a música das esferas
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A música das esferas. Os limites do nosso Universo. O que sabemos: O Universo expande-se e teve início numa grande explosão cósmica: Big Bang Parece estar numa fase de aceleração Existem 4 forças fundamentais O número de partículas fundamentais que constituem toda a matéria é limitado - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
A MÚSICA DAS ESFERAS
Os limites do nosso Universo O que sabemos:
O Universo expande-se e teve início numa grande explosão cósmica: Big Bang
Parece estar numa fase de aceleração Existem 4 forças fundamentais O número de partículas fundamentais
que constituem toda a matéria é limitado Existe uma enorme relação entre o que
se passa à escala microscópica e o que se passa à escala cósmica
A grande escala
A unidade de medida é o ano-luz, a distância que a luz percorre num ano (1 ano-luz=9,5 milhão de milhão de km) ou o parsec (3,3 anos-luz).
O Universo tem uma idade estimada em 13,73 milhar de milhão de anos: o raio do Universo deveria ser 13 milhar de milhão de anos-luz.
Mas esse é apenas o Universo observável: ele pode ter um raio de 24 milhar de milhão de parsec.
A pequena escala
No outro extremo da escala temos o domínio dos quarks, electrões, fotões e de todo um zoo enorme de partículas elementares.
A unidade de medida é o Femtómetro (fm)(10-15 m=0,000000000000001 do metro). É o tamanho de um protão.
Um cabelo tem de espessura 109 fm e um átomo tem 103 fm de diâmetro
A essa escala a natureza têm um comportamento muito diferente, quântico
Limite Consequência Nenhuma
comunicação pode realizar-se com uma velocidade superior à da luz no vácuo
Nem todos podem comunicar no Universo
A precisão com que conhecemos em simultâneo a velocidade e a posição de um objecto está limitada universalmente
Não podemos conhecer com precisão a trajectória dos objectos ao nível microscópico
Os limites…
Invariância da velocidade da luz no vácuo
Princípio da Incerteza de Heisenberg
A outra matéria
Einstein: E2=m2c4
Logo E= mc2
Que indicam os sinais + e - ?
A outra matéria
Dirac: Um dos sinais corresponde à matéria normal; o outro corresponde a um novo tipo de matéria
ANTI-MATÉRIA
A outra matéria
Matéria e anti-matéria têm cargas eléctricas opostas
Podem separar-se com um campo magnético
A outra matéria
A anti-matéria é produzida diariamente na Terra
naturalmente e nos laboratórios
A outra matéria
Quando matéria e anti-matéria entram em contacto aniquilam-se mutuamenteO resultado são partículas de luz, fotões
A outra matéria
Inversamente, um fotão pode espontaneamente converter-se num par partícula anti-partícula
A outra matéria
De onde vem a anti-matéria?Do vácuo!
Que é então o vácuo? MISTÉRIO…
A outra matéria
A anti-matéria produz-se mas não existe no estado natural no Universo
Porquê? MISTÉRIO…
A outra matéria
No início do Universo havia quantidades iguais de matéria e anti-matéria
Porque desapareceu a anti-matéria? MISTÉRIO…
Mais matéria…
A velocidade de uma estrela varia com a distância ao centro da galáxia.
Os dados experimentais não coincidem com as previsões
B
A
A B
Previsto
Observado
velo
cid
ade
distância
Mais matéria…
Zwicky: Existe matéria que não se vê e que só actua graviticamente sobre a matéria visível
Matéria escura
Lei de Hubble: velocidade = H distância
Mais matéria…
Lei de Hubble: velocidade = H distância
Distância à galáxia
Velo
cid
ad
e d
e
afa
stam
en
to
Cada ponto representa uma galáxia
Constante de Hubble
Mais matéria…
Distância à galáxia
Velo
cid
ad
e d
e
afa
stam
en
to
Cada ponto representa uma galáxia
Sabemos desde há 10 anos que a Lei de Hubble é falsa para os objectos mais longínquos à escala do Universo
Mais matéria…
Perlmutter: Existe uma outra forma de matéria permeando todo o espaço que não se vê, só interage graviticamente, e força a expansão acelerada
Energia escura
De que é feito o Universo?A matéria escura e a energia escura representam 96% de toda a matéria no Universo
73%Energi
a escura
23%Matéria escura
3,6% Gás inter-estelar0,4% Estrelas, etc
De que é feito o Universo?Não sabemos de facto de que é feito o Universo! Dele só conhecemos 4%É um dos grandes mistérios actuais
73%Energi
a escura
23%Matéria escura
3,6% Gás inter-estelar0,4% Estrelas, etc
O SOM DAS ESFERAS
O corpo negro Um corpo negro é
uma cavidade fechada onde a luz entra por um orifício mas fica aprisionada
Quando se aquece um corpo negro a cor da luz emitida pelo orifício não depende do material de que é feito
O corpo negro
A luz emitida por um corpo negro aquecido tem uma relação bem definida entre a intensidade e cor.Essa relação depende da temperatura
Inte
nsid
ad
e
Comprimento de onda
O corpo negro
Sabemos hoje que o Universo é um corpo negro, o que suporta a Teoria do Big Bang
O satélite COBE demonstrou que o Universo está à temperatura de -270.4 ºC
O corpo negro
A radiação não está distribuída uniformemente no Universo
As flutuações são fundamentais para que as
galáxias se possam ter formado
O corpo negro
Planck:
O corpo negro mostra que a interacção entre a matéria e a radiação não é feita de forma contínua. É feita por “pacotes” designados por
QUANTA
As partículas de luz
Einstein:
A luz é uma onda mas também se pode, em certas circunstâncias, comportar como uma partícula
O FOTÃO
As ondas de matéria
De Broglie:
Cada partícula tem associada uma onda com um comprimento de onda inversamente proporcional à massa e velocidade da partícula
AS DUAS!
Qual a natureza da matéria?
Onda?
ouPartícula
A matéria é composta por átomos Os átomos são compostos por um
núcleo rodeado de electrões O núcleo tem carga eléctrica positiva
e os electrões carga eléctrica negativa
Interagem por isso electricamente, ou seja, através da troca de fotões
Qual a natureza da matéria?
Qual a natureza da matéria?
Por causa das Relações de Incerteza de Heisenberg não é possível saber onde se encontram os electrões e por isso apenas vemos uma nuvem em torno do núcleo onde é mais provável encontrá-los
Qual a natureza da matéria?
O núcleo é composto por protões de carga eléctrica positiva e neutrões sem carga eléctrica. Eles estão ligados entre si pela
FORÇA FORTE
Qual a natureza da matéria?
Se não houvesse força forte a repulsão entre os protões
faria com que nenhum núcleo podesse existir: a
matéria seria toda instável
Qual a natureza da matéria?Quanto ao neutrão, ele não é estável: quando está isolado, fora de um núcleo, desintegra-se em três partículas, um protão, um electrão e um neutrino
neutrão
Qual a natureza da matéria?Quanto ao neutrão, ele não é estável: quando está isolado, fora de um núcleo, desintegra-se em três partículas, um protão, um electrão e um neutrino
neutrão
Qual a natureza da matéria?Quanto ao neutrão, ele não é estável: quando está isolado, fora de um núcleo, desintegra-se em três partículas, um protão, um electrão e um neutrino
protão
electrão
electrão
neutrino
Qual a natureza da matéria?A desintegração do neutrão é na realidade devida a uma outra força que actua apenas à escala nuclear
FORÇA FRACA
Sabemos hoje que a força fraca é um outro aspecto da electricidade e
do magnetismo
As forças fundamentais
Todas as forças conhecidas actuam por troca de partículas intermediárias
As forças eléctrica e magnética estão relacionadas: força electromagnética
Existem 4 forças fundamentais O alcance dessas forças é diferente:
para umas é infinito, para outras é a escala nuclear
As forças fundamentais
Força
Partícula intermediária
Alcance
Gravítica
Gravitão
Infinito
Electro-magnéti
caFotão (γ)
Infinito
Forte
Gluão (g)
Nuclear
Fraca
W+, W-, Z0
Nuclear
As partículas fundamentais As restantes partículas
agrupam-se em dois grupos: Quarks: únicos que sentem
interacção forte Leptões (electrão e, muão μ e tau
τ): só sentem interacção electromagnética e fraca
Cada tipo de leptão tem o seu próprio tipo de neutrino ν associado
Todas estas partículas agrupam-se em três famílias
O Modelo Padrão
Família Ieνe ud
Família IIμν
μ cs
Família IIIτντ
tb
Portador γW
gZ0
Glashow, Salam, Weinberg:
O Modelo Padrão
Família Ieνe ud
Família IIμν
μ cs
Família IIIτντ
tb
Portador γW
gZ0
Leptões
Glashow, Salam, Weinberg:
O Modelo Padrão
Família Ieνe ud
Família IIμν
μ cs
Família IIIτντ
tb
Portador γW
gZ0
Quarks
Glashow, Salam, Weinberg:
O Modelo Padrão
Família Ieνe ud
Família IIμν
μ cs
Família IIIτντ
tb
Portador γW
gZ0
Gravidade não incluída no modelo!
Glashow, Salam, Weinberg:
Modus operandi
As interacções forte e electromagnética actuam dentro de cada família; não permitem transformar membros de uma família em membros de outra família
A interacção fraca actua entre famílias: transforma membros de uma família em membros de outra família
A partícula de Higgs é necessária para dar massa às partículas
A ARTE DE OBSERVAR
OndasComprimento de
onda
Velocidade de propagação
Para poder ver um objecto temos de ter um comprimento de onda da ordem do seu tamanho
Acelerar para ver
Para ver objectos minúsculos como os quarks precisamos de minúsculos comprimentos de onda
Usamos as ondas de matéria para os ver, por exemplo de protões
Como o comprimento da onda de matéria diminui com a velocidade da partícula associada, aceleramo-la…
Até muito próximo da velocidade da luz! Para isso precisamos de aceleradores
enormes…
O LARGE HADRON COLLIDER (LHC)
SPS
LHC
Meyrin
Prévessin
Jura
Lago Léma
n
4,3 Km
Alguns factos do LHC
A velocidade dos protões dista apenas 10 km/h da velocidade da luz. Fazem 11245 vezes por segundo o percurso de 26, 7 km da máquina
É mais frio e mais vazio que o espaço sideral
A energia máxima que cada protão pode atingir é 7 TeV, ou seja 7 vezes a energia de um mosquito a voar…
…só que concentrada no tamanho de um protão: a densidade de energia é enorme
AS EXPERIÊNCIAS DO LHC
100 m
A experiência:
Vários aceleradores participam no processo de aceleração dos protões
Mapa do Universo
Matéria conhecida