A música das esferas

1. A música das esferas

2. Os limites do nosso Universo • O que sabemos: • O Universo expande-se e teve início numa grande explosão cósmica: BigBang • 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

3. 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.

4. 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 109fm e um átomo tem 103fm de diâmetro • A essa escala a natureza têm um comportamento muito diferente, quântico

5. Os limites… • Invariância da velocidade da luz no vácuo • Princípio da Incerteza de Heisenberg

6. A outra matéria Einstein: E2=m2c4 Logo E= mc2 Que indicam os sinais + e - ?

7. A outra matéria Dirac: Um dos sinais corresponde à matéria normal; o outro corresponde a um novo tipo de matéria Anti-matéria

8. A outra matéria Matéria e anti-matéria têm cargas eléctricas opostas Podem separar-se com um campo magnético

9. A outra matéria A anti-matéria é produzida diariamente na Terra naturalmente e nos laboratórios

10. A outra matéria Quando matéria e anti-matéria entram em contacto aniquilam-se mutuamente O resultado são partículas de luz, fotões

11. A outra matéria Inversamente, um fotão pode espontaneamente converter-se num par partícula anti-partícula

12. A outra matéria De onde vem a anti-matéria? Do vácuo! Que é então o vácuo? Mistério…

13. A outra matéria A anti-matéria produz-se mas não existe no estado natural no Universo Porquê? Mistério…

14. A outra matéria No início do Universo havia quantidades iguais de matéria e anti-matéria Porque desapareceu a anti-matéria? Mistério…

15. B Mais matéria… A A velocidade de uma estrela varia com a distância ao centro da galáxia. B A Observado velocidade Previsto distância Os dados experimentais não coincidem com as previsões

16. Mais matéria… Zwicky: Existe matéria que não se vê e que só actua graviticamente sobre a matéria visível Matéria escura

17. Mais matéria… Constante de Hubble Lei de Hubble: velocidade = H distância Lei de Hubble: velocidade = H distância Velocidade de afastamento Cada ponto representa uma galáxia Expansão do Universo Distância à galáxia

18. Mais matéria… Sabemos desde há 10 anos que a Lei de Hubble é falsa para os objectos mais longínquos à escala do Universo Velocidade de afastamento Cada ponto representa uma galáxia Expansão acelerada Distância à galáxia

19. 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

20. De que é feito o Universo? A matéria escura e a energia escura representam 96%de toda a matéria no Universo 73% Energia escura 23% Matéria escura 3,6% Gás inter-estelar 0,4% Estrelas, etc

21. 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% Energia escura 23% Matéria escura 3,6% Gás inter-estelar 0,4% Estrelas, etc

22. O som das esferas

23. 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

24. 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 Intensidade Comprimento de onda

25. O corpo negro • Sabemos hoje que o Universo é um corpo negro, o que suporta a Teoria do BigBang • O satélite COBE demonstrou que o Universo está à temperatura de -270.4 ºC

26. O corpo negro • A radiação não está distribuída uniformemente no Universo As flutuações são fundamentais para que as galáxias se possam ter formado

27. 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

28. As partículas de luz Einstein: • A luz é uma onda mas também se pode, em certas circunstâncias, comportar como uma partícula • O Fotão

29. 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

30. Qual a natureza da matéria? As duas! Onda? Partícula ou

31. Qual a natureza da matéria? • 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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 electrão electrão neutrino protão

38. 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

39. 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

40. As forças fundamentais Gravítica Electro-magnética Forte Fraca Força Partícula intermediária Alcance Gravitão Fotão (γ) Gluão (g) W+, W-, Z0 Infinito Infinito Nuclear Nuclear

41. As partículas fundamentais • As restantes partículas agrupam-se em dois grupos: • Quarks: únicos que sentem interacção forte • Leptões (electrão e, muãoμ 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

42. O Modelo Padrão Glashow, Salam,Weinberg: Portador γ Família III Família I Família II τ e μ W ντ νe νμ Z0 t u c g b d s

43. O Modelo Padrão Glashow, Salam,Weinberg: Portador γ Família III Família I Família II τ e μ W ντ νe νμ Z0 Leptões t u c g b d s

44. O Modelo Padrão Glashow, Salam,Weinberg: Portador γ Família III Família I Família II τ e μ W ντ νe νμ Z0 t u c g b d s Quarks

45. O Modelo Padrão Glashow, Salam,Weinberg: Portador γ Família III Família I Família II τ e μ W Gravidade não incluída no modelo! ντ νe νμ Z0 t u c g b d s

46. Modusoperandi • 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

47. A arte de observar

48. Ondas Comprimento de onda Velocidade de propagação Para poder ver um objecto temos de ter um comprimento de onda da ordem do seu tamanho

49. 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…

50. Prévessin Meyrin O LargeHadronCollider(LHC) LagoLéman Jura LHC 4,3 Km SPS