figura 4 -<\/strong> Ele\u00adtros\u00adc\u00f3\u00adpio (AMLEF302<\/a>)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Essa quest\u00e3o s\u00f3 p\u00f4de ser res\u00adpon\u00addida com a des\u00adco\u00adberta dos raios c\u00f3s\u00admi\u00adcos pelo cien\u00adtista Victor Hess (1883 \u2014 1964), que mediu um aumento da radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o com um ele\u00adtros\u00adc\u00f3\u00adpio (Figura 4) con\u00adforme subia atmos\u00adfera acima em um bal\u00e3o! Essa des\u00adco\u00adberta mostrou que, ao con\u00adtr\u00e1\u00adrio do que muitos cien\u00adtis\u00adtas da \u00e9poca acre\u00addi\u00adta\u00advam, essa radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o n\u00e3o vinha da crosta ter\u00adres\u00adtre, mas do espa\u00e7o; motivo pelo qual Robert Mil\u00adli\u00adkan cunhou o termo Raios C\u00f3s\u00admi\u00adcos. Isso mesmo, a todo ins\u00adtante estamos sendo bom\u00adbar\u00adde\u00ada\u00addos por diver\u00adsas par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas, mas n\u00e3o entrem em p\u00e2nico, os Raios C\u00f3s\u00admi\u00adcos n\u00e3o<\/strong> s\u00e3o peri\u00adgo\u00adsos para quem est\u00e1 na super\u00adf\u00ed\u00adcie terrestre!<\/p>\n\n\n\n

Figura 5 -<\/strong> Victor Hess no bal\u00e3o usado para o expe\u00adri\u00admento nos anos 1911\u20131912. Fonte: The New York Times<\/a>.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Os raios c\u00f3s\u00admi\u00adcos s\u00e3o par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas (como Pr\u00f3tons, N\u00eau\u00adtrons, F\u00f3tons) e \u00edons (como de Hidro\u00adg\u00ea\u00adnio e Ferro) extre\u00adma\u00admente ener\u00adg\u00e9\u00adti\u00adcos, podendo chegar a velo\u00adci\u00adda\u00addes muito pr\u00f3\u00adxi\u00admas da luz. Acre\u00addita-se que os raios c\u00f3s\u00admi\u00adcos sejam emi\u00adti\u00addos por objetos extra\u00adga\u00adl\u00e1c\u00adti\u00adcos, como estre\u00adlas, super\u00adno\u00advas e n\u00facleos ativos de gal\u00e1\u00adxias. Por\u00e9m, eles n\u00e3o cos\u00adtu\u00admam chegar \u00e0 super\u00adf\u00ed\u00adcie ter\u00adres\u00adtre pois, em sua maioria, s\u00e3o absor\u00advi\u00addos pela atmosfera.<\/p>\n\n\n\n

Outro tipo de radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o abun\u00addante no \u201cvazio\u201d do espa\u00e7o \u00e9 a Radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o C\u00f3smica de Fundo. Essa radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o \u00e9 com\u00adposta por f\u00f3tons com energia at\u00e9 a faixa de micro-ondas, e apre\u00adsenta um espec\u00adtro do tipo de radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o de corpo negro, dis\u00adtri\u00adbu\u00edda homo\u00adge\u00adne\u00ada\u00admente no espa\u00e7o. Isso sig\u00adni\u00adfica que ela \u00e9 a radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o t\u00e9rmica emitida pelo uni\u00adverso, da era c\u00f3smica em que ele era quente e denso, com tem\u00adpe\u00adra\u00adtura de apro\u00adxi\u00adma\u00adda\u00admente 2725 Kelvin (2451,85 \u00b0C). Esta \u00e9 uma das prin\u00adci\u00adpais evi\u00add\u00ean\u00adcias do modelo cos\u00admo\u00adl\u00f3\u00adgico do Big Bang.<\/p>\n\n\n\n

Figura 6 -<\/strong> Imagem da radi\u00ada\u00ad\u00e7\u00e3o c\u00f3smica de fundo obtida pela sonda  Wil\u00adkin\u00adson Microwave Ani\u00adso\u00adtropy Probe (WMAP)<\/a>. Fonte: Wikip\u00e9dia.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Por\u00adtanto, o espa\u00e7o defi\u00adni\u00adti\u00adva\u00admente n\u00e3o \u00e9 vazio, mas cheio de part\u00edculas\/radia\u00e7\u00e3o. Novos m\u00e9todos de detec\u00ad\u00e7\u00e3o con\u00adti\u00adnuam sendo desen\u00advol\u00advi\u00addos, pos\u00adsi\u00adbi\u00adli\u00adtando obser\u00adva\u00ad\u00e7\u00f5es mais pre\u00adci\u00adsas do Uni\u00adverso. Da mesma forma, expe\u00adri\u00admen\u00adtos s\u00e3o desen\u00advol\u00advi\u00addos para simular con\u00addi\u00ad\u00e7\u00f5es simi\u00adla\u00adres ao in\u00edcio do Uni\u00adverso, como os do LHC, res\u00adpon\u00ads\u00e1\u00adveis pela obser\u00adva\u00ad\u00e7\u00e3o do B\u00f3son de Higgs. Por\u00e9m, como toda res\u00adposta na ci\u00eancia traz mais per\u00adgun\u00adtas\u2026 Que par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas s\u00e3o essas? E de onde elas v\u00eam?<\/p>\n\n\n\n

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Saiba Muito Mais<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Um sop\u00e3o de part\u00edculas<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
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A partir do des\u00adco\u00adbri\u00admento de novas par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas e da evo\u00adlu\u00ad\u00e7\u00e3o das t\u00e9c\u00adni\u00adcas de medida cons\u00adtruiu-se, pouco a pouco, uma nova teoria na f\u00edsica, o Modelo Padr\u00e3o. Segundo este, existem dois prin\u00adci\u00adpais grupos de par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas: os F\u00e9r\u00admi\u00adons, que cons\u00adti\u00adtuem a mat\u00e9ria, e os B\u00f3sons, que inter\u00adme\u00addiam as for\u00e7as ele\u00admen\u00adta\u00adres. O info\u00adgr\u00e1\u00adfico abaixo apre\u00adsenta todas as par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas conhe\u00adci\u00addas at\u00e9 o momento. No c\u00edrculo exte\u00adrior, est\u00e3o os F\u00e9r\u00admi\u00adons divi\u00addi\u00addos entre L\u00e9ptons e Quarks. No c\u00edrculo inte\u00adrior a esse, est\u00e3o os B\u00f3sons e no centro o B\u00f3son de Higgs. Esses tipos de par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas n\u00e3o possuem estru\u00adtura interna (pelo menos at\u00e9 onde conhe\u00adce\u00admos), sendo cha\u00adma\u00addas de elementares!<\/p>\n\n\n\n

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Figura 7 -<\/strong> Info\u00adgr\u00e1\u00adfico do Modelo Padr\u00e3o. Fonte: Jornal da USP<\/a><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Mas o que dife\u00adren\u00adcia essas par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas? As par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas s\u00e3o sepa\u00adra\u00addas em dife\u00adren\u00adtes grupos con\u00adforme suas pro\u00adpri\u00ade\u00adda\u00addes f\u00edsicas. As 3 prin\u00adci\u00adpais pro\u00adpri\u00ade\u00adda\u00addes s\u00e3o: massa, carga el\u00e9\u00adtrica e spin. No grupo dos f\u00e9r\u00admi\u00adons, os quarks e l\u00e9ptons s\u00e3o clas\u00adsi\u00adfi\u00adca\u00addos con\u00adforme sua carga el\u00e9\u00adtrica. Os quarks possuem carga fra\u00adci\u00ado\u00adn\u00e1\u00adria (1\/3 ou 2\/3), enquanto que os l\u00e9ptons possuem carga inteira (-1 ou 0). Um fato muito curioso \u00e9 que, por terem cargas fra\u00adci\u00ado\u00adn\u00e1\u00adrias, os quarks nunca foram encon\u00adtra\u00addos sozi\u00adnhos, eles sempre se com\u00adbi\u00adnam tota\u00adli\u00adzando uma carga inteira! Por exemplo, um pr\u00f3ton \u00e9 com\u00adposto por dois quarks up e um down, resul\u00adtando na carga +1. Al\u00e9m disso, a dife\u00adren\u00e7a dentro de um mesmo grupo de f\u00e9r\u00admi\u00adons, est\u00e1 rela\u00adci\u00ado\u00adnada \u00e0s massas de cada part\u00edcula.<\/p>\n\n\n\n

Certo, mas o que dife\u00adren\u00adcia os b\u00f3sons dos f\u00e9r\u00admi\u00adons? O spin. Enquanto os f\u00e9r\u00admi\u00adons conhe\u00adci\u00addos possuem spin \u00bd, os b\u00f3sons conhe\u00adci\u00addos pos\u00adsuiam spin igual a 1 at\u00e9 2012. Desde ent\u00e3o, o B\u00f3son de Higgs, com spin 0, teve sua exis\u00adt\u00ean\u00adcia com\u00adpro\u00advada; sendo essa a par\u00adt\u00ed\u00adcula que inte\u00adrage com as demais par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas ele\u00admen\u00adta\u00adres dando origem \u00e0s suas massas. Ali\u00e1s, a pre\u00advi\u00ads\u00e3o da exis\u00adt\u00ean\u00adcia do B\u00f3son de Higgs em 1964, pos\u00adte\u00adri\u00ador\u00admente com\u00adpro\u00advada em 2012, foi uma das pe\u00e7as fun\u00adda\u00admen\u00adtais para a con\u00adso\u00adli\u00adda\u00ad\u00e7\u00e3o do Modelo Padr\u00e3o. <\/p>\n\n\n\n

Em uma des\u00adcri\u00ad\u00e7\u00e3o sim\u00adpli\u00adfi\u00adcada, os F\u00e9r\u00admi\u00adons formam a mat\u00e9ria e os B\u00f3sons repre\u00adsen\u00adtam as for\u00e7as (inte\u00adra\u00ad\u00e7\u00f5es) entre a mat\u00e9ria. As quatro for\u00e7as conhe\u00adci\u00addas s\u00e3o a gra\u00advi\u00adta\u00adci\u00ado\u00adnal<\/a>, ele\u00adtro\u00admag\u00adn\u00e9\u00adtica<\/a> e as nucle\u00ada\u00adres forte<\/a> e fraca<\/a>. Parece estra\u00adnho pensar que uma par\u00adt\u00ed\u00adcula pode trans\u00admi\u00adtir uma for\u00e7a, mas existem ana\u00adlo\u00adgias que per\u00admi\u00adtem ima\u00adgi\u00adnar como isso pode ocorrer. Uma delas \u00e9 pensar que essas inte\u00adra\u00ad\u00e7\u00f5es s\u00e3o como duas pessoas (F\u00e9r\u00admi\u00adons) jogando uma bola (B\u00f3son) uma para a outra (Figura 6).<\/p>\n\n\n\n

Figura 8 -<\/strong> Ana\u00adlo\u00adgia das inte\u00adra\u00ad\u00e7\u00f5es das par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas a um jogo de bola.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

E essa \u00e9 s\u00f3 a ponta do iceberg do que se conhece sobre o mundo das par\u00adt\u00ed\u00adcu\u00adlas. Com esse blocos fun\u00adda\u00admen\u00adtais, diver\u00adsos prin\u00adc\u00ed\u00adpios da Mec\u00e2\u00adnica Qu\u00e2n\u00adtica s\u00e3o estu\u00adda\u00addos, como a Dua\u00adli\u00addade Onda-Par\u00adt\u00ed\u00adcula, o Prin\u00adc\u00ed\u00adpio da Incer\u00adteza, o Prin\u00adc\u00ed\u00adpio da Exclu\u00ads\u00e3o de Pauli e muito mais. Entre\u00adtanto, \u00e9 impor\u00adtante res\u00adsal\u00adtar que, apesar de muito bem esta\u00adbe\u00adle\u00adcido no meio cien\u00adt\u00ed\u00adfico, o Modelo Padr\u00e3o est\u00e1 em cons\u00adtante desen\u00advol\u00advi\u00admento, com diver\u00adsas lacunas a serem estudadas.<\/p>\n\n\n\n

Camila Raupp da Luz \/ Equipe AMLEF 2021<\/strong> <\/h5>\n\n\n\n
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Saiba Mais<\/strong><\/h3>\n\n\n\n