Partículas: a dança da matéria e dos campos

Aula 41.

Contínuo ou discreto?

2.

Os gregos e sua visão do real3.

Bases físico-químicas da teoria atômica

4.

Os “Sem Luz”

Matéria: contínua ou discretaApresentamos na aula passada a noção de que a matéria é:

em última instância constituída por quarks e léptonsPor outro lado, discutimos também o conceito de campo, um conceito que nas suas origens era algo contínuo, mas que, devido à relatividade e à mecânica quântica, podia ser entendido como resultado da propagação de partículas responsáveis pela (inter)mediação das interações:

... além dos bósons de gauge: fótons, glúons, W±, Z⁰ e -eventualmente - grávitons.

A tensão entre essas duas concepções - contínua/discreta - está presente na visão que o homem tem do mundo que o cerca desde que, em tempos imemoriais, o nosso ancestral troglodita sentiu a diferença entre o escorrer da água e o deslizar da areia entre seus dedos.

Os GregosÉ aos gregos que devemos a compreensão de que a natureza íntima da estrutura do espaço se manifesta nas relações entre configurações e suas leis de relações mútuas e, talvez mais importante, que esse comportamento é acessível à razão humana.Escola de Mileto:

Tales - Existe uma substância primordial de que são feitas todas as coisas, identificada como sendo a água.Anaximandro - Todas as coisas são feitas de uma substância fundamental, que não é a água, nem nenhum dos materiais conhecidos: éinfinita, eterna e compõe todos os mundos, sendo o nosso, apenas um dentre muitos. Fogo, terra e água existem em proporções definidas e o equilíbrio entre esses três elementos, que tentam sobrepujar uns aos outros, é obtido como resultado de uma fatalidade, uma espécie de auto-consistência entre suas quantidades, que seria a primeira formulação de uma lei da natureza.Anaxímenes - a substância primordial é o ar, sendo o fogo um ar rarefeito; o ar ao se condensar transforma-se terra, em pedras. Essa rarefação/condensação determina toda a variação e organização do real.

Os GregosPitagóricos - Os números exprimiam as propriedades e as proporções musicais; todas as outras coisas pareciam aos pitagóricos formadas em sua natureza mais íntima àsemelhança dos números, aos quais eram atribuídas realidades primordiais do Universo: os números são os elementos de todos os seres e o Cosmos inteiro é harmonia e número.Atomistas (Leucipo e Demócrito) - Todas as coisas são compostas de átomos (ατoμoσ), partículas indivisíveis, rígidas e impenetráveis, que se movimentam incessantemente no vácuo. A constituição atômica justifica as diferenças na densidade dos corpos; as transformações que se processam no mundo são conseqüências das mudanças no tempo das distâncias entre esses átomos. Ademais, eram deterministas: nada acontece por acaso.

Bases químicas da teoria atômicaAs concepções gregas eram filosóficas, tentavam dar uma interpretação para o mundo que os cercava, mas não eram científicas, pelo menos não na concepção moderna de ciência.As primeiras evidências científicas do caráter corpuscular da matéria apareceram na análise quantitativa de compostos químicos: na sua composição apareciam razões bem definidas de quantidades elementares; além disso, as mesmas quantidades elementares, quando combinadas para formar dois compostos distintos, o faziam em razões diferentes, mas essas razões tinham entre si uma relação de números inteiros:1.

2H+O=H₂O

2g H+16 g 0=18g H₂O → razão1

= 1:82.

2H+2O=H₂O₂

2g H+32 g 0=34g H₂O₂

→ razão2

= 1:16 ⇒ razão1

/razão2

=2/13.

S+2O=SO₂

32g S+32g O=64g SO₂

→ razão1

=1:14.

S+3O=SO₃

32g S+48g O=80g SO₂

→ razão2 = 2:3 ⇒

razão1

/razão2

=3/2

Bases químicas da teoria atômicaO fato dessas razões serem formadas por números inteiros seria mais facilmente entendida se a matéria fosse composta por unidades elementares discretas.Dalton (1803):

Todos os elementos são constituídos por átomos e que os compostos formados em reações químicas envolvendo esses elementos consistem de combinações desses átomos.

Gay-Lussac: Volumes de gases que reagem guardam uma razão simples (e.g., dois volumes de hidrogênio + um volume de oxigênio = um volume de vapor de água).

Avogadro: Volumes iguais de gases diferentes nas mesmas condições de pressão e temperatura têm o mesmo número de moléculas (Numero de Avogadro).

Teoria cinética dos gasesLei de Boyle (∼1650): o volume de uma gás éinversamente proporcional à sua pressão: PV=K(gás,massa,T)A lei de Boyle pode ser entendida a partir da hipótese de que o gás era formado por partículas que se moviam livremente, sendo a pressão resultado de colisões dessas partículas com as paredes do recipiente.Nomes essenciais: Maxwell, Clausius, Boltzman.

Movimento BrownianoRobert Brown (∼1800): movimento de partículas de pólen em uma suspensão (em repouso, anos a fio, mesmo que o líquido houvesse sido fervido a altas temperaturas).Einstein (1905): mostrou que o movimento browniano era resultado do choque da moléculas do líquido com os grãos de pólen.A determinação do número de Avogadro através do estudo de reações químicas, da teoria cinética dos gases e do movimento browniano (obtendo valores compatíveis!) foi uma das comprovações fundamentais da existência de átomos.

Contínuo versus DiscretoHá duas visões potencialmente distintas da descrição que fazemos atualmente da realidade física:

De um lado, podemos considerar a realidade como constituída por partículas discretas (elétrons, quarks, ...), que interagem através da troca de partículas de campo (fótons, glúons, ...) criados ou absorvidos pelas partículas.Ou, podemos considerar essa mesma realidade como construída a partir de um conjunto de campos quânticos que interagem, sendo as partículas (emissores/receptores ou mensageiros) nada mais do que condensados quânticos desses campos; nessa descrição, os campos são a realidade última.

Na verdade a segunda visão parece-me mais fundamental, embora a primeira tenha muitas vezes vantagens práticas, seja por encerrar uma maior simplicidade intuitiva, seja por ser mais operacional.

Os “Sem Luz”Assuma que, com o advento das viagens espaciais, os terráqueos tenham entrado em contato com uma espécie desprovida do sentido da visão e que seus membros interagem com o mundo que os cerca sem que seja necessário o uso da luz. Cabe aos astronautas dessa expedição explicar aos ET's as características da luz. Imagine-se nessa tripulação!

OndasOndas têm várias propriedades:1) Superposição2) Reflexão3) RefraçãoMAS é importante ressaltar que no movimento ondulatório NÃO há transporte de matéria

OndasOndas apresentam outro comportamento característico: interferênciaMáximos e mínimos de amplitude são formados quando duas ondas se superpõem.

Ondas... bem como difraçãoNa figura ao lado, ondas planas ao atingirem um orifício, emergem do outro lado como ondas circulares. Esta propriedade das ondas é a responsável por ouvirmos palavras mesmo que estejamos fora do recinto, como se as ondas sonoras tivessem “feito a curva”.