EM BUSCA DO INFINITO-06
Por Prof. G Venkataraman
Sai Ram amoroso e novamente calorosas saudações. Eu sinto muito por ter havido
um intervalo na apresentação desta serie, mas houve uma boa razão para isso! Em
meu último artigo eu lidei com os Buracos Negros, antes dos quais discutimos sobre
as Anãs Brancas e explosões de Supernovas. Quando eu estava fora, em Kodai
durante o mês de maio, eu li nas publicações cientificas que os astrônomos
descobriram uma explosão que parece ser “a mãe de todas as explosões.”
A Explosão Estelar mais luminosa já vista até agora
A descoberta baseia-se em observações extensas obtidas pelo telescópio orbital de
raio-X, Chandra, bem como vários observatórios da superfície que operam em
diferentes comprimentos de onda. Esta supernova, chamada SN 2006gy, é a mais
energética e luminosa explosão estelar já registrada e pode ser de um novo e
esperado tipo. Ao lado uma ilustração artística que mostra como a SN 2006gy
pareceria se vista a uma curta distância.
As partes em branco nas explosões supõem ter sido uma estrela de muito grande
massa, muito volumosa. Este escombros empurram dois lóbulos de gás mais frio,
vermelho que foi expelido em uma grande erupção da estrela antes de explodir. O
verde, regiões azuis e amarelas nos lóbulos, mostra onde o gás estelar se aquece no
choque com o material da explosão. Pensa-se que a maioria da luz óptica gerada pela
supernova venha dos escombros aquecidos pela radioatividade, mas é provável que
também venha do gás aquecido nesse choque. Os lóbulos podem ser vistos nas
imagens capturadas pelo telescópio Chandra [veja abaixo].
UMA SUPERNOVA
Sn 2006 capturada pelo Telescópio Chandra
A SN 2006gy aconteceu em uma galáxia distante [NGC 1260] aproximadamente 238
milhões de anos luz. Então, devido ao tempo que a luz levou para chegar à Terra, o
evento aconteceu ha aproximadamente 238 milhões de anos atrás. Foi uma
extraordinária supernova, de alta-energia, de uma estrela original muito grande, ao
redor de 150 massas solares. Isso é realmente emocionante! Foi calculada a energia
libertada pela explosão como cerca de dez vezes mais que a explosão de uma
supernova típica. A luz da supernova brilhou durante aproximadamente 70 dias
depois da descoberta, até mais ou menos o começo de Dezembro de 2006 e tem
diminuído lentamente desde então.
Embora a SN 2006 seja aproximadamente dez vezes mais luminosa quando
comparada a SN 1987 que era luminosa o bastante para ser vista a olho nu, [matéria
que eu já discuti], a SN 2006 estava 1400 mais distante que a SN 1987A, muito longe
para ser vista sem um telescópio. Atualmente os astrofísicos estão ocupados
teorizando sobre o que poderia ter causado uma explosão tão volumosa
É só em relação aos novos e excitantes fatos. Voltemos agora para os assuntos
principais das minhas palestras anteriores. Vamos recordar um pouco o que já vimos.
1) um olhar sobre o que dá origem ao Universo, 2) o nascimento e morte de
diferentes tipos de estrelas e os diferentes tipos de cadáveres que delas se originam.
Há muitos mais detalhes que eu poderia dar sobre o Universo, mas isso nos levaria
muito longe do nosso curso principal. Neste momento eu gostaria de fazer uma
pausa e colocar a pergunta que muitos já se fizeram antes, que é: “Onde tudo
começou e como era o Universo no início? Como cresceu depois disso e chegou ao
seu enorme tamanho presente?” Considerando que o Universo é uma entidade física,
é óbvio que uma parte grande da resposta para essa pergunta teria que vir da Física.
Assim, façamos um pequeno desvio e vejamos mais de perto a Física.
Física para entender o Universo Físico
Isaac Newton
Desde o inicio do tempo em que apareceu na Terra, o homem tem se ocupado em
juntar pedaços e pedaços de informações sobre o mundo ao seu redor, tentando pôr
tudo junto para compreender o sentido. Este tem sido um processo longo e árduo,
nem sempre fácil. Considere, por exemplo, a famosa descoberta de Archimedes. Hoje
até mesmo uma criança de escola sabe qual é este princípio. Comparado às coisas
altamente complicadas relativas ao Universo que nós conhecemos agora, o Princípio
de Archimedes poderia não parecer algo muito grande, certamente. Mas foi,
certamente, na ocasião em foi descoberto. O mesmo é o caso com as três famosas
leis de Newton sobre mecânica, que uma vez mais as crianças da escola secundária
conhecem muito bem. Isso não significa que a descoberta de Newton tenha sido
trivial; pelo contrário, Chandra considerava Newton em até mais alto grau,
comparado a Einstein, em termos de realizações científicas!
Assim, onde eu quero chegar? Simplesmente nisto; durante os últimos séculos, nós
temos gradualmente adquirido um quadro melhor e mais claro da estrutura da
matéria, quer dizer, como a matéria é construída. Durante o tempo de Newton,
aceitava-se que a matéria era contínua e homogênea, quer dizer, não era composta
de discretos blocos construtivos. As teorias físicas desenvolvidas naquele momento
refletem esta visão. Isto não significa que essas teorias estejam erradas ou que
sejam muito ingênuas. Na realidade, teorias de elasticidade, etc., cujos princípios
foram estabelecidos naqueles dias, ainda hoje são usadas por engenheiros. Em outras
palavras, quando nós lidarmos com a Natureza, nós temos que usar várias escalas de
comprimento e de tempo; este é um ponto muito importante.
Viagem no Microcosmo
Vejamos se entendemos a última observação. Em astronomia, nós lidamos com
diversas escalas de distâncias que são medidas em anos luz. Para a escala de tempo,
alguns cem mil anos não é coisa muito grande, considerando que as estrelas vivem
por milhões de anos. Em nossa vida terrena encontramos uma gama que varia de
quilômetros a milímetros, talvez um pouco menos, como a espessura de um fio de
cabelo. Quanto ao tempo, varia de anos a segundos e pode ser frações de um
segundo, como um milissegundo. Olhando por um microscópio, nós podemos começar
a ver bactérias e coisas assim que são muito menores, por isso o requerem.
Prosseguindo, vamos descer ao nível das moléculas. Aqui eu tenho que parar e
mencionar um fato importante. Os antigos gregos, hindus, bem como também,
acredita-se, os árabes, propuseram a idéia de serem os átomos os blocos
construtivos da matéria. Mas essa idéia só ganhou força científica no século 19,
começando com os químicos. Na realidade, por incrível que pareça, ainda no final do
século 19, muitos físicos não acreditavam na teoria atômica da matéria. Um físico que
sofreu por causa deste preconceito foi Ludwig Boltzmann, da Áustria. Boltzmann
desenvolveu o que é chamada a Teoria Cinética do Calor, cuja idéia essencial é que o
calor se deve ao movimento fortuito dos átomos e moléculas no corpo em questão.
Quanto maior a velocidade com que esses minúsculos objetos se movimentam, maior
é a temperatura do corpo. Boltzmann desenvolveu esta teoria em grande detalhe, e
ela é usada extensivamente hoje em dia por engenheiros do calor. Infelizmente, na
ocasião em que foi proposta, um famoso físico chamado Ostwald opôs-se fortemente
a ela e como resultado Boltzmann foi ignorado por muitos. Sentindo-se totalmente
frustrado, Boltmann cometeu suicídio algum tempo depois, pulando para dentro do
Mar Adriático em Trieste, uma cidade no litoral da Itália. Ironicamente, um par de
anos depois, Einstein, em um estudo monumental, deu uma justificação poderosa
para a teoria atômica da matéria, explicando um fenômeno chamado movimento de
Brownian. Esta teoria foi logo verificada e depois disso a teoria atômica da matéria
tornou-se moeda corrente entre os físicos. Incidentemente, Trieste é onde o físico
paquistanês Abdus Salam estabeleceu um centro internacionalmente famoso para
Física Teórica; mas essa história vem depois.
Ludwig Boltzmann
OK, estamos de volta ao nível dos átomos cuja dimensão é tipicamente 10 elevado a
-8 cm, ou um centésimo de um milionésimo de centímetro. Isso é pequeno, não é?
Bem, espere e logo você encontrará distâncias ainda menores. Uma vez que os físicos
[e claro que os químicos que vieram primeiro!] aceitaram a teoria atômica da
matéria, foi percebido universalmente que embora a matéria parecesse continua em
nossa experiência diária, era bem granulada quando se desce ao nível de átomos.
Quanto às escalas de tempo, intervalos de tempo como 10 elevado a -12 segundos
[i.e., um milionésimo de um milionésimo de um segundo!] é o que se usa
normalmente nas transações com átomos.
Átomos escrevem as suas assinaturas pelo que é chamado linhas espectrais. A
palavra -linhas espectrais- não precisa assustar você. Quando energia é bombeada
em um átomo [há muitos modos de se fazer isto], ele é excitado. Esta energia de
excitação é subseqüentemente liberada pelo átomo que normalmente faz isto
emitindo luz a comprimentos de onda específicos. Linhas espectrais são as
assinaturas da luz emitidas por um átomo liberando a energia da excitação. O estudo
dos espectros atômicos é de importância vital em muitos aspectos da atividade
moderna, desde a física básica, química e até mesmo para a ciência forense.
Até 1900 as pessoas imaginavam que os átomos se pareciam com duras bolas de
bilhar, mas quando J. J Thomson de Cambridge descobriu que ele podia dividir um
átomo e tirar elétrons de dentro deles, as pessoas perceberam que os átomos tinham
sua própria estrutura interna. Parecia como se átomos fossem compostos de elétrons
que eram carregados negativamente e que a carga positiva estava comprimida em
algum lugar dentro do átomo. Ao redor de 1910, Niels Bohr, da Dinamarca, tentou
imaginar um modelo para a estrutura atômica e desenvolver uma teoria para as
linhas espectrais emitidas pelos átomos quando eles emitem radiação. Quanto à
estrutura Bohr disse que o átomo era como um sistema solar em miniatura, com um
núcleo atômico minúsculo ao centro [bastante parecido com o nosso Sol] e elétrons
orbitando em círculos. No modelo de Bohr, toda a carga positiva do átomo se
localizava em uma região minúscula chamada o núcleo atômico ou só núcleo. Os
elétrons que levavam a carga negativa giravam ao redor do núcleo como os planetas.
Claramente, Bohr estava imitando o sistema solar e não havia nada errado nisso.
Cientistas fazem freqüentemente modelos, baseado em exemplos apresentados pela
natureza.
Cientista britânico J. J Thomson, de Cambridge
Depois de imaginar tudo isso, Bohr quis descrever o movimento dos elétrons, calcular
as suas energias e assim sucessivamente. Para fazer isto, precisava-se de uma teoria
de mecânica e tudo o que se tinha então era a teoria de Newton para descrever o
movimento dos corpos, [modificada por Einstein para incluir a relatividade, se os
objetos se movessem realmente rápidos, quer dizer, na velocidade perto da luz].
Físico Niels Bohr da Dinamarca
O primeiro útil e articulado modelo do átomo deve-se a Neils Bohr. No modelo de
Bohr, o átomo é como um sistema solar em miniatura, com o núcleo atômico no
centro e os elétrons em volta em órbita circular. No átomo mais simples, isto é no
hidrogênio, o núcleo tem um único próton e há um só um elétron que orbita o núcleo.
[O número de elétrons é sempre igual ao número de prótons - assim a Natureza o
mantém o equilíbrio elétrico!] Normalmente, o elétron se movimenta na mais baixa
órbita, mas se receber um pouco de energia, [os físicos dizem excitação] passa a uma
órbita mais exterior.
(veja abaixo)
Físico Max Planck
Quanto mais exterior a órbita, o maior é a energia do elétron no estado excitado.
Átomos não gostam de estar em um estado excitado; assim o que eles fazem é
liberar-se do excesso de energia emitindo radiação que então permite ao elétron
voltar para seu nível normal de órbita, mais baixo. Assim, a radiação emitida pelos
átomos e seu nível de energia estão intimamente conectados. Este é um grande
benefício aos físicos que podem, estudando o espectro da radiação emitida,
literalmente ter a impressão digital do átomo, o DNA do átomo, tão comum nestes
dias.
Quando Bohr completou a sua teoria dos átomos, ele simplesmente achou que não
funcionava. Pareceu-lhe necessário trazer idéias novas proferidas pelo físico alemão
Max Planck. Em 1900, mostrou Planck que a menos que se dotasse a luz [e realmente
toda radiação eletromagnética] com uma natureza quântica, haveria muitos fatos
importantes relativo à radiação que simplesmente não poderiam ser explicados.
Àquele ponto, as pessoas simplesmente não se aprofundavam nesse aspecto dos
quantuns. E agora, quando Bohr não conseguiu explicar espectros atômicos usando
as mecânicas clássicas de Newton, pensou, “Ha ha! Quando nós estivermos falando
de espectros, nós estamos lidando com a luz. Desde que a luz tem um misterioso
aspecto quântico [isso é o que Max Planck diz], a menos que eu considere de alguma
maneira este aspecto, minha teoria não vai funcionar!”
Nascimento da Mecânica Quântica
Bohr assim o fez e em 1913 publicou o seu agora famoso modelo do átomo de Bohr o
qual foi uma imediata inovação. Seguramente, o modelo de Bohr deixou muitas
coisas inexplicadas, mas era certamente um grande avanço. Uma coisa conduziu a
outra e por volta de 1928 tinha-se o que é chamado agora de mecânica quântica,
que se tornou a gramática básica da física ao nível microscópico. Os Físicos disseram,
“Escute, qualquer coisa que você faça em distâncias microscópicas, use a mecânica
quântica” Assim, para os físicos, a mecânica quântica tornou-se o novo Veda e os
Rishis que a descobriram foram Erwin Schordinger da Áustria, Werner Heisenberg da
Alemanha e Paul Dirac da Inglaterra. Eu não deveria esquecer-me de Prínce de
Broglie, da França, que em 1924, precedendo o mencionado trio, fez a sugestão
radical que se a luz tem uma natureza dual, representada por sua natureza quântica,
então isso também se dá com a matéria! Em outras palavras, não só a radiação, mas
também a matéria, teriam uma natureza quântica, um aspecto que se revelaria
principalmente em pequenas escalas de distância. OK, assim, antes de 1930, os
físicos tiveram uma mecânica para descrever o comportamento de cargas que se
movimentam ao nível quântico. Ainda havia alguma poeira ao redor disso para ser
dissipada, mas os físicos desenvolveram novo interesse e começaram a ficar curiosos
sobre a natureza do núcleo atômico. Isto abriu uma visão completamente nova que
nós chamamos agora de física nuclear. Assim, o período 1930 a 1939 viu o
crescimento rápido da física nuclear, com eletrodinâmica quântica, desenvolvida por
Dirac em 1928, que deixaremos de lado por enquanto. Algumas pessoas perceberam
que a eletrodinâmica de Dirac estava incompleta, mas ninguém soube complementala. Além disso, a física nuclear parecia tão mais convidativa!
1939, estoura a SEGUNDA GUERRA MUNDIAL. A América não estava na guerra e sim
a Europa.
Soldados americanos marchando...
Muitos bons cientistas europeus de origem judaica fugiram da Alemanha e outros
países sob a dominação de Hitler, e muitos deles obtiveram refúgio na América. Em
1939, Hahn e Meitner, na Alemanha, tinham descoberto a fissão nuclear e embora ela
fosse boa física nuclear, os físicos na França e cientistas europeus que tinham obtido
refúgio na América, perceberam que a fissão poderia ser a base para um tipo
completamente novo de bomba, com um poder inimaginável de devastação. Isso
conduziu ao projeto secreto da bomba atômica que culminou no desenvolvimento da
bomba, pela América, no início de 1945. Enquanto isso claro que a própria América foi
envolvida na guerra, quando o Japão atacou Pearl Harbour. Em agosto de 1945 foram
jogadas duas bombas atômicas sobre o Japão, e a destruição que elas produziram
aturdiu todo o mundo. O Japão se rendeu depressa e a guerra acabou.
A nuvem em forma de cogumelo depois da bomba atômica
Retorno da Eletrodinâmica Quântica
Na América, os físicos voltaram avidamente à sua torre de marfim acadêmica e de
repente, a eletrodinâmica quântica ficou muito atraente. Foram executadas algumas
experiências muito precisas, e os resultados não puderam ser explicados pela versão
de Dirac da Eletrodinâmica Quântica [QED] que até então, pensava-se que explicaria
tudo. Uma versão nova era necessária, mas não estava fácil de achar. Porém, três
jovens, Feynman e Schwinger na América e Tomanaga no Japão descobriram esta
versão independentemente, e isso produziu grandes resultados. Esta nova versão
melhorada foi submetida a um teste depois de outro e explicou os resultados
experimentais com precisão inimaginável. Assim durante algum tempo os
experimentos e a teoria tentavam um superar ao outro. Depois de um tempo, os
físicos disseram, “OK, QED é grande, mas vamos voltar nossa atenção mais
cuidadosamente aos mistérios dentro do núcleo.” Assim de 1954 a 1970, prestou-se
muita atenção à física nuclear. A primeira pergunta era: “onde está exatamente o
núcleo?” Bohr disse que é uma entidade pequena com carga positiva e Rutherford,
em Cambridge, não só tinha determinado o tamanho ao redor de 10 elevado a -12
cm, aproximadamente, mas também entendido que o núcleo é composto de prótons e
nêutrons. Dali em diante, surgia uma pergunta atrás da outra, quase eternamente.
Quando uma pergunta era respondida, outra surgia - é assim que as coisas são na
ciência, é por isso que muitas cabeças vão para ciência; dá um barato contínuo, sem
drogas! Assim, como estava a Física ao redor dos anos setenta? Podemos resumir
como segue: Os físicos perceberam que a física da matéria gira em torno de duas
entidades básicas. 1) blocos básicos de construção, e 2) forças pelas quais estes
blocos interagem entre si. Blocos de matéria são obtidos quando os elementos
básicos construtivos são reunidos de acordo com algumas regras; é parecido com a
construção de um edifício usando tijolos. Há quatro forças básicas na Natureza. Elas
são: 1) A força gravitacional, 2) a força eletromagnética, 3) a [denominada] força
fraca, e 4) a força forte. Cada uma destas forças opera a seu próprio modo. Elas são
de diferentes tipos. Mais, cada força vem com sua própria escala de comprimento.
Esta figura mostra as quatro forças em uma escala de distância de cerca de 10
elevado a -20 cm. Eu escolhi esta escala de comprimento porque fora do núcleo não
opera a força forte; tampouco a força fraca. Gravidade e forças eletromagnéticas, por
outro lado, operam totalmente até a extremidade do Universo! Elas são assim forças
de longo alcance, quando comparadas às outras duas que só operam em uma gama
muito curta. Um importante ganho sobre a força relativa das quatro Forças. Vamos a
uma escala muito pequena de comprimento, digamos 10 elevado a -40 cm. Esta é
uma distância inacreditavelmente pequena, muito pequena para ser imaginada!
Ainda, os físicos consideram tais distâncias pequenas, porque isso é importante
quando nós considerarmos assuntos como o Big Bang. E você sabe de uma coisa? A
essa inimaginável pequena distância, a gravidade que caso contrário parece como
uma força fraca torna-se um gigante! Mas essa história vira depois.
Mistificando a estória da matéria
Eu estou seguro que tudo isto deve estar um pouco confuso, então deixe-me
acrescentar várias notas explicativas e comentários, começando com os assim
chamados blocos.
De fato, aqui as visões mudaram bastante durante os últimos séculos. No tempo de
Newton, quando uma teoria atômica da matéria simplesmente não existia, não havia
nenhuma questão sobre os blocos construtivos da matéria. Isto tem uma implicação
importante.
Vamos supor que a matéria seja contínua. Pegue um pedaço de matéria como uma
haste de ferro, digamos com 1 cm diâmetro e 10 centímetros de comprimento. Corte
ao meio. Nós teremos então dois pedaços de 5 cm cada. Pegue um pedaço e corte;
teremos dois pedaços de 2.5 cm. Continue fazendo isto sem parar. Os pedaços
tornar-se iam cada vez menores. Em princípio não deveria haver nenhum limite,
porque como é suposto que a matéria é contínua, o corte de fatias pode acontecer
indefinidamente. Suponha agora que a matéria seja composta de átomos que são
como esferas infinitamente duras; quer dizer, um átomo individual simplesmente não
pode ser cortado. Se no processo anterior o fatiamento não tem fim, neste caso, a
pessoa viria a se deparar eventualmente com uma fatia com a espessura de um
átomo; esse é o limite e a pessoa não pode, sob a suposição de um átomo
indestrutível, seguir em frente.
Como eu lhes falei, pelo começo do 20º século, os físicos não só sabiam que a
matéria era composta de átomos, mas também que os elétrons podiam ser tirados
fora dos átomos; isso significava que o átomo podia ser separado; em troca isso
significou a busca de blocos construtivos menores que o átomo.
O átomo, como eu falei antes, é composto de um núcleo atômico central e um grupo
inteiro de elétrons orbitando ao seu redor. O núcleo pode ser separado? Isso era
possível, o que significava que algo menor que o núcleo era requerido para fazer um
átomo, além dos elétrons, é claro Como era composto o núcleo? Os físicos acharam
que era composto de prótons e nêutrons. Isso significava que toda matéria, da
formiga ao elefante até as galáxias, tudo é composto só de elétrons, prótons e
nêutrons? Estes três tipos de partícula constituem os blocos construtivos da matéria?
Não exatamente, pois tanto o próton como o nêutron tem uma estrutura interna que
os constituem!
Leptons e Quarks
Foi um duro caminho até chegar a tudo isto, mas antes de 1950 a física tinha se
tornado uma grande arena, com centenas, se não milhares de físicos trabalhando no
mundo inteiro. As informações começaram a se acumular bastante depressa e antes
de 1970 podia-se dizer: “Bem, sabe de uma coisa? Nós podemos estar agora seguros
que os blocos constituintes da matéria são, e lista-los” Isto foi conseguido e foi
detectado que os blocos do edifício eram de duas categorias fundamentais; um deles
foi chamado leptons e o outro foi chamado quarks. Leptons quer dizer partículas leves
e o elétron foi identificado como um sócio da família lepton. Quanto aos quarks, é
combinações deles que compõe o nêutron e o próton. Em outras palavras, a pessoa
pode dizer agora realmente: “eu não me preocupo se for uma formiga ou a Estátua
de Liberdade. É tudo compostos de elétrons e quarks - isso é certo!”.
Esta figura mostra os blocos básicos da matéria como nós os conhecemos hoje. Há
duas categorias, essencialmente, uma que contém o que é chamado quarks, e a outra
contendo o que é chamado leptons [que se supõe serem mais leves comparados aos
quarks]. Embora haja muitos leptons e quarks, só alguns deles dominam, em relação
à matéria. Quer dizer, os átomos são compostos de elétrons [que são só um dos
membros da família dos leptons] enquanto o núcleo atômico é composto de nêutrons
e prótons que podem ser classificados junto com os up quark e down quark. Porém,
isto não significa que os não tão visíveis leptons e quarks não tenham nenhum papel
a desempenhar. Pelo contrário, sem eles nós não podemos explicar muitos fenômenos
físicos.
Você poderia dizer que tudo isso está muito bem, mas qual é o ponto, qual a
importância. Bem, a importância é grande e para apreciá-la, voltemos à química, que
eu adivinho, você deve estar um pouco familiarizado. A Química trata de todos os
tipos de substâncias químicas, substâncias químicas que compõem as drogas,
plásticos, praguicidas, etc.... Toda substância química, não importa o que seja, é um
composto de moléculas. Assim é também com as celas biológicas; nosso coração,
pulmões, fígado – tudo - é feito de biomoléculas. E toda molécula, qualquer que seja,
é composta de átomos. E todo átomo é composto de elétrons e quarks. Em resumo,
nomeie a substância química mais complexa da terra, e pode-se descrevê-la como
uma composição de leptons e quarks, isto é, você precisa se lembrar de só dois tipos
de ingrediente básicos para compor tudo.
Cientistas gostam de pensar em coisas e entidades em termos de blocos
construtivos. Eles sempre dizem: “Escute; primeiro busque o simples, depois
desenvolva a teoria. Deste modo, você pode lidar passo a passo com as coisas mais
complicadas, uma etapa de cada vez.”.
Pode soar simples, mas na prática, na medida em que a pessoa se aprofunda mais e
mais no átomo, tanto a teoria quanto as experiências tornam-se desafiadoras e muito
difíceis. Este é um jogo para meninos grandes! Mas muitos meninos grandes
mergulharam nisso e fizeram maravilhas; não se admira que muitos deles ganharam
o prêmio Nobel!
As Forças Fundamentais
Por ora é só em relação aos blocos construtivos. E quanto às forças pelas quais estes
blocos construtivos básicos operam? No princípio, a descoberta dessas forças ocorreu
bastante independentemente; só depois de 1950 o estudo das forças básicas e dos
blocos construtivos começou a andar de mãos dadas. Quantos tipos diferentes de
forças básicas existem e o que sabemos sobre elas? As forças básicas já foram
enumeradas; há quatro delas. Historicamente, a primeira a ser descoberta foi a força
gravitacional.
Como talvez você saiba, Newton fez essa descoberta, e foi um momento importante
na história. Newton disse que matéria atrai matéria, sempre. Não importa se o
pedaço de matéria for grande ou pequeno; uma pedra grande lançada para cima é
atraída pela terra e cai; o mesmo acontece com uma pedra pequena. Você pode dizer
que uma pena não cai tão facilmente quanto uma bola com a mesma massa. A força
de atração só depende das massas dos dois objetos e da distância que os separa.
Uma pena cai suavemente por causa da atmosfera que age como uma almofada. Leve
essa mesma pena para a Lua [onde não há atmosfera] e faça-a cair; você verá que a
pena e a bola, com as mesmas massas, cairão à mesma taxa.
Da força gravitacional, nós vamos agora para a força eletromagnética, que opera
entre quaisquer duas partículas carregadas. Assim, como tanto o elétron quanto o
próton tem uma carga elétrica, há entre os dois uma força eletromagnética, além da
força gravitacional. Porém, a força gravitacional que age entre os dois é tão pequena
[aproximadamente 1 sobre 1 seguido de 40 zeros!], que a força gravitacional entre o
elétron e o próton é completamente ignorada, como era feito por Niels Bohr quando
desenvolveu a teoria do átomo de hidrogênio. Ao contrário da força gravitacional, as
informações sobre a força eletromagnética vieram durante certo tempo aos pedaços,
devido à investigação de muitos físicos. Mas no tempo devido, teve-se dela uma
compreensão completa. Agora, e quanto à força fraca e a força forte? Onde elas
operam e por que eles são assim denominadas? As respostas para todas essas
perguntas são simples. Primeiramente, ambas estas forças, tanto a fraca quanto a
forte, só operam quando as distâncias entre as partículas são muito pequenas. Quão
pequeno seria? Ao redor de 10 elevado a -13 cm para menos! Em outras palavras,
considerações sobre a força fraca e a força forte tem um papel importante na física
nuclear e na física das partículas elementares em geral, isso é dos leptons e quarks. A
descoberta da força fraca aconteceu durante estudos intensivos em radioatividade, e
o homem que formalmente introduziu isto foi Enrico Fermi [então da Itália], que
depois construiu o primeiro reator atômico do mundo como também a primeira
bomba atômica! Para pôr isto em perspectiva eu deveria dizer que um estudo de
leptons é impossível sem trazer a força fraca à cena.
Volto finalmente à força forte. A idéia para ela veio quando as pessoas começaram a
prestar séria atenção à estrutura do núcleo atômico. Eu penso que foi Heisenberg
quem primeiro se fez a pergunta: “Suponha que eu olhe para um núcleo atômico
composto de muitos prótons e nêutrons”. A Natureza os colocou todos juntos e os
empacotou em um espaço muito minúsculo. Entretanto, todos os prótons têm carga
positiva e assim tem que se repelir um ao outro fortemente. Quanto aos nêutrons,
por terem carga neutra, agem como espectadores silenciosos. O que mantém o
núcleo unido?
Por que ele não se separa e as partículas constituintes se dispersam?Depois de
pensar nisto, Heisenberg finalmente decidiu que alguma “força forte” unia o núcleo!
Esta força agia claramente dentro do núcleo e Heisenberg argumentou que prótons e
nêutrons respondem à força forte. Tudo isso foi há muito tempo atrás, nos meados
dos anos trinta. Sim, as coisas eram bem vagas, mas desde então progresso enorme
foi feito e agora os físicos sabem muito sobre a força forte.
O prêmio Nobel Heisenberg
Você está talvez se perguntando: “Do que esse homem está falando! Deveria estar
falando sobre o Infinito que obviamente deve ser algo inimaginavelmente enorme; e
tudo o que esta dizendo é sobre o infinitésimo! Ele ficou biruta?” Eu asseguro que
não! Veja você, Deus, a quinta-essência do Infinito, se revela em todos os lugares, do
infinitésimo ao Infinito. Agora mesmo, eu estou levando você ao microcosmo para
realçar como no Universo o micro e o macrocosmo estão intimamente entrelaçados.
Prossigamos então.
Duas perguntas surgem neste momento: “Por que só quatro forças fundamentais? Por
que não mais?” Esta é a pergunta número um. Segunda pergunta: “estas forças são
completamente sem conexões uma com a outra ou há alguma conexão? Neste caso, o
que é essa conexão?” Estas são as duas perguntas que nos interessariam agora.
Comecemos com a primeira das duas perguntas acima. Após intenso debate os físicos
concordaram que há só quatro forças fundamentais e nenhuma mais. Durante algum
tempo houve alguma agitação sobre uma suposta quinta força, mas esse sussurro
diminuiu desde então. Em resposta à segunda pergunta o consenso é: “quando o
Universo nasceu, havia uma Força Universal, de fato. Mas, um segundo depois do
nascimento, essa Força Primordial Universal dividiu-se em quatro, para facilitar a
evolução posterior do Universo". A partir daquele momento a história do Universo foi
governada por quatro e só quatro forças fundamentais.
Esta figura mostra esquematicamente, como as quatro forças fundamentais nasceram
de uma força primordial que existiu no começo do espaço-tempo, quer dizer, quando
nosso Universo nasceu [aproximadamente 13.8 bilhões anos atrás]. Em um
trilionésimo de segundo depois do Big Bang a força una se tornou quatro, e assim é
desde então! Está pasmo, não é?! A propósito, até mesmo no mundo físico nós temos
nos tornado muitos!!
Um pequeno corolário. Nós freqüentemente vemos físicos e químicos falando sobre
muitos tipos de forças como forças de tensão de superfície, forças elásticas e assim
por diante. Todas elas derivam de forças que operam dentro de certos contextos; elas
não são fundamentais no sentido que elas não determinam o comportamento dos
leptons e dos quarks. Por favor, lembre-se disso. As forças derivadas são forças
físicas, como um todo, mas no contexto fundamental só as quatro forças que eu listei
são pertinentes. Espere que isso esteja claro.
Entendendo que compreender o pequeno é Inevitável
Você ainda poderia dizer: “tudo isso está bem, mas para mim ainda não está claro
por que esta divagação sobre o Universo da física nuclear, física de partículas e tudo o
mais.” Veja você, a razão pela qual eu estou teimando atualmente em falar sobre
tudo isso é para lhe dar alguma idéia da física das distâncias muito pequenas. Quando
eu digo distâncias muito pequenas, eu quero dizer distâncias inacreditavelmente
pequenas como 10 elevado a -40 cm ou coisa assim!
O começo...
Trinta ou quarenta anos atrás, poucos físicos se aborreciam com tais considerações
no contexto da física de partículas, mas também no contexto da cosmologia atual tais
considerações ficaram vitais e inevitáveis.
Se nós queremos saber algo sobre o nascimento do Universo e sua história, quer
dizer, como ele era ao redor de 10 elevado a menos 30 segundos de idade [não, eu
não estou louco!], então, o tipo de física que eu estou tentando empurrar em você
fica inevitável. Uma vez, o Universo inteiro teve um raio de só esse tamanho! Não, eu
não estou brincando; é absolutamente um fato; nós temos bastante evidência
científica incontrovertível para apoiar essa visão. Física em tais escalas
inacreditavelmente pequenas de comprimento e tempo [isto é chamado escala de
Planck, depois de Max Planck, que chamou atenção à importância delas] espera-se
que seja imensamente diferente do que nós estamos acostumados na atualidade, e
das escalas que nós usamos. Em resumo, se nós queremos saber algo sobre o
Universo Bebê, então nós temos de começar a prestar atenção em tais assuntos.
Você pode dizer: “Hei, espere um minuto! Por nós queremos saber sobre o Universo
Bebê? Em todo caso, eu não estou muito seguro de que eu acreditaria em tudo aquilo
que você poderia dizer; afinal, foi há tanto tempo!” Muito bem, mas veja você, os
astrofísicos de hoje são tão inteligentes, se você lhes fala, “Olhe, o Universo Bebê era
assim,” eles responderiam, “É assim? Nós iremos lá fora, conferiremos e voltaremos.”
Eles saem então e olham no céu-e agora eles têm ferramentas surpreendentes para
fazer isso, e quando eles tiverem terminado, eles informariam, “Senhor, nós temos
notícias ruins para você. Sua hipótese sobre o Universo Bebê não está totalmente
certa. Estas são coisas que nós achamos lá fora. Se o Universo Bebe era assim como
você diz, então, na seqüência, deveria ser agora assim; mas não é!” Graças a este
tipo de conversa constante, o nosso quadro do Universo foi lentamente aprimorado
até, digamos, aproximadamente 10 elevado a -10 segundos de idade. Isto aconteceu
em quase vinte anos ou coisa assim; de pasmar, não é? Claro que a história está
longe de terminar porque os últimos pedaços, de 10 elevado a-10 até 10 elevado a 50 segundos, vão ser mesmo muito duros. Mas as pessoas estão ficando mais
inteligentes e pode ser que em cinqüenta anos nós saibamos sobre o Universo Bebê
mais do que sabemos hoje, isto é se nós não estragamos o mundo com conflitos,
guerras, efeito estufa e tudo isso!
Eu vou parar agora, mas antes de fazê-lo eu quero que você reflita no seguinte:
A taxa à qual a Ciência está progredindo é absolutamente empolgante.
Cinqüenta anos atrás, quando eu saí da faculdade, ninguém poderia sonhar em
chegar ao ponto em que hoje chegamos; mas nós o fizemos. Foi um progresso
surpreendente.
Tudo isso mostra o poder surpreendente com que Deus abençoou os humanos.
Porém, quanto deste poder é utilizado para resolver de fato os problemas do gênero
humano?
E o homem, seria ele grato a Deus pelos presentes recebidos?
Estaria o homem pronto para poupar um minuto que seja por dia para Deus?
Deus não se preocupa com que o homem faz. Porém, Ele se preocupa em ajudar e
guiar o homem. Ele desce à terra e age como um poste indicador que, como diz
Swami, indica ao viajante em qual direção deve ir. Ele não viaja com o viajante!
Pense nisto! Tudo do melhor até que nós nos encontremos novamente!
Om Sai Ram.