Do Que Tudo é Feito? PDF
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Do que Tudo é Feito? _ LU^ H UNIVERSIDADEDESÃOPAULO Reitor JoãoGrandinoRodas Vice-reitor HélioNogueiradaCruz |edusP EDITORADAUNIVERSIDADEDESÃOPAULO Diretor-presidente PlinioMartinsFilho COMISSÃOEDITORIAL Presidente JoséMindlin Vice-presidente CarlosAlbertoBarbosaDantas AdolphoJoséMelfi BenjaminAbdalaJúnior MariaArmindadoNascimentoArruda NélioMarcoVincenzoBizzo RicardoToledoSilva DiretoraEditorial SilvanaBiral Editoras-assistentes MarilenaVizentin CarlaFernandaFontana GildaCostaMarques Do que Tudo é Feito? |edusP Copyright©2010byGildaCostaMarques Ficha catalográfica elaborada pelo Departamento Técnico doSistemaIntegradodeBibliotecasdaUSP Marques,GildaCosta DoQueTudoéFeito?/GildaCostaMarques.- São Paulo: Editora da Universidade deSão Paulo, 2010. 356p.:il.;24cm. Incluitabelas Incluibibliografia. ISBN978-85-314-1197-7 1.Física.2.HistóriadaCiência.I.Título. CDD530 Direitosreservadosà Edusp-EditoradaUniversidadedeSãoPaulo Av.Prof.LucianoGualberto,TravessaJ,374 6oandar-Ed.daAntigaReitoria-CidadeUniversitária 05508-010-SãoPaulo-SP-Brasil DivisãoComercial:Tel.(11)3091-4008/3091-4150 SAC(11)3091-2911-Fax(11)3091-4151 www.edusp.com.br-e-mail:[email protected] PrintedinBrazil 2010 Foifeitoodepósitolegal Sumário Apresentação 9 PARTE I:DoqueTudoé Feito? 1.DoqueTudoéFeito? 13 PARTE II:AsTransformaçõeseasInterações 2.AsTransformaçõeseasInterações 27 3.AsInteraçõesFundamentais 39 4.AsTransformaçõesFundamentais 51 PARTE III:AceleradoreseDetectores 5.AceleradoreseDetectores 69 6.OAceleradorLHC 81 7.OsDetectoresdoLHC 93 PARTEIV:AsPartículasElementares 8. DoAtomismoàsPartículasElementares 113 9. PartículasElementares 125 10.OVácuo 139 11.0Elétron 151 12.Fótons 163 13.Antipartículas 177 14.LéptonseQuarks 187 15.BósonsIntermediários 199 PARTEV:Aglomerados 16.Aglomeração:UmaVisãoGeral 215 17.AsPartículasCompostas 227 18.ONúcleoAtómico 237 19.Átomos 249 20.CompostosQuímicos:Moléculas 263 21.NovosMateriais 275 22.AMatéria 291 PARTEVI:NossoMundo 23.ALitosferaTerrestre 307 24.AsPartículasElementareseAlgunsFenômenosNaturais 319 25.Atmosfera,NuvenseTempestades 331 Referências Bibliográficas 349 CréditodasImagens 351 Apresentação Desde osprimórdios,ohomem temprocuradoentenderomundofísicoeastransformações queneleocorremapartirde unspoucosingredientes.Aideiaéadeque,apoiando-senessesingre- dientesconsideradosbásicos,pode-seentendertodososfenômenosqueseobservamaqui naTerra bem como aqueles que ocorrem em regiões longínquas no Universo. Trata-se de uma forma de reducionismo.Vaiumpoucoalém,noentanto,namedidaemquenãoseatémapenasàquestãodos constituintesdetudomastambém dasuadinâmica. Hácercadedoismil equinhentosanos,algunsfilósofosgregosjátentavamentendera“na- turezadascoisas” (algoaqueeleschamavamgenericamentede“physis”)apartirdeconstituintese deconceitosquehojepodemosassociaraforças.Osprimeirossábiosasepreocuparemcomotema acreditavam na existência de apenas uma substância básica. Outros pensavam que seriam quatro, enquanto outrosaindaacreditavam em cinco.Poroutrolado,os atomistas propunham um número infinitodesubstânciasbásicas,àsquaisderamonomedeátomos. Apercepçãodequetudopodeserentendidoapartirdeunspoucosconstituinteseumnúmero reduzidodeforçasprevaleceatéosdiasdehoje.Ouseja,acreditamosquepodemosentendertudoque ocorre,e queocorreu, noUniversoa partir dealguns poucosconstituintes fundamentais,aos quais damosonomedepartículaselementares.Nadescriçãodosfenômenosfazemosusodeapenasquatro forçasouinteraçõesentreeles. Onúmerodeconstituintesfundamentaistemvariadomuitoaolongodahistóriadahumani- dade.Essavariaçãoestá relacionada nãodiretamenteaonúmerodessesobjetosmasà mudança na nossapercepçãodetaissubstânciasaolongodotempo. Assubstânciasbásicas,hojeconhecidascomopartículaselementares,sãoosobjetosapartir dosquaistodasascoisassãofeitas. Este livrotem porobjetivoapresentar,levandoem conta a evolução histórica,as partículas elementares,suasinteraçõeseseusdiversostiposdeaglomerados.Eleévoltadoparaopúblicoleigo e,porisso,emalgunsmomentos,talvezalinguagempequeum poucopelafaltadeprecisão.Er um preçoquesepagapelaapresentaçãodetemascomplexosaosnãoiniciados. Necessário se faz esclarecer que o tema aqui apresentado reflete o nosso entendimento do assuntonomomentopresente.Estaéumaáreadaciênciamuitodinâmicae,porconseguinte,anossa compreensãopodemudar-comotemmudado-àmedidaqueevoluímosnaspesquisasdesenvolvi- dasparaacompreensãodaestruturadamatéria.Naciênciaquasenadaédefinitivo. Alémdassubstânciasbásicasdescreveremososquatrotiposdeinterações,asquaissãores- ponsáveis por diversas transformaçõesdos constituintesda matéria.Aaglomeração é o resultado dessesquatrotiposdeforça.TodososobjetosnoUniversoresultamdaaglomeraçãodepartículas elementares.Porexemplo,nossapercepçãohojeéadequeosátomossãoaglomeradosdepartícu- laselementaresquecontêmpelomenosquatrodessassubstânciasbásicas. 9 Oprocessodeelaboraçãodestevolumecontou coma participaçãodevárioscolaboradores. Destacamos os autores de cinco capítulos: Rogério Luiz lope, Sergio Morais Lietti, Pedro Galli Mercadante,AntônioJoséRoquedaSilva,MartaSilviaMariaMantovani,CarlosAugustoMoralez RodriguezeOswaldoMassambani,aquem muitoagradecemos. Naapresentaçãodeumtemaàsvezesabstrato,éimportanterecorrerafotos,desenhoseilus- trações.ÉocasodaFísicadePartículasElementares.Amaioriadasbelasilustraçõesaquiapresenta- dasédeautoriadoCelsoLourenço.Adiagramação,asfotoseasilustraçõesno3DStudioresultaram dotrabalhodoMaurícioKlein.Olivroteriaperdidomuitosemainestimávelcontribuiçãodeambos. MarinaTokumarufezacorreçãoortográficadealgunscapítulos. Muitoscolegas,eaSilvana,leramtrechosdolivroecontribuíramcomsugestõesparamelho- rarasuaredação.Osnossosagradecimentosatodoseles. Umagradecimentoespecial vai paraoEduardo Bonilha,queteveotrabalhominuciosode ler,apontar incorreçõese,acimadetudo,fazersugestões para oaperfeiçoamentodaapresentação dealgunstemasmaiscomplexos.Graçasaelemelhorouaapresentação. GildaCostaMarques 10 I - V v / \ ! nr * - . V "V. \\ \ *fr ( I * i3cs v *(cid:127)1. : / * £ * *=.;t * *7S * >\.* / l' M}r *i t :(cid:127)*' . «ass r - 1 % % ?\ Á » F V . - V. 'K. * CAPÍTULO1:DOQUETUDOÉFEITO 1 Do que Tudo é Feito? 1.1As Questões Fundamentais Ao olharmos para o céu à noite e depararmos com a imensidão do espaço onde cintilamasestrelas,vezporoutranosocorremalgumasindagações.OqueéoUniverso? Quais assuas dimensões? Do que eleé feito? Há quanto tempoele existe? Comofoi o início de tudo? Estas perguntas, ao lado daquelas que dizem respeitoao surgimento da vida naTerra,e da suacontinuidade,têm sidofeitas pelossereshumanosdesdeépocas imemoráveis. Elas fazem parte de um seleto grupo de questões consideradas as mais básicas,asmaisfundamentais,dentretodas. Durantemuitosanosessasquestõesficaramrestritasaodomíniodamitologia,da teologiaoudafilosofia,porfaltadeevidênciasexperimentaisminimamentesegurasque permitissemaospensadoresfazeranálises bemfundamentadas. Por intermédio de mitos, os povos da Antiguidade procuravam explicações re- ligiosas, passadasde uma geração a outra,paraasquestões básicas a respeito da vida e do Universo. Um bom número de mitos se baseia em histórias de deuses, os quais, na maioria doscasos,acabamexibindoalgumasfraquezas típicasdos seres humanos. Essa semelhançacomoshomensfaziacomqueosmitosperdessemacredibilidadeeporisso fossemalvodecríticasporpartedosprimeirosfilósofosgregos. CercadeseisséculosantesdeCristo,osgregosintroduziram,numareaçãoàmi- tologia, uma novaforma de pensarasquestõesfundamentais. Essa novaforma-afilo- sofia-visavaaencontrarrespostasparaessasquestões, desenvolvendoum pensamento construídosobrearazão,massemdescartaraobservaçãodosfenômenosnaturais.Intro- duziramassimumaformaquasecientíficadepensar. A parte dafilosofia que era voltada para o entendimento da natureza, afilosofia natural,deulugar,como passardotempo,àsciências naturais.Omarcodessa transfor- mação foi o trabalho criativo do genial Galileu, que incorporou ao uso do raciocínio a experimentação e o formalismo matemático. Esse último aspecto foi incorporado por Newtonemseusestudosdateoriadagravitaçãouniversal,eportantosoutrosque com- 13
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