Atualizando a descrição do blog: Tive a intenção de criar este blog para divulgar conceitos, fatos históricos, curiosidades e outros temas sobre a grande ciência física. Existem muitos outros blogs sobre o assunto, mas a minha intenção principal é tentar escrever sobre assuntos de física vistos na graduação ou de pesquisa física para o público geral. Minhas ideias sobre temas para as colunas surgem de textos e artigos que vou lendo ao longo do meu trabalho acadêmico. Discussões são sempre bem vindas!
Abraço a todos!

terça-feira, 27 de dezembro de 2011

Ondas Gravitacionais - parte 2



Ainda tentando compreender melhor algumas características das ondas gravitacionais, vamos, neste texto, esclarecer como tais ondas são previstas matematicamente pela teoria da relatividade geral de Einstein, ou teoria da gravitação de Einstein. Não iremos aqui fazer nenhuma conta, apenas mostrar um caminho que leve à previsão das ondas, o que pode ser de grande interesse.

            A teoria da relatividade geral é uma teoria de gravitação. Uma das grandes diferenças entre esta teoria e a teoria de gravitação de Newton é a de que na relatividade geral, todas as massas, de qualquer grandeza, estão localizadas em uma malha, denominada espaço-tempo. Assim, quanto maior for a massa de um corpo considerado, maior será a deformação causada neste no espaço-tempo. Para ilustrar isso, imagine um colchão. Se colocarmos sobre ele uma bola de gude, sua superfície será levemente deformada. Entretanto, se colocarmos sobre o colchão uma bola de boliche, então a deformação causada será muito maior. Com a malha do espaço-tempo e as massas como planetas, buracos negros, e outros corpos, a analogia é exatamente esta. Disso, podemos facilmente deduzir que, na ausência de qualquer corpo massivo, o espaço-tempo torna-se plano.

            Para descrever matematicamente o espaço-tempo de todo o universo ou de uma região localizada, utiliza-se a chamada métrica. Uma forma de definir a métrica é dizer que ela mantém a distância entre dois pontos quaisquer inalterada, independente do sistema de coordenadas utilizado para fazer a medida. Pode ser um sistema de coordenadas plano, esférico, ou qualquer outro. Na ausência de massa, a métrica se resume a algo simples, porém em outros casos pode ser muito complicado descrevê-la. Assim, o primeiro ingrediente que temos em nosso entendimento entre espaço-tempo e corpos massivos é a Geometria.

            Por outro lado, da relatividade especial de Einstein, podemos sempre relacionar massa e energia. De fato, segundo essa teoria, massa e energia são a mesma coisa. Seguindo isso, podemos interpretar um corpo massivo como sendo uma certa quantidade de energia sobre o espaço-tempo. Segue então que temos o outro ingrediente para nossa compreensão, a Energia.

            Seguindo alguns princípios gerais de física, Einstein obteve na relatividade geral uma equação que relacionasse geometria e energia (ou densidade de matéria). Essa equação recebe o nome de Equação de Einstein. Normalmente, quando vamos utilizar esta equação, escolhemos nosso sistema de estudo. A partir disso, descrevemos matematicamente o espaço-tempo em questão através da métrica, e escrevemos toda a matéria considerada com as devidas equações. Então, relaciona-se essas duas quantidades através das equações de Einstein e interpreta-se as equações resultantes. Para um universo plano, com uma distribuição de massa em algum ponto, um dos resultados obtidos através das equações de Einstein são as ondas gravitacionais! Assim, a previsão da existência das ondas gravitacionais vem da solução das equações de Einstein.

            Nesta parte da explicação vimos, através de um delineamento ilustrativo, um caminho que leva até a previsão das ondas gravitacionais pela teoria geral de relatividade de Einstein. De fato, a previsão das ondas gravitacionais da um certo conforto aos físicos, pois se buscamos semelhanças entre teorias distintas e uma futura unificação, a semelhança entre gravitação e eletromagnetismo por meio de um formalismo ondulatório é um grande sucesso.

quinta-feira, 22 de dezembro de 2011

Ondas Gravitacionais - parte 1



Quando ouvimos dizer ou lemos em algum lugar o termo “ondas eletromagnéticas”, fazemos sempre a associação com eletricidade e magnetismo. Esse termo é comum para nós, uma vez que o eletromagnetismo é uma ciência fácil de ser demonstrada experimentalmente. Entretanto, um outro termo que muito se fala, “ondas gravitacionais” que, analogamente, é uma das conseqüências da teoria gravitacional de Einstein, a teoria da relatividade geral, não é muito bem compreendido. Mas de onde surgem as ondas gravitacionais, e como elas são previstas de maneira matemática pela teoria da relatividade geral? Iremos tentar entender esse assunto ao longo desse texto e de outros, uma vez que sua analogia com as ondas eletromagnéticas é direta.


As origens das ondas eletromagnéticas e gravitacionais são praticamente idênticas. No eletromagnetismo, se considerarmos uma carga elétrica, e a oscilarmos de maneira acelerada, teremos como resultado a produção de ondas eletromagnéticas, que podem ser detectadas por algum sistema de antena ou algo do tipo. Já na teoria da relatividade geral, de maneira análoga, se considerarmos uma partícula massiva, e a oscilarmos de maneira acelerada, iremos gerar as chamadas ondas gravitacionais. Basicamente, é assim que se produz tais ondas. Mas então, por que ainda não conseguimos detectar estas ondas gravitacionais? Além de serem factíveis de produção, são previstas, como iremos ver, pelas chamadas equações de Einstein. Neste caso, o problema é a intensidade da integração gravitacional. Ela é extremamente baixa em comparação à interação eletromagnética. Como um exemplo simples, se pegarmos um prego de ferro e colocarmos ele a certa altura da terra e próximo a um imã, iremos ver facilmente que o imã atrai o prego e o impede de cair no chão. Isso demonstra a superioridade da força eletromagnética em comparação à gravitacional. Analogamente, a intensidade das ondas gravitacionais é muito menor em relação às eletromagnéticas. Consequentemente, para podermos, com nossa capacidade atual de precisão nos experimentos, medir ondas gravitacionais, quantidades enormes de massa devem ser consideradas. Mesmo assim, os instrumentos atuais de medida carecem de precisão para tal.


Uma outra pergunta então seria: Onde é possível, no universo, encontrar quantidades enormes de massa que possam produzir ondas gravitacionais capazes de serem medidas por nós, seres humanos? A resposta para esta pergunta está nos gigantescos eventos que acontecem por todo o universo, como explosões de supernovas, colisões entre galáxias, rotação de um buraco negro e movimentos envolvendo galáxias e aglomerados de galáxias. Todos esses eventos produzem as chamadas ondas gravitacionais, e todos são estudados teoricamente quanto a isso. Em relação a medir estas ondas, como dito, nossos equipamentos atuais não possuem capacidade de precisão suficiente.


Vimos, neste texto, que a produção de ondas gravitacionais, a princípio, é basicamente simples. Entretanto, detectá-las já é outra questão bem complicada, impossível atualmente por razões experimentais. A despeito das fontes de ondas gravitacionais consideradas acima, existe uma outra, que gera as chamadas “ondas gravitacionais primordiais”. O termo “primordial” vem do fato da fonte considerada estar associada aos primeiros momentos de evolução do universo, o período inflacionário. Iremos continuar abordando as ondas gravitacionais nos próximos textos, e o porquê esta última fonte merece atenção especial.



Abaixo, um vídeo mostrando um possível detector de ondas gravitacionais, em desenvolvimento no Brasil.
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segunda-feira, 12 de dezembro de 2011

As Unificações de Teorias na Física 3



Um dos grandes experimentos realizados nos últimos anos foi sem dúvida o experimento com o LHC (Grande Colisor de Hádrons, na sigla em inglês), localizado no CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear, na sigla em inglês). A realização deste busca, como muito anunciado pela mídia, a já famosa partícula chamada bóson de Higgs. Na teoria mais moderna de física de partículas elementares, essa partícula é a responsável pela massa em todas as outras partículas existentes. A unificação do eletromagnetismo com a força nuclear fraca foi um dos grandes feitos da física. Hoje, sabemos que elas são separadas, mas acredita-se que nos primeiros momentos do surgimento do universo elas eram uma única força, a força eletrofraca.
            No eletromagnetismo, como já foi dito, tem-se que as partículas de interação neste caso são os fótons. Esses fótons, para estarem de acordo com a Teoria da Relatividade Especial de Einstein, não devem possuir massa de repouso. Na época da tentativa de unificação entre esta força e a força fraca, não se sabia nada sobre as partículas de interação desta última. Porém em 1957, com um experimento de simetria sugerido pelos físicos Lee e Yang foi possível afirmar que as partículas de interação da força fraca existiam e eram duas, denominadas W+ e W-.
No entanto, todas as tentativas de unificação do eletromagnetismo com a força nuclear, partindo apenas destas duas partículas de interação para a força fraca foram mal sucedidas, levando em conta outras propriedades que deveriam ser satisfeitas.
            Para resolver tal problema, os físicos envolvidos no trabalho de unificação supuseram a existência de uma outra partícula, algo natural em física nuclear quando está se construindo uma teoria sem experimentos ainda existentes para prová-la. Essa partícula, denominada fóton pesado, Z0, serviria para satisfazer as outras propriedades exigidas pela unificação. No entanto, existia um outro problema final: como já foi dito, o eletromagnetismo é uma força de longo alcance, sendo, portanto necessário que o fóton tenha massa de repouso zero; por outro lado, a força nuclear fraca é de curto alcance, da ordem de 10-16, e para isso as três partículas [W+, W-, Z0] deveriam possuir uma grande massa, em relação às outras partículas. A questão então era de onde vinha essa massa?
            Para os físicos envolvidos no trabalho, Abdus Salan e Steven Weinberg, as massas dessas três partículas deveriam surgir através de uma transição de fase, em que a temperatura necessária seria, de acordo com trabalhos do físico Friedmann, exatamente a temperatura do universo cerca de 10-12 segundo após o Big Bang. Nesta transição de fase, de acordo com a teoria, deveria haver uma partícula denominada partícula de Higgs que incorporaria massa às três partículas de interação da força nuclear fraca.
            Resumindo: antes que a transição de fase ocorresse (isto é, quando a temperatura do universo era menor que a exigida) havia apenas a força eletrofraca. Imediatamente depois, ela se separou em duas forças distintas, o eletromagnetismo e a força nuclear fraca, tendo o W+, W- e o Z0 adquirido massas através da partícula de Higgs.
            Assim, a principal função do experimento a ser realizado no CERN, onde está instalado o LHC, é fornecer energia suficiente, a energia necessária para a transição de fase, para que se possa comprovar experimentalmente a existência de tal partícula de Higgs, também conhecida como bósons de Higgs.       Embora muito complicada, tal teoria faz sentindo dentro do âmbito da física de partículas elementares. Basta esperar para ver os resultados do experimento. Caso seja positivo, a teoria estará correta e outro passo na teoria de unificação total foi dado. Porém caso não seja verificada a existência da partícula de Higgs, será necessário reconstruir toda física nuclear de base, inclusive vários conceitos hoje aceitos.

Abaixo um bom vídeo sobre as foças fundamentais da natureza e a tentativa de suas unificações. Existem muitos outros vídeos bons, mas infelizmente boa parte deles não possuem legendas.
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Espero que tenham gostado do assunto abordado!!!