4.8: Tópico estendido - As quatro forças básicas - uma introdução
- Page ID
- 194798
Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Entenda as quatro forças básicas subjacentes aos processos na natureza.
Uma das simplificações mais notáveis da física é que apenas quatro forças distintas são responsáveis por todos os fenômenos conhecidos. Na verdade, quase todas as forças que experimentamos diretamente são devidas a apenas uma força básica, chamada força eletromagnética. (A força gravitacional é a única força que experimentamos diretamente que não é eletromagnética.) Essa é uma tremenda simplificação da miríade de forças aparentemente diferentes que podemos listar, apenas algumas das quais foram discutidas na seção anterior. Como veremos, acredita-se que todas as forças básicas atuem por meio da troca de partículas portadoras microscópicas, e as características das forças básicas são determinadas pelos tipos de partículas trocadas. A ação à distância, como a força gravitacional da Terra na Lua, é explicada pela existência de um campo de força e não pelo “contato físico”.
As quatro forças básicas são a força gravitacional, a força eletromagnética, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. Suas propriedades estão resumidas na Tabela. Como as forças nucleares fracas e fortes atuam em um alcance extremamente curto, do tamanho de um núcleo ou menos, não as experimentamos diretamente, embora sejam cruciais para a própria estrutura da matéria. Essas forças determinam quais núcleos são estáveis e quais decaem, e são a base da liberação de energia em certas reações nucleares. As forças nucleares determinam não apenas a estabilidade dos núcleos, mas também a abundância relativa de elementos na natureza. As propriedades do núcleo de um átomo determinam o número de elétrons que ele possui e, assim, determinam indiretamente a química do átomo. Mais informações serão ditas sobre todos esses tópicos nos capítulos posteriores.
CONEXÕES CONCEITUAIS: AS QUATRO FORÇAS BÁSICAS
As quatro forças básicas serão encontradas com mais detalhes à medida que você avança no texto. A força gravitacional é definida em Movimento Circular Uniforme e Gravitação, força elétrica em Carga Elétrica e Campo Elétrico, força magnética no Magnetismo e forças nucleares em Radioatividade e Física Nuclear. Em uma escala macroscópica, o eletromagnetismo e a gravidade são a base de todas as forças. As forças nucleares são vitais para a subestrutura da matéria, mas não são experimentadas diretamente na escala macroscópica.
| Força | Forças relativas aproximadas | Alcance | Atração/Repulsão | Partícula transportadora |
|---|---|---|---|---|
| Gravitacional | \(10^{-38}\) | \(\infty\) | apenas atraente | Graviton |
| Eletromagnético | \(10^{-2}\) | \(\infty\) | atraente e repulsivo | Fóton |
| Nuclear fraco | \(10^{-13}\) | \(<10^{-18} \, m\) | atraente e repulsivo | \(W^+, \, W^-, \, Z^0 \) |
| Energia nuclear forte | \(1\) | \(<10^{-15} \, m\) | atraente e repulsivo | glúons |
A força gravitacional é surpreendentemente fraca — é só porque a gravidade é sempre atraente que a notamos. Nosso peso é a força gravitacional devida à ação de toda a Terra sobre nós. Em uma escala muito grande, como nos sistemas astronômicos, a força gravitacional é a força dominante que determina os movimentos das luas, planetas, estrelas e galáxias. A força gravitacional também afeta a natureza do espaço e do tempo. Como veremos mais adiante no estudo da relatividade geral, o espaço é curvo nas proximidades de corpos muito massivos, como o Sol, e o tempo realmente desacelera perto de corpos massivos.
As forças eletromagnéticas podem ser atraentes ou repulsivas. São forças de longo alcance, que agem em distâncias extremamente grandes, e quase se anulam em objetos macroscópicos. (Lembre-se de que é a força externa líquida que é importante.) Se não cancelassem, as forças eletromagnéticas sobrecarregariam completamente a força gravitacional. A força eletromagnética é uma combinação de forças elétricas (como aquelas que causam eletricidade estática) e forças magnéticas (como aquelas que afetam a agulha de uma bússola). Pensava-se que essas duas forças eram bastante distintas até o início do século 19, quando os cientistas começaram a descobrir que eram manifestações diferentes da mesma força. Essa descoberta é um caso clássico da unificação de forças. Da mesma forma, o atrito, a tensão e todas as outras classes de forças que experimentamos diretamente (exceto a gravidade, é claro) são devidas às interações eletromagnéticas de átomos e moléculas. No entanto, ainda é conveniente considerar essas forças separadamente em aplicações específicas, devido às formas como elas se manifestam.
CONEXÕES CONCEITUAIS: FORÇAS UNIFIC
As tentativas de unificar as quatro forças básicas são discutidas em relação às partículas elementares posteriormente neste texto. Por “unificar”, queremos dizer encontrar conexões entre as forças que mostram que são manifestações diferentes de uma única força. Mesmo que essa unificação seja alcançada, as forças manterão suas características separadas na escala macroscópica e podem ser idênticas somente sob condições extremas, como as existentes no universo primitivo.
Os físicos agora estão explorando se as quatro forças básicas estão de alguma forma relacionadas. As tentativas de unificar todas as forças em uma estão sob a rubrica das Grandes Teorias Unificadas (GUTs), com as quais houve algum sucesso nos últimos anos. Sabe-se agora que em condições de densidade e temperatura extremamente altas, como as existentes no universo primitivo, as forças eletromagnéticas e nucleares fracas são indistinguíveis. Agora, elas podem ser consideradas manifestações diferentes de uma força, chamada de força eletrofraca. Portanto, a lista de quatro foi reduzida em certo sentido para apenas três. O progresso adicional na unificação de todas as forças está se mostrando difícil, especialmente a inclusão da força gravitacional, que tem as características especiais de afetar o espaço e o tempo em que as outras forças existem.
Embora a unificação de forças não afete a forma como discutimos forças neste texto, é fascinante que essa simplicidade subjacente exista em face da evidente complexidade do universo. Não há nenhuma razão para que a natureza deva ser simples — ela simplesmente é.
Ação à distância: conceito de campo
Todas as forças agem à distância. Isso é óbvio para a força gravitacional. A Terra e a Lua, por exemplo, interagem sem entrar em contato. Isso também é válido para todas as outras forças. O atrito, por exemplo, é uma força eletromagnética entre átomos que pode não se tocar. O que carrega forças entre objetos? Uma forma de responder a essa pergunta é imaginar que um campo de força envolve qualquer objeto que crie a força. Um segundo objeto (geralmente chamado de objeto de teste) colocado nesse campo experimentará uma força que é uma função da localização e de outras variáveis. O campo em si é a “coisa” que transporta a força de um objeto para outro. O campo é definido de forma a ser uma característica do objeto que o criou; o campo não depende do objeto de teste colocado nele. O campo gravitacional da Terra, por exemplo, é uma função da massa da Terra e da distância de seu centro, independente da presença de outras massas. O conceito de campo é útil porque equações podem ser escritas para campos de força ao redor de objetos (para gravidade, isso resulta\(w = mg\) na superfície da Terra), e os movimentos podem ser calculados a partir dessas equações. (Veja a Figura.)
CONEXÕES CONCEITUAIS: CAMPOS DE FORÇA
O conceito de campo de força também é usado em conexão com carga elétrica e é apresentado em Carga elétrica e campo elétrico. Também é uma ideia útil para todas as forças básicas, como será visto em Física de Partículas. Os campos nos ajudam a visualizar as forças e como elas são transmitidas, bem como a descrevê-las com precisão e a vincular forças com partículas transportadoras subatômicas.
O conceito de campo foi aplicado com muito sucesso; podemos calcular movimentos e descrever a natureza com alta precisão usando equações de campo. Por mais útil que seja o conceito de campo, no entanto, ele deixa sem resposta a pergunta sobre o que carrega a força. Foi proposto nas últimas décadas, começando em 1935 com o trabalho de Hideki Yukawa (1907—1981) sobre a força nuclear forte, que todas as forças sejam transmitidas pela troca de partículas elementares. Podemos visualizar a troca de partículas como análoga a fenômenos macroscópicos, como duas pessoas passando uma bola de basquete para frente e para trás, exercendo assim uma força repulsiva sem se tocarem. (Veja a Figura.)
Essa ideia de troca de partículas se aprofunda em vez de contradizer os conceitos de campo. É mais satisfatório, filosoficamente, pensar em algo físico realmente se movendo entre objetos agindo à distância. A tabela lista as partículas de troca ou transportadoras, observadas e propostas, que carregam as quatro forças. Mas o verdadeiro fruto da proposta de troca de partículas é que as pesquisas pela partícula proposta por Yukawa descobriram que ela e várias outras foram completamente inesperadas, estimulando ainda mais pesquisas. Toda essa pesquisa acabou levando à proposta dos quarks como a subestrutura subjacente da matéria, que é um princípio básico dos GUTs. Se forem bem-sucedidas, essas teorias explicarão não apenas as forças, mas também a própria estrutura da matéria. No entanto, a física é uma ciência experimental, então o teste dessas teorias deve estar no domínio do mundo real. No momento em que este artigo foi escrito, cientistas do laboratório do CERN na Suíça estão começando a testar essas teorias usando o maior acelerador de partículas do mundo: o Large Hadron Collider. Esse acelerador (27 km de circunferência) permite que dois feixes de prótons de alta energia, viajando em direções opostas, colidam. Uma energia de 14 trilhões de elétron-volts estará disponível. Prevê-se que algumas novas partículas, possivelmente partículas transportadoras de força, sejam encontradas. (Veja a Figura.) Um dos portadores de força de grande interesse que os pesquisadores esperam detectar é o bóson de Higgs. A observação de suas propriedades pode nos dizer por que partículas diferentes têm massas diferentes.
Partículas minúsculas também têm um comportamento ondulatório, algo que exploraremos mais em um capítulo posterior. Para entender melhor as partículas portadoras de força de outra perspectiva, vamos considerar a gravidade. A busca por ondas gravitacionais vem acontecendo há vários anos. Há quase 100 anos, Einstein previu a existência dessas ondas como parte de sua teoria geral da relatividade. Ondas gravitacionais são criadas durante a colisão de estrelas massivas, em buracos negros ou em explosões de supernovas, como ondas de choque. Essas ondas gravitacionais viajarão pelo espaço a partir desses locais da mesma forma que uma pedra jogada em um lago emite ondulações - exceto que essas ondas se movem na velocidade da luz. Um aparelho detector foi construído nos EUA, consistindo em duas grandes instalações com quase 3000 km de distância — uma no estado de Washington e outra na Louisiana! A instalação é chamada de Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro a Laser (LIGO). Cada instalação é projetada para usar lasers ópticos para examinar qualquer pequena mudança nas posições relativas de duas massas devido ao efeito das ondas gravitacionais. Os dois locais permitem que medições simultâneas desses pequenos efeitos sejam separadas de outros fenômenos naturais, como terremotos. A operação inicial dos detectores começou em 2002 e o trabalho está em andamento para aumentar sua sensibilidade. Instalações similares foram construídas na Itália (VIRGO), Alemanha (GEO600) e Japão (TAMA300) para fornecer uma rede mundial de detectores de ondas gravitacionais.
A colaboração internacional nesta área está se movendo para o espaço com o projeto conjunto da UE/EUA LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Terremotos e outros ruídos terrestres não serão problema para essas espaçonaves de monitoramento. O LISA complementará o LIGO observando buracos negros muito mais massivos por meio da observação de fontes de ondas gravitacionais emitindo comprimentos de onda muito maiores. Três satélites serão colocados no espaço acima da Terra em um triângulo equilátero (com lados de 5.000.000 km) (Figura). O sistema medirá as posições relativas de cada satélite para detectar a passagem de ondas gravitacionais. Uma precisão de até 10% do tamanho de um átomo será necessária para detectar qualquer onda. O lançamento deste projeto pode ser já em 2018.
“Tenho certeza de que o LIGO nos dirá algo sobre o universo que não conhecíamos antes. A história da ciência nos diz que sempre que você vai aonde nunca esteve antes, geralmente encontra algo que realmente abala os paradigmas científicos da época. Se a astrofísica das ondas gravitacionais fará isso, só o tempo dirá.” —David Reitze, gerente de óptica de entrada do LIGO, Universidade da Flórida.
As ideias apresentadas nesta seção são apenas um vislumbre de tópicos da física moderna que serão abordados com muito mais profundidade nos capítulos posteriores.
Resumo
- Os vários tipos de forças que são categorizados para uso em muitas aplicações são manifestações das quatro forças básicas da natureza.
- As propriedades dessas forças estão resumidas na Tabela.
- Tudo o que experimentamos diretamente sem instrumentos sensíveis é devido a forças eletromagnéticas ou gravitacionais. As forças nucleares são responsáveis pela estrutura submicroscópica da matéria, mas não são detectadas diretamente por causa de suas curtas distâncias. Tentativas estão sendo feitas para mostrar que todas as quatro forças são manifestações diferentes de uma única força unificada.
- Um campo de força envolve um objeto criando uma força e é o portador dessa força.
Notas de pé
O graviton é uma partícula proposta, embora ainda não tenha sido observada pelos cientistas. Veja a discussão sobre ondas gravitacionais mais adiante nesta seção. As partículas\(W^+, \, W^-,\)\(Z^0\) são chamadas de bósons vetoriais; elas foram previstas pela teoria e observadas pela primeira vez em 1983. Existem oito tipos de glúons propostos pelos cientistas, e sua existência é indicada pela troca de mésons nos núcleos dos átomos.
Glossário
- partícula transportadora
- uma partícula fundamental da natureza que é cercada por um campo de força característico; os fótons são partículas portadoras da força eletromagnética
- campo de força
- uma região na qual uma partícula de teste experimentará uma força