terça-feira, novembro 03, 2009

A Experiência de Torricelli

Escrevi isso em resposta a uma pergunta de uma aluna (por e-mail). Publiquei no meu outro blogue, mas deixo aqui também para registro:


… em 1643, ano em que Torricelli realizou a sua experiência não se acreditava que o vácuo (ausência de matéria) pudesse existir. Assim, naquela época, explicava-se que a água subia por um tubo quando a ar era sugado por um dos lados, como uma tendência natural de se evitar a formação do vácuo - ou seja, a água preencheria um tubo para ocupar o lugar do ar que foi retirado. Essa explicação até que é razoável, mas não explica porque só é possível puxar água, por bomba de sucção, até uma altura de 10 metros…

Torricelli imaginou que talvez a água não subisse pelo cano para preencher o espaço vazio… mas que subia empurrada pelo ar fora do cano. Aí vem o conceito de pressão. Segundo Torricelli, o ar exerce uma força sobre tudo que está imerso no ar, e essa força distribuida por toda a parte se chama pressão. Pois bem, em um tubo ou cano com uma ponta mergulhada na água e a outra ponta no ar temos que a pressão do ar fora do cano e dentro dele são iguais e fica tudo em equilibrio. Mas quando uma bomba de sucção retira o ar dentro do tubo a pressão lá dentro fica menor do que a pressão do ar fora do tubo. Aí o equilibrio se desfaz e surge uma força sobre a superficie o líquido empurrando a água para dentro do tubo. Bom, até aqui não parece muito diferente da explicação anterior não é? Mas tem uma diferença fundamental… acontece que a pressão atmosférica tem um valor limite (não vou dizer fixo, porque condições metereológicas podem afetar em pequena escala). A pressão do ar consegue empurrar a água para cima somente até a altura de 10 metros, e se no lugar de água usarmos o mercúrio, o ar só vai conseguir empurrar para cima até 76 centímetros. Se o cano for até uma altura de 12 metros, a bomba vai puxar a água até 10 metros e teremos mais 2 metros de vácuo (ou quase) - ou seja, a água não vai preencer o espaço vazio.

A experiência que Torricelli fez demonstrou que estava certo - ele preencheu um tubo com mercúrio, emborcou o tubo numa vasilha cheia de mercúrio, destampou o tubo e a coluna baixou até 76 centímetros, restando vácuo no espaço acima. Percebeu até que a altura da coluna variava conforme a hora do dia ou as condições do tempo.

Então Torricelli demonstrou que:
1 - o vácuo pode existir
2 - o ar exerce pressão
3 - é possível determinar o valor da pressão comparando com a coluna de um líquido.

Veja mais sobre essa experiência (com imagens para ilustrar) aqui:
http://www.searadaciencia.ufc.br/tintim/fisica/pressao/tintim5-2.htm

terça-feira, abril 28, 2009

A teoria das supercordas

No Ensino Médio já estão incluídos tópicos de Física Moderna, a saber, uma introdução à Teoria da Relatividade de Einstein e à Física Quântica. A necessidade desse estudo se justifica por serem essas duas teorias consideradas os "pilares do conhecimento moderno". Desde a década de 30 sabe-se que as duas teorias são incompatíveis entre si, visto que a gravitação de acordo com a relatividade é determinística e contínua, enquanto que a mecânica quântica descreve a matéria e a energia de forma descontínua e os eventos probabilisticos . Assim desde o início do século XX os pesquisadores têm buscado uma nova teoria que unifique "os dois pilares", formando uma "Teoria de Tudo" como têm sido chamada.

A teoria das cordas é uma tentativa de unir a gravitação à física quântica. De acordo com essa teoria, as partículas fundamentais como elétrons e quarks e até mesmo fótons, não são partículas realmente, mas cordas unidimensionais extremamente pequenas, da ordem de 10-33 cm de comprimento. As tais cordas possuem vários modos de vibração, a cada modo temos uma partícula.

A teoria das cordas foi concebida inicialmente no final dos anos 60, com intuito de descrever as interações nucleares, em especial a teoria das forças fortes e surgiu da dificuldade de se utilizar a teoria quântica de campos, cujos resultados não se mostravam satisfatórios. Diversas tentativas de obter uma hipótese geral que satisfizessem a teoria de Campos levou a uma expressão conhecida como "fórmula de Veneziano". A "fórmula" podia ser obtida a partir de uma teoria descrevendo objetos extensos ao invés de puntuais, as cordas.

Uma corda difere muito de um ponto, visto que, um ponto ao deslocar-se pelo espaço descreve uma linha (uma dimensão), uma corda deslocando-se pelo espaço descreve uma superfície (duas dimensões). Além disso enquanto pontos são únicos, cordas podem ter extremidades livres ou fechadas. Essas cordas vibram como cordas de um violão e as diversas formas de vibração produzem as propriedades que conhecemos como massa, carga elétrica,etc. Esses filamentos são muito pequenos, tão pequenos que para a precisão de nossos mais sofisticados instrumentos eles ainda se parecem com pontos. A ordem de grandeza dessas cordas é de 10-33 cm.

Assim, todas as partículas conhecidas, como elétrons, prótons, nêutrons, os vários quarks, neutrinos e até as partículas mensageiras como os fótons (transmissores das forças eletromagnéticas) e os gravitons (transmissores da força gravitacional, partícula que ainda não foi detectada), seriam o resultado das diferentes vibrações de cordas extremamente pequenas e rígidas. Até as propriedades das partículas, como massa, carga elétrica, "cor", "sabor", "estranheza" podem ser deduzidas a partir dos diferentes modos de vibração. (Lembrando que "cor", "sabor" e "estranheza" em nada se parecem com o que comumente conhecemos como tais, são propriedades quânticas sem nenhum análogo clássico.)



A previsão teórica de um tipo de corda fechada que gera uma partícula que se comporta como se espera de um graviton leva à unificação dos "pilares" Física Quântica e Relatividade Geral. No entanto há um problema com essa teoria, ela prevê a existência de partículas que se movem a velocidades superiores à velocidade da luz no vácuo, o que é proibido de acordo com a Teoria da Relatividade, além de outros resultados impossíveis, como probabilidades infinitas, por exemplo. Para contornar essa dificuldade foi incluída à teoria a supersimetria, dando origem à teoria das supercordas. Diversos problemas com infinitos e velocidades supraluminares são resolvidos nessa nova formulação. Porém para ser coerente ela exige dez (ou mais) dimensões, sendo nove de espaço e uma de tempo, o que difere do mundo em que vivemos que possui três dimensões espaciais e uma temporal. Assim fica a dúvida sobre o que são e onde estão as seis dimensões extras. Postula-se que essas outras dimensões tornaram-se pequenas esferas da mesma ordem de grandeza que o comprimento de Planck (10-33 cm) nos primeiros instantes do Big Bang, enquanto as três dimensões espaciais ordinárias expandiram-se violentamente formando o universo como o conhecemos.


Para saber mais sobre esse assunto sugiro as leituras abaixo:
Em busca de uma teoria final (1)

Em busca de uma teoria final (2)


Gravitação Quântica

Teoria das supercordas

O mundo bizarro das supercordas

Em inglês:

Superstring theory

quinta-feira, fevereiro 19, 2009

SELEÇÃO NATURAL CÓSMICA

Uma idéia bem "louca" de um físico igualmente, Lee Smolin propõe que buracos negros podem dar origem a novos universos que por sua vez "herdam" algumas propriedades do universo mãe podendo ou não gerar seus próprios buracos-negros e consequentemente universos. Assim de certa forma haverá um tipo de seleção natural cósmica - quantos mais buracos negros um universo puder conter, tanto mais universo semelhantes a si ele vai criar, e esses então também vão conter buracos negros, que darão origem a outros universos e assim por diante.
Leia mais sobre isso:

Blog de Física do Portal Educacional/AB

E também:
edge.org/discourse/smolin_natselection.html

edge.org/documents/ThirdCulture/z-Ch.17.html

planetasustentavel.abril.com.br