sexta-feira, 24 de julho de 2009

Introdução à Fisica Moderna


Wagner Sindici



O QUE É FÍSICA MODERNA

É a parte da física que estuda basicamente as descobertas físicas do final do séc. XIX em diante.
Analisando, portanto:
Teoria da relatividade geral
Teoria da relatividade restrita
Corpos Negros
Física nuclear
Big-Bang


Uma Nova Visão de Mundo

Com os trabalhos de Michael Faraday e James Clerk Maxwell, no século XIX, sobre o eletromagnetismo, a até então sólida concepção científica mecanicista sofre um primeiro grande abalo: era possível que existisse uma forma de realidade independente da matéria redutível a componentes básicos - o campo eletromagnético. O conceito de campo é um conceito sutil. O campo não pode ser decomposto em unidades fundamentais. Mas foi só com a descoberta dos quanta de energia, por Max Planck, em 1900, que a visão de mundo, em Física, começou a se transformar radicalmente. E Albert Einstein, em 1905, ao publicar sua

Teoria Especial da Relatividade - mais tarde ampliada na Teoria Geral da Relatividade -, promoveu uma ruptura conceitual revolucionária entre a nova realidade de um novo universo curvo e inserido num contínuum espaço-temporal e os conceitos mais básicos da física newtoniana, como, por exemplo, o do espaço euclidiano rígido, independente de um tempo universalmente linear, e de uma matéria inerte constituída de minúsculas bolinhas indestrutíveis, os átomos. Hoje sabemos que a medida do tempo varia conforme a velocidade com que se deslocam diferentes observadores, em diferentes referenciais, que o espaço é curvado pela presença de matéria, que matéria e energia são equivalentes, etc. Nasceu assim, junto com o século XX, a chamada Física Moderna.



Assim, os anos 20 estabeleceriam uma nova compreensão da estrutura da matéria. Com o desenvolvimento da Mecânica Quântica, através dos trabalhos de Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger e outros, descobrimos uma estranha propriedade quântica: os elementos atômicos, a luz e outras formas eletromagnéticas têm um comportamento dual - ora se comportam como se fossem constituídos por partículas, ou seja, por elementos de massa confinada a um volume bem definido numa região específica do espaço, ora agem como se fossem ondas que se expandem em todas as direções. E, ainda mais estranho, a natureza do comportamento observado era estabelecida pela expectativa expressa no experimento a que estavam sujeitos: onde se esperava encontrar partículas, lá estavam elas, da mesma forma como ocorria onde se esperava encontrar a onda. Era como se o esperado se refletisse na experiência.

Como se poderia conciliar o fato de que uma coisa podia ser duas ao mesmo tempo, e como manter a objetividade se o tipo de experimento, e conseqüentemente a expectativa do esperado, pareciam determinar um ou outro comportamento experimental? A solução foi dada por Niels Bohr ao elaborar o princípio da complementaridade. Ele estabelece que, embora mutuamente excludentes num dado instante, os dois comportamentos são igualmente necessários para a compreensão e a descrição dos fenômenos atômicos. O paradoxo é necessário. Ele aceita a discrepância lógica entre os dois aspectos extremos, mas igualmente complementares para uma descrição exaustiva de um fenômeno. No domínio do quantum não se pode ter uma objetividade completa... Ruiu, assim, mais um pilar newtoniano-cartesiano, o mais básico, talvez: não se pode mais crer num universo determinístico, mecânico, no sentido clássico do termo.

Como se poderia conciliar o fato de que uma coisa podia ser duas ao mesmo tempo, e como manter a objetividade se o tipo de experimento, e conseqüentemente a expectativa do esperado, pareciam determinar um ou outro comportamento experimental? A solução foi dada por Niels Bohr ao elaborar o princípio da complementaridade. Ele estabelece que, embora mutuamente excludentes num dado instante, os dois comportamentos são igualmente necessários para a compreensão e a descrição dos fenômenos atômicos. O paradoxo é necessário. Ele aceita a discrepância lógica entre os dois aspectos extremos, mas igualmente complementares para uma descrição exaustiva de um fenômeno. No domínio do quantum não se pode ter uma objetividade completa... Ruiu, assim, mais um pilar newtoniano-cartesiano, o mais básico, talvez: não se pode mais crer num universo determinístico, mecânico, no sentido clássico do termo.

A nível subatômico não podemos afirmar que exista matéria em lugares definidos do espaço, mas que existem "tendências a existir", e os eventos têm "tendências a ocorrer". É este o Princípio da Incerteza de Heisenberg. Tais tendências possuem propriedades estatísticas cuja fórmula matemática é similar à formula de ondas. É assim que as partículas são, ao mesmo tempo, ondas. A Física deixa de ser determinística para se tornar probabilística, e o mundo de sólidos objetos materiais, que se pensava bem definido, se esfumaça num complexo modelo de ondas de probabilidade..

Cai o determinismo em Física. As "partículas" não têm mais significado como objetos isolados no espaço; elas só fazem sentido se forem consideradas como interconexões dinâmicas de uma rede sutil de energia entre um experimento e outro (Capra, 1982, 1986; Grof, 1988; Heisenberg, 1981). Ficou demonstrada que a certeza num universo determinístico era fruto do desejo humano de controle e previsibilidade sobre a natureza, e não uma característica intrínseca da mesma. A concepção newtoniana era apenas uma formulação lógica sobre a natureza, refletindo uma idéia pessoal de mundo.
Teria da Relatividade : Conceitos
A mais revolucionária descoberta, porém, foi a demonstração experimental do pilar central da Teoria da Relatividade: as partículas materiais podem ser criadas a partir da pura energia e voltar a ser pura energia. A equivalência entre matéria e energia é expressa pela famosa equação E=mc2. As teorias de campo transcenderam definitivamente a distinção clássica entre as partículas e o vácuo. Segundo Einstein, as partículas representam condensações de um campo contínuo presente em todo o espaço.

Por isso o universo pode ser encarado como um teia infinita de eventos correlacionados, e todas as teorias dos fenômenos naturais passam a ser encaradas como meras criações da mente humana, esquemas conceituais que representam aproximações da realidade., pois, segundo a interpretação de Compennhagem, formulada por Bohr e Heisenberg, não há realidade até o momento em que ela é percebida pelo observador. Dependendo do ajuste experimental, vários aspectos complementares da realidade se tornaram visíveis. É o fato de se observar que gera os paradoxos! Por isso a realidade é fruto do trabalho mental e ela tenderá a ter os contornos de quem a observa e que escolhe o quê e o como observar.



Relatividade do Tempo

A velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor c em qualquer referencial inercial, independentemente da velocidade da da fonte de luz

Assim, se uma pessoa, numa situação hipotética, viajar para fora da Terra alta velocidade terá uma contagem de tempo diferente daquela de quem ficou na Terra, sendo que para o viajante o tempo “passa” mais lentamente.
A equação para se obter o valor exato desse cálculo é:





Aplicação
Karina e Tiago têm a mesma idade, 16 anos. Os pais de Karina partem para uma longa viagem com velocidade igual a 0,99.c, permanecendo no espaço por 11,4 anos. Ao retornar a terra, Karina e Tiago terão, respectivamente, aproximadamente:
a)27 e 66 anos
b)66 e 27 anos
c)27 e 27 anos
d)27 e 97 anos
e)97 e 27 anos


Relatividade do Comprimento

Para o observador inercial, o comprimento se contrai e a altura se mantém.




Aplicação
Uma cometa de comprimento 26m viaja no espaço a uma velocidade de 0,8.c. Qual o comprimento desse cometa observado da Terra?





A Relatividade da Massa
A massa aumenta com a velocidade, em relação a um observador em repouso num referencial inercial.



Aplicação
(Unicamp) De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, a massa (m) de um corpo varia de acordo com a velocidade(v) segundo a expressão:


(massa relativística) onde m0 é a massa do corpo e c é a velocidade da luz no vácuo.
Quando a velocidade v de um corpo aumenta, sua massa aumenta ou diminui?
Em que situação pode-se considerar a massa m como independente da velocidade?
Energia  Uma massa m, tem conteúdo energético dado por: E=m.c2, ou seja, um corpo que se desloca na velocidade da luz, se transforma em energia.

Dilatação espaço-temporal
Com o aumento da velocidade o espaço se curva em relação ao tempo.
Isto foi comprovado experimentalmente pela observação da partícula chamada de múon, que surge na atmosfera em decorrência das radiações cósmicas. O múon tem uma vida média de 2,2.10-6s, e se movem a uma velocidade muito próxima à da luz (v=2,994.108m/s). Portanto entre o momento que são criados e o momento que se desintegram deveriam percorrer uma distância média de:
d=v.t, logo d=2,994.108 .2,2.10-6 é d = 650m
No entanto eles são criados a quase 10km de altitude, e são detectados na superfície da Terra! Isso ocorre pois, para um observador na superfície da Terra, o tempo é relativo e maior, de acordo com a fórmula:


Assim, o tempo de vida de um múon, para alguém na Terra, passa a ser de aproximadamente 36.10-6s!
Percorrendo, então, relativamente ao seu tempo de vida, uma distância de 10 000m.

FÍSICA NUCLEAR

Analisa a força obtida da fissão (quebra) do núcleo do átomo (fissão nuclear) que é a explosão nuclear, e a fusão nuclear, que é a possível junção de átomos para compor uma nova matéria.
Foi o conhecimento físico que permitiu o desenvolvimento da bomba atômica.
Permitiu, também o conhecimento das subpartículas que compõem o átomo.
Força Nuclear
É a força que controla os movimentos dos elétrons, é a familiar força eletromagnética que mantêm unidos núcleo e eletrosfera de um átomo.
Unidades de Medida Radiação
O curie (abreviatura Ci) é a unidade de medida da atividade de uma fonte radioativa, sendo 1Ci = 3,7.1010 desintegrações por segundo.
O roetgen (abreviatura R) é a unidade de medida da exposição, ou seja a capacidade de um feixe de raios X ou raios gama ceder energia a um material através do qual eles passam, sendo 1R= 8,78mJ a 1Kg de ar seco nas CNTP. Um exemplo é o do raio X dental, que provê umas exposição de 300mR/s. Esta é a energia transmitida independente de haver ou não paciente na cadeira.


O rad (abreviação para dose absorvida de radiação), é a energia realmente absorvida pelo objeto específico que recebe a radiação.
As mãos, por exemplo, recebem 1 rad para 10 mJ/Kg cedido por energia ionizante.
Outro exemplo que podemos citar uma dose de 300rad de raios gama sobre todo o corpo durante um pequeno intervalo de tempo causará a morte de 50% de suas células.
Obs. Por ano recebemos no máximo 0,2 rad por ano.

BIG-BANG

Universo era totalmente concentrado em um único ponto;
O Universo está em expansão.
O Universo tem a forma de uma casca de noz.

Bliografia Básica

BROCKMAN, John. Einstein,l Gertrude Stein, Wittgenstein e Frankstein: reinventando o universo. São Paulo: Companhia das letras, 1988.

Capra, Fritjof. O Ponto de Mutação. São Paulo: Ed. Cultrix, 1986.

Capra, Fritjof. O Tao da Física. São Paulo: Ed. Cultrix, 1985.

Di Biase, Francisco. O Homem Holístico. Petrópolis: Ed Vozes,1995.

Guimarães, Carlos. Percepção e Consciência, João Pessoa: Ed Persona,1996.

HAWKING, Stephen. O Universo numa Casca de Noz. 5ª ed. São Paulo: Arx, 2002.

KAKU, Michio & TRAINER, Jennifer. Para Aém de Einstein.: A investigação cósmica para
uma teoria do univerrso. Mira-Sintra: Publicações Europa-América., 1987

WILL, Clifford. Einstein Tinha Razão? Testando a teoria da relatividade geral. Lisboa: Gradiva, 1989.





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Um comentário:

  1. qual é a resolução da questão da Karina e Thiago? Não estou conseguindo realizar a conta. =/

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