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UNIVERSO MECÂNICO
A variedade dos fenômenos no Universo...
...pode ser descrita por quatro forças.
A força nuclear forte,...
...a força nuclear fraca,...
...a força elétrica...
...e a força da gravidade.
Essas são as forças fundamentais da Natureza.
Enquanto prosseguíamos, estivemos brincando com um tipo de enigma filosófico.
A peça central de tudo o que fizemos é a segunda lei de Newton...
...que diz que uma aceleração...
...é produzida por uma força...
...atuando em...
...uma ***.
Mas, exceto pela própria equação...
...não temos nenhuma idéia do que significa força...
...e não temos idéia do que significa ***.
Suponham que eu dissesse a vocês que tivesse acabado de fazer uma grande descoberta científica.
Eu descobrí que Garglesnap é igual a Quivledonk vezes distância.
Como vêem, não estão impressionados.
E a razão é que eu não lhes disse o que é Garglesnap nem o que é Quivledonk.
Bem, o mesmo é verdade sobre a segunda lei.
A menos que eu possa lhes dizer o que é Força e o que é ***,
a segunda lei não significa muito.
Ainda assim, não há dúvidas de que fizemos progressos.
Calculamos trajetórias e órbitas...
...e descobrimos porque todos os corpos caem com a mesma aceleração.
E isso tudo é um bom material, não é um tipo de brincadeira filosófica sobre...
...Garglesnap e Quivledonk
Mas como fizemos isso?
Bem, nós o fizemos introduzindo uma outra idéia teórica: a lei da gravidade.
A lei da gravidade é uma descrição clara, independente e explícita de um tipo de força.
Todo sucesso que tivemos não veio só da segunda lei,
mas de colocarmos a lei da gravidade na segunda lei.
E então surge uma questão óbvia. A questão é: quais são as outras forças?
Quais são as forças fundamentais da Natureza?
Esta é a pergunta diante de nós hoje.
O Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Pasadena.
No Laboratório Kellogg de Radiação,
Charles Barnes e seus colegas investigam os núcleos dos átomos.
Eles olham para o próprio coração das estrelas.
E com os aceleradores do Caltech...
...eles observam as forças fundamentais da Natureza.
Ciência e Tecnologia avançam a passos quânticos.
Mesmo na era espacial, as equações de Isaac Newton não estão esquecidas.
Aqui, por exemplo, força igual a *** vezes aceleração...
...está viva e trabalhando bem.
De fato, F=ma é o princípio de operação por trás desse acelerador.
Uma máquina com a qual o pai da Mecânica Clássica...
...provavelmente nunca sonhou.
E aqueles que levam adiante as explorações de Newton,
perseguem outro princípio operativo da Natureza.
Cada pedaço de matéria, tudo desde a borda exterior da mais remota galáxia...
...até o núcleo de um átomo,...
...está sujeito a quatro forças fundamentais.
Em um mundo confuso e complicado,
existem, ou parecem existir,
muitas forças diferentes em jogo.
No entanto, os cientistas querem reduzí-las a uma, ou pelo menos, a umas poucas.
Duas forças fundamentais residem no coração do átomo.
Outra não conheçe limites no cosmos.
E a quarta,...
...mantém toda a matéria unida.
As forças fundamentais no núcleo atômico são chamadas de 'força nuclear forte'...
...e 'força nuclear fraca'.
A força forte mantém os prótons e nêutron nos núcleos.
É tão poderosa que pode superar a repulsão natural dos prótons.
E esse poder pode ser liberado em reações nucleares.
Indiretamente, a força nuclear forte incendeia o interior do Sol...
...e o de outras estrelas também.
Ainda assim, por mais poderosa que seja a força forte,
seu alcançe é tão pequeno...
...que doze zeros seguem a vírgula para expressá-la numericamente como uma fração de um centímetro.
A força fraca, a outra força fundamental dentro do núcleo,
tem efeitos que de maneira algum são fracos.
Embora seus efeitos sejam sutis, eles são muito óbvios.
Nas violentas mortes das estrelas massivas, por exemplo.
Ou no decaimento de isótopos radioativos.
Uma volta à Alquimia, que transforma Urânio em simples Chumbo.
Cada vez mais, os cientistas descobrem como as forças nucleares ligam o passado, o presente...
...e o futuro do Universo.
E apesar do muito que já se conheçe sobre a força nuclear forte e a força nuclear fraca...
...elas permanecem um tanto misteriosas.
Escondidas do mundo comum dentro do núcleo atômico,
permanecem entre os mistérios mais profundos da natureza.
As outras duas forças fundamentais, igualmente maravilhosas e incrivelmente poderosas...
...aparecem de maneira menos oculta na natureza.
E elas podem ser vistas mais perto de casa.
A força fundamental mais familiar...
...é a gravidade.
Mesmo numa cozinha de restaurante, a força da gravidade acelera massas.
Ela veio antes da galinha e do ovo.
Mas antes da lei de Newton, as pessoas não sabiam muito sobre a gravidade.
Sabiam algo sobre ela, que ela fazia as coisas caírem, por exemplo,
mas não sabiam que a gravidade faz a Lua cair...
...e que a gravidade, primeiramente e acima de tudo, é uma força fundamental do Universo.
Uma força fundamental e atrativa.
Como força atrativa, pode ser descrita em linguagem simples.
Não apenas essa gravidade está presente de um canto a outro do Universo,
mas afeta consideravelmente tudo sob a Lua.
Mais do que isso, a gravidade tem a ver com todos e com tudo.
De certa forma, a gravidade alcança e aperta as mãos de todo o Universo.
Com sua Lei da Gravitação Universal...
...Isaac Newton explicou o 'como' e o 'por que' da gravidade no Universo.
Como ela puxa objetos para a Terra e, ao mesmo tempo, porque objetos como a Lua permanecem no céu.
Ele explicou a gravidade em termos de força.
E embora a força seja medida em uma unidade chamada newton,
o que o honra com justiça,
outro inglês compartilha o crédito por fazer a ciência avançar para mais perto da Lua.
Ele foi Henry Cavendish...
...e ele realmente 'pesou' a Terra.
Químico e também Físico, ele isolou o gás que se tornou conhecido como Hidrogênio.
Cavendish era tão reservado quanto brilhante.
A maioria do seu trabalho foi publicada quase um século após sua morte.
Todavia, de seu próprio modo calado ele pesou a Terra em 1798.
Ele pesou a Terra medindo a constante na Lei da Gravitação Universal de Isaac Newton.
Força é *** vezes aceleração, expressa em kilogramas vezes metro por segundo ao quadrado, ou newtons.
Da aceleração de um corpo em queda e da Lei da Gravidade de Newton,
Cavendish já conhecia o produto da *** da Terra por G.
Para isolar a *** da gravidade, ele tinha que medir o valor de G.
Isso podia ser feito encontrando a força entre duas massas conhecidas, a uma distância conhecida.
Tinha que ser feito com muito cuidado...
...porque a força gravitacional entre massas de tamanho normal é muito pequena.
Uma barra, suspensa por uma fibra delicada, encerra uma *** em cada extremidade.
Duas massas maiores são acrescentadas.
A força gravitacional entre essas duas massas causa a oscilação da barra.
Cronometrando a oscilação da barra...
...ele pôde deduzir a rigidez da fibra e, assim, a força.
Invertendo-se a posição das massas, faz-se a barra girar em sentido contrário...
...para corrigir assimetrias no experimento.
Com esse delicado experimento e com muito cuidado,
Cavendish mediu a constante gravitacional e indiretamente pesou a Terra.
Pesar a Terra foi uma realização assombrosa.
Mas, falando comparativamente, não é verdadeiramente chocante.
A quarta força fundamental é a Eletricidade.
A Eletricidade parece o paradoxo das forças.
Num instante é excitante, bruta, até mesmo assustadora em seu poder.
No outro, é comum como uma torradeira elétrica.
Em sua face clara, a Eletricidade é tão comum quanto pão branco.
Em sua outra face, evoca imagens...
...às vezes mortais, às vezes míticas...
...e todas delas de algum modo inseridas no caráter da cultura ocidental.
Nenhuma imagem estampa tão bem a paisagem mericana...
...quanto a desse homem, nascido na Filadélfia,...
...tentando domar a Eletricidade com uma pipa.
Considerando suas realizações sem igual, editor e escritor,...
...inventor, político, chefe de correios e estadista,...
...filósofo, engenho e sabedoria de seu tempo,
por quê esta imagem permanece a mais popular até hoje?
Porque Ben Franklin foi o primeiro e o principal cientista da jovem América.
Estudando seus efeitos, Franklin teve a noção engenhosa, mas não muito precisa,...
...de que a Eletricidade era um tipo de fluído.
Um fluido elétrico contido em qualquer corpo comum.
Se um corpo tivesse muito desse fluido,...
...Franklin dizia que ele estava carregado positivamente de eletricidade.
Em corpo com muito pouco fluido, estava carregado negativamente.
Os termos de Franklin - carga positiva e carga negativa -...
...permanecem vivos no vocabulário da Eletricidade.
Mas o significado da força elétrica vai além de suas reflexões.
Em seu nível mais fundamental, a Eletricidade é a força entre cargas positivas e negativas.
Mantém a estrutura das coisas no Universo.
Desde a sopa até as nozes...
...incluindo o cozinheiro.
Já que ela inclui humanos,...
...por quê eles não estão concientes das cargas em seus corpos?
Por quê o pão não eletrocuta a torradeira?
Cada vez que as pessoas apertam as mãos, por quê não fritam um ao outro como batatas?
Porque todas as coisas têm quantidades iguais de cargas positivas e negativas...
...resultando um equilíbrio perfeito.
Assim como toda a matéria é neutra, contendo cargas positivas e negativas equilibradas,
toda a matéria é composta de átomos.
O núcleo do átomo é feito de prótons, carregados positivamente, e ilustrados em vermelho,
e nêutrons, ilustrados em branco, que não têm carga.
Elétrons carregados negativamente, mostrados aqui em verde, orbitam o núcleo.
A força elétrica é igual à constante K índice 'e',...
...vezes o produto das cargas 'q',...
...dividido pelo quadrado da distância entre elas.
A fórmula para a eletricidade é muito similar àquela para a gravidade.
A força gravitacional mantém os nove planetas em órbita ao redor do Sol.
A força é igual a menos uma constante, G,...
...vezes o produto das massas, dividido pelo quadrado da distância entre elas.
As naturezas da *** e da carga são, em sua maior parte, desconhecidas.
Mas, obviamente, *** é algo que se aplica à gravidade.
Carga é algo que se aplica à eletricidade.
Como a *** é sempre positiva, a gravidade sempre atrai.
A carga, contudo, pode ser tanto positiva como negativa.
Uma carga positiva e outra negativa irão se atrair.
Duas cargas positivas irão se repelir...
...assim como duas cargas negativas.
Por outro lado, como suas fórmulas mostram simbolicamente,
gravidade e eletricidade são tão parecidas que um átomo,
com uma ligeira reorganização,
parece quase com um pequeno sistema solar.
Quando os cientistas descobriram que duas das quatro forças fundamentais da natureza eram quase a mesmas,
surgiu uma pergunta lógica...
Poderia haver uma força que, sozinha, explicasse a natureza fundamental de tudo no Universo?
Assim começou a jornada em direção à teoria unificada.
E durante os últimos 20 anos de sua vida...
...Albert Einstein andou por esse difícil caminho de investigação.
Muito embora Einstein nunca tenha alcançado seu objetivo,
a busca continua e as descobertas são promissoras.
Encontrados nos restos de colisões nucleares,
esses fragmentos sugerem uma profunda conexão subjacente entre a força elétrica...
...e a força nuclear fraca.
Contudo, fora do mundo da pesquisa científica atual,
a experiência comum continua a ser governada pela eletricidade e gravidade.
Gravidade.
É a força que faz alguns objetos caírem...
...e mantém outros girando acima da superfície da Terra.
Gravidade.
Mantém a Lua girando em torno da Terra...
...e os planetas girando em torno do Sol...
...ao invés de vagarem pelo espaço.
Eletricidade.
Assim como a gravidade liga os planetas a seus centros de atração,
a eletricidade liga átomos e moléculas em líquidos e sólidos,
que criam tudo, desde o mais complexo organismo...
...ao mais comum sal de cozinha.
Embora a matéria comum seja eletricamente neutra...
...os átomos em seu âmago podem estar carregados positivamente ou negativamente.
O sal ilustra como essas cargas podem manter a matéria unida.
Cristais de sal são unidos pela força elétrica entre os íons Sódio, carregado positivamente...
...e Cloro, carregado negativamente.
A eletricidade, em incontáveis formas, é uma força fundamental que constantemente salta à vista.
Por exemplo,
o efeito elástico de um objeto metálico é na verdade um processo elétrico.
Os íons do metal, que são carregados positivamente,
mantém-se juntos por causa dos elétrons, que têm carga negativa.
Ao se esticar o metal, os íons se separam...
...mas os elétrons os forçam a voltar.
Outra forma da força elétrica é o atrito.
Quando dois objetos entram em contato, suas cargas positivas e negativas interagem.
E suas superfícies ficam, ao menos temporariamente, coladas.
Uma terceira forma da força elétrica é a viscosidade...
...que determina a velocidade com a qual os fluidos escoam.
Por exemplo,
cada um destes vasos contém um fluido com uma viscosidade específica e diferente.
Quanto mais viscoso é o fluido, mais lentamente um objeto cairá através dele.
Como no caso de uma mola metálica e de dois objetos atritando um contra o outro,
a viscosidade é resultado das cargas elétricas de seus átomos.
Aqui, à medida que os objetos prosseguem em seu caminho para baixo,
moléculas do líquido fluem ao redor deles sob a influência da força elétrica entre eles.
Três séculos depois que o gênio de Isaac Newton produziu F=ma,
o professor Barnes e seus colegas usam a força elétrica para acelerar a ***.
Um acelerador do Caltech é usado para recriar eventos que ocorrem no interior do Sol...
...despedaçando núcleos a grandes velocidades para fazê-los reagir.
Um íon negativo é um átomo com um elétron extra ligado a ele.
Quando ele é injetado no acelerador, é atraído pelo terminal de alta voltagem carregado positivamente.
É uma atração poderosa e é devida à força elétrica.
A força entre o íon negativo e a carga positiva no terminal de alta voltagem.
Dentro da câmara, há um tubo através do qual o íon passará.
Na metade do caminho ao longo do tubo, está o terminal de alta voltagem...
...com uma grande carga positiva.
Enquanto isso, no começo do tubo, um átomo de carbono adquire carga negativa.
No mesmo ponto, outra carga negativa empurra o íon para o seu trajeto.
Um campo magnético faz o íon dobrar a esquina...
...enquanto outro o mantém no centro do tubo.
Ao ver a carga positiva logo adiante, o íon sente-se atraído e acelera.
Na região mais positiva há algumas moléculas de gás à espera.
O íon inevitavelmente atinge uma molécula e a colisão desprende alguns de seus elétrons.
Agora a carga do íon se torna positiva, e como esse não é lugar para uma carga positiva,
o íon tem uma terrível pressa de escapar e o faz...
...não apenas veloz, mas com incrível potência.
De fato, neste acelerador o íon atinge energias maiores até que as que existem no centro do Sol.
Como isso é possível?
Isso é possível porque esses cientistas usaram a mesma alta voltagem duas vezes.
Primeiro, foi usada quando os íons negativos aceleraram até o terminal de alta voltagem.
E a voltagem foi usada uma segunda vez quando os íons positivos aceleraram para longe do terminal,
de volta ao potencial da terra.
A idéia de usar a mesma voltagem duas vezes...
...foi primeiramente considerada pouco ortodoxa e até bizarra.
Contudo, trabalhando bem, de acordo com as leis do mundo físico,
um acelerador Tandem faz um uso perfeitamente legítimo, e duplo, da voltagem.
O acelerador Tandem se tornou uma ferramenta padrão da Física experimental.
Esse experimento, por exemplo, é uma tentativa de descobrir a rapidez com que núcleos de Carbono
se fundem com núcleos de Hélio para produzir Oxigênio.
Dirige-se um feixe de íons Carbono através de um tubo de vácuo para um alvo de Hélio.
Essa reação nuclear determina as quantidades relativas de Carbono e Oxigênio.
Um passo crucial na evolução das estrelas.
E dando esses passos, o físico se aproxima não apenas das estrelas...
...mas de uma compreensão maior do Universo em geral.
Sucesso?
Sim.
No sentido relativo de um passo de cada vez da física experimental,...
...o próximo passo terrestre em direção às estrelas.
E, certamente, não o último.
Os cientistas continuarão a sondar os segredos das estrelas...
...e serão capazes de revelar os segredos do Cosmos,...
...porque eles conhecem o que Isaac Newton foi o primeiro a compreender.
As forças fundamentais da Natureza são as mesmas...
...para toda a matéria do Universo.
Muito bem...
...fizemos o que tínhamos previsto.
Enumeramos as forças da Natureza.
Mas também aprendemos algo sutil e de grande alcançe a respeito da natureza da própria Física.
Deixem-me explicar.
Antes de Isaac Newton, a ciência da Física como conheçemos não existia.
A dificuldade não era que não tivéssemos todas as respostas.
A dificuldade era que não sabíamos que perguntas fazer.
Obviamente, um gênio como Galileu...
...podia fazer progressos basicamente inventando regras à medida que prosseguia.
E é provável que pensássemos que a situação já estava dominada.
Reneé Descartes pensou que seríamos capazes de compreender tudo em poucos anos se seguíssemos
uns poucos princípios racionais que ele foi elegante o suficiente para formular para nós.
Mas ele estava errado.
Nosso conhecimento sobre o Unverso estava num estado de caos.
E não tínhamos sequer idéia clara sobre quais perguntas deveriam ser respondidas para se chegar a algum lugar.
E então, apareceu Isaac Newton...
...e ele disse F=ma e o mistério começou a se tornar claro.
Por quê?
Porque podemos calcular acelerações? Certamente essa não é a razão.
A razão verdadeira está no coração daquele enigma que estávamos descutindo antes.
Se esta equação for a pedra angular da nossa compreensão do Universo,
então devemos saber que forças existem...
...e devemos saber o que é matéria.
Mas essas são perguntas claras.
As perguntas são: Quais são as forças fundamentais da Natureza
e quais são os constituintes básicos da matéria.
Essas são as perguntas sobre as quais a segunda lei de Newton nos pede para focar nossa atenção.
E até hoje elas são os problemas centrais em toda a Física.
E voltaremos a esses problemas da próxima vez.
A força forte...
...e a força fraca...
...residem no núcleo do átomo.
Aterradoras mas completamente misteriosas.
As outras duas são melhor conhecidas...
...e aparentemente mais difundidas.
A gravidade é a força mais importante entre objetos que estão muito distantes entre si.
E os átomos e moléculas de toda matéria comum são mantidos juntos pela força da eletricidade.
A força fraca.
A força forte.
Gravidade...
...e Eletricidade.
Essas...
...são as forças fundamentais...
...da Natureza.