Nobel da Física 2013

                           E ASSIM SE FAZ CIÊNCIA- NOBEL DA FÍSICA 2013

 Os Professores Peter Higgs e François Englert, vencedores do Nobel da Física de 2013 são o rosto visível de toda uma comunidade- a comunidade dos Físicos das Partículas- que trabalhou arduamente desde 1962 para elucidar  um enigma fundamental: como as partículas elementares adquirem massa.

Sobre o bosão de Higgs publiquei o ano passado um post que explica o que é e para que serve o famoso bosão:http://blog510-eslfb.blogspot.pt/2012/07/o-bosao-de-higgs-um-problema-resolvido.html

Irei contextualizar brevemente o problema do bosão de Higgs.

O Modelo Standard da Física das Partículas repousa em dois princípios básicos:
1- Toda a matéria é feita de quarks e leptões
2- Todas as  interacções entre partículas são mediadas por partículas-força (bosões) associadas com as interacções fundamentais
Ver http://blog510-eslfb.blogspot.pt/2012/07/modelo-standard-triunfo-e-limitacoes-do.html

O magno problema teórico é que é que as equações do Modelo só produzem partículas sem massa- contrário à evidência experimental.

A solução do problema chama-se Mecanismo de Higgs - e chegou o momento de se fazer justiça. Na verdade deveria chamar-se Mecanismo de Brout-Englert-Higgs em honra aos físicos que propuseram o mecanismo. E estaríamos mesmo assim esquecendo a contribuição de 5 outros físicos teóricos na concepção do mecanismo e para fazer total justiça o mecanismo dever-se-ia chamar Mecanismo  ABEGHHK'tH, a abreviatura de todos os teóricos que ajudaram a construir o modelo teórico do referido mecanismo.
E mesmo assim estaríamos a esquecer um teórico incontornável: Robert Schrieffer. A ele se deve a ideia central do mecanismo de Higgs, conhecida pela expressão técnica de quebra espontânea de simetria.

No final só dois dos teóricos receberam o Nobel...Desta história alguma moral se poderá extrair.

Do Mecanismo de Higgs poderei simplesmente dizer que é a descrição matemática de uma (nova) entidade chamada campo de Higgs que permeia todo o espaço, tal como o campo gravítico afecta o espaço em torno de um objecto massivo: nós não podemos ver esse campo, só podemos sentir a atracção gravítica. Do mesmo modo apesar de invisível o campo de Higgs manifesta-se nas partículas pela aquisição de massa.

A descoberta, na década de 80, dos bosões W(+,-) e Z com as massas exactamente  preditas pelo mecanismo de Higgs era uma forte indicação de que o campo de Higgs correspondia a uma entidade que existia na realidade.

Mas tivemos que esperar até 4 de Julho  2012 para o bosão de  Higgs se dignar aparecer! Ou melhor: foi forçado a sair do anonimato com os 7 TeV de energia que a acelerador LHC do CERN injectou no campo de Higgs.

O CERN, isto é, os milhares de físicos (teóricos e experimentais), engenheiros, informáticos que trabalharam no projecto LHC têm boas razões para celebrar o Nobel 2013 que  também lhes pertence.

Deste prémio podem-se extrair algumas lições:
1- A forma como a teoria e a prática se interpenetram no jogo da ciência
2- Como a descoberta de uma "simples" partícula mobiliza milhares de cientistas das mais diversas áreas
3-E a inevitável injustiça de só alguns serem coroados com o ouro da glória!

O Mito da Força Centrífuga

A força centrífuga que a Física invoca para explicar o movimento dos corpos num sistema de referência em rotação não existe realmente.

Essa força (tal como a força de Coriolis) é uma criação do engenho matemático para explicar o movimento dos corpos em sistemas em rotação, que "não gostam" de se desviarem de uma linha recta, isto é, à sua inércia.
A habilidade consiste em imaginar que se faz parar a rotação,aplicando-se então a força imaginária necessária apropriada para que os objectos se movam em relação ao sistema de referência fixo,precisamente como acontece quando quando há rotação e não existem nenhumas forças fictícias a actuar.

Vamos imaginar a seguinte experiência: estamos num cilindro que roda rapidamente e que está em queda livre (por exemplo, em órbita à volta  da Terra ).Se estivermos em contacto com a parede do cilindro, a qual está em rotação, o nosso estado natural de movimento segundo Galileu seria continuar numa linha recta, tangente ao cilindro em rotação. Mas não podemos fazer isso porque o pavimento do cilindro faz força de encontro aos nosso pés, empurrando-nos para o lado, fazendo-nos por isso sair da trajectória da linha recta. O resultado de todo esse empurrão para o lado é que nos movemos segundo um círculo,ficando de facto colados ao lado de dentro do cilindro em rotação. A força real é o empurrão que o pavimento (ou a parede) dá aos nossos pés, ou nas costas para o lado de dentro do cilindro. O efeito final é que ficamos onde estamos em relação à parede do cilindro em rotação, mas do ponto de vista  de um observador que esteja fora do cilindro, seguimos um percurso circular...Uma mudança de direcção do movimento é tanto uma aceleração como o é uma mudança de velocidade, e se o cilindro rodar a uma velocidade apropriada sente-se exactamente a mesma força de aceleração que na superfície da Terra- uma pessoa  em cima de uma balança que esteja apoiada na parede do cilindro em rotação poderá verificar que tem o mesmo peso que é indicado pela mesma balança quando se encontra na casa de banho. Ela "sente" o mesmo que "sentiria " se estivesse num pavimento sólido à superfície da Terra e, nessas circunstâncias o cérebro humano é facilmente baralhado pensando que o cilindro está parado e que é a gravidade que conserva as coisas  "em baixo", no pavimento do cilindro...Inércia do cérebro?   

   

Física das Partículas- Resumo contido numa ínica canção!

Uma das mais complexas e revolucionária teorias da ciência- A teoria das Partículas Elementares, vulgo Modelo Standard- revolucionária não só porque abre uma nova e inesperada  janela sobre a realidade, como igualmente pela construção de novos conceitos que abalam a nossa vulgar razão ( sobre este ponto escreverei brevemente para esclarecer em futuro post)  pode ser resumida num simples quadro:




Para a explicação deste  ver o post de 24 Julho de 2012

Pois agora temos o Modelo Standard numa canção:

Não há qualquer justificação para ignorarmos o que são quarks, bosões, fermiões....todo esse novo bestiário descoberto pela física das partículas eleemntares!

Porque razão os aviões não caiem e a equação de Bernoulli

Porque razão os aviões não caiem?

Se pensarmos em termos de forças, quer dizer, usando a Mecânica de Newton, surge-nos a resposta óbvia: porque é contrabalançado por uma força contrária ao peso que é o responsável pela queda de qualquer corpo no seu campo gravítico. Vejamos a seguinte imagem esclarecedora:

 A letra P é evidentemente o peso do avião, a letra A(ar) representa a resistência do ar que atrasa o movimento, a letra F(m) representa a força propulsora  do motor...e a letra F(s)?

A força F(s) é obviamente a força que mantém o avião no ar. Mas qual a sua origem?

Para responder à pergunta acima temos que observar o elementar facto que o avião se movimenta no....ar! Ora qualquer objecto que se desloque no ar ou em qualquer outro fluido obedece a uma equação descoberta pelo  matemático Daniel Bernoulli em 1729 que na altura  procurava explicar.. a pressão arterial! A observação do médico britânico William Harvey (1578-1657) que " quando uma artéria é seccionada ou perfurada ver-se-á o sangue a esguinchar com violência" e que durante uma batida completa do coração " o jacto de sangue projecta-se a uma distância não menor mas maior quando da contracção do músculo cardíaco" levou Bernoulli a formular o problema em termos físicos:

a altura do esguicho sanguíneo era uma medida da pressão dentro da artéria (modernamente, pressão arterial)

Para não me alongar:com esta observação crucial obteve a equação fundamental dos fluidos:

                                     p  + ((v.v).d)/2 = constante 

se a o fluido se deslocar horizontalmente. O significado das letras:

                                    p = pressão ; v= velocidade; d= densidade do fluido

A equação afirma simplesmente que quando a velocidade diminui (no caso, do avião) terá que aumentar a pressão e, evidentemente, a força de pressão  sobre o objecto ( no caso, o avião)- é a força F(s) que sustém o seu próprio peso.

O engenheiro  russo Nicolai Zkukovsky descobriu uma curiosa particularidade do modo como uma asa se desloca no ar. A figura abaixo explica o que Zkukovsky:

A velocidade do vento na parte superior da asa é inferior à sua velocidade  na parte inferior. Logo, pela equação de Bernoulli, a pressão na parte inferior da asa é superior à parte de cima, de onde se gera uma força vertical, para cima, que contraria o seu peso, e sustém o avião no ar. Simples, elegante...como a matemática!

E de passagem: que bela equação que explica a tensão arterial e o movimento dos aviões!

   

A congelação da água...uma experiência científica ( o efeito de Mpemba)

Se colocar dois recipientes de água,um com água fria e outro com água quente, qual congelará mais depressa? Aparentemente o recipiente com água fria congelaria....mas também aqui as aparências enganam!

Tudo começou na Tanzânia, em 1969, quando  o jovem Erasto Mpemba e um outro colega  seu colocaram ambos uma mistura de leite e açucar no congelador ( fazia parte do seu trabalho laboratorial em sala de aula que consistia em fazer gelado). Como estavam com pressa , Mpemba não deixou a mistura arrefecer e o colega nem chegou a aquecer a dele. Para espanto dos rapazes o gelado de Mpemba solidificou muito antes do do colega.
Mpemba e o seu professor depois de se certificarem que o seu efeito era geral publicaram um artigo no Physics Education descrevendo o fenómeno.A partir daí passou a ser conhecido por efeito de Mpemba.
Tenho que reconhecer que desd a altura da sua publicação o efeito de Mpemba é polémico: as reacções dos cientistas cobriram todo o espectro, desde que os que o negavam pura e simplesmente até os que afirmavam que o fenómeno era conhecido há séculos. Com efeito Aristóteles descreve no seu livro Meteorologia que os habitantes das regiões geladas quando querem fixar as canas de pesca  em lagos gelados o fazem vertendo água morna no cano pois esta congela mais depressa!
Já Francis Bacon refere que dois baldes de água fria e quente deixados ao relento numa noite fria o de água quente congela primeiro...
Quem vive nos países frios sabe que sabe que os canos de água quente congelam antes dos de água fria.

Embora inacreditável o efeito de Mpemba é real!

A descrença no efeito de Mpemba resulta do nosso pensamento reducionista e ultra-simplificador: a congelação depende apenas de um número, a temperatura inicial da água. Mas um sistema tão simples como um recipiente com água em repouso no congelador ( um sistema termodinâmico verdadeiramente simples) tem um comportamento suficientemente rico para que o pensamento reducionista seja incapaz de descrever a realidade.
Na verdade há vários efeitos físicos presentes em simultâneo durante a congelação da água.

1- Evaporação: a água quente arrefec muito mais depressa porque além da perda de calor por condução existe evaporação através da superficíe. O efeito da evaporação é duplo: por um lado a evaporação extrai calor da massa de água de uma forma muito eficiente; por outro lado diminui a massa de água a congelar, pelo que atingindo o ponto de congelação será necessário extrair menos calor para realizr a transição de fase.
2-Dissolução de gases: a água contém sempre gases dissolvidos, essencialmente oxigénio e gases dissolvidos. O efeito desses gases é diminuir o ponto de solidificação, como sabemos.Por outro lado o aquecimento da água elimina parcialmente estes gases,pelo que a água inicialmente quente congelará a uma temperatura mais elevada do que a água fria.
3- Superarrefecimento: a solidificação da água não se dá necessáriamente quando a temperatuta atinge 0ºC. Depende de vários factores, uma massa de água pode estar no estado líquido a temperaturas diferentes, sendo necessário pontos de nucleação (impurezas dissolvidas, porexemplo) para a formação de cristais de gelo. Se a temperatura for suficientemente baixa esses núcleos propagar-se-ão e toda a massa congelará rapidamente.Nesse ponto sofre um descontinuidade súbita, aumentando para 0ºC. Chama-se a esse fenómeno superarrefecimento.
 Como o texto já foi longo omiti o efeito  da convecção que é também importante na congelação da água.
Como estamos longe do raciocínio reducionista que basta um só número - a temperatura - para descrever a congelação da água!

Para os mais cépticos (às vezes o cepticismo roça o pensamento dogmático) recomendo que verifique o fenómeno no seu congelador! Únicos cuidados: o recipiente de água quente não pode ser demasiado grande (para que o congelador continue a funcionar como um reservatório de temperatura) e deve ser de um material pouco condutor. Por exemplo uma cuvette de plástico serve.
Tire as suas  próprias conclusões.

O Átomo de Hidrogénio Revela os Segredos Escondidos da Natureza

O elemento químico mais abundante na natureza é o que nos revela os seus mais surpreendentes segredos.
Recordemos que a descontinuidade fundamental da matéria foi detectada nos vapores de Hidrogénio nos fins do século XIX , captada na fórmula empírica de Balmer e só iluminada pela equação de Schrodinguer, publicada em 1925. Contudo esta equação é fortemente incompleta.A sua solução, como é sabido, só oferece três números quânticos.Portanto só existiria um estado fundamental, caracterizado por n=1, l=0, ml=0. A realidade do átomo de Hidrogénio é outra: no nível n=1 existem dois subestados. A existência desses dois subestados resulta do spin do electrão, que a equação de Schrodinguer ignora.

No átomo de Hidrogénio os spins do electrão e do núcleo interagem fracamente dando origem aos subestados por n=1, l=0, ml=0, ms= +1/2 e n=1, l=0, ml=0, ms= -1/2.É a célebre estrutura hiperfina do átomo de Hidrogénio, e que se revela fundamental em Astrofísica porque da transição entre estes dois subestados resulta uma radiação com a frequência das ondas de rádio , a celebérrima radiação dos 21-cm. Como as ondas de rádio são fracamente absorvidas pelo meio interestelar, podem percorrer maiores distâncias que as suas congéneres de diferentes comprimentos de onda,e graças à estrutura hiperfina é possível o mapeamento do hidrogénio na nossa galáxia e noutras galáxias.

Porque razão equação de Schrodinguer é incompleta? Pelos simples facto de desprezar velocidade do electrão, que é aproximadamente um centésimo da velocidade da luz...e neste regime é necessário usar a relatividade restrita. Schrodinguer na sua tentativa de usar a relatividade escreveu uma equação relativista para o electrão...mas surgiram-lhe resultados tão estúpidos dessa sua equação relativista que desistiu da sua tentativa.
Dirac foi mais bem sucedido ao encontrar a equação relativista para o electrão. A verdadeira equação que descreve totalmente o electrão é a equação de Dirac, e a equação de Schrodinguer passou a ser a aproximação não-relativista para a Mecânica Quântica.

Na equação de Dirac está contida a existência de uma nova propriedade da matéria,o spin, o 4º número quântico que faltava, e a existência de um novo tipo de matéria, baptizada de anti-matéria.
A existência de spin provoca a criação de novos subestados no estado n=2, l=1, contrariamente ao previsto pela equação de Schrodinguer: os estados com l=1 ( três subestados como sabemos) não têm todos a mesma energia, isto é, não são estados degenerados. É a estrutura fina prevista pela equação de Dirac.


Mas mesmo uma equação tão poderosa como esta última revela-se contudo insuficiente para dar conta da riqueza contida no elemento químico mais simples no Universo!
Verdadeiramente os estados n=2, l=0 e n=2, l=1 não têm a mesma energia como previsto  pelas duas  teorias
(equações de Schrodinguer e de Dirac). Foi o físico Willis Lamb quem encontrou e mediu essa pequena diferença de energia entre os dois estados, e ficou conhecido como desvio de Lamb.


O que o átomo de Hidrogénio tinha para nos dizer que ainda escondia?

Apenas isto: não só a matéria é descontínua, a radiação por ela emitida ou absorvida é igualmente descontínua.É radiação é essencialmente descontínua, o que contraria o electromagentismo clássico. Graças ao desvio de Lamb emerge uma nova teoria, a teoria quântica da radiação, conhecida como electrodinâmica quântica, que explica notavelmente o desvio de Lamb com a precisão de 12 casas decimais! Do humilde Hidrogénio surge uma das teorias mais poderosas da Ciência!
Apetece terminar dizendo: na simplicidade está o segredo da Natureza!

A Supercondutividade e a Mecânica Quântica

Como todos sabemos a supercondutividade é o desaparecimento total da resistência eléctrica de um material abaixo de uma temperatura crítica, caracteristica desse material.
Mas um supercondutor não é apenas um condutor perfeito,É também caracterizado pela expulsão de campos magnéticos estáticos do seu interior, um fenómeno conhecido por efeito Meissner, que irei brevemente explicar por não ser tão bem conhecido.

Um metal (não magnético) comporta-se como o vácuo pois as linhas de forças magnéticas atravessam-no sem sofrer alterações.Mas o mesmo material abaixo da sua temperatura crítica, isto é, no estado supercondutor, adquire uma nova propriedade: o campo magnético é expelido do seu interior. Porquê? A chave da explicação reside nas correntes induzidas: na presença de  um campo magnético, quando a temperatura desce abaixo do seu valor crítico , são geradas
supercorrentes persistentes que produzem um campo magnético tal que anula o campo magnético externo no interior do supercondutor.
O efeito Meissner dá origem à repulsão entre os supercondutores e os magnetes permanentes- é o fenómeno da levitação magnética.

E porque razão existe a levitação magnética? As correntes que cancelam o campo exterior criam um campo magnético que é uma imagem de espelho do do magnete, dando origem à repulsão magnética e que a distâncias curtas pode ser suficiente para equilibrar o seu peso, mesmo que seja o peso de um comboio- o tal comboio ultra-rápido que que desliza sem atrito sobre uma almofada magnética.
O que torna um material supercondutor?
Aqui entra a Mecânica Quântica.

O electrão, ou melhor, os estados de um electrão, é descrito pela função de onda psi, que obedece à equação de Schrodinger. Cada electrão tem a sua função de onda.O electrão é um fermião porque tem spin semi-inteiro e obedece ao principio de exclusão de Pauli.

Além dos fermiões existem na Natureza os bosões, que são partículas  de spin inteiro e que contrariamente aos seus primos fermiões que são celibatários estes são gregários.Claro que cada bosão tem a sua própria função de onda. Quando se tem um gás de bosões, abaixo de uma certa temperatura, todos os bosões  “caiem” no mesmo estado quântico, comportando-se como super-átomo, todos os seus constituintes desse super-átomo agem correlacionados,os bosões perdem a sua individualidade porque as ondas individuais se somaram em fase e temos agora uma onda única. É o condensado Bose-Einstein- este novo estado quântico tem dimensões macroscópicas (ver o post O Novo Estado da Matéria, de 4 de Março de 2012).

Um supercondutor é uma espécie de condensado de Bose-Einstein. Os electrões ao agirem colectivamente comportam-se como um único electrão, descrito por uma única função de onda. Mas há aqui um erro: os electrões não são bosões, são fermiões. No entanto…Um par de electrões terá um spin inteiro, e constitui um bosão, e assim  poderemos ter, abaixo da temperatura crítica, o Condensado de Bose-Einstein . Mas como ter um par de eletrões se estes são repelidos electrostaticamente?

O físico N.Cooper imaginou a seguinte situação:no metal os electrões interagem com os iões positivos da rede cristalina.Suponhamos um electrão que atrai um ião da sua vizinhança. Os iões respondem movendo-se ligeiramente na direcção do electrão criando um excesso de carga positiva à volta deste. Um segundo electrão é agora atraído pela polarização localizada à volta do primeiro electrão e, desta forma,os electrões sentem uma atracção efectiva. O que o electrão vê não é a carga negativa do outro mas a carga positiva devida à deformação da rede que ele provoca. Estes dois electrões constituem o célebre par de Cooper.

Os pares de Cooper abaixo da temperatura crítica sofrem a condensação Bose-Einstein,isto é, todos os pares de Cooper “caiem” no mesmo estado quântico, descritos por uma única função de onda,tornando-se  insensíveis às perturbações da rede cristalina,  e o metal torna-se supercondutor.