O livro “Física sutil. Massa, éter e unificação das forças mundiais "

Olá pessoal, hoje entregamos um livro de Frank Wilcek à gráfica, que estuda os antecedentes das últimas idéias físicas sobre a massa, energia e natureza do vácuo. O autor, ganhador do Nobel de Física, expõe visões modernas sobre o nosso incrível Universo e prevê uma nova era de ouro da ciência física fundamental. Uma história magnífica sobre a unidade de matéria e energia, sobre partículas elementares e suas interações - é uma obra-prima da literatura científica popular séria.

Aqui publicamos um trecho do livro "Fermi Dragons"

Desde o início, ficou claro que outras forças novas governavam o mundo nuclear. As forças clássicas da física nuclear são a gravidade e o eletromagnetismo. No entanto, forças repulsivas atuam nos núcleos: o núcleo tem uma carga positiva comum e as mesmas cargas se repelem. As forças gravitacionais que atuam em uma pequena quantidade de massa em um único núcleo são muito fracas para superar a repulsão elétrica. (Falaremos muito mais sobre a fraqueza da gravidade na segunda parte deste livro.) Era necessária uma nova força. Ela recebeu o nome de forte interação. Para que os núcleos permaneçam fortemente conectados entre si, a interação forte deve ser mais poderosa do que qualquer um dos anteriormente conhecidos.

Foram necessários dezenas de anos de esforço dos experimentadores e da sofisticação dos teóricos para descobrir as equações fundamentais que descrevem o que acontece nos núcleos atômicos. Surpreendentemente, as pessoas geralmente conseguiram encontrá-los.

A dificuldade óbvia é que o pequeno tamanho do núcleo atômico interfere na observação dessas equações em ação. É cerca de 100.000 vezes menor que o próprio átomo. Isso nos leva um milhão de vezes mais além da nanotecnologia. Os núcleos pertencem ao campo da micronanotecnologia. Tentando manipular os núcleos usando instrumentos macroscópicos, como escalas ou pinças comuns, obtemos um resultado pior do que um gigante que tenta erguer um grão de areia com um par de torres Eiffel. Esta é uma tarefa difícil. Para estudar o mundo nuclear, foi necessário desenvolver métodos experimentais completamente novos e criar tipos incomuns de ferramentas. No próximo capítulo, visitaremos um nanomicroscópio ultra-estroboscópico (conhecido como Acelerador Linear de Duas Milhas Stanford (SLAC)) e uma estação de destruição criativa (conhecida como colisor de elétrons e pósitrons grandes (LEP; no BEPK), onde foram feitas as descobertas

Outra dificuldade foi que o micronanoscosmo, como se viu, segue leis completamente diferentes de tudo o que foi estudado anteriormente. Antes de prestar homenagem à forte interação, os físicos tiveram que abandonar a maneira natural de pensar para uma pessoa e substituí-la por novas e estranhas idéias. Examinaremos essas idéias com mais detalhes nos próximos capítulos. Eles são tão estranhos que, se eu apenas os der como fatos, eles não parecerão plausíveis para você *; no entanto, eles não devem parecer assim. Algumas das novas idéias são completamente diferentes de tudo o que se sabia antes. Eles podem contradizer - e provavelmente contradizer! - o que você estudou na escola. (Depende de qual escola você freqüentou e quando.) Neste breve capítulo, explicarei o que nos levou à revolução. Este capítulo serve para combinar o conceito tradicional de física nuclear, que ainda é apresentado na maioria dos livros didáticos de física que encontrei para alunos do ensino médio e calouros, com nosso novo entendimento.

Dragon Fight

A descoberta de James Chadwick do nêutron em 1932 foi um evento marcante. Após a descoberta de Chadwick, o caminho para a compreensão parecia simples. Parecia que os blocos de construção dos núcleos foram descobertos. São prótons e nêutrons, dois tipos de partículas que pesam aproximadamente o mesmo (um nêutron é 0,2% mais pesado) e têm fortes interações semelhantes. As diferenças mais óbvias entre prótons e nêutrons são que o próton tem uma carga elétrica positiva e o nêutron é eletricamente neutro. Além disso, um nêutron isolado é instável. O período de sua existência é de aproximadamente 15 minutos, após o qual o nêutron se transforma em um próton (e ao mesmo tempo um elétron e um antineutrino também surgem). Apenas adicionando prótons e nêutrons, você pode criar modelos do núcleo com cargas e massas diferentes que correspondem aproximadamente aos parâmetros semelhantes dos núcleos conhecidos.

Parecia que entender e refinar esses modelos era apenas uma questão de medir as forças que atuam nos prótons e nêutrons. Essas forças deteriam os núcleos da decadência. As equações que descrevem essas forças se tornariam uma teoria de forte interação. Resolvendo as equações dessa teoria, poderíamos testá-la e fazer previsões. Assim, escreveríamos um novo capítulo lacônico chamado "física nuclear", cuja idéia central seria "força nuclear", descrita por uma equação simples e elegante.

Esse programa de ação inspirou os pesquisadores a estudar colisões de prótons com outros prótons (nêutrons ou outros núcleos). Chamamos esses experimentos, nos quais as partículas colidem com outras e estudamos o que aconteceu, um experimento de dispersão. A idéia é que, estudando a deflexão de prótons e nêutrons, ou, como dizemos, espalhamento, você possa determinar quais forças agem sobre eles.

Essa estratégia simples falhou miseravelmente. Primeiro, o poder era muito complexo. Verificou-se que existe uma dependência complexa não apenas da distância entre as partículas, mas também de suas velocidades e das direções de suas rotações. Logo ficou claro que não conseguiríamos encontrar uma lei simples e bonita para essa força, digna de um lugar junto com a lei da gravidade de Newton ou a lei de Coulomb para a eletricidade.

Em segundo lugar, o que era ainda pior, "poder" não era poder. Quando dois prótons energéticos colidem, não ocorre apenas sua deflexão. Muitas vezes, mais de duas partículas são formadas como resultado, que não são necessariamente prótons. De fato, no curso de experimentos de espalhamento de alta energia por físicos, muitas novas espécies de partículas foram assim descobertas. Novas partículas, das quais dezenas foram encontradas, são instáveis, por isso geralmente não as observamos na natureza. Entretanto, quando foram estudados em detalhes, suas outras propriedades, especialmente fortes interações e tamanho, são semelhantes aos parâmetros semelhantes de prótons e nêutrons.

Após essas descobertas, tornou-se natural considerar prótons e nêutrons por conta própria ou pensar que o principal problema é determinar as forças que determinam sua interação. Em vez disso, a "física nuclear", no sentido tradicional, tornou-se parte de um assunto maior, incluindo partículas sempre novas e processos obviamente complexos de sua criação e decadência. Para descrever o novo "zoológico" de partículas elementares, esse novo tipo de dragão, o nome "hadron" foi inventado.

Hydra

A experiência em química sugeriu a possibilidade de explicar todas essas dificuldades. Talvez prótons, nêutrons e outros hádrons não sejam partículas elementares. Talvez eles consistam em objetos mais simples com propriedades mais simples.

De fato, se você realizar as mesmas experiências em átomos e moléculas que em prótons e nêutrons, estudando o que resta após suas colisões, também obterá resultados complexos. Você poderia reorganizar e decompor moléculas para obter suas novas espécies (ou átomos, íons e radicais excitados), em outras palavras, realizar reações químicas. A simples lei da interação obedece apenas a elétrons e núcleos. Átomos e moléculas, constituídos por muitos elétrons e núcleos, não estão sujeitos a ele. Poderia haver um padrão semelhante para prótons, nêutrons e seus parentes recentemente descobertos? Sua aparente complexidade poderia ser explicada pelo fato de consistirem em blocos de construção menores que obedecem a leis muito mais simples?

Quebrar algo em pedaços pode ser uma maneira difícil, mas esse método também pode ser o mais confiável para descobrir em que consiste. Se dois átomos colidirem com força suficiente, eles decairão em seus elétrons e núcleos constituintes. Assim, os blocos de construção dos quais são compostos são descobertos.

No entanto, a busca por blocos de construção mais simples dentro de prótons e nêutrons levou a dificuldades incomuns. Se você realmente colidir fortemente prótons, obterá ainda mais prótons, às vezes acompanhados por seus parentes hadron. Um resultado típico da colisão de dois prótons em alta energia é o aparecimento de três prótons, um antineutron e vários pi-mesons. A massa total das partículas resultantes excede a massa do original. Discutimos essa oportunidade anteriormente e agora ela nos ultrapassa novamente. Em vez de abrir blocos de construção menores e mais leves, passar para energias cada vez mais altas e produzir colisões cada vez mais fortes, você encontra ainda mais do mesmo. Tendências de simplificação não são observadas. É o mesmo que se você juntasse duas maçãs da mesma variedade e conseguisse três maçãs da mesma variedade, uma maçã de outra variedade, melão, uma dúzia de cerejas e duas abobrinhas.

O dragão Fermi se tornou uma hidra de pesadelo de um mito. Corte a cabeça da hidra e algumas novas aparecerão em seu lugar.

Existem blocos de construção mais simples. No entanto, sua "simplicidade" fundamental implica um comportamento estranho e paradoxal que os torna revolucionários para a teoria e ilusórios durante os experimentos. Para entendê-los ou até percebê-los, teremos que começar tudo de novo.

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