Explicando o Universo - Parte IV

3 - A força eletromagnética:

É fato que a maior parte da matéria é constituída de espaços vazios, conforme prediz o modelo atômico clássico, de acordo com as distâncias entre prótons e nêutrons em relação aos elétrons.

Todos os animais e plantas, além dos objetos, possuem massas e estão sujeitos à força gravitacional do planeta Terra.

O que impede que sejamos todos aglomerados em torno do núcleo terrestre em uma única massa disforme?

O que mantém nossos corpos coesos?

O que impede que um bloco de madeira atravesse uma mesa por entre esses espaços vazios?

A resposta a todas essas perguntas é a existência de outro tipo de interação entre os corpos: a força eletromagnética. Esta força é menos de 1% da força nuclear forte, mas, como a gravidade, ela tem alcance infinito. Entretanto, diferentemente da gravidade, o eletromagnetismo tem propriedades tanto atrativas quanto repulsivas que podem se combinar de forma cancelarem uma à outra.

Os estudos dos efeitos da força eletromagnética no final do século XVIII se ampliaram e houve a tentativa de explicar os mecanismos de interação entre os corpos.

Charles Augustin de Coulomb e Henry Cavendish observaram as substâncias eletricamente carregadas e os ímãs, estabelecendo, assim, as leis empíricas que regiam seu comportamento e que indicavam uma possível relação entre aquelas forças.

A relação entre magnetismo e eletricidade (eletromagnetismo) finalmente foi descoberta em 1820 quando Hans Christian Oersted ao aproximar uma bússola de um fio que unia os dois polos de uma pilha elétrica, verificou que a agulha imantada em vez de apontar para o Norte, orientava-se perpendicularmente ao condutor elétrico.

Ampère, pesquisando sobre correntes elétricas, expôs uma teoria que afirmava a existência de partículas elementares que se deslocavam no interior das substâncias e que este deslocamento poderia ser a causa dos efeitos magnéticos. Porém, apesar da busca, jamais encontrou as tais partículas.

Durante o século XIX Michael Faraday e James Clerk Maxwell continuaram os trabalhos de seus antecessores nas descobertas das leis que regem a força eletromagnética, o eletromagnetismo e a eletrodinâmica.

Segundo Faraday as linhas de força eram criadas pela presença mútua dos objetos entre si. Introduziu neste momento a ideia de campo de força, onde uma carga elétrica móvel produz perturbações eletromagnéticas em volta de si e estas são linhas de campo que interam com outra carga próxima.

James Clerk Maxwell desenvolveu matematicamente o modelo dos campos de força que vieram a alterar a visão de que forças agiam sob uma espécie de controle remoto.

Joseph John Thomson, seguindo as ideias e teorias matemáticas de seus antecessores, observando em 1897 os desvios dos feixes de raios catódicos na presença de um campo elétrico, acabou por deduzir a existência de uma partícula chamada elétron.

A força eletromagnética é um tipo de interação que envolve diretamente as seguintes partículas elementares: prótons e elétrons. Mas é importante destacar que, de uma forma ou de outra, essa interação atinge todas as outras partículas conhecidas, com exceção do gráviton e do neutrino.

Onde a gravidade é sempre atrativa, o eletromagnetismo vem em duas cargas: positiva e negativa. Duas coisas negativas ou positivas irão repelir uma à outra, mas uma positiva e outra negativa irão atrair-se. Esta propriedade pode ser facilmente demonstrada com ímãs: dois pólos idênticos irão se repelir, mas dois pólos opostos irão se atrair.

Este é o princípio que mantém os átomos juntos: o núcleo com carga positiva e os elétrons com carga negativa atraem-se. Também é este o princípio do tamanho atômico: mas elétrons têm uma força repulsiva maior, assim átomos com mais elétrons são maiores por causa da repulsão mútua dos elétrons.

De forma similar, átomos com núcleos maiores e o mesmo número de elétrons são menores por que exercem uma força de atração maior aos elétrons.

A partícula mediadora da força eletromagnética é o fóton (uma forma de descrever a luz como partículas indivisíveis). O fóton é uma partícula sem massa que logicamente (já que a luz é uma manifestação do eletromagnetismo) viaja na velocidade da luz (299 792 458 m/s ou 299.972 km/s).

Qualquer objeto ou corpo com carga elétrica emite e absorve luz (fótons), que é responsável pela transmissão da força eletromagnética. Tal constatação nos permite afirmar que a força eletromagnética entre dois corpos não é transmitida instantaneamente - e, sim, na velocidade da luz.

Em física, um fóton é uma partícula elementar, o quantum da interação eletromagnética, a unidade básica da luz e de todas as outras formas de radiação eletromagnética.

Também é a transportadora para que ocorra a força eletromagnética. Os efeitos dessa força são facilmente observáveis, tanto a nível microscópico e macroscópico, uma vez que o fóton não tem massa de repouso, fato este que permite interações em longas distâncias.

Como todas as partículas elementares, os fótons são regidos pela mecânica quântica e expõem a dualidade onda-partícula, ou seja, exibem propriedades de ambas, tanto de ondas, quanto de partículas.

Por exemplo, um único fóton pode ser refratado pela lente, ou com interferência de ondas de exposição em si, mas também pode agir como uma partícula que dá um resultado definitivo, quando o impulso quantitativo é medido.

A força eletromagnética faz com que objetos com cargas opostas se atraiam e objetos com cargas iguais venham a se repelir. Muitas forças do cotidiano, como a força de atrito, e até mesmo o magnetismo, são causadas pela força eletromagnética.

Um dos principais efeitos dessa força é possibilitar a existência dos átomos. Os elétrons, diminutas partículas com carga elétrica negativa, circulam o núcleo atômico atraídos pelos prótons (com carga elétrica positiva) existentes no núcleo atômico.

Os elétrons existentes nos átomos interagem com outros e, por meio dessa interação, fazem com que ocorram as ligações químicas, formando moléculas que podem se tornar estruturas complexas, como por exemplo, cadeias de DNA e proteínas e, portanto confere as condições para que a vida possa se formar.

Assim, a força eletromagntica é a responsável pelas ligações químicas que descreveremos a seguir.

A ligação química:

Quando dois átomos entram em contato, o fazem a través das fronteiras das suas eletrosferas, ou seja, de suas últimas camadas. Isso faz pensar que a última camada de um átomo é a que determina as condições de formação das ligações químicas.

Em 1868, Kekulé e Couper, propuseram a utilização do termo valência para explicar o poder de combinação de um átomo com outros. A valência de um dado elemento é que determina as fórmulas possíveis ou não de compostos formados por ele.

A primeira situação seria entender por que dois ou mais átomos se ligam, formando uma substância simples ou composta.

Na natureza, os únicos átomos que podem ser encontrados no estado isolado (moléculas monoatômicas) são os gases nobres devido a este fato, pensou-se que os demais átomos se ligariam entre si tentando alcançar a configuração eletrônica do gás nobre mais próximo deles na tabela periódica. Vale saber que todos os gases nobres, com exceção do He, possuem 8 elétrons em sua última camada da eletrosfera.

Esta maneira de pensar a ligação entre os átomos passou a ser conhecida por Teoria do Octeto, e foi proposta por Kossel e Lewis no início do século XX.

Baseado nessa idéia, a valência de um átomo passou a ser vista como a quantidade de elétrons que um átomo deveria receber, perder ou compartilhar para tornar sua última camada (camada de valência) igual a do gás nobre de número atômico mais próximo.

A ligação química é uma atração entre os átomos ou moléculas que permite a formação de compostos químicos, formados por dois ou mais átomos.

A ligação química ocorre devido à atração causada pela força eletromagnética entre cargas opostas, ou entre elétrons e núcleos, ou como resultado de uma atração dipolo. A força das ligações varia consideravelmente, existem "laços fortes", tais como ligações covalentes ou iônico e "ligações fracas", como interações dipolo-dipolo, a força de dispersão de London e pontes de hidrogênio.

Uma vez que cargas opostas se atraem por uma força eletromagnética simples, os elétrons carregados negativamente que orbitam o núcleo e os prótons com carga positiva dentro do núcleo atraem-se mutuamente. Um elétron posicionado entre dois núcleos será atraídos para os dois.

Assim, a configuração mais estável entre núcleos e elétrons é aquela na qual os elétrons passam mais tempo entre estes núcleos, que em qualquer outro lugar no espaço.

Estes elétrons fazem com que os núcleos sejam atraídos um pelo outro, e esta atração acaba por resultar na ligação química.

No entanto, esta construção não pode colapsar-se a um tamanho ditado pelos volumes dessas partículas individuais.

Devido à natureza ondulatória e de matéria dos elétrons e sua pequena massa, estes ocupam uma quantidade muito maior de volume em comparação com os núcleos atômicos, sendo que este volume ocupado pelos elétrons mantém os núcleos atômicos relativamente distantes entre si, em comparação com seus tamanhos.

Em geral, a forte ligação química está associado com o compartilhamento ou a transferência de elétrons entre os átomos participantes.

Moléculas, cristais e gases diatômicos e de fato a maior parte do ambiente físico em torno de nós, tudo é mantido junto por ligações químicas, que determinam a estrutura da matéria.


Tipos de ligações químicas:

1 - A ligação iônica ocorre com a formação de íons. A atração entre os átomos que formam o composto é de origem eletrostática. Sempre um dos átomos perde elétrons, enquanto o outro recebe. O átomo mais eletronegativo arranca os elétrons do de menor eletronegatividade. Ocorre entre metais e não metais e entre metais e hidrogênio.

Uma ligação iônica é um tipo de ligação química que envolve um metal e um íon de metalóide (ou íons poliatômicos, como amônia) através da atração eletrostática. Em suma, é um vínculo formado pela atração entre dois íons de carga oposta.

O metal doa um ou mais elétrons, formando íons carregados positivamente (cátion) com configuração eletrônica estável.

Estes elétrons em seguida, entram no não-metal fazendo com que ele forme um íon com carga negativa (ânion) que também tem uma configuração eletrônica estável. A atração eletrostática entre os íons de carga oposta faz com que eles se juntem e formem uma ligação.

Os compostos iônicos no estado sólido formam estruturas em retículo. Os dois principais fatores na determinação da forma reticular são as cargas relativas e os tamanhos relativos dos íons.

Para um composto sólido cristalino iônico a variação de entalpia na formação de um sólido a partir de íons gasosos é denominada a energia Reticular. A energia reticular de um sólido iónico é uma medida da força das ligações para os compostos iônicos.

2 - A ligação metálica é a que ocorre entre os átomos de metais. Os átomos dos elementos metálicos apresentam forte tendência a doarem seus elétrons de última camada.

Quando muitos destes átomos estão juntos em um cristal metálico, estes perdem seus elétrons da última camada. Forma-se então uma rede ordenada de íons positivos mergulhada num mar de elétrons em movimento aleatório. Caso se aplique um campo elétrico a um metal, orientamos o movimento dos elétrons numa direção preferencial, ou seja, geramos uma corrente elétrica.

A ligação metálica é a interação eletromagnética entre os elétrons deslocalizados, os elétrons de condução chamados e reunidos em um "mar de elétrons ", e com os núcleos metálicos, no interior da estrutura dos metais.

Entendida como a partilha "livre" de elétrons entre um retículo de íons carregados positivamente (cátions), a ligação metálica é muitas vezes comparada com a de sais fundidos.

No entanto, essa visão simplista somente é válida para poucos metais. Em uma visão mais da mecânica quântica, os elétrons de condução dividem sua densidade igualmente sobre todos os átomos que se comportam como entidades neutras. A ligação metálica é a resposta para muitas propriedades físicas dos metais, como força, maleabilidade, ductilidade, condutividade térmica e elétrica, opacidade e brilho.

3 - Ligações covalentes:

Existem três tipos de substâncias covalentes:

- moléculas individuais. Moléculas individuais têm fortes ligações que mantêm os átomos unidos, mas também há forças insignificantes de atração entre estas moléculas.Estas substâncias covalentes são gases, como por exemplo, HCl, SO2, CO2 e CH4.

- estruturas moleculares. Em estruturas moleculares existem forças de atração fracas. Estas substâncias covalentes são líquidos de baixa temperatura de ebulição (como o etanol), e baixa temperatura de fusão de sólidos (como o iodo eo CO2 sólido).

- estruturas macromoleculares. As estruturas macromoleculares têm um grande número de átomos ligados em cadeias ou em folhas (como o grafite), ou em estruturas tridimensional (tais como diamantes e quartzo). Estas substâncias têm ponto de fusão e de ebulição altos.

As ligações covalentes dividem-se em:

3.1 - A ligação covalente simples é ligação que ocorre quando os dois átomos precisam adicionar elétrons em suas últimas camadas. Somente o compartilhamento é que pode assegurar que que estes átomos atinjam a quantidade de elétrons necessária em suas últimas camadas.

Cada um dos átomos envolvidos entra com um elétron para a formação de um par compartilhado, que a partir da formação passará a pertencer a ambos os átomos. Ocorre entre não metais e não metais, não metais e hidrogênio e entre hidrogênio e hidrogênio.

Vale saber que o hidrogênio possui somente uma camada contendo um único elétron, compartilhando 1 elétron, atinge a quantidade necessária para a camada K, que é de dois elétrons. Os elétrons compartilhados passam a ser contados para as eletrosferas dos dois átomos participantes da ligação.

A existência de algumas moléculas não pode ser explicada simplesmente através da ligação covalente simples.

3.2 - Para estes casos foi formulada a teoria da ligação covalente coordenada ou dativa. Neste tipo de ligação, um dos átomos que já estiver com última camada completa colabora com os dois elétrons do par compartilhado.

Este par de elétrons apresenta as mesmas características daquele da ligação covalente simples. A única diferença é a origem dos elétrons, que é somente proveniente a partir de um dos átomos participantes da ligação. Os elétrons do par passam a pertencer a ambos os átomos participantes. A ligação covalente coordenada é representada por uma seta que se origina no átomo doador e termina no átomo receptor.

3.3 - Em físico-química, força de van der Waals, em homenagem a cientista holandês Johannes Diderik de van der Waals, é a força atrativa ou repulsiva entre as moléculas (ou entre as partes da mesma molécula) do que os outros devido ao covalente obrigações ou a interação eletrostática de íons de um com o outro ou com moléculas neutras.

O termo inclui:

força entre dipolo permanente e um dipolo induzido correspondente;

Na física, existem dois tipos de dipolos:

- Um dipolo elétrico que é uma separação de cargas positivas e negativas. O mais simples exemplo é um par de cargas elétricas de igual magnitude mas de sinal oposto, separadas por uma certa distância (geralmente pequeno). Um dipolo elétrico permanente é chamado de eletreto.

- Um dipolo magnético que é um circuito fechado de corrente elétrica. Um exemplo simples disso é um circuito único de fio com algum fluxo de corrente constante através dele.

Muitas moléculas têm esses momentos de dipolo devido à distribuição não uniforme das cargas positivas e negativas sobre os átomos diferentes. Tal é o caso com os compostos polares, como hidróxido (OH-), onde a densidade de elétrons é compartilhado de forma desigual entre os átomos.

Uma molécula com um momento de dipolo permanente é chamado de uma molécula polar. A molécula é polarizada quando leva um dipolo induzido. O físico-químico Peter JW Debye foi o primeiro cientista a estudar dipolos moleculares extensivamente, e, como conseqüência, os momentos de dipolo são medidos em unidades de Debye nomeado em sua honra.

No que diz respeito a moléculas, existem três tipos de dipolos:

dipolos permanentes: Isto ocorre quando dois átomos de uma molécula substancialmente eletronegatividade diferentes: Um átomo atrai mais elétrons que o outro, tornando-se mais negativo, enquanto o outro átomo torna-se mais positiva.

dipolos instantâneos: Esses podem ocorrer devido ao acaso quando os elétrons que estar mais concentrado em um único lugar de outro em uma molécula, criando um dipolo temporário.

dipolos induzidos: Estes podem ocorrer quando uma molécula com um dipolo permanente repele elétrons outra molécula, "induzindo" um momento de dipolo em que molécula. Veja atração induzido-dipolo.

3.4 - forças instantâneas induzidas forças dipolo-dipolo (força de dispersão de London - LDF).

São forças intermoleculares entre moléculas apolares. Seu nome é em homenagem ao físico alemão-americano Fritz London, sendo também conhecida por forças instantânes de polarização quântica induzidas.

São forças fracas intermoleculares que surgem a partir das forças de interação entre moléculas multipolos temporárias, sem momentos permanete multipolares. As forças de dispersão de London também são conhecidas como forças de dispersão, forças de London ou dipolo-dipolo induzido.

As forças de London pode ser exibidas por moléculas apolares, porque a densidade de elétrons se move sobre uma molécula probabilisticamente (ver teoria da mecânica quântica de forças de dispersão).

Há uma grande chance de que a densidade de elétrons não será distribuído uniformemente ao longo de uma molécula apolar.

Quando os elétrons são distribuídos de forma desigual, ocorre uma multipolares temporária. Esta multipolaridade irá interagir com outros multipolos próximos e induzir uma polaridade temporária, similar em moléculas vizinhas. As forças de London também estão presentes em moléculas polares, mas são apenas uma pequena parte da força de interação total.

A densidade de elétrons em uma molécula pode ser redistribuída por proximidade para outro multipolo. Os elétrons irão se reunir do lado de uma molécula que encara uma carga positiva sendo que esta parte da molécula ficará com carga negativa.

Assim, um multipolo transitório pode ser produzido por uma molécula polar próxima, ou mesmo por um multipolos transiente em uma outra molécula apolar.

3.5 - A ligação dobrada, também conhecido como ligação banana, é um termo em química orgânica que se refere a um tipo de ligação química covalente com uma geometria que se parece um pouco com a de uma banana.

O próprio termo é uma representação geral da densidade de elétrons ou de configuração semelhante a uma estrutura "dobrada" dentro de moléculas de pequenos aneis, tais como ciclopropano (C3H6) ou como uma representação de ligações duplas ou triplas em um composto que é uma alternativa para o orbital sigma e modelo ligação pi.

Um orbital atômico é uma função matemática que descreve o comportamento ondulatório do elétron ou um ou de um par de elétrons de um átomo.

Esta função pode ser usada para calcular a probabilidade de encontrar qualquer elétron de um átomo em qualquer região específica em torno do núcleo do átomo. Estas funções podem servir como um gráfico tridimensional com a localização provável de um elétron.

O termo pode, portanto, se referir diretamente à região física definido pela função onde é provável que o elétron esteja. Especificamente, orbitais atômicos são os possíveis estados quânticos de um elétron individual no grupo de elétrons em torno de um único átomo, tal como descrito pela função orbital.

Neste tipo especial de ligação química o estado de hibridação ordinária de dois átomos que formam uma ligação química são alterados com maior ou menor caráter do s-orbital, a fim de acomodar uma particular geometria molecular. As ligações dobradas são encontrados em compostos orgânicos, tais como o ciclopropano.

3.6 - A ligação de três centros e dois elétrons é uma ligação química de elétron deficiente onde três átomos compartilham dois elétrons.

A combinação de três orbitais atômicos forma três orbitais moleculares: uma ligante, um não ligante e um com anti-ligante. Os dois elétrons entram no orbital de ligação, resultando em um efeito de ligação em rede e passa a constituir uma ligação química entre os três átomos.

Em muitas ligações comuns deste tipo, o orbital de ligação é deslocado para dois dos três átomos, em vez de ser distribuído igualmente entre todos os três. O exemplo mais simples de uma ligação 3c-2e está no cátion tri-hidrogênio, o + H3.

3.7 - A ligação aromática: Em química orgânica, algumas configurações de elétrons e orbitais inferem estabilidade extra para uma molécula.

Isso ocorre quando orbitais π se sobrepõem e se combinam com outros, em diferentes centros atômicos, formando uma grande gama de ligações. Para uma molécula ser aromática, deve obedecer a regra de Hückel, onde o número de elétrons π ajusta a fórmula 4n + 2, onde n é um inteiro.

As ligações envolvidas na aromaticidade são todas planares. No benzeno, um composto aromático típico, 18 (n = 4) se ligam os elétrons de conectados a 6 átomos de carbono para formar uma estrutura em anel planar.

A ordem de ligações "(número médio de ligações) entre os átomos de carbono diferentes pode ser considerada (18 / 6) / 2 = 1.5, mas nesse caso as ligações são todas idênticas do ponto de vista químico.

Elas, às vezes, pode ser escritas como ligações simples alternando com ligações duplas, mas a visão de todas as ligações-anel sendo como equivalentes a cerca de 1,5 ligações, está muito mais próximo da verdade.

No caso dos compostos aromáticos heterocíclicos e benzenos substituídos, as diferenças de eletronegatividade entre as diferentes partes do anel pode dominar o comportamento das ligações químicas em anéis aromáticos, que de outra forma são equivalentes.


O campo eletromagnético:

Um campo eletromagnético é uma área física produzida por objetos eletricamente carregados que afeta o comportamento de objetos carregados em seus arredores. O campo eletromagnético se estende indefinidamente ao longo do espaço e descreve a interação eletromagnética.

O campo pode ser visto como a combinação de um campo elétrico e campo magnético. O campo elétrico é produzido por taxas fixas (por exemplo uma carga), e o campo magnético é produzido por cargas em movimento (correntes), e, em conjunto, são descritos como fontes do campo eletromagnético.

A maneira em que cargas e correntes interagem com o campo eletromagnético é descrito pelas equações de Maxwell e a lei de Lorentz.

O campo eletromagnético pode ser compreendido de uma forma mais usual: experimentos revelam que em algumas circunstâncias a transferência de energia electromagnética é melhor descrita como sendo levada em 'pacotes' ou 'pedaços' chamado quanta ou fótons com uma freqüência fixa.

A relação de Planck conecta a energia E de um fóton a sua freqüência ν através da equação:

E = hν

onde h é a constante de Planck, e ν é a freqüência do fóton.

A luz do sol é a principal fonte de energia para a Terra. A radiação eletromagnética abrange praticamente todos os aspectos da vida.

A radiação eletromagnética consegue se propagar no vácuo ou na matéria. É composta por componentes do campo elétrico e magnético, que oscilam em fase perpendiculares entre si e perpendiculares à direção de propagação da energia.

A radiação eletromagnética é classificada em vários tipos de acordo com a freqüência de suas ondas, o que é dado pelo espectro eletromagnético, em uma maneira simplificada conforme segue abaixo:

ondas de rádio;

microondas;

radiação infravermelha;

luz visível;

radiação ultravioleta;

raios-X;

raios gama;

Uma pequena janela e um pouco variável de freqüências é percebida pelos olhos de vários organismos, o que é o que é chamado de espectro visível.

O fóton como visto anteriormente, é o quantum da interação eletromagnética ea unidade de base "de luz e todas as outras formas de radiação eletromagnética e também é a transportadora para forçar a força eletromagnética.

Dessas radiações eletromagnéticas, a que nos interessa são so raios gama.

A radiação gama, também conhecida como raios gama (denominado γ), é a radiação eletromagnéticas de alta freqüência (comprimento de onda muito curto), produzida por interações de partículas sub-atômicas, como a aniquilação elétrons-pósitrons, decaimento do píon neutro, decaimento radioativo, fusão e fissão nuclear ou efeito Compton inverso em processos astrofísicos.

Os raios gama são produzidos frequentemente ao lado de outras formas de radiação, tais como alfa ou beta.

Quando um núcleo emite uma partícula α ou β, o núcleo filho, às vezes, é deixado em um estado excitado, absorvendo um fóton. Ele pode, então, saltar para um estado de menor energia, emitindo um raio gama (um fóton de alta energia). Da mesma forma, um elétron atômico pode saltar para um estado de menor energia, emitindo luz infravermelha, visível ou luz ultravioleta.

Os raios gama, raios X, luz visível e ondas de rádio são todas as formas de radiação eletromagnética. A única diferença é a freqüência e, portanto, a energia dos fótons. Os raios gama são os mais energéticos.

Por que ocorre o decaimento de núcleos?

Os prótons e nêutrons que constituem os núcleos, bem como outras partículas que podem aproximá-los, são regidas por diversas interações. Como vimos anteriormente, a força nuclear forte é a força mais poderosa para distâncias subatômicas.

A força eletrostática é quase sempre significativa, e, no caso do decaimento beta, é a força nuclear fraca que está envolvida, em conjunto com aquela.

A interação dessas forças produz um número de diferentes fenômenos em que a energia pode ser liberada por um rearranjo das partículas. Algumas configurações das partículas em um núcleo têm a propriedade de que, se elas mudarem ligeiramente, estas partículas podem reorganizar-se em um arranjo de menor energia e liberar o excedente.

Assim, uma perturbação, pode criar um atalho para um estado de maior entropia, ou seja, a energia total será distribuída ao longo de um maior número de estados quânticos (e a famosa "desordem", como será, pela "n"-ésima vez explicado mais adiante).

Dessa forma, a energia total não muda neste processo, mas devido à segunda lei ( lei da entropia), alcança-se o estado com o maior número de maneiras em que a energia disponível poderá ser distribuída.

Tal colapso (um evento de decaimento) requer uma energia de ativação específica. No caso de um núcleo atômico animado, a perturbação arbitrariamente pequena vem de flutuações do vácuo quântico. Um núcleo radioativo (ou qualquer outro sistema animado na mecânica quântica) é instável, e pode, assim, espontaneamente, estabilizar-se indo em direção a um sistema menos excitado.

A transformação resultante altera a estrutura do núcleo e resulta na emissão de fótons ou de uma partícula de alta velocidade que tem massa (como um elétron, partícula alfa, ou outro tipo). É o que denominamos de decaimento radioativo.

Assim, é graças à força eletromagnética que temos a geração da luz, assim como das demais formas de radiação eletromagnética como os raios X e raios gama.

É também graças à força eletromagnética que a matéria, de uma maneira geral, parece ser tão compacta. Na realidade, as distâncias relativas entre as partículas que compõem a matéria são tão grandes, que se não fosse a força eletromagnética, poderíamos atravessar sem dificuldades uma grossa parede de concreto.

É também devido a esta força que as moléculas se formam e que há a possibilidade de as reações químicas ocorrerem, sendo que, por meio de seus mecanismos de reações e devido às seguintes propriedades:

periódicas (são aquelas que crescem e decrescem em intensidade à medida que aumenta o número atômico).Entre as propriedades periódicas temos: raio atômico, energia de ionização, eletroafinidade, eletronegatividade, densidade, temperatura de fusão e ebulição e volume atômico;

aperiódicas (propriedades cujos valores só aumentam ou só diminuem com o número atômico, são propriedades que não se repetem em ciclos ou períodos) dos elementos. Como exemplos de propriedades aperiódicas temos: calor específico, índice de refração, dureza e massa atômica. É válido ressaltar que a massa atômica sempre aumenta de acordo com o número atômico do elemento, e não diz respeito à posição deste elemento na Tabela.

São estas propriedades, apresentadas na tabela periódica dos elementos que possibilitam transformar uma substância em outra e termos a gama enorme de substâncias espalhadas por todo o Universo.

Estas reações podem mesmo possibilitar a química para que a vida aconteça, permaneça e evolua, conforme ocorre com a presença de aminoácidos em cometas, compostos orgânicos em meteóros e formação de produtos orgânicos até mesmo em nebulosas, tendo como catalisadores a radiação ultravioleta, o calor e mesmo raios em nuvens planetárias.

Explicando o Universo - Parte III

2 - A força nuclear fraca:

É uma das forças fundamentais menos familiares e é desenvolvida entre os léptons e os hadrons.

A força fraca é assim chamada porque, embora seja mais forte que a gravidade, só é eficaz em distâncias muito curtas (10-18 m). Tecnicamente, é uma das maiores forças, mas por serem as partículas envolvidas tão grandes, seu curso é limitado a uma curta faixa de partículas. São os bósons W e Z com massa de 80 GeV e 91 GeV respectivamente que respondem pela força fraca .

A palavra fraca deriva do fato de que a intensidade do campo típico é 10^-11 vezes a força da força eletromagnética e alguns 10^-13 vezes maior do que a força forte, quando as forças são comparados entre as partículas.

Seu efeito mais conhecido é o “decaimento beta” que ocorre quando um nêutron se transforma em um próton, criando ao mesmo tempo um elétron e outra partícula sem carga ou massa, chamada de antineutrino.

Em física nuclear, é um decaimento no qual uma partícula beta (um elétron ou um pósitron) é emitido. Para o caso de emissão de um elétron temos o beta menos (β−), e para o caso de emissão de um positron temos o beta mais (β+).

Dessa forma, ocorre o aumento de um próton no núcleo e transforma o átomo em outro elemento químico. O físico brasileiro José Leite Lopes (1918-2006), em 1958, previu a existência da partícula que seria mediadora dessa interação.

Ela opera somente em escalas de distâncias extremamente curtas, encontradas nos núcleos atômicos. A força fraca é responsável pelo decaimento radioativo (transformação de um núcleo atômico em outro).

Em 1900, Ernest Rutherford e Frederick Soddy (1877-1956) detectaram uma transmutação de elementos químicos (Tório para Rádio e depois para Radônio).

Uma transmutação de elementos é uma alteração na natureza química dos elementos induzida por reações nucleares ou por decaimento.

O decaimento é um processo físico no qual uma partícula instável se transforma (decai) espontaneamente num conjunto de outras partículas; parte da energia de massa da partícula inicial transforma-se em energia cinética dos produtos de decaimento. No caso descoberto por Rutherford e Soddy, ocorre um decaimento alfa.

Foi Rutherford quem descobriu os decaimentos alfa e beta, beneficiando-se dos estudos de Henry Becquerel e do casal Curie (Pierre e Marie), realizados na França com sais de Urânio.

No decaimento beta, ocorre um fenômeno estranho. Um núcleo dá origem a um elemento químico de número atômico superior a uma unidade (em relação ao núcleo original) e emite um elétron. Este elétron é nuclear, e não da “eletrosfera”.

Em ambos ocorre a produção de raios gama. Estes surgem com os dois decaimentos anteriores, pois o núcleon filho está em um estado mais excitado. Ao saltar para um nível mais baixo de energia emite os raios gama.

O que ocorre?

Para piorar o caso, esse processo parecia violar um dos cálices sagrados da Física: a conservação de energia.

Na década de 20 do séc. XX, o decaimento beta foi cuidadosamente estudado. Wolfgang Pauli que propôs para evitar a não conservação de energia que houvesse uma outra partícula produzida no processo, mas ainda não identificada.

Esta partícula não tinha carga elétrica e pequena ou nenhuma massa. Enrico Fermi chamou esta partícula de neutrino. O neutrino foi descoberto em 1956 no reator nuclear de Savannah River nos E.U.A..

Na verdade, a força fraca é mais forte que o eletromagnetismo, mas suas partículas mensageiras (bósons W– estes divididos em +W e –W; e Z) são tão massivos e lentos que não transmitem, na sua totalidade, a sua força intrínseca.

Do mesmo modo que a força nuclear forte, a força fraca também é uma força de curto alcance. Ela atua somente em uma vizinhança de cerca de 10^-16 centímetros.

A força fraca é, aproximadamente, 10^-13 vezes tão forte quanto à força eletromagnética.

Existem fenômenos que ocorrem no interior do núcleo atômico que, embora também estejam relacionados com a estabilidade nuclear, não podem ser explicados sem que postulemos a existência de uma outra força, com características bastante diferentes da força nuclear forte.

Entre estes fenômenos nucleares que exigem a presença de um novo tipo de interação está a radioatividade e o decaimento de partículas nucleares.

As forças fracas também explicam os processos de decaimento nucleares de várias partículas elementares, tais como o decaimento beta nuclear, o decaimento do pion, do muon e de várias partículas "estranhas".

O decaimento de uma partícula é a sua transformação em outras partículas por processos espontâneos.

A teoria das interações eletrofracas é devida ao físico inglês Sheldon Glashow, ao físico norte-americano Steven Weinberg e ao físico paquistanês Abdus Salam, que a propuseram nos anos de 1960. A nova teoria das interações fracas, que é chamada de flavordinâmica por causa de uma das propriedades intrínsecas das partículas elementares, é também justamente conhecida como Teoria de Glashow-Weinberg-Salam.

Na mecânica quântica, a flavordinâmica é um modelo matemático usado para descrever a interação de "partículas de sabor" (força fraca), através da troca de bósons vetoriais intermediários, mas o termo é raramente usado por físicos de partículas.

Nesta teoria, as interações fraca e eletromagnética são apresentadas como manifestações diferentes de uma única força, a força eletrofraca. Esta unificação entre a interação fraca e a interação eletromagnética reduz o número de interações fundamentais existentes em épocas mais iniciais do Universo a apenas 3: interação gravitacional, interação forte e interação eletrofraca.

A teoria eletrofraca introduz dois tipos de mediadores, aquelas partículas que são responsáveis pelo transporte de informações sobre estas interações. Os mediadores da interação eltrofraca são partículas pesadas, obtidas nos grandes aceleradores de partículas.

Para interações fracas que envolvem partículas carregadas, os mediadores são as partículas W+ e W-. Por serem mediadas por partículas carregadas, estas interações também são conhecidas como correntes carregadas.

No caso de interações fracas que envolvem partículas sem carga, o mediador da interação é uma partícula sem carga, ou neutra, chamada Zo. Por este motivo, estas interações são chamadas de correntes neutras. A partícula Zo também é uma partícula muito pesada.

Se a força fraca não existisse, muitos tipos de matéria se tornariam bem mais estáveis. Elementos como plutônio e urânio poderiam ser manuseados sem proteção. Sem a força fraca, o sol e todas as estrelas deixariam de existir.

A força nuclear fraca permite a fusão de prótons e nêutrons para formar deutério. O excesso de energia a partir desta fusão é a origem do calor das estrelas.

Explicando o Universo - Parte II

As Forças da natureza:

Para uma elucidação a respeito das quatro forças fundamentais do Universo, vale a leitura deste artigo em Ciência Hoje.

1 - A força nuclear forte:

De todas as forças, a mais poderosa força, de longe, é a força nuclear forte. Além disso, esta força tem uma das distâncias mais curtas de interação.

A força forte é hoje vista de duas maneiras:

a força forte propriamente dita que atua entre os quarks dos núcleons;

a força forte residual, que atua entre os prótons e os nêutrons, sendo esta força residual uma manifestação da força forte a uma escala maior. 

A força nuclear forte é a força responsável pela coesão do núcleo atômico. Como é possível o núcleo atômico não “explodir” já que todos os prótons possuem carga elétrica positiva?

Para enfrentar tal questão, devemos conhecer quem são os quarks.

Os bárions (prótons e nêutrons) são constituídos por quarks. Em um próton há dois quarks up e um quark down e em um neutron há dois quarks down e um quark up.

Os quarks estão "colados" em conjunto por partículas chamadas glúons, cuja força de atração é muito grande.

Glúons são expressões elementares de interação entre quarks, e estão indiretamente envolvidos com a ligação de prótons e nêutrons juntos no núcleo atômico, por meio da força nuclear forte.

A antipartícula de um glúon é outro glúon sendo que eles se apresentam sob oito cores.

Em termos técnicos, que são bosons vetoriais de gauge que medeiam as interações forte carga de cor dos quarks na cromodinâmica quântica (QCD).

Ao contrário do fóton eletricamente neutro da eletrodinâmica quântica (QED), os próprios glúons carregam carga de cor e, portanto, participam da interação forte, além da mediação, tornando a QCD significativamente mais difícil de analisar do que QED.

Já um quark é uma partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria. Os quarks se combinam para formar partículas compostas chamadas hadrons, sendo que destas as mais estáveis são os prótons e nêutrons, os componentes dos núcleos atômicos.

Devido a um fenômeno conhecido como confinamento de cor, os quarks não são encontrados de forma isolada, mas somente dentro hadrons. Por esta razão, muito do que é conhecido sobre quarks foi elaborado a partir de observações dos próprios hádrons.

Por meio da teoria quântica, verificou-se que há seis tipos diferentes de quarks, porém apenas duas ocorrem na natureza.

Estes quarks são:

UP (U); O quark up é um férmion de spin 1/2 e número bariônico 1/3. Ele pertence a primeira geração da matéria, e dos quarks, com a carga elétrica de +(2/3)e, sendo o mais leve de todos, com massa pura entre 1.5 e 4 MeV/c2.

 

É um dos principais constituintes da matéria. Ele, juntamente com o quark down, forma o nêutrons (um quark up, dois quarks down) e prótons (dois quarks up, um quark down) de núcleos atômicos.

DOWN (D); O quark down é o segundo mais leve de todos os quarks, um tipo de partícula elementar, e um dos principais constituintes da matéria. Ele, juntamente com o quark up, formas de nêutrons (um quark up, dois quarks down) e prótons (dois quarks up, um quark down) dos núcleos atômicos.

Faz parte da primeira geração da matéria, tem uma carga elétrica -1 / 3 e nua e uma massa de 3,5-6,0 MeV/c2. Como todos os quarks, os quarks down é um férmion fundamental com o spin-1 / 2

CHARM (C); O quark charm é a terceira maior massa de todos os quarks, um tipo de partícula elementar, e um dos principais constituintes da matéria. quarks Charm são encontrados em hádrons, que são partículas subatômicas feita de quarks. Exemplo de hádrons contendo quarks charme incluir o J / ψ méson (J / ψ), mesons D (D), bárions encantado Sigma (Σc), e outras partículas encantado.

STRANGE (S); O quark strange é o terceiro mais leve de todos os quarks, um tipo de partícula elementar, e um dos principais constituintes da matéria. Quarks strange são encontrados em hádrons, que são partículas subatômicas.

Exemplo de hádrons contendo quarks estranhos incluem kaons (K), mésons estranhos D (Ds), bárions Sigma (Σ), dentre outras partículas estranhas. O quark estranho às vezes era chamado de quark lateralmente no passado.

BOTTOM (B); O quark bottom, também conhecido como quark beauty, é um quark de terceira geração com uma taxa de -1 / 3 e.

Apesar de todos os quarks serem descritos de forma semelhante pela cromodinâmica quântica, a grande massa do quark bottom (cerca de 4.200 MeV/c2, um pouco mais de quatro vezes a massa de um próton), combinado com baixos valores da matriz CKM de elementos Vub e VCB, lhe confere uma assinatura inconfundível que faz com que seja relativamente fácil de ser identificada experimentalmente (usando uma técnica chamada B-tagging - um exemplo do método jet e flavor tagging usado nos modernos experimentos de física de partículas de alta energia).

TOP (T);O quark top, ou quark verdade, é uma partícula elementar e um constituinte fundamental da matéria. Como todos os quarks, o top quark é um férmion fundamental com o spin-1 / 2.

Tem uma carga elétrica de 2 / 3 e, e é a o que tem maior massa dentre todas as partículas elementares observadas.

O bóson de Higgs, que pode ser tão grande, ainda não foi observado experimentalmente. Sua massa se apresenta na ordem de 173,1 ± 1,3 GeV/c2, que é aproximadamente a mesma massa de um átomo de tungstênio.

Os quarks UP e DOWN formam os prótons e nêutrons, enquanto os demais são formados em hádrons instáveis em aceleradores de partículas.

Dentro dos núcleos atômicos, a fim de que estes se mantenham coesos, quem faz o papel de partícula estabilizadora é o nêutron. Os nêutrons interagem com os prótons por meio dessa força.

No contexto de prótons e nêutrons (nucleons - nome coletivo para prótons e nêutrons) para que os átomos se formem, a interação forte é chamada de força nuclear (ou força forte residual).

Neste caso, é o resíduo da interação forte entre os quarks que formam os prótons e nêutrons. Como tal, a interação forte residual obedece a um comportamento completamente diferente, dependente da distância entre os núcleons, que quando ele está agindo dentro de quarks, de modo a vincular estes nucleons.

Acredita-se (este "acreditar" é em sentido científico, pois há evidências teóricas para tal) que a força forte seja mediada por glúons, agindo sobre quarks, antiquarks, e sobre os próprios glúons, o que é objeto de estudo da teoria da cromodinâmica quântica (QCD).

Quando o núcleo atômico é quebrado, parte da energia acumulada pela ação dessa força é liberada, provocando o processo de fissão nuclear, presente nos reatores nucleares ou na bombas atômicas. Essa força também atua no interior das estrelas, como o Sol. Esse processo, chamado de fusão nuclear, faz com que quatro prótons se convertam em um núcleo de hélio, liberando grande quantidade de energia.

A força nuclear forte é uma força de curto alcance, atuando na escala nuclear, sendo muito mais intensa que a força eletromagnética que atua entre os prótons. O nome coletivo para prótons e nêutrons é núcleons.

O conceito de uma força nuclear foi quantitativamente construído em 1934, logo após a descoberta do nêutron que revelou serem os núcleos atômicos formados por prótons e nêutrons, mantidos juntos por uma força atrativa.

A força nuclear naquele momento foi concebida para ser transmitida por partículas chamadas mésons, previstos na teoria quântica, antes de serem descobertos, no ano de 1947.

Na década de 1970, revelou-se uma maior compreensão a respeito dos mésons como combinações de quarks e glúons, transmitida entre nucleons. Este novo modelo permitiu que as forças fortes que mantêm os núcleons coesos, fosse sentida em núcleons vizinhos, como força residual forte.

A força nuclear quase independe se os núcleons são nêutrons ou prótons. Esta propriedade é chamada independência de carga. que depende se os spins dos núcleons são paralelos ou antiparalelos, e se tem um componente não-central ou tensor. Esta parte da força não conserva o momento angular orbital, que é uma constante do movimento sob força central.

A força nuclear forte residual é representada pela troca de um méson pi entre o próton e o nêutron.

O pion é compreendido como a partícula que medeia a interação entre um par de núcleons. Essa interação é atrativa, ou seja ela mantém os núcleons juntos.

Escrito de uma forma não-relativística, é chamado de potencial de Yukawa. O pion, como não possui um spin, tem cinemática descrita pela equação de Klein-Gordon. Nos termos da teoria quântica, a teoria de campo efetiva Lagrangeana que descreve a interação núcleon-píon a qual é chamada de interação de Yukawa.

Se a força forte não existisse, a matéria deixaria de existir. Mais especificamente, se os glúons que mantêm os quarks no próton desaparecessem, os quarks cairíam para fora do próton. Essencialmente o universo não contém nada além de quarks up e down, os quais são os "blocos de construção" da matéria.

Explicando o Universo - Parte I

Introdução:

Um artigo muito interessante publicado na Hypescience se refere à morte térmica do universo baseada na entropia.

Vejamos:
Há muito tempo físicos prevêem que o Universo acabará na chamada “morte térmica”, estado em que terá utilizado toda a sua energia e não poderá mais sustentar nenhum movimento. Ver aqui.

Porém, novos cálculos realizados por uma equipe de físicos australianos mostram que a morte térmica pode chegar mais cedo do que os cientistas acreditavam. A morte térmica é baseada no conceito da entropia, que afirma que estados desordenados são mais estáveis que aqueles ordenados.

Em uma experiência da vida real, por exemplo, pode-se dizer que é mais fácil quebrar uma janela de vidro (estado ordenado) do que reorganizá-la ou criar uma nova janela – estado desordenado – ou seja, a janela permanecerá quebrada.

Na escala do Universo, sistemas complexos como estrelas, planetas e galáxias são como a janela de vidro, e os novos cálculos mostram que buracos negros supermassivos os estão quebrando mais rapidamente do que imaginávamos.

Já era de conhecimento dos físicos que os buracos negros contribuem com a entropia do Universo ao quebrar a matéria e energia em seus turbilhões gravitacionais, mas os cálculos sempre mostraram o nível da desordem com base nos buracos negros menores e mais freqüentes.

Entretanto, o novo cálculo leva em consideração o poder destrutivo dos buracos negros supermassivos, que podem consumir galáxias inteiras. Os cientistas australianos descobriram que os cálculos antigos subestimavam quanto do Universo esses buracos negros já “engoliram”.

Porém, não é preciso começar a se preocupar com o fim do mundo: em uma escala humana, é como se o cálculo anterior afirmasse que o Universo fosse morrer aos 90 anos.

O novo cálculo descobriu que ele está mais próximo desta idade do que dos 50 anos. Mas é claro que as estimativas envolvem a morte térmica para daqui a bilhões de anos, então o Universo ainda tem um bom tempo para aproveitar a velhice.

O artigo é bem interessante, porém quanto à questão da entropia esquece de mencionar que o Universo é o único sistema considerado como fechado, o que favorece a aplicação da segunda lei na manutenção dos estados desordenados, ou seja, aqueles que apresentam o mais baixo nível de energia.

Também o artigo não menciona que, ao se fornecer energia ao subsistema, este poderá “ludibriar” o sentido normal da degradação. Por exemplo: se levarmos o vidro da janela quebrada ao forno e aplicarmos energia (calor) este vidro fundirá e, valendo-nos do trabalho, poderemos recompor nossa janela, o que reduziria a entropia deste subsistema.

Entretanto, o balanço geral de entropia, entre a janela, o forno, o vidreiro e o meio, seria sempre positivo, o que não contraria em nada a segunda lei.

Mas há uma nota cujo conteúdo levanta dúvidas acerca da origem do universo extraída daqui

(postado em Quinta-feira, Outubro 22, 2009).Vejamos o teor da nota:

Nota: Se o Universo poderá terminar num estado desordenado, pergunto: Quem ou o que fez com que ele começasse num estado ordenado, menos provável (afinal, todo mundo entende que ordem não pode provir do caos)?

A pergunta a ser feita não é quem ou o que fez o Universo, mas sim como ele surgiu.
 

Todavia, resta-me uma dúvida: qual é o conceito de ordem ou de desordem que o autor da nota tem em mente?
O universo não se trata de algo perfeitamente ordenado, mas de um caos generalizado. Basta que se pense nos fenômenos que ocorrem com buracos negros, quasares, supernovas, pulsares, choques intergaláticos e na própria matéria escura e em relação à energia escura (duas grandes desconhecidas nossas, mas que têm suas existências teoricamente verificàveis.

A resposta ao questionamento sobre como o universo partiu de um estado “ordenado” será dada ao longo desta explanação, uma vez que há que se compreenderem conceitos os quais não são nada elementares.

Continuando com a nota:

A pergunta é tão delicada que, para fugir da palavra “milagre” (que evoca o sobrenatural), os cientistas que negam o teísmo se valem de outra palavra: “singularidade”.

A origem deste universo ordenado, que funciona graças a leis finamente ajustadas, foi um evento singular, único, inexplicado. E empurram a porta da verdade para impedir que Deus coloque o pé através dela.

Para o questionamento sobre o "ajuste do Universo", recomendamos a seguinte leitura: A tentadora afinação do Universo, Uma brevíssima história do universo, e O mundo da teoria das cordas.

Para elucidarmos ao questionamento colocado, devemos nos remeter a conceitualização de certos elementos apontados pela nota. Porém, tratam-se de conceitos de extrema complexidade, até mesmo para os cientistas. 

Vejamos:

Singularidade:

O conceito de singularidade supõe uma falha ou interrupção das predições da teoria da relatividade geral. O termo em si foi emprestado da física, onde designa fenômenos tão extremos que as equações não são mais capazes de descrevê-los. Ou seja, a singularidade é um nome bonito que exprime tudo o que está além da nossa capacidade de cognição e previsibilidade.

As singularidades são zonas que desafiam nossa compreensão atual da física. Acredita-se que existem no núcleo de "buracos negros". Os buracos negros são regiões de intensa pressão gravitacional.

A pressão parece ser tão intensa que a matéria finita é realmente espremida em uma densidade infinita. Este é um conceito matemático que realmente encanta nossa mente. Estas zonas de densidade infinita são chamados de "singularidades". Acredita-se que nosso universo tenha começado infinitesimalmente pequeno, infinitamente quente, infinitamente denso, o que nos remete a uma singularidade.

De onde é que ela vem? Nós não sabemos.

Por que elas aparecem? Nós não sabemos.

A teoria do Big Bang é uma tentativa de explicar o que aconteceu no início do nosso universo. Descobertas em física e astronomia demonstraram, além de uma dúvida razoável, que o nosso universo de fato teve um começo. Antes desse momento não havia nada, durante e depois desse momento, houve uma coisa: o nosso universo. A teoria do big bang é um esforço para explicar o que aconteceu durante e depois daquele momento.

Todavia a física pré-big-bang nos remete a um mundo ainda mais impressionante, que é o dos universos paralelos, o qual será abordado ao longo destas postagens.

Mas, há muitas coisas por trás do lindo nome "SINGULARIDADE":

Em matemática, uma singularidade em geral é um momento em que um determinado objeto matemático não é definido, ou um ponto de um conjunto excepcional onde ele não consegue ser bem comportado, de algum modo particular, como diferenciabilidade. A Teoria da Singularidade é a disciplina que estuda estes fenômenos.

Ao se extrapolar a expansão do Universo para trás no tempo, usando-se a teoria da relatividade geral, encontra-se uma densidade e temperatura infinitas, em um tempo finito no passado. Esta singularidade marca o colapso da relatividade geral, ou seja, o quão próximo podemos extrapolar e debater sobre a singularidade, o que, certamente, não não vai além da era de Planck.

A era de Planck é o primeiro período de tempo na história do universo, a partir de zero para cerca de 10 ^ -43 segundos (tempo de Planck), durante o qual, os efeitos quânticos da gravidade foram significativos.

Poderíamos também dizer que é o mais cedo no tempo. Como o tempo de Planck é talvez o mais curto intervalo de tempo possível, a época Planck durou apenas este instante breve. Neste momento, cerca de 13,7 bilhões de anos atrás, acredita-se que a força da gravidade era tão forte quanto as outras forças fundamentais, o que sugere a possibilidade de que todas as forças estiveram um dia unificadas.

Inconcebivelmente quente e denso, o estado do universo durante a época de Planck foi instável ou transitório, tendendo a evoluir, dando origem às manifestações familiares das forças fundamentais, através de um processo conhecido como quebra de simetria.

A cosmologia moderna sugere agora que a era de Planck pode ter inaugurado um período de unificação ou época da Unificação Grande, e que a quebra de simetria, em seguida, levou rapidamente à era da inflação cósmica, época inflacionária, durante o qual o universo expandiu-se em escala, ao longo de um curto período de tempo.

A quebra de simetria, na física, descreve um fenômeno onde (infinitamente), pequenas flutuações na qualidade de um sistema de passagem a um ponto crítico decide o destino de um sistema, por determinação da bifurcação de um galho tomada (um caminho a ser seguido).

Para um observador externo ignorar as flutuações (o "ruído"), a escolha aparecerá arbitrariamente. Este processo é chamado "quebra de simetria", porque essas transições normalmente trazem o sistema do estado desordenado para um dos dois estados. A desordem é mais simétrica, no sentido de que pequenas variações para esta não alterem a sua aparência. É dessa forma que a simetria é "quebrada".

Para o caso do Universo o que se tem é uma singularidade gravitacional, ou a singularidade do espaço-tempo, que é um local onde as quantidades usadas para medir o campo gravitacional são infinitas, em uma maneira que não dependem de qualquer sistema de coordenadas.

Estas quantidades são as curvaturas escalares invariantes do espaço-tempo, algumas das quais são uma medida da densidade da matéria.

Para os efeitos de prova dos teoremas de singularidade de Penrose-Hawking, um espaço-tempo com uma singularidade é definido como aquele que contém geodésicas que não podem ser estendidas de forma suave. O termo matemático de tal geodésica é considerado a singularidade. Esta é uma definição diferente, útil para demonstrar estes teoremas.

Na relatividade geral, uma linha geodésica generaliza a noção de uma "linha reta" para o espaço-tempo curvo. De modo importante, a linha universal de uma partícula, livre de toda a força externa, é um tipo particular de geodésica. Em outras palavras, uma partícula movimentando-se livremente sempre se move ao longo de uma linha geodésica.

As singularidades espaço-temporais podem ser, em seus aspectos mais gerais, divididas em:

1 - De coordenadas. São o resultado de ter escolhido um mau sistema de coordenadas. Algumas destas singularidades de coordenadas indicam lugares físicos que são especiais. Por exemplo na métrica de Schwarzschild, a singularidade de coordenadas representa o horizonte de acontecimentos.

2 - Físicas. São singularidades espaço-temporais de pleno direito. Se diferenciam das anteriores porque em algumas das contrações do tensor de curvatura, este é divergente.

Geometricamente as singularidades físicas podem ser:

2.1 - Hipersuperficies abertas: Estes tipos de singularidades são encontrados em buracos negros, que não têm conservado o momento angular como é o caso de um buraco negro de Schwarzschild ou um buraco negro de Reissner-Nordstrøm.

2.2 - Hipersuperficies fechadas: é a singularidade toroidal ou em forma de anel, que normalmente faz seu aparecimento em buracos negros que têm conservado seu momento angular, como pode ser o caso de um buraco negro de Kerr ou um buraco negro de Kerr-Newman, aqui a matéria, devido ao giro, deixa um espaço ao médio formando uma estrutura parecida à de uma rosquinha.

Segundo seu carácter, as singularidades físicas podem ser:

2.3 - Singularidades temporárias, como a que se encontra em um buraco de Schwarzschild na que uma partícula deixa de existir por um instante de tempo. Dependendo de sua velocidade, as partículas rápidas demoram mais em atingir a singularidade, enquanto as mais lentas desaparecem antes. Estes tipos de singularidades são inevitáveis, já que todas as partículas devem atravessar a hipersuperficie temporária singular.

2.4 - Singularidades espaciais, como a que se encontram em buracos de Reissner-Nordstrom, Kerr e Kerr-Newman. Em hipersuperficies espaciais uma partícula pode escapar delas e por tanto se tratam de singularidades evitáveis.

3 - Singularidades também podem ser divididas conforme elas sejam cobertas por um horizonte de eventos ou não, as denominadas "singularidades nuas".

Na relatividade geral, uma singularidade nua é uma singularidade gravitacional, sem um horizonte de eventos.

As singularidades dentro de buracos negros (singularidades não nuas) são sempre rodeadas por áreas que não permitem a fuga da luz, partículas ou sinais, e, portanto, não podem ser observados diretamente. A singularidade nua, pelo contrário, é observável do exterior.

Até o início dos anos 1990, acreditava-se que a relatividade geral esconde por trás de cada singularidade um horizonte de eventos, tornando impossível as singularidades nuas.

Isso é conhecido como a hipótese de a censura cósmica. No entanto, em 1991, Shapiro e Teukolsky realizaram simulações em computador de um campo plano de rotação de poeira o que indicou que a relatividade geral poderia permitir as singularidades nuas.

O que esses objetos na verdade se parecem, neste modelo, ainda é desconhecido. Também não é sabido se as singularidades ainda surgiriam caso as hipóteses simplificadoras usadas para realizar a simulação fossem removidas.

Segundo a relatividade geral, o estado inicial do universo, no início do Big Bang, foi uma singularidade.

Os dois mais importantes tipos de singularidades são:

4 - Singularidades de curvatura: é um tipo de singularidade previsto pela relatividade geral está dentro de um buraco negro: qualquer estrela que colapse além de certo ponto forma um buraco negro, dentro do qual uma singularidade (coberta por um horizonte de eventos), seria formada, com toda a matéria que fluiria para um determinado ponto (ou uma linha circular, se o buraco negro estiver girando).

5 - Singularidades cônicas: o método de singularidade cônico, para a versão bidimensional da métrica de Schwarzschild é utilizado na obtenção das coordenadas de Kruskal para o buraco negro, de uma maneira muito simples e direta. Então nós fazemos uso desta métrica, em uma versão aproximada e calculamos o valor esperado do tensor energia-momentum de um campo quântico, sem massa, perto do horizonte, resultando em expressões regulares de seus componentes.

A singularidade cônica ocorre quando há um ponto onde o limite de cada quantidade invariante de difeomorfismo é finita. Nesse caso, o espaço-tempo não é tão suave ao ponto de seu próprio limite. Assim, o espaço-tempo se parece com um cone em torno deste ponto, onde a singularidade está localizada na ponta do cone. A métrica pode ser finita em todos os lugares se uma coordenada adequada do sistema for usada.

Na relatividade geral, um horizonte de eventos é uma fronteira no espaço-tempo, na maioria das vezes uma área em torno de um buraco negro, além do qual os eventos não podem afetar um observador externo.

A luz emitida para além do horizonte jamais poderá atingir o observador, e qualquer objeto que se aproxima do horizonte do lado do observador parece mover-se lentamente e não passa pelo horizonte, sendo que a sua imagem cada vez mais desvia-se para o vermelho no decorrer do tempo. O objeto viajante, no entanto, não experimenta nenhum efeito estranho e, de fato, passar o horizonte em um tempo finito e apropriado.

O desvio para o vermelho pode ter três causas distintas: o Efeito Doppler descrito acima, o campo gravitacional da fonte (a luz perde energia ao subir no campo gravitacional da estrela) e a expansão do Universo ("redshift" cosmológico).

No "redshift" cosmológico o desvio ocorre devido à expansão do espaço em si, isto é, o comprimento de onda aumenta diretamente como resultado da expansão do espaço.

Não se sabe ao certo o que ocorreu no início de nosso Universo, mas acredita-se (esse acreditar com base em evidências científicas) que toda a energia (densidade e temperatura) se concentrava em um único ponto.

Uma flutuação nessa energia primordial teria rompido a singularidade até que uma grande explosão aconteceu. Particularmente, não diria explosão, mas sim ruptura da singularidade e conseqüente dissociação entre as quatro forças do universo: eletromagnética, gravitacional, nuclear forte e nuclear fraca.

Todavia, como sempre digo, “chutar” simplesmente o assunto para os deuses, além de ser um gigantesco salto epistemológico, não responde nada e é um argumento da preguiça.

Esta atitude faz com que a discussão científica se torne teológica e saiamos não em busca de respostas plausíveis, mas de fantasmas criados pela nossa imaginação a fim de explicar o que ainda não compreendemos. É confundir o insondado com o insondável.

Convenhamos que falar bobagens é fácil, mas desfazê-las é muito mais difícil e requer muito conhecimento.

Daí a produção de lixo criacionista ser muito mais rápida que produção de ciência de verdade.

Daqui para frente, vamos viajar um pouco mais pelo mundo da física de partículas e conhecermos as forças atuantes em nosso universo.

Na verdade, estas devem ser denominadas interações pois ao afetarem as partículas da matéria, tal fenômeno é devido a uma "troca entre partículas trasportadoras de força, a outro tipo completamente diferente de partícula.

Desse modo o que se denomina normalmente como "forças" são, na verdade, os efeitos das partículas transportadoras de força sobre as partículas da matéria, ou seja, uma interação.

Assim, uma partícula transportadora, de um tipo particular de força, só pode ser absorvida ou produzida por partículas da matéria que são afetadas por essa força.

Por exemplo, elétrons e prótons têm carga elétrica; portanto, eles podem produzir e absorver as tranportadoras de forças eletromagnéticas, ou seja, o fóton. Neutrinos, por outro lado, não têm carga elétrica, então eles não podem absorver ou produzir fótons.