Transcript Física Quântica

Minicurso de Física Moderna
Blog: www.sabedoriaquantica.blogspot.com
Eliane P Serra Xavier
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Facebook: eliane.xavier.14
Minicurso de Física Moderna
Explorando a ciência de um modo profundo e
sensível:
Física de Partículas – Partículas Fundamentais; partículas
transportadoras de força, antimatéria; bóson de Higgs.
Conceitos Básicos da FQ – Dualidade onda-partícula; colapso da
função de onda; o papel do observador na FQ; Princípios da
Incerteza e da Complementaridade; Campo Quântico.
Teoria das Cordas – A Teoria de Tudo, o sonho de Einstein; as
múltiplas dimensões; entendendo a quinta dimensão.
Teoria M – Universos Paralelos; como a nossa consciência nos leva
aos Universos Paralelos.
Reflexão Multimensional sobre o Universo e o nosso
papel dentro dele - A física moderna na nossa vida diária.
Física clássica
Isaac Newton (1643/1727) – átomo –
pequenas partículas sólidas, duras,
indivisíveis.
Descartes (1596/1650) – Universo
dividido entre mente e matéria.
Laplace (1749/1827) – conhecendo as
condições iniciais o futuro seria
previsível.
Visão de Mundo – século XXI
O que é este mundo que nos cerca?
O que é a matéria?
O que é o Universo?
Quem somos nós e qual o nosso papel dentro
do Universo?
O átomo é vazio! A matéria são ondas de
possibilidades que se colapsam pelo observador.
Nosso Universo conhecido representa apenas 4% de
tudo o que existe.
Universo -> Multiverso.
Transitamos por múltiplas dimensões e Mundos
Paralelos segundo nosso estado de consciência.
Força -> Campo Quântico
Conversão Energia-Massa ( E=mc² )
Coloca-se as partículas de massa pequena num
acelerador, dá-se a elas muita energia cinética
(velocidade) e faz-se a colisão. A energia cinética
das partículas se converte na formação de
novas partículas de maior massa. Criam-se
partículas pesadas instáveis e estuda-se suas
propriedades.
CERN: Laboratório
Europeu para Física
de Partículas. Esse
laboratório atravessa
a Suíça e a França.
LHC - Prótons viajando à
velocidades muito próximas da
luz num túnel de 27 km de
comprimento.
MODELOS ATÔMICOS
Modelo de Bohr (1913)- Um elétron só pode se mover
em órbitas definidas.
Se o elétron recebe energia suficiente, passa a ocupar
uma órbita mais externa ficando o átomo num estado
excitado.
Se um elétron passar de uma órbita para outra interior
ele libera energia (fóton).
Salto Quântico
Modelo de Bohr: Os elétrons se movem em órbitas definidas e emitem ou absorvem
fótons para saltarem de uma órbita a outra (salto quântico).
99,999999999999% do volume de um
átomo é apenas espaço vazio!
A matéria está cheia de vazio!
Do que o mundo é feito?
As partículas fundamentais.
-6 quarks
-6 léptons
-partículas transportadoras de
força.
O que mantém a matéria unida?
Existem quatro interações fundamentais
entre as partículas, e todas as forças no
mundo podem ser atribuídas a essas
quatro interações! Gravidade,
Eletromagnetismo, Força Forte e
Força Fraca.
Campo Quântico
Forças são criadas por pacotes discretos
de energia chamados quanta
Forças diferentes são
causadas pela troca de
quanta diferentes.
Max Planck
A partícula é onde o campo toma
“individualidade”.
Todas as estruturas do mundo existem
simplesmente porque prótons e elétrons têm
cargas opostas!
A partícula transportadora da força
eletromagnética é o fóton.
Partículas transportadoras de carga de cor,
relacionadas a força forte.
As partículas transportadoras das interações
fracas são W+, W- e Z
A partícula transportadora da força
gravitacional é o gráviton.
O Observador
O Observador
O Observador
Max Planck (1901) – propôs a quantização da
energia para explicar a radiação do corpo negro.
Quantização da energia
Einstein utilizou a ideia de Planck,
da quantização da energia, para
explicar o efeito fotoelétrico.
Nobel em 1921
Einstein propõe em 1905
uma explicação para esse
efeito: “Um quantum de
luz fornece toda sua
energia a um único
elétron”. Quantum? O
que seria isso?
Fóton – partícula de luz – pacotinho de
energia - quantum
•De acordo com Einstein, a energia de
toda radiação eletromagnética não se
distribui uniformemente como é previsto
pela teoria ondulatória clássica.
Essa energia se distribui em pequenos
pacotes de energia chamados de quantum
de energia.
E=hv
De Broglie (1923)- Dualidade onda-partícula
Ondas de matéria !
Experiência da fenda dupla
Postulado da Mecânica quântica:
Colapso da função de onda
Física Quântica
Interferência de ondas
Interferência
construtiva
Interferência
destrutiva
Entender a física quantica é algo muito difícil para nossa
cabeça "engessada" pelas leis da física e matemática clássicas.
Mas siga tentando entender os novos conceitos da fisica
quântica. Chegará um momento que o esforço parece que
"arrebentará" sua mente reduzindo-a a muitos caquinhos. Não
se importe. Junte-os e siga novamente a procura do
entendimento. Novamente sua cabeça arrebentará em muitos
pedaços e você os juntará outra vez. Mas dessa vez você vai
notar que não é necessário juntar todos os pedaços; sua mente
trabalhará muito melhor só com metade dos pedaços. Vá em
frente e todas as vezes que explodir em pedaços, junte apenas
a metade deles. Chegará um momento em que você já terá
uma mente mais leve, mais ampla, mais capaz, mais veloz,
mais universal. E finalmente quando notar que você não
precisa mais de nenhum pedaço, bem aí, você já será a
própria sabedoria do Ser universal que todos somos.
O Princípio da Complementaridade
Niels Bohr
Os modelos corpuscular e ondulatório são
complementares; se uma medida prova o caráter
ondulatório, então é impossível provar o caráter
corpuscular na mesma medida e vice-versa.
A escolha de que modelo usar é determinada pela
natureza da medida.
Assim, o princípio da complementaridade atesta
a ambigüidade e natureza dual da matéria e
energia.
Modelo corpuscular  Modelo ondulatório
Interpretação probabilística
Princípio da Incerteza de Heisenberg
A Mecânica Quântica prevê vários resultados
possíveis para uma observação, cada um com a
sua probabilidade e, portanto, informa-nos acerca
das probabilidades de cada um dos futuros estados
possíveis.
Mecânica quântica - interpretação basicamente
estatística, ao contrário da teoria clássica.
Princípio da Incerteza de Heisenberg
Uma experiência não pode determinar
simultaneamente o valor exato da velocidade e da
posição da partícula.
> O próprio ato da medição interfere no sistema.
Deus não joga dados.
Não diga a Deus o que fazer.
Einstein
Niels Bohr
Por que não parece que estamos criando
a nossa realidade?
Na verdade raramente estamos no
estado de consciência dotado de
escolha. Este só ocorre quando estamos
criativos, conectados com os arquétipos.
Segundo Einstein “A crença em um mundo exterior
independente do observador é a base de toda a ciência
natural.”
A mecânica quântica, entretanto, encara as interações
entre objeto e observador como a realidade
fundamental. Ela usa a linguagem de processos e
relações físicas em vez de qualidades e propriedades
físicas. Ela rejeita como sem sentido e sem utilidade, a
noção de que por detrás do universo de nossa
percepção está escondido um mundo objetivo,
governado pela causalidade; em vez disso ela se
restringe à descrição de relações entre percepções.
Qual é a natureza da realidade?
Isto tudo que nós experienciamos com nossos
sentidos físicos é uma realidade sólida?
«Somos seres que nos definimos através de
processos de relação. Nossas identidades não
são possíveis de descrever em si mesmas, mas
apenas como forma de relação. Relações
positivas produzem felicidade, relações
negativas produzem sofrimento. »
Lama Padma Samten
Física clássica -> Física Quântica
Isaac Newton (1643/1727) – átomo – pequenas partículas
sólidas, duras, indivisíveis.
A matéria está cheia de vazio!
Descartes (1596/1650) – Universo dividido entre mente e
matéria.
O observador é parte ativa no processo
da medida.
Laplace (1749/1827) – conhecendo as condições iniciais o
futuro seria previsível.
Princípio da Incerteza de Heisenberg
Do que o mundo é feito?
As partículas fundamentais.
-6 quarks
-6 léptons
-partículas transportadoras de
força.
MODELOS ATÔMICOS
Mas a estória toda é um pouco mais complicada. Há
uma partícula de antimatéria para cada partícula de
matéria.
A antipartícula do elétron é o pósitron.
Quando uma partícula de matéria e uma
partícula de antimatéria se encontram, elas se
aniquilam em pura energia!
Aceleradores de Partículas
A partícula de Deus – Bóson de Higgs
A ambição dos físicos é recriar as condições
do Universo uma fração de segundo após o
Big Bang.
Aceleradores de Partículas
Bóson de Higgs – partícula transportadora
de massa, que confere massa às outras
partículas.
Por que a partícula W tem uma massa elevada
enquanto o fóton não possui massa, se ambos são
transportadores de forças? O que causa a geração
e distribuição de massas entre as partículas e por
que elas são tão diferentes?
CERN: Laboratório
Europeu para Física
de Partículas. Esse
laboratório atravessa
a Suíça e a França.
Detectores de partículas
gigantescos.
MODELOS ATÔMICOS
Modelo Padrão: Explica o que é o mundo e o que o
mantém unido.
É uma teoria que explica todas as centenas de
partículas e interações complexas com apenas:
> 6 quarks.
> 6 léptons. O lépton mais conhecido é o elétron.
> Partículas transportadoras de força, como o fóton.
MODELOS ATÔMICOS
Todas as partículas de matéria
que nós conhecemos são
compostas de quarks e léptons,
e elas interagem trocando
partículas transportadoras de
força.
Desde galáxias até montanhas e
moléculas, são feitas de quarks
e léptons.
MODELOS ATÔMICOS
Cada nova geração de partículas fundamentais tende a
ser mais pesada que a anterior.
Matéria visível no universo - primeira geração de
partículas quarks up, quarks down e elétrons.
Todas as partículas da segunda e terceira gerações de
partículas são instáveis e decaem, tornando-se
partículas de primeira geração, a única geração
estável.
Matéria Escura
(1930) Matéria Escura – invisível e indetectável
A mão invisível do Universo.
A matéria escura ajuda a determinar a forma e o
espaçamento das galáxias e pode ser a principal
ligação entre vários aspectos da formação das
galáxias que pareciam desconectados.
Matéria Escura
Rotação da Via Láctea é rápida
demais para ser explicada sem
a “matéria escura"
A matéria normal das galáxias é mantida no
agrupamento pela força da gravidade de uma
massa ainda maior de matéria escura. Sem a
matéria escura, que é invisível e somente pode ser
detectada através do efeito de sua gravidade, as
velocíssimas galáxias e o gás quente rapidamente
se esfacelariam e espalhariam.
Matéria Escura
Matéria Escura – comprovação pela NASA
A imagem mostra matéria escura e matéria normal separadas em uma
gigantesca colisão de dois grandes agrupamentos de galáxias [em
vermelho, a matéria normal, em azul, a matéria escura]. A descoberta,
feita usando o Observatório de raios-X Chandra da NASA e outros
telescópios, fornece evidência direta da existência da matéria escura.
No vácuo existem outras flutuações quânticas além
do campo magnético. A Mecânica Quântica descreve
o vácuo como uma entidade preenchida por pares
partícula-antipartícula, que são continuamente
criadas e destruídas.
Vácuo Quântico
O vácuo quântico e a energia escura
Física Quântica
(sec XXI) - Em sua falsa
aparência de ambiente
inerte, o vácuo quântico
abriga uma tormenta de
fenômenos
microscópicos.
Efeito Casimir –
um dos mais intrigantes
fenômenos da física.
Teoria das cordas
A Mecânica Quântica e a Teoria da
Relatividade são incompatíveis. A
tranquilidade do espaço x tempo de
Einstein não condiz com a turbulência do
mundo quântico.
Os físicos modernos têm boas teorias para a
mecânica quântica, relatividade e gravidade. Mas
essas teorias não funcionam bem em conjunto.
Existem problemas causados por vivermos num
espaço de três dimensões. Se vivêssemos em um
mundo com mais de três dimensões, esses
problemas seriam naturalmente resolvidos.
De acordo com a teoria das SuperStrings os
ingredientes do universo não são partículas
pontuais - tal como aprendemos na escola. Ao
contrário, os ingredientes são finos e
minúsculos filamentos, que vibram de
acordo com sua energia. Estas cordas podem
ser abertas ou fechadas.
A ideia central é que a unidade mais básica
da matéria são cordas a vibrar num
determinado padrão. Elétrons, quarks,
fótons, grávitons serão assim resultado de
um padrão de vibração específico de cada
corda.
Interpretação de Copenhagen
Uma partícula, que pensamos ser algo sólido,
existe no que chamamos de superposição,
espalhando uma onda de possíveis localizações,
todas ao mesmo tempo. E quando você olha, ela
passa a estar em apenas uma das possíveis
posições.
Interpretação de Copenhagen
Gato de Schroedinger.
O gato tem 50% de
chance de estar vivo e
50% de chance de
estar morto.
No momento da
observação
teríamos um
estado definido
para o gato. Ou
vivo, ou morto.
Colapso da
função de onda.
Interpretação de
Copenhagen
Stephen Hawking se pergunta:
A distinção (entre o real e o
imaginário) está apenas em
nossas mentes?
A interpretação de Copenhagen diz que essa
probabilidade é tudo o que podemos e o que há
para saber; é algo absolutamente aleatório
saber aonde a partícula aparecerá.
A Hipótese dos Muitos Mundos afirma que, quando
uma partícula aparece em determinado local, todas as
outras probabilidades de ocorrências acontecem em
outros Universos inteiramente diferentes. Essa
hipótese, apesar de fantástica, foi desenvolvida num
estilo matemático muito sofisticado (proposta por
Everett, Wheeler e Graham)
Quando deixamos cair uma carta de baralho a
pessoa que estivesse olhando para a carta entraria
numa superposição de dois estados mentais
diferentes, cada qual percebendo um dos
resultados, ganhando e perdendo a aposta
simultaneamente. As duas partes da função total
de onda (do observador mais a carta) evoluem
independentemente, qual dois mundos paralelos.
Interpretação de Copenhagen –
apenas um resultado ocorre.
Interpretação dos Muitos Mundos de Everett –
todos os resultados ocorrem
simultaneamente em Universos Paralelos..
Interpretações da FQ
É algo radical que precisamos
compreender, mas é muito
difícil, pois achamos que o
mundo já existe independente
da minha experiência. Mas não
é assim, e a física quântica é
bem clara.
Amit Goswami
Total de 10 dimensões. Teríamos seis dimensões
espaciais "escondidas" em minúsculos formatos
geométricos em cada ponto individual do universo.
Para uma corda oscilando é necessário ter espaço suficiente
para ela vibrar e quando organizamos isso tudo em uma
equação matemática é necessário haver 10 dimensões (9
espaciais e 1 temporal) para descrever esse movimento das
cordas. Existem mais movimentos na corda do que nós
podemos fazer e entender.
As leis físicas se tornam mais simples
se considerarmos mais dimensões.
Albert Einstein simplificou as
complicadas equações de
Maxwell unificando
espaço x tempo.
O tempo é a quarta dimensão, e
pode ser convenientemente
unificado numa teoria
quadridimensional.
Einstein unificou
espaço x tempo introduzindo a quarta
dimensão.
Unificação de todas as quantidades físicas
medidas por espaço x tempo.
E=mc²
Gravidade como um resultado da geometria do
Espaço x Tempo:
O corpo de maior massa deforma o espaço a
sua volta fazendo que o corpo de menor massa
fique “preso” no seu campo gravitacional.
Buraco Negro
A densidade é tão grande, e consequentemente
a força gravitacional, que nada escapa dele,
nem mesmo a luz.
A luz sempre têm a mesma velocidade
em qualquer que seja o referencial. A luz
não pode ser mais rápida do que a luz.
Implicação -> A contração do espaço, a
dilatação do tempo e o aumento da
massa de um corpo.

Para um observador parado, um relógio em
movimento parece andar mais devagar do
que um relógio estacionário. (paradoxo dos
gêmeos)
A massa de um objeto aumenta com sua
velocidade.
É possível mudar conchas de caracol enroscadas para a
direita em conchas enroscadas para a esquerda e tirar
objetos de garrafas lacradas. Essas façanhas,
impossíveis em três dimensões, são banais para
alguém capaz de mover objetos através da quarta
dimensão.
Em sua passagem por um plano a esfera parece ser um
círculo que se torna sucessivamente maior e depois
menor. Assim, embora não possam visualizar os seres
tridimensionais, os chatalandeses são capazes de
entender suas seções transversais.
A sombra do cubo aparece como um quadrado dentro de outro
quadrado. Se o cubo for rotacionado os movimentos dos quadrados
parecerão impossíveis a um chatalandês. Da mesma maneira a
sombra de um hipercubo é um cubo dentro de um cubo.