O conteúdo do Universo

by @ 11:36 on 5 dezembro 2008. Filed under Cosmologia, Física Quântica, Relatividade

O Universo é composto de campo, radiação e matéria.
Matéria é um conglomerado de férmions, isto é, quarks e léptons. Bósons elementares não são matéria, são quantizações de campos mensageiros de interações. É o caso dos fótons. O Universo é substantancialmente composto de campos estáticos e quantizados em partículas, que formam a matéria e a radiação. Tais entidades possuem atributos, dentre os quais a energia. É errado dizer que o Universo é feito de matéria e energia. Energia não é uma coisa e sim um atributo das coisas, como outros, tais como carga, massa, spin etc. A propósito, a massa é apenas uma forma de se computar o conteúdo energético de repouso da matéria, de modo que, essencialmente, não é um atributo diferente da energia. Nos modelos teóricos que descrevem a natureza, aos atributos é associada uma grandeza mensurável, geralmente com o mesmo nome do atributo, mas nem sempre. Por exemplo, às interações podem ser atribuídos uma intensidade e uma quantidade. A intensidade é medida pela grandeza força e a quantidade pelas grandezas impulso, trabalho ou calor. Certas grandezas não correspondem a atributos existentes na natureza, como a lagrangeana, a ação, o parêntesis de Poisson, a função de onda (asssim se pensa, mas há interpretações da mecânica quântica que consideram-na real). Tais grandezas existem apenas nos modelos teóricos.
Quanto à eletricidade, de fato, não é matéria, pois tal conceito se refere a uma certa categoria de fenômenos, desencadeados pelo atributo “carga elétrica” que algumas partículas elementares possuem. O fenõmeno elétrico básico é a “interação elétrica”, descrita pela “Lei de Coulomb”. Desse fenômeno resultam os demais, como a “corrente elétrica” e, mesmo, os fenômenos magnéticos, que nada mais são que fenômenos elétricos percebidos por um observador em movimento em relação à carga que os origina. A radiação eletromagnética, originária das induções mútuas dos campos elétrico e magnético, é outro importante fenômeno, cuja quantização são os fótons, e que é responsável pela luz e o resto do espectro eletromagnético.
Quanto aos conceitos de carga e massa, não são elementares, mas é possível entendê-los da seguinte forma:
Carga é um atributo de certas partículas que as permite exercer interação elétrica. Na verdade, pode-se interpretar a carga em termos do campo elétrico, por meio da “Lei de Gauss”, como a fonte (carga positiva) e o sumidouro (carga negativa) do fluxo de campo elétrico. Assim, a entidade básica dos fenômenos elétricos seria o “campo elétrico”, cujo fluxo total no Universo é constante e invariante, relativisticamente falando. Pode-se entender que a única entidade substancial do Universo seja o campo, que, primordialmente era indistinto, mas que, com as quebras de simetria advindas do resfriamento, desdobrou-se em campo forte (gluônico ou de “cor”), fraco e eletromagnético. Quanto ao gravitacional, ainda não se constatou que seja um campo interativo ou uma manifestação da curvatura do espaço, como o quer a Relatividade Geral. O campo eletromagnético é quantizado em fótons quando radiante e em “fótons virtuais”, quando estático, isto é, o campo elétrico e o magnético estáticos (que são um só, aparentando ser um ou outro em função do movimento do observador) são um “mar” de fótons virtuais, existente no vácuo (que não é vazio, só não tem matéria). As cargas são os pontos de divergência e convergência do campo eletrostático. Como se alí ele surgisse de alguma dimensão oculta ou sumisse dentro dela. Se se circundar uma região com uma superfície fechada da qual emerja um fluxo líquido, diz-se que alí há uma carga positiva. Faraday já tinha esta visão, que é matematicamente descrita nas equações de Maxwell que envolvem os divergentes dos campos.
A massa, por outro lado, origina-se do conteúdo energético. Isto pode ser melhor compreendido pela “fórmula de massa” da Física Nuclear, que estabelece a massa de um nuclídeo em termos de suas partículas constitutivas e das energias de ligação e cinéticas de pulsação e rotação nos diversos graus de liberdade do núcleo, além dos “efeitos de pele (tensão superficial)” e outros. Se extrapolarmos isto para uma partícula elementar (um elétron ou um quark), podemos entender que, sendo uma quantização de algum tipo de campo (de fato o elétron, mesmo livre, não é um ponto matemático, mas possui uma distribuição espacial de carga e massa), esse campo possui uma auto-energia que corresponde à massa de repouso da partícula em questão, pela equação E=mc². E energia é um conceito estabelecido como o atributo que capacita um sistema a agir sobre outro, alterando o seu estado. Na interação com variação de estado dos sistemas interagentes, há algo que se conserva escalarmente, que é a energia. O trabalho mede a sua transferência na interação (e o calor é meramente um trabalho estatístico). Outras coisas também são conservadas, como momentum, momento angular, carga etc. Mas uma coisa é importante. Na quantização dos férmions (em que o campo de matéria quantizou-se com spin semi-inteiro) surge uma “conservação de número” (lebtônico ou bariônico) de modo que a matéria é indestrutível (o que não acontece com os bósons mensageiros, que podem surgir e sumir à vontade). Só a interação com a antimatéria faz desaparecer a matéria. O valor desse “massa de repouso” que cada partícula elementar possui é que se pretende explicar pelo mecanismo do “bóson de Higgs”, mas isto ainda não está inteiramente estabelecido.
Dizer que carga é algo que se conserva quando certa interação apresenta simetrias é uma propriedade do modelo teórico que descreve a interação, em termos de um certo campo (teórico). Mas para cada tipo de interação, existe um campo real na natureza e uma carga que é uma ocorrência real da natureza. Afinal a Física Teórica só tem sentido se ela se reportar a modelos que pretendem descrever o comportamento real da natureza. O que está em tela é o significado real do atributo carga elétrica que certas partículas exibem, não importa como isto seja descrito teoricamente. No meu entendimento o Universo é constituído, substancialmente (no sentido filosófico e não químido do termo), simplesmente de campo. Ou seja, todo o Universo é preenchido por um único campo. O espaço-tempo dá forma ao campo, mas não é uma entidade apriorística em que o campo se estabelece e evolve (já que nada é estático e o que, de fato, existe, são eventos e não entes – mas isto é outra discussão). As partículas, tanto férmions quanto bósons, são quantizações do campo, quando se vê a coisa a partir do modelamento teórico. Na natureza em sí, uma quantização é uma “concentração” de campo, que pode ser amarrada por propriedades tais que não consiga se desfazer (férmions) ou assim o possa (bósons). A quebra de simetria na descrição teórica, corresponde a que o campo indiferenciado primordial passa a se manifestar diferenciadamente, dependendo de como é percebido (por que tipo de sensor). Assim, no eletromagnetismo, cargas percebem o campo elétrico. Mas este atributo pode ser entendido como uma manifestação do próprio campo, como suas fontes e sumidouros no espaço-tempo. Na visão de “linhas de força” de Faraday, podemos dizer que o número de linhas de força do campo elétrico do Universo é uma constante. Além disso, é relativisticamente invariante.
Fala-se de campo, matéria, energia e massa.
É preciso precisar a que categoria pertencem cada uma dessas coisas.
Massa e energia são grandezas, isto é, quantificações (não confundir com quantizações) de atributos que certas entidades (sistemas físicos) possuem.
Matéria e campo são modalidades de entidades constitutivas do Universo.
Não se pode dizer que matéria é energia, pois então está se igualando conceitos pertencentes a categorias diferentes. Pode-se dizer, sim, que massa é equivalente a energia, ou que matéria é uma concentração de campo.
Todavia é preciso entender que a equivalência entre massa (e não matéria) e energia não é universal, no sentido em que não é sempre possível converter toda massa em energia e vice versa. A conservação do número leptônico e bariônico, observada nas reações experimentadas pelas partículas elementares, por exemplo, impede essa conversão total.
No entanto, para efeitos exteriores, a totalidade do conteúdo de massa e energia de um sistema, convertidos um no outro por E=mc², é que representa a “massa” desse sistema, quer para efeitos inerciais quer gravitacionais, fato que constitui um dos enunciados do “Princípio da Equivalência”.
Não estou falando em transmutação de massa-energia e sim que a massa (entendida como massa de repouso ou massa própria) de um sistema (uma galáxia, por exemplo), para efeitos gravitacionais e inerciais externos, é dada por todo o seu conteúdo de massa e energia, esta convertida em massa por E=mc². A própria Relatividade Geral contempla tal coisa, pois a fonte da curvatura é o conteúdo energético, dado pelo “Tensor Momentum-Energia”, que, na equação de Einstein, faz o mesmo papel da densidade na equação de Poisson para o campo gravitacional. Isto é, G = kT em que G é o Tensor de Einstein e T o Momentum-Energia (numa notação sintética, à moda do “Gravitation” de Misner-Thorne-Wheler).
No caso de um núcleo atómico, por exemplo, isto também é patente e calculado pela “Fórmula de Massa”, como pode ser consultado em qualquer livro de Física Nuclear, que, inclusive, fornece, pela diferença das massas dos reagentes e dos produtos das reações nucleares a energia liberada, tanto na radiação emitida (neutrinos e raios gama), quanto como energia cinética das partículas produto (temperatura).
No entanto, a totalidade da massa de repouso das partículas elementares constituintes permanece constante. O núcleo, uma partícula composta, é que tem uma massa dada pela soma das massas das partículas elementares que o constituem menos a energia de ligação entre elas (tanto coulombiana quanto nuclear).
Assim a energia liberada nas reações nucleares não provém da massa de repouso das partículas constitutivas, mas sim da diferença nas energias de ligação que as configurações inicial e final apresentam. Só que essas energias contribuem para o valor da massa de repouso do conglomerado de partículas que é cada núcleo, não importa que processo seja usado para medí-la (inercial ou gravitacional).
Tal coisa também ocorre com qualquer sistema de partículas, até mesmo uma galáxia inteira (se também se incluir a massa da matéria escura e a energia da dita “quintessência”, campo possivelmente responsável pela “Energia Escura”)
O mais correto é dizer que a Relatividade Geral amplia o conceito de gravitação, de modo que não apenas a massa acopla com o campo gravitacional mas também energia e momentum. Esta maneira de encarar as coisas é uma concepção melhor, retendo para massa a noção de massa de repouso como uma constante e um invariante para uma dada partícula elementar. Neste sentido, na Física Nuclear, o que se liberta nas reações de fissão e fusão é a energia de ligação entre os nucleons, já que as partículas constituintes dos reagentes e dos produtos continuam as mesmas e, portanto, sua massa de repouso total (que convém chamar, simplesmente, de massa) fica a mesma. A questão ainda não resolvida é a respeito da criação de par e da aniquilação da matéria com a anti-matéria, que, no caso, faz surgir massa da energia do mar de partículas virtuais do vácuo e faz desaparecer massa, com o surgimento da quantidade equivalente de energia nos fótons produzidos no processo de aniquilação.
Finalmente quero comentar que a velocidade de arrasto dos elétrons em uma corrente num condutor sólido ou a velocidade dos elétrons e dos íons em condutores líquidos é muito pequena, menor que um milímetro por segundo. O pulso de mudança do estado de não corrente para corrente, no caso da corrente contínua e constante, ou o pulso de inversão da corrente no caso da corrente alternada, este sim, propaga-se rapidamente, quase com a velocidade da luz. Tal pulso é transmitido de elétron a elétron na nuvem eletrônica que envolve a rede cristalina, como o pulso de derrubada de dominós naqueles arranjos das peças em pé, uma ao lado da outra. No caso de um raio atmosférico de tempestade, há uma primeira corrente piloto que vence a rigidez dielétrica do ar e constrói um caminho de íons, pelo qual a corrente principal passa. Pela inércia há uma inversão de polaridade, ocasionando uma oscilação de corrente, como em um circuito RLC.
A corrente elétrica nem sempre é “visível”, mas percebida por seus efeitos, magnéticos, térmicos, indutores, eletrolíticos, mecânicos e nervosos (o choque). Só se o aquecimento for muito grande haverá emissão de luz, como nas lâmpadas e nos raios. Todavia, como a corrente em condutores não os eletrifica (isto é, eles continuam neutros no total), não há efeitos eletrostáticos (se bem que há distribuição superficial de cargas que cria o campo elétrico ao longo da direção da corrente, causador da força motriz de arrasto dos elétrons). Estes efeitos todos não são resultantes do “espectro” deixado pelo movimento do elétron, mas pelo próprio movimento e pelas interações que esse movimento provoca na estrutura atômica e molecular dos meios em que se dá.

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