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Física

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Mariana Boavida

on 8 October 2013

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Transcript of Física

Arquitetura do Universo - Simetrias e Quebras de Simetria
A Unificação de Teorias
De tempos a tempos, a Ciência consegue unificar conjuntos de fenómenos aparentemente diversos.

Unificar significa, neste sentido, compreender o modo com fatores aparentemente diferentes são realmente aspetos de um único fenómeno fundamental.
As Forças
Lei Fundamental da Dinâmica é usada para obter as equações do movimento de um objeto dada qualquer força que sobre ele atue.

Na Teoria Quântica também a equação de Schrodinger é equivalente à Lei Fundamental da Dinâmica.
Carlos Boavida Fernandes
Al Biruni
A Unificação das Teorias
Os fenómenos físicos na Terra, no Sol e na Lua obedecem às mesmas leis.
Galileu demonstrou esta ideia 600 anos mais tarde (Princípio de Galileu)
Em 1680,
Newton
estabeleceu que a força gravítica terrestre era a mesma que a celeste
A Unificação das Teorias
Cerca de 150 anos mais tarde, Faraday e Ampère unificaram a eletricidade e o magnetismo.
A Unificação das Teorias
O eletromagnetismo clássico culminou 50 anos mais tarde no trabalho notável de
A Unificação das Teorias
Maxwell
que unificou o eletromagnetismo e a ótica.
Por fim chegamos a
A Unificação das Teorias
Einstein
que foi responsável por muitas ideias unificadoras e de grande alcance. A sua teoria da relatividade coloca o tempo e o espaço em pe de igualdade.
Interpretação Mecanicista dos Fenómenos Físicos
Dificuldades e Consequente Declínio da Concepção Mecanicista
Campo e Relatividade
Teoria dos "Quanta".
Mecânica Quântica
Compreender a Estrutura do Universo
é necessário identificar as partículas básicas que constituem a matéria.

é necessário saber quais as forças que atuam em cada partícula.

é necessário saber como as partículas se comportam dadas as forças que sobre elas atuam.





As Partículas
Em física das partículas também há um formalismo análogo a este que é a Teoria Quântica de Campos que é uma combinação da teoria quântica com relatividade. Aqui as leis do movimento são as secções eficazes, as probabilidades de transcrição e as velocidades de decaimento.
Na Teoria Quântica de campos, as interações entre as partículas elementares são interpretadas em termos de troca de partículas.
Diagrama de Feynman. Regras de Feynman.
Simetrias
As propriedades características das simetrias são muito importantes para a Física ao seu nível mais fundamental.



Não se entende simetria apenas como simetria espacial, mas num sentido mesmo abstrato, a Invariância de uma teoria sob transformações dentro de um grupo.

Na mecânica clássica há leis de conservação (que são familiares a todos), que derivam de transformações invariantes.
Sempre que existe uma simetria numa teoria há uma quantidade conservada (carga, correntes, ...).
Teorema de Noether
Vejamos três exemplos:
Invariância translacional Conservação do momento linear

Invariância Rotacional Conservação do momento angular

Invariância de translação temporal Conservação da energia
Teoria de Grupos e a Física de Partículas
Toda a formulação matemática da Física das partículas assenta na teoria de grupos. Ao fazermos tranformações nos sistemas físicos verificamos que muitas vezes ficam invariantes sob essas tranformações. Esses grupos de transformação designam-se grupos de simetria ou grupos de Lie.
Gupo U(1) - É um grupo com uma só dimensão. É o grupo de simetria que descreve a interação eletromagnética. Tem um gerador.

Grupo SU(2) - É um grupo com dua dimensões e descreve a interação fraca. Tem n2-1 geradores, ou seja três geradores.

Grupo SU(3) - É um grupo com três dimensões e descreve a interação forte. Tem n2-1 geradores, ou seja oito geradores.
Teoria de Grupos e a Física de Partículas
O número de geradores é igual ao número de bosões diferentes que medeiam a interação.

Interação eletromagnética há um gerador, logo há um bosão - FOTÃO.

Interação fraca há três geradores, logo há três bosões - Z^(0)W^(+) e W^(-).

Interação forte há oito geradores, logo há oito tipos diferentes de gluões.
Dois Exemplos de Simetrias:
Simetria de Isospin Forte
Simetria Quiral
Quebras Espontâneas de Simetria
Pelo fato de as simetrias serem tão importantes na Física ao seu nível mais fundamental, os acontecimentos que envolvem quebras de simetrias são especialmente interessantes. De entre as quebras de simetria vamos analisar as quebras espontâneas de simetria.
Um Exemplo:
A transição de fase de um material ferromagnético da fase paramagnética para a fase magnética.
Consequências da Quebra Espontânea de Simetrias
Quando uma simetria numa teoria é espontaneamente quebrada (i.é., sem a introdução explícita de termos não invariantes), provoca o aparecimento de bosões.

Esses bosões podem não ter massa (bosões de Goldstone) ou podem ter massa se a simetria for espontaneamente quebrada através de um acoplamento mínimo a um campo (campo de Higgs), surgindo os bosões de Higgs - a "tal partícula de Deus"
Este bosão é então o responsável pelo aparecimento da massa nas partículas.

A quebra espontânea da simetria quiral está relacionada com a criação dinâmica da massa dos quarks.
Condições para o Aparecimento de Vida
Há boas razões para crer que o Universo está permeado de vida - um Universo em que a vida surge, dispondo-se de tempo suficiente, sempre que existam as condições que a tornam possível.

Como disse Arthur Eddinggton, 10^(11) estrelas fazem uma galáxia e 10^(11) galáxias fazem o Universo.

É razoável pensar que há cerca de 1% de estrelas com um planeta que pode suportar vida, o que perfaz 10^(18) estrelas no Universo.

O argumento que desenvolverei em seguida é que se qualquer uma de um grande número de propriedades físicas deste Universo fossem diferentes do que são, a vida, que parece prevalente, seria impossível.
Big Bang - matéria e antimatéria. Por que é que o mundo é feito de matéria e não de antimatéria?

Penzias e Wilson: radiação cósmica de fundo (idêntica à emitida por um corpo negro à temperatura de 2.8K, ou seja, cerca de -270ºC).

No final dos anos 80 chegou-se à conclusão de que existem no universo aproximadamente 10^(9) fotões desta radiação residual por cada partícula com massa.
Por razões ainda hoje desconhecidas, houve uma quebra de simetria e por cada bilião de partículas de antimatéria envolvidas no big bang existião um bilião mais uma partículas de matéria. Portanto, quando a aniquilação mútua se extinguiu, restou uma parte em cada bilião de matéria, e essa pequena parte é que constitui a matéria do nosso universo. Este é o primeiro fator desta história.
Condições para o Aparecimento de Vida
Os neutrões livres desintegraram-se com um tempo de meia vida de 10.6 minutos. O neutrão dá origem a um protão, um eletrão e um antineutrino. Se se tiver inicialmente um conjunto de neutrões livres, 10.6 minutos depois, metade ainda são neutrões, mas a outra metade é tudo o que é necessário para se fazer um universo como o nosso.
Condições para o Aparecimento de Vida
A quase totalidade da massa do átomo está concentrada no seu núcleo. Assim, o núcleo mantém a sua posição independentemente do que os eletrões façam na sua periferia.
Subamos mais um grau na organização da matéria e consideremos os elementos químicos. Dos 92 elementos naturais, 99% de toda a matéria viva é constituída apenas por quatro:
Subamos agora outro degrau e analisemos a molécula de água, de longe a mais importante para os organismos vivos. A água expande-se entre 4ºC e os 0ºC, o que faz com que o gelo seja menos denso do que a água. Assim, o gelo forma-se em cima e não no fundo dos mares e dos oceanos, o que permite a vida.
Agora vamos dar um salto até às estrelas. É tão fácil um camelo passar no buraco de uma agulha como se dar o primeiro passo na fusão do H em He. E este primeiro passo é a conversão de hidrogénio em deutério. É talvez a reação mais lenta que se conhece, demora centenas de milhões de anos e é a razão porque as estrelas duram tanto tempo, e a vida tem a oportunidade de evoluir naquelas que possuirem planetas adequados.
H C N O
Por que é que a reação se dá neste sentido? Somente porque a massa dos neutrões é ligeiramente maior do que a soma das massas dos protões mais eletrões. Qualquer reação deste tipo tem de ir sempre de massas maiores para massas menores.
Condições para o Aparecimento de Vida
Mesmo a cerca de 5 milhões de graus, a colisão de dois protões resulta quase sempre num desvio das suas trajetórias, tal como duas bolas de bilhar. O acontecimento raro é que um dos protões se desintegre e se transforme num neutrão.

O último elemento cósmico desta história foi arquiteturado por um dos físicos mais proeminentes da atualidade, Stephen Hawking.
Condições para o Aparecimento de Vida
É o equilíbrio das duas forças gigantescas que operam no universo: a força de dispersão e expansão originada no Big Bang e a força alimentada pela gravitação.
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