As 4 forças fundamentais do Universo (e suas características) - Médico - 2023

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No Universo, tudo (ou quase tudo) pode ser descrito por leis físicas. E na ânsia de descobrir os fenômenos físicos que regem o comportamento da natureza, nossa concepção sobre as forças que interagem com o que nos rodeia vem mudando.

Desde os tempos antigos, sabíamos que deveria haver algumas forças que controlavam tudo. E nos tempos antigos acreditava-se que eram água, fogo, terra e ar. Felizmente, a física evoluiu e, hoje, sabemos que não são esses elementos que regem o funcionamento da natureza, mas aqueles conhecidos como forças ou interações fundamentais.

Essas forças são o pilar do Universo. Tudo o que nele ocorre responde à aplicação de algumas dessas forças sobre a matéria que nos rodeia. Absolutamente tudo. Desde a explosão de uma estrela até o carregamento da bateria do nosso telefone por meio de corrente elétrica, ele responde a uma das quatro forças fundamentais.

Essas interações são gravitacionais, eletromagnéticas, nucleares fracas e nucleares fortes. E no artigo de hoje iremos analisá-los individualmente, entendendo completamente suas implicações, quais partículas atuam e quais processos físicos estimulam. Vamos lá.

Recomendamos a leitura: "O que é entropia?"

O que é uma força ou interação fundamental?

O termo "força" pode ter muitas conotações diferentes. E se você é fã de Guerra das Estrelas, tem um muito claro. Mas hoje não vamos nos concentrar nisso, mas naquele que a física nos dá. E antes de entender o que é uma força fundamental, devemos nos familiarizar com o conceito de força simplesmente.

Na Física, uma força é qualquer agente que tem a capacidade de modificar o estado em que outro objeto material é encontrado. Isso inclui alterações no movimento, mudanças nas propriedades químicas, mudanças na temperatura, aumentos ou diminuições na energia ... Em outras palavras, é uma interação que permite a um corpo deformar o estado (físico ou químico) de outro objeto.

E basta parar e pensar para ver que absolutamente tudo o que acontece ao nosso redor se deve à aplicação e interação de forças. A força normal (aquela feita por um corpo que é sustentado por outro), a força aplicada (quando movemos algo), a força elástica, a eletricidade, a tensão, a resistência, a inércia, a força entre as moléculas ...

Tudo o que acontece no Universo acontece porque existem forças interagindo umas com as outras. Apontar. Isso é muito fácil de entender, sim, mas o desafio surgiu quando os físicos começaram a descobrir a origem dessas forças. E é que, de acordo, vocês sentados em uma cadeira estão fazendo força contra ela. Mas, De onde exatamente vem essa força? O que o gera? Os físicos queriam descobrir qual era a força (ou forças) que permitia que todas as outras forças existissem.

Em outras palavras, eles estavam procurando por aquelas forças da natureza que não podiam ser explicadas em termos de outras forças mais básicas. Precisávamos chegar à origem das forças. E para chegar à origem, tivemos que ir até a menor parte do Universo: as partículas subatômicas.

Se a matéria é composta de átomos e as menores unidades dos átomos são partículas subatômicas (até confirmarmos a teoria das cordas), a resposta tinha de ser encontrada nelas. E assim foi, se formos à matéria mais fundamental do Universo, também encontraremos as forças mais fundamentais do Universo.

Descobrimos, então, que dependendo de qual partícula está envolvida e de como ela se comporta, haverá um tipo específico de interação entre elas, que só pode ser gravitacional, eletromagnética, nuclear fraca e nuclear forte.

Mesmo assim, ainda temos problemas para unificar essas quatro forças fundamentais (o problema principal é gravitacional, pois não se ajusta aos nossos modelos atuais). É por isso que o próximo grande objetivo dos físicos é desenvolver a chamada Teoria de Tudo, que busca a unificação em um único arcabouço das quatro leis fundamentais.

Para saber mais: “O que é Teoria das Cordas? Definição e princípios "

Quais são as quatro forças fundamentais da natureza?

Como nós vimos, forças fundamentais são interações entre partículas subatômicas que resultam em mudanças em seu estado e que derivam nas manifestações de todas as forças secundárias do Universo. Vamos agora ver quais são essas interações fundamentais.

1. Gravidade

A gravidade é certamente a força fundamental mais famosa. Mas é, ao mesmo tempo, o que mais causa dores de cabeça nos físicos. Por quê? Muito simples: ainda não encontramos a partícula responsável por isso. Enquanto os outros, como veremos, sabemos que são devidos a interações bosônicas (por bósons), a gravidade não responde à teoria das partículas.

O que a gravidade transmite entre galáxias com milhares de anos-luz de distância? Por que os corpos com massa se atraem? O que gera a atração? Foi levantada a hipótese da existência de uma partícula conhecida como gráviton, que seria uma partícula subatômica que não teria massa nem carga elétrica e viajaria pelo espaço à velocidade da luz. Mas, por enquanto, esta é apenas uma hipótese.

Ainda assim, o conceito de gravidade é bastante direto. É simplesmente a atração que existe entre dois corpos com massa. É na origem dessa atração que está o pesadelo dos físicos, mas a força em si é muito simples de entender.

A força gravitacional é determinada tanto pela massa dos dois corpos quanto pela distância entre eles. Nós mesmos, sendo seres com massa, geramos um campo gravitacional ao nosso redor. O problema é que sua influência é "coberta" pela da Terra.

Como bien sabemos, la fuerza de la gravedad es lo que mantiene a los planetas girando alrededor de sus estrellas, a los satélites girando alrededor de sus planetas, a las propias estrellas girando alrededor del núcleo de la galaxia e incluso a las galaxias formando cúmulos en o espaço. É a força que dá coesão ao Universo. E ainda assim, é o mais fraco de todos. De longe. Veja como você tem que fazer pouco esforço para erguer um objeto que, embora possa não parecer, está sendo atraído por toda a força gravitacional da Terra.

2. A força eletromagnética

A força eletromagnética pode parecer mais complexa, mas a verdade é que não é tão complexa (pelo menos, ao nível que podemos tratar aqui). Basicamente é a interação que ocorre entre partículas eletricamente carregadas de forma positiva ou negativa. Todas as partículas eletricamente carregadas experimentam isso, incluindo, é claro, prótons (carregados positivamente) e elétrons (carregados negativamente).

O princípio de operação dessa força é muito simples: partículas de cargas opostas se atraem, enquanto as de cargas semelhantes ou iguais se repelem. Pense em um ímã. Por isso. O magnetismo e a eletricidade unem-se por meio desta força, responsável por inúmeros eventos. Desde relâmpagos em tempestades até o funcionamento do computador.

Mas quais partículas são responsáveis por essa força? Bem, como já apresentamos, são os fótons que tornam os campos magnéticos possíveis. Os fótons são um tipo de bóson (as partículas responsáveis por todas as interações, exceto a gravidade) que podemos entender como partículas de luz. Portanto, os fótons, além da força eletromagnética, permitem a existência do espectro de ondas onde se encontram a luz visível, os raios gama, o infravermelho, as microondas, etc.

Para saber mais: "Os 8 tipos de partículas subatômicas (e suas características)"

3. A força nuclear fraca

A força nuclear fraca recebe este nome porque é menos intensa do que a força nuclear forte, mas ainda é mais intenso do que gravitacional. Agora o que é? Bem, entramos em um terreno um pouco mais complexo.

Essa interação fundamental é a força que permite que as partículas que constituem os átomos (prótons, nêutrons e elétrons) se desintegrem em outras partículas subatômicas. Um neutrino (conhecido como partículas fantasmas), ao se aproximar de um nêutron, pode fazer com que ele se transforme em um próton pelo efeito dessa força nuclear fraca.

Em outras palavras, a força nuclear fraca é aquela que permite o decaimento beta dos nêutrons. Mas que partículas permitem isso? Passo a passo. Não é uma força gravitacional, então sabemos que é devido a interações entre bósons. Isso torna tudo mais fácil. Nesse caso, os bósons responsáveis por essa força não são os fótons, mas aqueles conhecidos como bósons W e bósons Z.

Vamos imaginar que um neutrino está viajando perto de um nêutron. Nesse momento, um bóson W se moveria do neutrino para o nêutron. Existe a interação fraca. O nêutron atrai o bóson W do neutrino. Este neutrino, perdendo um bóson, se tornaria um elétron. E o nêutron, ao ganhar um bóson, se tornaria um próton.

4. A força nuclear forte

Se com o anterior você pensou que influência ele tem em sua vida, não se preocupe. Enquanto experimentamos a gravidade e o eletromagnetismo diariamente, as forças nucleares, tanto as fracas quanto as fortes que veremos agora, passam despercebidas. Mesmo assim, essa força nuclear é muito importante.

De todas as quatro forças fundamentais, este é o mais forte de todos. E embora passe despercebido, é o que permite que a matéria exista. Por quê? Basicamente porque essa força é a "cola" dos átomos. É a força que permite a integridade do núcleo atômico, fazendo com que os prótons e nêutrons fiquem no centro dos átomos.

E é que, se entendemos a força eletromagnética, há uma coisa que devemos nos perguntar: como é possível que os prótons, se eles têm a mesma carga elétrica (positiva), não se repelam? Bem, precisamente por causa dessa forte força nuclear, cem vezes mais intensa que a eletromagnética, mas menos poderosa.

A força nuclear forte se deve aos glúons, um tipo de bóson que carrega essa interação, que faz com que, apesar das repulsões eletromagnéticas no núcleo do átomo, os prótons e nêutrons permanecem unidos nele.