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A MÚSICA DAS ESFERAS

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 Presentation

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Page 1: A música das esferas

A MÚSICA DAS ESFERAS

Page 2: 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

Page 3: A música das esferas

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.

Page 4: A música das esferas

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

Page 5: A música das esferas

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

Page 6: A música das esferas

A outra matéria

Einstein: E2=m2c4

Logo E= mc2

Que indicam os sinais + e - ?

Page 7: A música das esferas

A outra matéria

Dirac: Um dos sinais corresponde à matéria normal; o outro corresponde a um novo tipo de matéria

ANTI-MATÉRIA

Page 8: A música das esferas

A outra matéria

Matéria e anti-matéria têm cargas eléctricas opostas

Podem separar-se com um campo magnético

Page 9: A música das esferas

A outra matéria

A anti-matéria é produzida diariamente na Terra

naturalmente e nos laboratórios

Page 10: A música das esferas

A outra matéria

Quando matéria e anti-matéria entram em contacto aniquilam-se mutuamenteO resultado são partículas de luz, fotões

Page 11: A música das esferas

A outra matéria

Inversamente, um fotão pode espontaneamente converter-se num par partícula anti-partícula

Page 12: A música das esferas

A outra matéria

De onde vem a anti-matéria?Do vácuo!

Que é então o vácuo? MISTÉRIO…

Page 13: A música das esferas

A outra matéria

A anti-matéria produz-se mas não existe no estado natural no Universo

Porquê? MISTÉRIO…

Page 14: A música das esferas

A outra matéria

No início do Universo havia quantidades iguais de matéria e anti-matéria

Porque desapareceu a anti-matéria? MISTÉRIO…

Page 15: A música das esferas

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

Page 16: A música das esferas

Mais matéria…

Zwicky: Existe matéria que não se vê e que só actua graviticamente sobre a matéria visível

Matéria escura

Page 17: A música das esferas

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

Page 18: A música das esferas

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

Page 19: A música das esferas

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

Page 20: A música das esferas

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

Page 21: A música das esferas

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

Page 22: A música das esferas

O SOM DAS ESFERAS

Page 23: A música 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

Page 24: A música das esferas

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

Page 25: A música das esferas

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

Page 26: A música das esferas

O corpo negro

A radiação não está distribuída uniformemente no Universo

As flutuações são fundamentais para que as

galáxias se possam ter formado

Page 27: A música das esferas

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

Page 28: A música das esferas

As partículas de luz

Einstein:

A luz é uma onda mas também se pode, em certas circunstâncias, comportar como uma partícula

O FOTÃO

Page 29: A música das esferas

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

Page 30: A música das esferas

AS DUAS!

Qual a natureza da matéria?

Onda?

ouPartícula

Page 31: A música das esferas

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?

Page 32: A música das esferas

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

Page 33: A música das esferas

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

Page 34: A música das esferas

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

Page 35: A música das esferas

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

Page 36: A música das esferas

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

Page 37: A música das esferas

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

Page 38: A música das esferas

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

Page 39: A música das esferas

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

Page 40: A música das esferas

As forças fundamentais

Força

Partícula intermediária

Alcance

Gravítica

Gravitão

Infinito

Electro-magnéti

caFotão (γ)

Infinito

Forte

Gluão (g)

Nuclear

Fraca

W+, W-, Z0

Nuclear

Page 41: A música das esferas

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

Page 42: A música das esferas

O Modelo Padrão

Família Ieνe ud

Família IIμν

μ cs

Família IIIτντ

tb

Portador γW

gZ0

Glashow, Salam, Weinberg:

Page 43: A música das esferas

O Modelo Padrão

Família Ieνe ud

Família IIμν

μ cs

Família IIIτντ

tb

Portador γW

gZ0

Leptões

Glashow, Salam, Weinberg:

Page 44: A música das esferas

O Modelo Padrão

Família Ieνe ud

Família IIμν

μ cs

Família IIIτντ

tb

Portador γW

gZ0

Quarks

Glashow, Salam, Weinberg:

Page 45: A música das esferas

O Modelo Padrão

Família Ieνe ud

Família IIμν

μ cs

Família IIIτντ

tb

Portador γW

gZ0

Gravidade não incluída no modelo!

Glashow, Salam, Weinberg:

Page 46: A música das esferas

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

Page 47: A música das esferas

A ARTE DE OBSERVAR

Page 48: A música das esferas

OndasComprimento de

onda

Velocidade de propagação

Para poder ver um objecto temos de ter um comprimento de onda da ordem do seu tamanho

Page 49: A música das esferas

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…

Page 50: A música das esferas

O LARGE HADRON COLLIDER (LHC)

SPS

LHC

Meyrin

Prévessin

Jura

Lago Léma

n

4,3 Km

Page 51: A música das esferas

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

Page 52: A música das esferas

AS EXPERIÊNCIAS DO LHC

100 m

Page 53: A música das esferas

A experiência:

Vários aceleradores participam no processo de aceleração dos protões

Page 54: A música das esferas

Mapa do Universo

Matéria conhecida