Lesson Video: As Forças Fundamentais

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Nesta aula, vamos falar sobre as forças fundamentais. Existem quatro destas forças, e vamos aprender o que causa cada uma, bem como como as forças se comparam umas com as outras. Estas quatro incluem gravidade e eletromagnetismo. E ao começarmos, talvez a coisa mais importante e surpreendente que possamos dizer sobre elas é que as forças fundamentais são provocadas pela troca de partículas. Isto significa, por exemplo, que se temos dois objetos e digamos que ambos tenham alguma massa, sabemos que haverá uma força gravítica em cada objeto devido ao outro. Muitas vezes pensamos nesta força como sendo devida a uma destas partículas existir num campo gravítico criado pela outra.

Se descermos a uma escala muito pequena, a distâncias subatómicas, descobriremos que o que realmente permite, digamos, que a força da gravidade atue entre estes dois objetos é a troca de um certo tipo de partícula. Então, se pensarmos neste objeto a ser atraído graviticamente por este, podemos dizer que isto só acontecerá quando esta partícula mediadora for enviada de um para o outro. Dizemos que é esta troca que permite que uma força gravítica exista entre os nossos dois objetos. Quaisquer que sejam as propriedades desta partícula, então, dizemos que esta é responsável pela força gravítica entre objetos massivos.

Agora, a gravidade, podemos lembrar-nos, é apenas uma das quatro forças fundamentais. As outras três, sem ordem específica, são a força eletromagnética, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Assim como a gravidade, cada uma destas forças fundamentais também é provocada pela troca de partículas. E, curiosamente, cada força tem a sua própria partícula específica que medeia a interação dessa força. Isto pode levantar a questão: que tipo de partículas são estas que causam estas forças fundamentais?

Considere os tipos de partículas subatómicas com as quais já estamos familiarizados. Um destes grupos de partículas são os seis tipos de quarks. Estes, junto com as suas antipartículas, constituem todos os hadrões. Outra classe separada de partículas, da qual também existem seis, são os leptões. Isso inclui eletrões, muões, taus e os seus neutrinos correspondentes.

Acontece que estas várias partículas portadoras de força ou transmissoras de força, poderíamos chamá-las, não são quarks nem leptões. Em vez disso, estas pertencem a uma terceira classe chamada bosões. Existem muitos tipos diferentes de bosões, a maioria dos quais nada tem a ver com o transporte de forças de uma partícula para outra. Vamos concentrar-nos nas quatro que o fazem. Estas incluem o fotão, simbolizado pela letra grega 𝛾 minúscula; uma partícula chamada gluão, representada por um g minúsculo; um par de partículas chamadas bosões W, representadas, respetivamente, por um W com um mais sobrescrito e um menos sobrescrito; e, por último, um bosão Z, representado por um Z com um zero sobrescrito, indicando que tem carga elétrica neutra.

Agora, como existem quatro forças fundamentais e temos quatro bosões aqui, podemos pensar que um vai para cada força. Mas, curiosamente, aqui está como funciona. Os bosões W e Z são conhecidos por serem partículas responsáveis pela força nuclear fraca. Isto significa que é pela troca dos bosões W e Z que a força nuclear fraca pode atuar entre as partículas.

O próximo bosão na nossa lista é o gluão. E este é conhecido por ser o portador de força para a força nuclear forte. Lembre-se de que é a força forte que ajuda os núcleos atómicos, protões e neutrões, a permanecer agregados.

E a seguir, outro tipo de bosão é o fotão. Como associamos esta partícula à luz, podemos esperar que seja o portador de força para o eletromagnetismo, e isto está correto. É pela troca de fotões, que agora sabemos que são bosões, que as partículas com carga são capazes de se influenciar umas às outras por meio desta força.

Conspicuamente ausente desta lista está um bosão que medeia a força da gravidade. Embora uma determinada partícula tenha sido considerada como portadora da força gravítica, nenhuma foi ainda descoberta experimentalmente. Isto aponta para o facto de que o nosso modelo físico de como o Universo funciona ainda não está completo.

Agora que sabemos os nomes dos bosões que servem como portadores de força para três das quatro forças fundamentais, vamos comparar estas quatro forças umas às outras em termos da sua força relativa, bem como das distâncias sobre as quais atuam. Se organizarmos estas forças da mais forte para a mais fraca, então a força mais forte de todas é a força nuclear forte. A seguir em força vem a força eletromagnética, depois a força nuclear fraca e, no final da nossa lista, está a gravidade. Na verdade, a gravidade é muito mais fraca do que qualquer uma das outras três.

Alguns outros atributos interessantes a serem considerados são o alcance no qual uma força atua, ou seja, a distância na qual esta atua, bem como se essa força atrai, repele ou ambos. Começando com a nossa força fundamental mais forte, sabemos que a força nuclear forte é responsável por manter os núcleos atómicos juntos. Embora esta força seja muito forte, esta age apenas num alcance muito curto, quase igual ao diâmetro de um núcleo de tamanho médio. Ao longo destas distâncias muito pequenas entre as partículas, a força nuclear forte é capaz de superar a repulsão eletrostática entre, digamos, protões adjacentes num núcleo.

Quando se trata de saber se esta força atrai ou repele ou ambos, a força nuclear forte é apenas atrativa. Se considerarmos a força eletromagnética, sabemos que a equação matemática para esta força é expressa pela lei de Coulomb. Esta lei diz-nos que a força eletromagnética entre duas partículas com carga é proporcional a um sobre a distância entre os seus centros ao quadrado. Por outras palavras, não importa o quão grande 𝑟 seja, até ao ponto de ser infinitamente grande, haverá uma força eletromagnética diferente de zero entre partículas com carga. Dizemos então que o alcance desta força é ilimitado; é infinito. E a seguir, no que diz respeito a atrair ou repelir, sabemos que a força eletromagnética pode levar a ambos. Isto acontece porque duas cargas semelhantes repelem-se, enquanto duas cargas diferentes atraem-se.

Passando para a força nuclear fraca, é esta força fundamental que é responsável pelos processos de decaimento nuclear. E, como a força forte, esta age apenas em alcances muito curtos. Na verdade, 10 elevado a menos 18 metros é menor que o diâmetro de um único protão. Esta força, ao que parece, é a força de menor alcance de todas. E quando se trata de se atrai ou repele ou ambos, porque a força nuclear fraca é responsável pelo decaimento nuclear, não há uma imagem intuitiva clara de qual a direção ou as direções em que esta pode agir. Para esta força, então, não especificaremos se é atrativa, repulsiva ou ambos.

Por último, chegamos à gravidade, que, como dissemos, é de longe a mais fraca destas quatro forças. Isto pode parecer estranho quando consideramos que, conforme fazemos observações astronómicas, a gravidade parece ser a força dominante. Mas podemos lembrar que tanto a força nuclear forte quanto a fraca têm alcance muito limitado e também que objetos macroscópicos muito grandes, como luas, planetas ou estrelas, são eletricamente neutros. E assim, para massas muito grandes a distâncias muito grandes, a gravidade é a força mais influente.

Assim como no eletromagnetismo, a força da gravidade é proporcional a um sobre 𝑟 ao quadrado, onde neste caso 𝑟 é a distância entre os centros de massa de duas massas. Portanto, a gravidade também tem um alcance infinito e só se tornará zero quando duas massas estiverem literalmente infinitamente distantes uma da outra. E em termos de atração ou repulsão ou ambos, sabemos que a força gravitacional é sempre atrativa.

Agora que sabemos como as quatro forças fundamentais se comparam entre si, bem como as partículas específicas que transportam estas forças, que aprendemos serem chamadas bosões, vamos praticar estas ideias por meio de um exemplo.

Qual dos símbolos a seguir representa um gluão? G maiúsculo, 𝛾 minúsculo, 𝛤 maiúsculo, g minúsculo, y minúsculo.

Ok, para responder a esta questão, podemos ser ajudados recordando que um gluão faz parte de uma classe de partículas chamadas bosões. Especificamente, é um dos quatro bosões que são conhecidas como portadores de força. Estas são bosões que as partículas trocam para que as forças possam ser experimentadas entre as partículas. Os bosões portadores de força são o fotão, o gluão, o bosão W e o bosão Z.

Queremos saber qual destes cinco símbolos é normalmente utilizado para representar o gluão. Um fotão, sabemos, é representado pelo símbolo 𝛾. E assim podemos riscar a opção (B) da nossa lista. O bosão W consiste num par de partículas e antipartículas representadas com um W maiúsculo e um sinal de mais e menos sobrescrito. E um bosão Z é representado por um Z maiúsculo com um zero sobrescrito. Nenhum destes três últimos símbolos aparece na nossa lista. Portanto, não podemos riscar mais opções.

Para responder a esta questão, precisamos simplesmente de lembrar que um gluão é representado por um g minúsculo. Vemos este símbolo na nossa lista como opção (D). E então a nossa resposta é que um g minúsculo é o símbolo que representa um gluão.

Vejamos agora um segundo exercício de exemplo.

Qual dos seguintes símbolos representa um fotão? 𝜐 minúsculo, 𝜈, y minúsculo, Y maiúsculo, ou 𝛶 maiúsculo, 𝛾 minúsculo.

Tudo bem, um fotão, podemos lembrar-nos, é uma partícula sem massa que desempenha pelo menos duas funções. Primeiro, é o nome que damos ao menor pacote possível de energia da luz. Portanto, quando radiação eletromagnética ou luz é transmitida de um local para outro, dizemos que isto acontece por meio de fotões. Mas, então, uma segunda função dos fotões é servir como o que é chamado de portador de força. Se tivermos dois objetos com carga eletrica, digamos este e este, então a forma como existe uma força eletromagnética de um objeto para o outro é através ou pela troca de fotões.

Neste caso, o fotão não está a transmitir luz, mas sim a transmitir força, força eletromagnética. De qualquer forma, o símbolo que utilizamos para representar esta partícula é a letra grega minúscula 𝛾. Entre as nossas opções de resposta, vemos isto como escolha (E), e então esta será a nossa resposta. É 𝛾 minúsculo que representa um fotão.

Vejamos agora um último exemplo de exercício.

Ordene as quatro forças fundamentais da de maior intensidade relativa à de menor intensidade relativa.

Ok, para começar a colocar estas forças por ordem de força, vamos começar por relembrar o que são. Em nenhuma ordem particular, as quatro forças fundamentais, ou seja, as forças por trás de todas as outras forças que observamos, são a gravidade, a força eletromagnética, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Queremos colocar estas forças por ordem desde a mais forte, diremos que é a número um, até a relativamente mais fraca, a número quatro.

Uma das coisas boas sobre os nomes que foram dados a estas forças fundamentais é que a força mais forte realmente tem esta palavra no seu nome. A força nuclear forte, que é responsável por manter os núcleos dos átomos agregados, atua apenas para alcances muito curtos, cerca do diâmetro de um núcleo de tamanho médio, mas nestas distâncias é mais poderosa do que qualquer outra força.

A força fundamental seguinte mais forte é aquela que a força nuclear forte precisa de superar para manter os protões num núcleo juntos. Estas partículas com carga positiva querem naturalmente repelir-se por meio da força eletromagnética.

Agora, se não tivermos certeza de qual força que vai aqui para o terceiro espaço, se a gravidade ou a força nuclear fraca, isto pode ajudar-nos a lembrar que a força da gravidade é de longe a mais fraca destas quatro forças. Isto pode parecer estranho porque, aos nossos olhos, a gravidade pode ser a mais aparente destas forças. Mas, no entanto, numa perspetiva de força, é a mais fraca, e muito. Isso significa que o nosso terceiro espaço será ocupado pela força nuclear fraca, a força responsável pelos processos de decaimento nuclear. E assim, da mais forte para a mais fraca, as quatro forças fundamentais são a força nuclear forte, a força eletromagnética, a força nuclear fraca e a gravidade.

Vamos resumir agora o que aprendemos sobre as forças fundamentais. Nesta aula, aprendemos que as forças fundamentais são mediadas ou transportadas por partículas chamadas bosões. Estes bosões são o fotão, que medeia a força eletromagnética; o gluão, que medeia a força nuclear forte; e os bosões W e Z, que medeiam ou transportam a força nuclear fraca.

Notamos que o bosão que se pensa mediar a força da gravidade é hipotético e ainda não foi descoberto. Junto com isto, aprendemos que das quatro forças fundamentais, a força nuclear forte é a mais forte. Em seguida, vem a força eletromagnética, depois a força nuclear fraca e, finalmente, a gravidade. Aprendemos os alcances sobre os quais estas forças atuam e para três das forças se atraem, repelem ou ambos.