O cara brilhante de cabelo rebelde por trás da primeira força, vamos falar sobre Central Press / Stringer / Hulton Archive / Getty Images p Enquanto você se senta na frente do computador lendo este artigo, você pode não estar ciente das muitas forças que agem sobre você. UMA força é definido como um empurrão ou puxão que altera o estado de movimento de um objeto ou faz com que o objeto se deforme. Newton definiu uma força como qualquer coisa que fizesse um objeto acelerar - F =ma, Onde F é força, m é massa e uma é aceleração.
p A força familiar de gravidade puxa você para baixo em seu assento, em direção ao centro da Terra. Você sente isso como seu peso. Por que você não cai do seu assento? Nós vamos, outra força, eletromagnetismo , mantém os átomos do seu assento juntos, evitando que seus átomos se intrometam nos de seu assento. As interações eletromagnéticas no monitor do computador também são responsáveis por gerar luz que permite a leitura da tela.
p A gravidade e o eletromagnetismo são apenas duas das quatro forças fundamentais da natureza, especificamente dois que você pode observar todos os dias. Quais são os outros dois, e como eles afetam você se você não pode vê-los? p As duas forças restantes trabalham no nível atômico, que nunca sentimos, apesar de ser feito de átomos. o força forte mantém o núcleo unido. Por último, a força fraca é responsável pela decadência radioativa, especificamente, decaimento beta, onde um nêutron dentro do núcleo se transforma em um próton e um elétron, que é ejetado do núcleo. p Sem essas forças fundamentais, você e toda a outra matéria do universo se desintegrariam e flutuariam para longe. Vejamos cada força fundamental, o que cada um faz, como foi descoberto e como se relaciona com os outros.
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Este rapaz está prestes a descobrir o que é a gravidade. Steve Puetzer / Getty Images p A primeira força que você percebeu foi provavelmente a gravidade. Como uma criança, você teve que aprender a se levantar contra ele e andar. Quando você tropeçou, você imediatamente sentiu a gravidade trazê-lo de volta ao chão. Além de causar problemas para crianças pequenas, a gravidade segura a lua, planetas, sol, estrelas e galáxias juntas no universo em suas respectivas órbitas. Ele pode funcionar em distâncias imensas e tem um alcance infinito.
p Isaac Newton imaginou a gravidade como uma atração entre quaisquer dois objetos que estava diretamente relacionada às suas massas e inversamente relacionada ao quadrado da distância que os separava. Sua lei da gravitação permitiu que a humanidade enviasse astronautas à lua e sondas robóticas aos confins de nosso sistema solar. De 1687 até o início do século 20, A ideia de Newton da gravidade como um "cabo de guerra" entre quaisquer dois objetos dominava a física.
p Mas um fenômeno que as teorias de Newton não conseguiram explicar foi a órbita peculiar de Mercúrio. A própria órbita parecia girar (também conhecida como precessão). Essa observação frustrou os astrônomos desde meados do século XIX. Em 1915, Albert Einstein percebeu que as leis de movimento e gravidade de Newton não se aplicavam a objetos em alta gravidade ou em altas velocidades, como a velocidade da luz. p Em sua teoria geral da relatividade, Albert Einstein imaginou a gravidade como uma distorção do espaço causada pela massa. Imagine que você coloca uma bola de boliche no meio de uma folha de borracha. A bola faz uma depressão na folha (um poço gravitacional ou campo gravitacional). Se você rolar uma bola de gude em direção à bola, ele cairá na depressão (será atraído pela bola) e poderá até circundar a bola (orbitar) antes de bater. Dependendo da velocidade do mármore, pode escapar da depressão e passar a bola, mas a depressão pode alterar o caminho do mármore. Os campos gravitacionais em torno de objetos enormes, como o sol, fazem o mesmo. Einstein derivou a lei da gravidade de Newton de sua própria teoria da relatividade e mostrou que as idéias de Newton eram um caso especial da relatividade, especificamente aquele que se aplica a baixa gravidade e baixas velocidades. p Ao considerar objetos massivos (Terra, estrelas, galáxias), a gravidade parece ser a força mais poderosa. Contudo, quando você aplica a gravidade ao nível atômico, tem pouco efeito porque as massas das partículas subatômicas são muito pequenas. Neste nível, na verdade, é rebaixado para a força mais fraca. p Vejamos o eletromagnetismo, a próxima força fundamental.
Vamos lá, todo mundo sabe que os opostos se atraem, até Paula Abdul. Don Farrall / Getty Images p Se você escovar o cabelo várias vezes, seu cabelo pode ficar em pé e ser atraído pela escova. Porque? O movimento da escova transmite cargas elétricas a cada cabelo e os fios individuais com carga idêntica se repelem. De forma similar, se você colocar pólos idênticos de dois ímãs em barra juntos, eles vão se repelir. Mas coloque os pólos opostos dos ímãs próximos um do outro, e os ímãs se atrairão. Esses são exemplos familiares de força eletromagnética; cargas opostas se atraem, enquanto cargas semelhantes se repelem.
p Os cientistas estudam o eletromagnetismo desde o século 18, com vários fazendo contribuições notáveis.
Dr. Hideki Yukawa, direito, recebe o Prêmio Nobel de Física em Estocolmo do então príncipe herdeiro Gustaf Adolf da Suécia em 10 de dezembro, 1949, para sua postulação no méson. AP Photo / Getty Images p O núcleo de qualquer átomo é feito de prótons carregados positivamente e nêutrons neutros. O eletromagnetismo nos diz que os prótons devem se repelir e o núcleo deve se separar. Também sabemos que a gravidade não desempenha um papel na escala subatômica, portanto, alguma outra força deve existir dentro do núcleo que seja mais forte do que a gravidade e o eletromagnetismo. Além disso, uma vez que não percebemos essa força todos os dias como fazemos com a gravidade e o eletromagnetismo, então deve operar em distâncias muito curtas, dizer, na escala do átomo.
p A força que mantém o núcleo unido é chamada de força forte , alternativamente chamada de força nuclear forte ou interação nuclear forte. Em 1935, Hideki Yukawa modelou esta força e propôs que prótons interagindo entre si e com nêutrons trocassem uma partícula chamada méson - mais tarde chamado de pião - para transmitir a força forte.
p Na década de 1950, físicos construíram aceleradores de partículas para explorar a estrutura do núcleo. Quando eles colidiram átomos em alta velocidade, eles encontraram os píons previstos por Yukawa. Eles também descobriram que prótons e nêutrons eram feitos de partículas menores chamadas quarks . Então, a força forte manteve os quarks juntos, que por sua vez mantinha o núcleo unido. p Um outro fenômeno nuclear precisava ser explicado:decadência radioativa. Em emissão beta, um nêutron decai em um próton, anti-neutrino e elétron (partícula beta). O elétron e o anti-neutrino são ejetados do núcleo. A força responsável por esta decadência e emissão deve ser diferente e mais fraca do que a força forte, portanto, é um nome infeliz - o força fraca ou a força nuclear fraca ou interação nuclear fraca. p Com a descoberta dos quarks, a força fraca mostrou ser responsável por transformar um tipo de quark em outro por meio da troca de partículas chamadas bósons W e Z, que foram descobertos em 1983. Por fim, a força fraca torna possível a fusão nuclear no Sol e nas estrelas porque permite que o isótopo de hidrogênio deutério se forme e se funda. p Agora que você pode nomear as quatro forças - gravidade, eletromagnetismo, a força fraca e a força forte - veremos como elas se comparam e interagem entre si.
p Qual força é a mais poderosa de todas elas? Essa seria a força nuclear forte. Contudo, ele atua apenas em um curto intervalo, aproximadamente do tamanho de um núcleo. A força nuclear fraca é um milionésimo da força nuclear forte e tem um alcance ainda menor, menos do que o diâmetro de um próton. A força eletromagnética é cerca de 0,7 por cento tão forte quanto a força nuclear forte, mas tem um alcance infinito porque os fótons que transportam a força eletromagnética viajam à velocidade da luz. Finalmente, a gravidade é a força mais fraca em cerca de 6 x 10 -29 vezes o da força nuclear forte. Gravidade, Contudo, tem um alcance infinito. p Os físicos estão atualmente buscando as idéias de que as quatro forças fundamentais podem estar relacionadas e que surgiram de uma força no início do universo. A ideia não é inédita. Uma vez pensamos na eletricidade e no magnetismo como entidades separadas, mas o trabalho de Oersted, Faraday, Maxwell e outros mostraram que eram parentes. As teorias que relacionam as forças fundamentais e as partículas subatômicas são chamadas apropriadamente grandes teorias unificadas . Mais sobre eles a seguir.
O núcleo magnético do Grande Colisor de Hádrons pode um dia unir a força forte com a força eletrofraca. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images p A ciência nunca descansa, portanto, o trabalho sobre as forças fundamentais está longe de terminar. O próximo desafio é construir uma grande teoria unificada das quatro forças, uma tarefa especialmente difícil, uma vez que os cientistas têm lutado para reconciliar as teorias da gravidade com as da mecânica quântica.
p É aí que os aceleradores de partículas, que pode induzir colisões com energias mais altas, vir a calhar. Em 1963, os físicos Sheldon Glashow, Abdul Salam e Steve Weinberg sugeriram que a força nuclear fraca e a força eletromagnética podem se combinar em energias mais altas no que seria chamado de força eletrofraca . Eles previram que isso ocorreria a uma energia de cerca de 100 giga-elétron-volts (100 GeV) ou a uma temperatura de 10
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K, que ocorreu logo após o Big Bang. Em 1983, os físicos atingiram essas temperaturas em um acelerador de partículas e mostraram que a força eletromagnética e a força nuclear fraca estavam relacionadas.
p As teorias preveem que a força forte se unirá com a força eletrofraca em energias acima de 10 15 GeV e que todas as forças podem se unir em energias acima de 10 19 GeV. Essas energias se aproximam da temperatura na primeira parte do Big Bang. Os físicos estão se esforçando para construir aceleradores de partículas que possam atingir essas temperaturas. O maior acelerador de partículas é o Large Hadron Collider do CERN em Genebra, Suíça. Quando se trata online, será capaz de acelerar prótons a 99,99 por cento da velocidade da luz e atingir energias de colisão de 14 tera-elétron volts ou 14 TeV, que é igual a 14, 000 GeV ou 1,4 x 10 4 GeV. p Se os físicos podem mostrar que as quatro forças fundamentais realmente vieram de uma força unificada quando o universo resfriou do Big Bang, isso mudará sua vida diária? Provavelmente não. Contudo, vai avançar nossa compreensão da natureza das forças, bem como as origens e o destino do universo.
