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quinta-feira, 27 de setembro de 2012

Maravilhas do Universo - Dilatação Temporal e o Paradoxo dos Gêmeos


Muitas pessoas hoje, principalmente mulheres, procuram a fórmula da juventude, e a física tem a resposta: basta viajar a velocidades relativísticas através do espaço sideral.

Você deve está se perguntando o que tem a ver isso com a fórmula da juventude. Pois bem, vou explicar.

Imagine que você tem um irmão gêmeo e que você ganhou uma viagem pelo espaço numa nave que viaja a 0,8C (80% da velocidade da luz no vácuo). Então chega o dia da partida e seu irmão fica na Terra enquanto você faz um tour pelo universo. Você decide voltar e quando olha para seu irmão vê que ele está velho enquanto você está jovem ainda. Mas como isso é possível?

Na Relatividade Especial ou Restrita de Albert Einstein diz que em velocidades próximas da luz ou em campos gravitacionais muito fortes o tempo dilata, ou seja, passa mais devagar. Mas por que isso ocorre? Vou usar o hipotético relógio de fóton. Nesse relógio há um fóton e a cada ciclo (bate e volta) é contado 1 segundo. Veja as imagens abaixo.

Nessa primeira imagem o relógio não está em movimento.

Nessa segunda imagem o relógio está em movimento.

Podemos perceber que quando o relógio está em movimento o fóton tem um caminho maior para percorrer e consequentemente demora mais para contar 1 segundo em relação ao mesmo relógio parado.

Isso ocorre no dia a dia, algo em movimento está no passado em relação a você parado, porém em velocidades baixas em que estamos acostumados o efeito da dilatação é imperceptível. Apenas em velocidades relativísticas é que os efeitos são visíveis.

quinta-feira, 20 de setembro de 2012

Maravilhas do Universo - Viagem Temporal e o Paradoxo do Avô

"Se elas existissem, os cientistas do futuro já as teriam descoberto e nossa época estaria cheia de turistas do tempo." – Stephen Hawking


Viagens temporais continuam sendo apenas ficção científica, porém teoricamente é possível, basta viajar através da ponte de Einstein-Rosen, mais conhecida como Buraco de Minhoca.


Buracos de Michoca são túneis que ligam regiões do espaço e do tempo podendo você entrar agora de um dos lados e sair do outro na era dos dinossauros, ou no interior de uma estrela.



Físicos renomados como Stephen Hawking acham que viagens temporais são impossíveis. Em uma aposta feita com seu colega Thorne ele calculou que a probabilidade de o mesmo voltar e matar seu avô eram de 10-62. Para Hawking, viagens temporais são contraditórias e criam inúmeros paradoxos como o do avô.



O Paradoxo do Avô é simples. Imagine que você viaje pelo tempo para uma época antes de seus avós se conhecerem. Então você mata seu avô. Porém é ai que entra a contradição, se você matou seu avô, ele não conheceu sua avó, então seu pai ou mãe não nasceu e por consequência nem você. Se você nunca nasceu como voltou para o passado para matar seu avô?



Será que é possível voltar e mudar a história? Bem, parece que a natureza tem seus meios para evitar isso através do acúmulo de radiação. Isso levou Stephen Hawking criar uma lei, a Conjectura da Proteção Cronológica.








quinta-feira, 13 de setembro de 2012

Maravilhas do Universo - Estrelas


“Não devemos ter medo dos confrontos... até os planetas se chocam e do caos nascem as estrelas.” – Charles Chaplin

Em uma noite escura, longe da poluição luminosa das cidades, vemos vários pontinhos cintilantes, que para os antigos serviu como referência em suas viagens de caravela. Hoje as estrelas nos fascinam com sua extrema beleza quando estão aglomeradas.

Aqui da Terra parecem pontinhos calmos e inofensivos, mas na verdade são turbulentas bolas de plasma. Existem estrelas com centenas de milhares de graus.

Mas como surge uma estrela? De que são feitas? Qual o seu destino?

As primeiras estrelas surgiram por volta de 200 milhões de anos depois do Big Bang e essas fazem parte da primeira geração de estrelas.



A imagem acima é o WMAP, um mapa do universo primordial feito a partir da radiação cósmica de fundo. Mas o que isso tem a ver com estrelas? Bem, as partes vermelhas representam uma maior densidade de matéria formadoras da primeira geração, que através da gravidade foram se aglomerando. Basicamente as partes avermelhadas são regiões de formação estelar.

Os cientistas, através de simulações no computador, tentam explicar como surgiram as primeiras estrelas. De acordo com a simulação feita nas regiões de formação estelar o gás primordial começou a colapsar elevando a temperatura para milhares de kelvin e havendo um choque entre átomos de hidrogênio formando o hidrogênio molecular, que colidia com o hidrogênio atômico emitindo o infravermelho esfriando o gás primordial para apenas centenas de kelvin. Com a queda da pressão a gravidade formou um sistema ligado de matéria luminosa e matéria escura. Com o resfriamento do gás a matéria luminosa formou um disco, que com a ajuda da gravidade foi comprimindo o gás formando a primeira geração de estrelas.

Acredita-se que essas primeiras estrelas eram centenas de vezes mais massivas que o sol, então viveram pouco e ao fim de sua vida as de maiores massas se transformaram em buracos negros e o resto explodiu em supernovas espalhando elementos mais pesados pelo Universo.

As estrelas “de hoje” se formam a partir da morte de outra. Ao morrer algumas estrelas explodem em supernovas deixando uma nebulosa, que contem o material para o nascimento de outra estrela.

Essa nuvem de gás é fria, dezenas de kelvin, e as regiões mais densas começam a colapsar pela gravidade formando protoestrelas. A pressão vai aumentando e isso faz aumentar a temperatura, até o ponto em que a protoestrela ascende, iniciando a fusão nuclear e se transformando em estrela. Agora ela passará alguns milhões ou bilhões de anos queimando seu combustível.

Estrelas muito massivas queimam combustível muito mais rápido e consequentemente morrem primeiro. Então, uma anã vermelha viverá mais que uma gigante vermelha.

O nosso sol é uma anã amarela, o que significa que é uma estrela de porte pequeno e de cor amarela. A cor da estrela está relacionado a sua temperatura. Estrelas azuis são as mais quentes, enquanto as vermelhas são mais frias.

Bem, voltando a vida das estrelas, depois de longos anos convertendo hidrogênio em hélio, hélio em carbono e sucessivamente até o ferro, ela começa a entrar em déficit de combustível e a pressão gerada pela fusão começa a perder força, a gravidade começa a ganhar a batalha.

Em estrelas mais massivas a gravidade vai colapsar-la e a estrela se transformara em buracos negro, outras explodiram em supernovas, já algumas, tipo o Sol, vão se transformar em anãs brancas e queimarão mais alguns milhões de anos até apagarem, teoricamente, em anãs negras. Teoricamente, pois o Universo é tão jovem que não deu tempo de nenhuma estrela passar para o estágio de anã negra.

A imagem abaixo mostra a evolução estelar.


O nosso sol seguirá os passos até a anã negra, porém no seu estágio de gigante vermelha (próximo) ele acabará com as condições de vida daqui e infelizmente (ou felizmente) não estaremos vivos para presenciar a sobrevivência em volta de uma anã branca.

quinta-feira, 6 de setembro de 2012

Maravilhas do Universo - Uma Breve História do Átomo

"Seria uma coisa triste ser um átomo num universo sem físicos. E os físicos são feitos de átomos. Um físico é a maneira de um átomo saber que átomos existem." - George Wald


Os antigos, principalmente os gregos, acreditavam que se pegássemos um pedaço de matéria e dividíssemos em pedaços cada vez menores chegaríamos a um pedacinho minúsculo da matéria, que não seria possível mais dividir. Chamaram esse pedacinho de átomo, que significa indivisível.

Os principais nomes eram Demócrito e Leucipo, que acreditavam no pedacinho de matéria indivisível.

O átomo permaneceu uma filosofia por mais de dois mil anos até John Dalton, em 1803, comprovar cientificamente a sua existência. Observando o comportamento de gases atmosféricos ele imaginou os átomos como esferas maciças e indestrutíveis que interagiam formando os elementos químicos.


A teoria de Dalton ainda afirmava que o átomo era indivisível e permaneceu assim até a próxima revolução comandada por J.J Thomson.

Foi em 1897, quase um século depois da descoberta de Dalton, que foi descoberto os elétrons através da experiência com raios catódicos. Agora o átomo passava de indivisível para divisível. Era uma esfera positiva com cargas negativas, os elétrons, incrustadas. O modelo é conhecido como pudim de passas.



Os próximos passos seriam dados por Ernest Rutherford e Niels Bohr, respectivamente.

Foi em 1911 que Rutherford descobriu o núcleo atômico. Usando um emissor de radiação alfa (positivo) e uma folha de ouro, o físico “brincou” de colidir partículas. Veja a imagem abaixo.
Rutherford viu na camada fluorescente do experimento que a partícula alfa vazava pelo átomo, porém algumas ricocheteavam. Então foi constatado que o átomo possuía um núcleo maciço positivo e os elétrons, negativos, antes incrustado no átomo, agora fica orbitando-o.

No entanto, a teoria de Rutherford tinha um problema, pois de acordo com a Teoria Eletromagnética cargas em movimento emitem ondas eletromagnéticas, perdendo energia. Isso faria com que o elétron caísse no núcleo colapsando-o. Então, Niels Bohr criou o modelo planetário criando camadas e subníveis para os elétrons e toda vez que recebesse ou emitisse energia, subiria ou desceria de nível.

Essa foi uma simples e breve explicação sobre o processo de descobrimento do átomo, porém não parou por ai.

Em 1932, o físico James Chadwic comprovou a existência de uma partícula neutra, que ficaria no núcleo. Rutherford propôs essa partícula, mas nunca conseguiram provar. No entanto, Chadwic conseguiu usando a conservação da quantidade de movimento. Jogou contra uma amostra de berílio partículas alfas e percebeu um tipo de radiação, que foi chamada de gama pelos cientistas.

Depois de fazer medições e cálculos, James percebeu que essa radiação era a tal partícula sem carga e sua massa era igual a do elétron. Pela descoberta James Chadwi ganhou o prêmio Nobel de 1935.

As descobertas não pararam por aí. Com a invenção dos aceleradores de partículas novas partes do átomo foram descobertas. Agora sabemos da existência dos quarks, que formam os prótons e nêutrons.

Com os novos colisores como o LHC, o que será que nos espera?