33.2: As Quatro Forças Básicas

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Declare as quatro forças básicas.
• Explique o diagrama de Feynman para a troca de um fóton virtual entre duas cargas positivas.
• Defina QED.
• Descreva o diagrama de Feynman para a troca de a entre um próton e um nêutron.

Conforme discutido pela primeira vez em Estratégias de Solução de Problemas e mencionado em vários pontos do texto desde então, existem apenas quatro forças básicas distintas em toda a natureza. Esse é um número notavelmente pequeno, considerando a miríade de fenômenos que eles explicam. A física de partículas está intimamente ligada a essas quatro forças. Certas partículas fundamentais, chamadas partículas transportadoras, carregam essas forças, e todas as partículas podem ser classificadas de acordo com qual das quatro forças elas sentem. A tabela abaixo resume as características importantes das quatro forças básicas.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Propriedades das Quatro Forças Básicas

Força	Força relativa aproximada	Alcance	+/−	Partícula transportadora
Gravidade	\(10^{−38}\)	∞	somente +	Graviton (conjecturado)
Eletromagnético	\(10^{−2}\)	∞	+/−	Fóton (observado)
Força fraca	\(10^{−13}\)	<\(10^{−18}\) m	+/−	\(W^+,W^−,Z^0\) (observado)
Força forte	1	<\(10^{−15}\) m	+/−	Gluons (conjecturados)

Embora essas quatro forças sejam distintas e difiram muito umas das outras sob todas as circunstâncias, exceto nas mais extremas, podemos ver semelhanças entre elas. (Em GUTs: a Unificação de Forças, discutiremos como as quatro forças podem ser manifestações diferentes de uma única força unificada.) Talvez a característica mais importante entre as forças seja que todas elas são transmitidas pela troca de uma partícula transportadora, exatamente como Yukawa tinha em mente para a forte força nuclear. Cada partícula portadora é uma partícula virtual — ela não pode ser observada diretamente durante a transmissão da força. A figura\(\PageIndex{1}\) mostra a troca de um fóton virtual entre duas cargas positivas. O fóton não pode ser observado diretamente em sua passagem, pois isso o interromperia e alteraria a força.

Figura\(\PageIndex{1}\): A primeira imagem mostra a troca de um fóton virtual transmitindo a força eletromagnética entre as cargas, assim como a troca virtual de píons carrega a forte força nuclear entre os nucleons. A segunda imagem mostra que o fóton não pode ser observado diretamente em sua passagem, pois isso o interromperia e alteraria a força. Nesse caso, não chega à outra cobrança.

A figura\(\PageIndex{1}\) mostra uma forma de representar graficamente a troca de um fóton virtual entre duas cargas positivas. Esse gráfico de tempo versus posição é chamado de diagrama de Feynman, em homenagem ao brilhante físico americano Richard Feynman (1918—1988) que o desenvolveu.

\(\PageIndex{2}\)A figura é um diagrama de Feynman para a troca de um píon virtual entre um próton e um nêutron representando a mesma interação de [link]. Os diagramas de Feynman não são apenas uma ferramenta útil para visualizar interações no nível da mecânica quântica, eles também são usados para calcular detalhes das interações, como seus pontos fortes e probabilidade de ocorrência. Feynman foi um dos teóricos que desenvolveu o campo da eletrodinâmica quântica (QED), que é a mecânica quântica do eletromagnetismo. O QED tem sido espetacularmente bem-sucedido na descrição de interações eletromagnéticas na escala submicroscópica. Feynman era um professor inspirador, tinha uma personalidade colorida e causou um impacto profundo em gerações de físicos. Ele dividiu o Prêmio Nobel de 1965 com Julian Schwinger e S. I. Tomonaga pelo trabalho em QED com suas profundas implicações para a física de partículas.

Figura\(\PageIndex{2}\): O diagrama de Feynman para a troca de um fóton virtual entre duas cargas positivas ilustra como a força eletromagnética é transmitida em uma escala mecânica quântica. O tempo é representado graficamente na vertical, enquanto a distância é representada horizontalmente. As duas cargas positivas são vistas como repelidas pela troca de fótons.

Por que as partículas chamadas glúons são listadas como as partículas transportadoras da força nuclear forte quando, em A partícula de Yukawa e o Princípio da Incerteza de Heisenberg Revisitado, vimos que os píons aparentemente carregam essa força? A resposta é que os píons são trocados, mas eles têm uma subestrutura e, à medida que a exploramos, descobrimos que a força forte está realmente relacionada aos glúons indiretamente observados, mas mais fundamentais. Na verdade, acredita-se que todas as partículas transportadoras sejam fundamentais no sentido de que não têm subestrutura. Outra semelhança entre as partículas transportadoras é que elas são todas bósons (mencionadas pela primeira vez em Padrões em Espectros Revelam Mais Quantização), com spins intrínsecos integrais.

Figura.

Existe uma relação entre a massa da partícula transportadora e o alcance da força. O fóton não tem massa e tem energia. Portanto, a existência de fótons (virtuais) só é possível em virtude do princípio da incerteza de Heisenberg e pode percorrer uma distância ilimitada. Assim, o alcance da força eletromagnética é infinito. Isso também vale para a gravidade. Tem alcance infinito porque sua partícula transportadora, o gráviton, tem massa de repouso zero. (A gravidade é a mais difícil das quatro forças de entender em uma escala quântica porque afeta o espaço e o tempo em que as outras agem. Mas a gravidade é tão fraca que seus efeitos são extremamente difíceis de observar mecanicamente quântica. Vamos explorá-lo mais detalhadamente em Relatividade Geral e Gravidade Quântica). As\(Z^0\) partículas\(W^+,W^−\), e que carregam a força nuclear fraca têm massa, representando o alcance muito curto dessa força. Na verdade, os\(W^+,W^−\), e\(Z^0\) são cerca de 1000 vezes mais massivos que os píons, consistente com o fato de que o alcance da força nuclear fraca é cerca de 1/1000 do da força nuclear forte. Na verdade, os glúons não têm massa, mas como agem dentro de partículas transportadoras massivas, como os píons, a forte força nuclear também é de curto alcance.

As forças relativas das forças dadas na Tabela são aquelas para as situações mais comuns. Quando as partículas estão muito próximas, as forças relativas mudam e elas podem se tornar idênticas a uma distância extremamente próxima. Como veremos em GUTs: a Unificação de Forças, as partículas transportadoras podem ser alteradas pela energia necessária para aproximar as partículas — de forma que elas se tornem idênticas.

Resumo

• As quatro forças básicas e suas partículas transportadoras estão resumidas na Tabela.
• Os diagramas de Feynman são gráficos de tempo versus posição e são representações pictóricas altamente úteis de processos de partículas.
• A teoria do eletromagnetismo na escala de partículas é chamada de eletrodinâmica quântica (QED).

Glossário

Diagrama Feynman

um gráfico de tempo versus posição que descreve a troca de partículas virtuais entre partículas subatômicas

glúons

partículas de troca, análoga à troca de fótons que dá origem à força eletromagnética entre duas partículas carregadas

eletrodinâmica quântica

a teoria do eletromagnetismo na escala de partículas