Constante de Estrutura Fina, e outras referências fundamentais

“A ideia – cristalizada durante milênios, de que o céu e a Terra são coisas separadas, foi superada há 500 anos. – Todavia…essa mudança de perspectiva ainda não faz parte da nossa cultura… – As pessoas ainda mantêm uma…’imagem mental’…de que o céu é uma quintessência inacessível…  O grande desafio é compreender que nós estamos, de fato, ‘dentro do céu’ – restabelecendo essas…ligações cósmicas”. ###(Augusto Damineli)###

Radio contour map of the quasar B0218+367 at about 7.5 billion light years distance. The galaxy containing absorbing ammonia molecules lies about 6 billion light years away and, though it is not seen in this radio map, gravitationally lenses the background quasar light to produce two bright quasar images on the sky (big red circles). The physical size of the image (at the distance of the absorbing galaxy) is about 19,000 light years across. Image: Andi Biggs (MERLIN Image, click for higher resolution).

Representação do contorno em radiofrequência do quasar B0218 367, a cerca de 7,5 bilhões de anos luz de distância. A galáxia contendo moléculas de amônia (em absorção no espectro) se encontra a aproximadamente 6 bilhões de anos-luz de distância. E, apesar de não ser vista neste radio-mapa, ampliou como lente gravitacional a luz de fundo do quasar, para produzir 2 imagens brilhantes no céu (grandes círculos vermelhos). O tamanho físico da imagem (à distância da galáxia de absorção) é de cerca de 19 mil anos-luz de diâmetro. [Andi Biggs/MERLIN].

As ‘leis da natureza’ são as mesmas…no universo longínquo, ou aqui mesmo, na Terra. Esse é o resultado da pesquisa, conduzida por Michael Murphy…e uma equipe de astrônomos do Instituto Max Planck de Rádio Astronomia, em Bonn-Alemanha…Publicada em 19/06/2008,  na “Science a pesquisa demonstra que a razão de massas próton/elétron, para a física teórica…uma de suas mais fundamentais relações numéricas — se mantém – quase exatamente a mesma, tanto para uma galáxia a6 bilhões de anos-luz de distância quanto àquela, encontrada em ‘laboratórios terrestres’, ou seja — aproximadamente 1.836,15Segundo o astrofísico…esta se trata de uma constatação bastante importante, considerando a existência de várias teorias…questionando a possibilidade das leis da natureza mudarem seus valores, tidos até aqui, por constantes, em outras eras e lugares diferentes do Universo…E ele ainda complementou:

“Conseguimos demonstrar que as leis da física são as mesmas nesta galáxia…                     – a meio caminho através do universo visível – como elas são aqui na Terra”.

Os astrônomos chegaram à conclusão olhando para trás no tempo, através de um quasar distante, denominado ‘B0218+367‘. – Sua luz, que levou 7,5 bilhões de anos…até chegar aqui…foi, em parte, absorvida por “gás amoníaco” de uma outra galáxia no caminho… As ‘linhas espectrais’ de amônia foram obtidas no comprimento de onda 2 cms (deslocado ao vermelho – do comprimento de onda original 1,3 cm) pelo radiotelescópio ‘Effelsberg’. Os λs em que a amônia absorve a ‘rádio-energia’ do quasar são sensíveis a um número da física nuclear sui generis…a razão de massas próton/elétron, explica Christian Henkel:  

“A amônia é a molécula ideal para testar nossa compreensão física do cosmos…Relacionando sua linha de absorção com outras moléculas… é possível calcular ‘nessa galáxia’ a razão Mp/Me…e comparar à daqui”.

O objetivo dos astrônomos é continuar testando no Universo, as leis da natureza; em tantos lugares e tempos diferentes, quanto possível – a fim de verificar como estas se comportam em diversas situações. Para isso precisarão de mais galáxias de absorção.          A galáxia estudada, B0218 367, é a única testada até agora… nesse tipo de pesquisa.      Deve haver muito mais galáxias similares por aí … tão logo os telescópios ideais para encontrá-las estiverem disponíveis. E de acordo com Murphy, este problema poderá        ser resolvido com o projeto proposto do telescópio “Square Kilometre Array” (‘SKA’).

O SKA é, de longe, o mais ambicioso projeto internacional de telescópio                                 jamais concebido… — Quando concluído… permitirá uma vasta procura                                 por muito mais galáxias de absorção”. (texto 1)  (texto 2) ## (jun/2008) *******************************************************************

Constantes Variáveis?! …                                                                                                      “Se os parâmetros das leis da física são determinados por processos estatísticos de             auto-organização que ocorrem em tempo real – então…é possível o surgimento da inovação…até ao nível das leis fundamentais.”   (Lee Smolin – ‘A Vida do Cosmos’) 

Algumas coisas nunca mudam. Os físicos as chamam de…’constantes da Natureza’. Eles supõem que algumas quantidades… como velocidade da luz (c)… a constante gravitacional de Newton (G) … ou ainda, a massa do elétron…por exemplo, sejam sempre iguais — em qualquer momento, ou lugar do Universo. Em torno delas as teorias físicas definem as “leis naturais”.

A física progrediu ao realizar medições cada vez ‘mais precisas’ de tais valores.  Mas, mesmo assim…ninguém até hoje, conseguiu prever — ou explicá-las.

Pelo “Sistema Internacional”: c é 299.792.458; G é 6,673 x 10-11 e me…9,10938188 x 10-31 ;  nºs que não seguem qualquer padrão reconhecível. A única característica comum … é que, mínimas variações nesses valores, fariam sumir estruturas complexas, como “seres vivos”.

O desejo de explicar as constantes está por trás dos esforços para desenvolver uma descrição completa e unificada da Natureza, ou “teoria de tudo“… – Espera-se que            tal teoria mostre que cada constante da Natureza possui apenas um valor possível.    Ficaria revelada assim… – alguma ordem … por trás da aparente “arbitrariedade“.

Até agora, os pesquisadores não têm ideia de por que esta nossa combinação foi escolhida. Nesse caso, não haveria nenhuma explicação para muitas de nossas constantes numéricas, fora o fato de que elas constituem rara combinação… que permite o surgimento da vida. O Universo observável seria um entre muitos oásis isolados…cercado por uma infinidade de espaço estéril – um lugar surreal com forças desconhecidas da Natureza…onde partículas como elétrons, e estruturas tipo átomos de carbono, e moléculas de DNA, não ocorreriam. 

Régua Confiável!?

A… “Teoria das Cordas uma das candidatas à…teoria de tudo foi concebida … em parte – para explicar esta aparente…”arbitrariedade“…das “constantes físicas”… e suas equações básicas — contêm poucos parâmetros ainda não justificados… – No entanto,  até o presente momento… – não pode oferecer qualquer explicação… que ao menos justifique — o valor observado dessas ‘constantes fundamentais.

Na verdade, chamá-las de ‘constantes‘ talvez seja um erro. Elas poderiam variar no tempo e no espaço. Se as dimensões adicionais do espaço… – formuladas pela ‘teoria das Cordas’ mudassem de tamanho…as “constantes” em nosso mundo tridimensional mudariam com elas. – Especulações nesse sentido estiveram presentes, desde a década de 1930…O difícil é provar isso com experimentos… – pois o equipamento de laboratório, também pode ser sensível a mudanças nas ‘constantes’. Se o tamanho de todos átomos estiver aumentando, e a régua usada na medição também esticar – será impossível perceber o fenômeno. Com efeito, costuma-se supor nas experiências que os padrões de referência, tais como réguas, massas, relógios…permanecem fixos. Porém, ao testar tais constantes isso não é possível.

É preciso prestar atenção nas constantes que não têm unidade… são nºs puros…de modo que seus valores sejam os mesmos em qualquer sistema. Um bom exemplo é a razão entre massas, como a do próton e do elétron.

cte.estrutura.finaUma razão de especial interesse, combina a velocidade da luz (c), a carga elétrica do elétron (e)…a constante de Planck (h), e a dita “permissividade do vácuo” (εo). Tal quantidade… α = e²/2εohc, chamada de ‘constante de estrutura fina‘, foi introduzida em 1916 por Arnold Sommerfeld… – pioneiro na aplicação da teoria quântica ao eletromagnetismo. Ela relaciona o componente relativístico (c) e quântico (h) de interações eletromagnéticas (e) entre partículas carregadas no vácuo (εo)…As medições de α estabeleceram o valor de 1/137,03599976… ou, aproximadamente…1/137… – Se α tivesse um outro valor qualquer, características essenciais do mundo variariam…provocando sua irreversível instabilidade.

As reações nucleares em estrelas são especialmente sensíveis a α. Para que ocorra fusão, a gravidade de uma estrela precisa produzir temperaturas altas o suficiente … para forçar os núcleos a se unir, a despeito de sua tendência a se repelir… Se α excedesse 0,1 – a fusão se tornaria impossível (a menos que outras constantes fossem ‘ajustadas‘…para compensar).

Uma mudança de 4% em α alteraria de tal modo níveis de energia no núcleo do              carbono… – que a produção desse elemento por estrelas simplesmente cessaria.

Um problema experimental difícil de resolver é que a medição de variações nas constantes exige equipamentos de alta precisão, capazes de permanecer estáveis por tempo suficiente para registrar qualquer mudança. Mesmo relógios atômicos… com precisão da ordem de 1 segundo para cada 50 milhões de anos, só conseguem detetar desvios nas constantes num período de dias, ou no máximo, alguns anos… Se α variasse mais de 4 partes em 1015 no período de 3 anos, os melhores relógios perceberiam… – Nenhum o fez. Isso pode parecer uma boa confirmação das constantes…mas 3 anos é um piscar de olhos no tempo cósmico. Mudanças lentas, mas substanciais ao longo da história cósmica passariam despercebidas.

“Proliferação Nuclear”

Na década de 1970 — no entanto, pesquisadores franceses notaram algo “peculiar” na composição de isótopos de urânio – em minério extraído de Oklo…no Gabão…As rochas pareciam lixo atômico de modernos… “reatores nucleares”.  Surpreendentemente, cerca de 2 bilhões de anos atrás Oklo deve ter sido o…’palco natural’… para um primitivo ‘reator nuclear‘.

Em 1976, Alexander Shlyakhter do Instituto de Física Nuclear de São Petersburgo, Rússia, percebeu que o funcionamento de um reator natural depende da “exata” energia de um  estado particular do núcleo do elementosamário… que facilita a captura de neutrons. E essa energia é bastante sensível ao valor de α. Se a constante de estrutura fina tivesse um valor ligeiramente diferente, nenhuma reação em cadeia teria sido possível em Oklo; mas uma ocorreu…Isso implica que a constante não variou mais do que uma parte em 108 nos últimos 2 bilhões de anos. (…Os físicos, contudo…continuam debatendo esses resultados)

Em 1962… James Peebles e Robert Dicke (“Princeton University”) aplicaram princípios semelhantes a meteoritos. – Nessas rochas, a proporção relativa de diferentes isótopos, resultantes do decaimento radioativo depende de α. Segundo recente trabalho liderado por Keith Olive…da Universidade de Minnesota – quando a rocha se formou… α estava dentro de 2/106 de seu valor atual. — Tal resultado é menos preciso do que o de Oklo, porém mais antigo… regredindo às origens do sistema solar – 4,6 bilhões de anos atrás.

Para testar possíveis mudanças em períodos de tempo ainda mais longos, será                 preciso olhar para o céu. – A luz de fontes distantes…leva bilhões de anos para                     alcançar nossos telescópios — trazendo um “instantâneo” das leis e constantes               físicas do início de sua viagem… – ou da matéria que encontrou pelo caminho.

Medindo ‘linhas espectrais’

A astronomia entrou na história das constantes em 1965, quando os primeiros quasares vindos de distâncias incríveis foram então encontrados… – Ao cruzar com algum “gás galático“…sua luz é absorvida…em certas definidas frequências, imprimindo assim um “código de barras“, através de finas linhas em seu espectro.

Sempre que um átomo de gás absorve luz… – seus elétrons saltam de um nível de energia mais baixo para outro mais alto. Esses níveis de energia são definidos pela capacidade do núcleo de atrair elétrons, que por sua vez, depende da intensidade eletromagnética entre eles, e portanto da ‘constante de estrutura fina…Se essa constante fosse diferente no momento de absorção da luz, ou na região do Universo em que a absorção ocorreu, então    a energia necessária para fazer o elétron saltar…seria diferente da atualmente detetada, e também seriam diversos, portanto, os comprimentos de onda, nas transições do espectro.

A maneira como os comprimentos de onda mudam, depende sensivelmente da configuração orbital dos elétrons… Para uma determinada variação em α, alguns comprimentos de onda encurtam, enquanto outros aumentam. O complexo padrão de tais efeitos dificilmente seria confundido com erros na tomada de dados – tornando assim o teste…”extremamente poderoso”.

Antes que nossa equipe começasse a trabalhar no problema, 7 anos atrás… as tentativas de realizar medições tinham 2 limitações. Em primeiro lugar, os comprimentos de onda de muitas das linhas espectrais relevantes…não haviam sido medidos com suficiente precisão em laboratório. – Ironicamente… conhecia-se o espectro de quasares a bilhões de anos luz melhor do que o de amostras aqui na Terra. – Por isso…precisávamos de medições de alta precisão para compararmos ao espectro obtido; para tanto persuadimos colegas a fazê-las.

O segundo problema…é que costumava-se usar linhas de absorção do tipo…dubleto alcalino, isto é, pares de linhas de absorção do mesmo gás, tal como carbono, ou silício. Comparava-se o ‘espaçamento‘ entre essas linhas espectrais do quasar…e as medições em laboratório. Tal método porém não tira vantagem do fato, de que uma variação em α altera – não só o espaçamento em linhas de absorção…mas também, sua posição no espectro.  Desse modo…a maior precisão era em cerca de, apenas uma parte em 104.

Em 1999, foi desenvolvido um método 10 vezes mais preciso…para comparar diferentes átomos (ferro e magnésio, p. ex.), o que nos permitiu estabelecer a posição absoluta das ‘linhas de absorção’. Muito embora colocar essa ideia em prática tenha exigido ‘cálculos super-complexos’…na definição de como comprimentos de onda observados dependem     de α em todos tipos de átomo; a nova abordagem…combinada a telescópios e detetores modernos nos possibilitou testar a constância de α com uma exatidão sem precedentes.

Incertezas…Sistemáticas & Aleatórias                                                                      Descobertas extraordinárias exigem provas extraordinárias…e assim, nossos pensamentos  voltaram-se imediatamente para possíveis problemas com os dados ou métodos de análise.

Ao embarcar nesse projeto esperávamos estabelecer que o valor da constante de estrutura fina permanecia o mesmo, há muito tempo – nossa contribuição seria só… maior precisão. Para nossa surpresa os primeiros resultados de 1999 mostraram variações pequenas, mas estatisticamente relevantes. Novos dados confirmaram essa descoberta. Com base em um total de 128 linhas de absorção de quasares, detetamos um aumento médio em α de cerca de 6 partes em 1 milhão… — ao longo dos últimos 6 bilhões — até 12 bilhões de anos atrás.

As incertezas classificam-se em 2 tipos…sistemáticas e aleatórias… No caso das incertezas aleatórias, distintas em cada medição isolada… para grandes amostras, sua média tendia a zero. – Incertezas sistemáticas porém, não tendem a se cancelar…sendo mais complicadas por isso. – No laboratório, pode-se alterar a configuração experimental para minimizá-las, mas os astrônomos… não podendo mudar o universo…se vêem forçados a reconhecer que todos métodos disponíveis…na coleta de dados…sofrem de uma “distorção irremediável”.  Em todo levantamento de galáxias…por exemplo…as mais brilhantes, tendem a se “super-representar”. – Identificar e neutralizar essas distorções, representa um desafio contínuo.

Em 1º lugar, procuramos alguma distorção na escala de comprimento de ondas com que havíamos medido as linhas espectrais dos quasares. Conseguimos eliminar a hipótese de erros de método…Depois, por mais de 2 anos, procuramos cuidadosamente outros erros nos dados. Investigamos possíveis distorções uma a uma, e as descartamos, em detalhes.

magnésio espectro

The magnesium triplet contains three strong lines of magnesium and one strong line of iron. There are weaker lines of iron that are not resolved in the magnesium triplet. The b4 absorption line is composed of Mg I 5167.322 Å and Fe I 5167.4883 Å and is wider than the b2 Mg I 5172.684 Å and b1 Mg I 5183.604 Å absorption lines. (Crédito)

Até agora, identificamos somente uma fonte potencialmente séria de distorção, relativa às linhas de absorção do magnésio…Embora cada um dos 3 isótopos estáveis desse elemento absorva luz com um comprimento de onda diferente, os valores são muito próximos entre si… A espectroscopia de quasares não consegue separar suas respectivas linhas espectrais, que aparecem borradas… como se fossem uma única linha. – Medições em laboratório da abundância relativa dos 3 isótopos inferiram a contribuição de cada um deles ao espectro.

Se…no início do universo…essa proporção fosse muito diferente,                       tal efeito então poderia ser confundido com uma alteração de α.

Em um artigo recém-publicado, Yeshe Fenner da Universidade de Tecnologia Swinburne, Austrália, e colegas…descobriram…no entanto, que as quantidades relativas dos isótopos de magnésio necessárias para simular variações em α teriam; em contradição direta com as observações… resultado numa produção excessiva de nitrogênio no início do Universo. Por conseguinte…temos de considerar a possibilidade de que α tenha realmente mudado.  Todavia, tentando provar issonovas medições para outros espectros de quasares foram realizadas sem quaisquer alterações em α. O físico Hum Chand (Centro de Astronomia e Astrofísica da Índia), autor de uma dessas análises, argumentou que, qualquer alteração, deveria ter sido menor do que… 1 parte em 106… – nos últimos 6 a 10 bilhões de anos.

Mas como é possível que…uma análise razoavelmente similar, apenas com ‘dados‘ diferentes, resulte em divergências em ‘α‘  assim, tão radicais? Até agora,     não se sabe a resposta. — Tais dados são de ótima qualidade, mas as amostras usadas… são essencialmente menores…não retroagindo tanto… no tempo.

A análise de Chand – fundada no método de análise espectroscópica… “many-multiplet”, não chegou a avaliar todos erros experimentais e sistemáticos… – e pode ter introduzido novos erros por conta própria…O astrofísico John Bahcall (Princeton) criticou o método, mas os problemas vistos por ele são incertezas aleatórias…somem em grandes amostras.  Para checar resultados…o grupo de Jeffrey Newman do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, está analisando linhas de emissão, em vez de absorção. Essa abordagem ainda    é menos precisa que a nossa…mas, no futuro… – pode vir a fornecer dados importantes.

‘Alfa’ É Só o Começo                                                                                                              Se α varia, suas mudanças precisam conservar energia e momento, com respectivos efeitos eletromagnéticos… e devem influenciar o “campo gravitacional” do Universo.    

Em 1982, Jacob Bekenstein, da Universidade Hebraica de Jerusalém foi o 1º a generalizar as leis do eletromagnetismo…para lidar de maneira rigorosa com constantes inconstantes. Ele elevou α da condição de simples número, à de campo escalar, ingrediente dinâmico da Natureza. A teoria contudo não incluía a gravidade. A poucos anos atrás, John Barrow, juntamente com Håvard Sandvik e João Magueijo – do Imperial College…estenderam-na, justamente com esse objetivo. Contudo, mesmo assim…segundo a nossa teoria, variações em α de algumas poucas partes por milhão exerceriam um… “efeito irrisório”… – sobre a expansão do Universo…Isso porque o eletromagnetismo… em escalas cósmicas… é muito mais fraco que a gravidade. Porém, embora mudanças na constante de estrutura fina não afetem significativamente a expansão do Universo, a expansão afeta ‘α‘. – Desequilíbrios entre a energia do…”campo elétrico”…e a do…”campo magnético”…provocam mudanças.

Universe_content_pie_chartDurante as primeiras dezenas de milhares de anos da história cósmica a radiação prevaleceu sobre as partículas carregadas e manteve o equilíbrio entre esses 2 campos. Conforme o Universo se expandiu, a radiação foi se diluindo… e a matéria – com suas partículas…tornou-se o constituinte dominante. O ‘campo elétrico’ tornou-se mais forte que o campo magnético, e α começou lentamente a aumentar… comofunção logarítmica do tempo“…Cerca de 6 bilhões de anos atrás…a ‘energia escura‘ passou a preponderar — e acelerou a expansão… tornando praticamente impossível — que quaisquer tipo de ‘influências físicas’ – se propagassem pelo espaço.

Assim, α voltou a ficar quase constante.

O padrão assim previsto é consistente com nossas observações. As linhas espectrais dos quasares representam o período da história cósmica dominado pela matéria, quando α estava aumentando. Resultados de laboratório…e os de Oklo, correspondem ao período dominado pela “energia escura”…no qual α tornou-se constante. O estudo de elementos radioativos em meteoritos é usado nesse caso pra testar a transição entre os 2 períodos.

Consequências futuras                                                                                                              Estudos prévios sobre variação de constantes como α deixaram de                                      incluir uma ‘observação vital’… – o ‘caráter granular’ do Universo. 

Qualquer teoria interessante não se limita a reproduzir observações… – ela deve fazer previsões novas. – A nossa sugere que variações na constante de estrutura fina fazem objetos cair de forma diferente uns dos outros… Galileu predisse que corpos no vácuo caem com uma mesma aceleração. – Se α variar, porém, esse princípio deixa de valer exatamente. As variações geram uma força em todas partículas carregadas. – Quanto    mais prótons um átomo tiver no núcleo – com maior intensidade ele sente essa força.

Se nossas observações dos quasares estiverem corretas, então a aceleração de diferentes materiais difere em uma parte em 10e14… — pequena demais para ser vista em laboratório…mas suficiente para ser testada em missões planejadas como a “STEP” (Teste Espacial do “Princípio da Equivalência”).

vialc3a1ctea1Assim como todas galáxias…a Via Láctea é cerca de 1 milhão de vezes mais densa que      a média cósmica… – Ela se mantém unida, devido à enorme atração gravitacional,  proporcionada por sua própria matéria —      não se expandindo, junto com o Universo.  Em 2003, Barrow viu que α pode assumir valores diferentes… – dentro das galáxias,      ou em regiões bem mais vazias do espaço.

Depois que uma galáxia se condensa, e atinge seu equilíbrio gravitacional, α quase pára de mudar dentro dela, mas continua a mudar nas regiões externas. Desse modo, experiências feitas na Terra para testar sua constância sofrem de uma distorção de seleção. Precisamos estudar melhor esse efeito para então entender como ele afetaria os testes do ‘princípio de equivalência’ fraco. – Nenhuma variação espacial de α foi ainda constatada. Com base na ‘radiação cósmica de fundo’, Barrow mostrou que α não varia mais do que 1 parte em 108, entre regiões separadas por 10 graus no céu – Para onde isso tudo vai nos levar?… – No momento aguardamos que novos dados e análises comprovem, ou refutem a inconstância de α…As observações astronômicas fornecem os testes mais sensíveis sobre as constantes da Natureza… – e não há experimento de laboratório hoje – que possa a elas se comparar.

A origem das constantes está relacionada às maiores questões da ciência moderna – da unificação da física à expansão do Universo… Elas podem      ser a sombra de uma estrutura maior e mais complexa, do que o próprio Universo tridimensional que conhecemos… Determinar se as constantes      são de fato constantes é o 1º passo nessa direção. (texto base) (fev 2006)  ******************************************************************** 

Constante (?) de Estrutura Fina”                                                                               “Explicarei com que forças a Natureza dirige o curso do Sol e o vagar da Lua… de modo que não devemos supor que estes façam seu percurso anual, entre Céu e Terra, por livre arbítrio…ou tenham sido postos a rodar em homenagem a um plano divino”. (Lucrécio)

Indícios de mudança na razão das massas próton/ elétron surgiram na comparação entre o espectro do “gás de Hidrogênio” (obtido em laboratório) e o ‘espectro de luz’ das nuvens de Hidrogênio… de quasares distantes… Tal teste se refere às…assim chamadas…”constantes físicas” – que podem não ser ‘absolutamente‘ constantes. – Por exemplo, a ‘constância‘ da Constante da Estrutura Fina, representada pela letra alfavem sendo objeto de discussãoAlguns testes mostram que está mudando; outros, dizem que não…E essa é uma importante questão, pois α estabelece a intensidade geral da força que une os átomos…a “força eletromagnética”. E…além disso, a razão entre as massas do próton e do elétron (μ) é também importante no estabelecimento da escala da Força Nuclear Forte.  Mas ainda não existe uma explicação do porque a massa do próton deva ser 1.836 vezes a do elétron. Esta nova pesquisa – em busca de um valor variável de ‘μ’ … foi realizada por Wim Ubachs, da Vrije Universiteit /Amsterdam. Ele… e seus colegas, abordaram a tarefa, examinando o Hidrogênio gasoso em laboratório…realizando uma espectrocopia de ultra definição na faixa quase inacessível do “extremo-ultravioleta”. – Os dados então … foram comparados com observações de espectros de absorção de Hidrogênio distante… pela luz   de quasares ainda mais longínquos, no European Southern Observatory (“ESO”) … Chile.

O Hidrogênio astronômico é, essencialmente, Hidrogênio, tal como ele era a 12 bilhões de anos atrás, de forma que se pode procurar indícios de um valor mutante para μ. Por que a comparação?… Porque a posição de uma linha espectral, em particular, depende do valor de μ – localize uma linha espectral precisamente (isto é, seu ‘comprimento de onda’), e você pode inferir um valor para μAssim, os pesquisadores observaram indícios de que μ  diminuiu em 0,002%, nesses 12 bilhões de anos, com uma precisão estatística ao nível de 3,5 do padrão de ‘desvio espectroscópico’. ####### (texto base) (abr 2006) #######

conceitos-da-fisicaDefinindo‘constantes fundamentais’  Em Física, uma ‘constante fundamental’… é, no sentido estrito do termo…uma constante física independente do sistema de unidades, representada por um nº adimensional. Isto, faz destas… “referências físicas” – as únicas constantes estritamente “universais” (ainda que por vezes se aplique o termo ‘constante fundamental’… a constantes que dependem do tipo de sistema de unidades escolhidas.

O termo “fundamental”, pode também ser usado para se referir a qualquer constante física universal com dimensão, como a “Constante gravitacional”.

Procurando constantemente formas de tornar suas teorias mais simples e elegantes… os físicos tentam reduzir o número de constantes nas fórmulas matemáticas dessas teorias. Isso é possível, definindo-se unidades de medida de tal modo, que várias das constantes físicas mais comuns, como ‘velocidade da luz’, sejam normalizadas à unidade. O sistema de “unidades naturais” resultante é frequentemente utilizado na literatura especializada sobre Física avançada, por simplificar – notadamente – muitas das equações existentes.

Algumas constantes físicas, no entanto, são números adimensionais, que não podem ser eliminados assim… – Seus valores devem ser obtidos ‘experimentalmente’… A procura de evidências que comprovem se constantes fundamentais do universo variam ou não com o tempo é atualmente uma importante área de pesquisa no mundo acadêmico. O fato é que se algumas constantes fundamentais tivessem um valor “ligeiramente” diferente daquele que têm hoje, a vida na Terra tal como a conhecemos, não teria sido possível. (texto base)

Por que necessitamos de constantes?                                                                                No estudo do universo em sua totalidade, a partir do infinitamente pequeno (com aceleradores)…até ao infinitamente grande (com telescópios) — as constantes são ‘ferramentas fundamentais’… – para testar os limites de nossas teorias científicas.

NewtonMuitos acreditam que o “Principia” (1687) escrito por Newton no século 17 seja a obra fundamental da física moderna…por introduzir os conceitos de espaço…tempo…e gravitação… dando um sentido unificado às leis do Cosmos. Com efeito, para a ‘física moderna’ criar o seu próprio desenvolver, ela necessita estar ancorada em…’leis universais’, para que a experiência possa ser repetida…aqui e alhures… hoje e amanhã. Essas leis são exercidas dentro de um ‘quadro geral’… que é o universo, e      foi assim que passamos do conceito de mundo, à ideia de Cosmos, em que as constantes passam a desempenhar “papel central”…nas teorias físicas.

Paradoxalmente…estas constantes podem variar por longos períodos de tempo,            mesmo sendo usadas ​​para estruturar o ‘domínio de validade’ das mais diversas          teorias físicas (Mecânica Newtoniana, Relatividade restrita, Relatividade Geral,            Mecânica Quântica, Eletrodinâmica Quântica, Cromodinâmica Quântica… etc).              Tais “constantes físicas” costumam ser classificadas em 3 diferentes categorias:                  Aquelas que descrevem uma classe de fenômenos (‘constante gravitacional’).
As constantes universais que aparecem em muitas leis físicas, assim como a              velocidade da luz – mesmo sendo classificada um fenômeno electromagnético.                      As constantes físicas características de um sistema dado (massa do elétron).

E assim, é comum deduzir daí, que as 3 “constantes fundamentais” da natureza, sejam:    Constante gravitacional (G) é uma força (“newtoniana”) de atração entre os corpos, proporcional ao produto das suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre o seu centro de massa respectivo…Velocidade da luz (c), envolvendo “eletromagnetismo” e “relatividade”… — corresponde a um limite de velocidade para a transmissão de informações…impossível de exceder… Já a Constante de Planck (h) descreve o tamanho dos quanta. – É empregada no mundo infinitesimal da “mecânica quântica” ao relacionar a…”energia”…de um fóton…com sua “frequência”. (texto base********************************************************************************

Com quantas constantes, se descreve um Universo?…                                                  k’… “constante de Boltzmann” … é utilizada para relacionar a                                        temperatura de uma partícula de gás com sua energia cinética.

Com quantas constantes físicas, podemos descrever o Universo?… A resposta…para um grupo de físicos no Brasil…é… apenas duas. E essas 2, podem ser escolhidas, de uma lista de 3…a intensidade da ‘força da gravidade’ (Newton), a ‘velocidade da luz’ (Einstein)…e a ‘constante de Planck’, que fundamenta a…”mecânica quântica”… ao relacionar a energia, com a frequência de uma partícula de luz…argumenta George Matsas, e colegas da UNESP – São Paulo.

“Dê-me uma régua e um relógio, e eu descreverei a realidade” Esse poderia ser o lema da física moderna, concluiu uma equipe de teóricos brasileirosao tentar passar a limpo uma questão fundamental quantos…e quais são os números mais importantes das leis físicas? Muito embora cada físico pareça ter uma resposta diversa a essa questão… e a controvérsia esteja longe de ser resolvida – os físicos conseguiram colocar um pouco de ‘ordem na casa’, provando de modo simples e direto que o número mínimo de constantes fundamentais é 2.

George Matsas, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp, e um dos autores do estudo, explica que “nossa contribuição não foi criar uma física nova, mas escrever a física padrão da forma mais econômica possível…eliminando o desnecessário para enxergar mais longe. Algo dessa controvérsiavem da falta de consenso do que é uma constante fundamental”.

numeros.jpgTudo é feito de números

Os físicos usam números para descrever e tentar explicar o mundo. — A maioria dos nºs utilizados por eles, aparecem quando comparam alguma coisa com outra… — É como quando usamos um ‘padrão‘, para comparar, ou medir quantidades. O atual padrão de medida de tempo por exemplo,  é quanto demora 1 elétron num átomo de Césio, para transitar entre 2 movimentos básicos…todas unidades de tempo, como segundos…e minutos – se definem como múltiplos ou fraçõesdo mesmo padrão.

Os físicos, no entanto, não medem somente coisaseles também constroem relações matemáticas entre quantidades de natureza diferente…como a equação E = mc², que relaciona a energia E, e a massa m de um objeto, com a velocidade da luz no vácuo c. Determinados números como o valor de c… sempre o mesmo — costumam aparecer multiplicando quantidades diferentes, nas equações físicas… São esses números que,        em geral, são chamados de “constantes fundamentais”. Atualmente… a opinião mais comum é a de que as constantes fundamentais são 3… – a constante G, que na lei da gravidade de Newton expressa a intensidade atrativa entre 2 massas; c… velocidade          da luz, limite absoluto de velocidade para todos os corpos; e h (constante de Planck),      que relaciona a energia de uma partícula da luz com seu comprimento de onda.

Ainda assim… – perguntar em uma…roda de físicos…se as constantes fundamentais são mesmo G, c, e h, pode gerar debates intermináveis.

Um famoso debate desses começou em 1992, no Cern (Organização Européia para Pesquisa Nuclear) – entre os físicos Gabriele Veneziano, Lev Okun e Michael Duff, resultando num artigo publicado em 2002… em que Veneziano defendia apenas 2,        Okun acreditava nas 3 usuais…e para Duff, não existiam constantes fundamentais.                O artigo foi mencionado em 2004 … num dos seminários do grupo de pesquisa de      Matsas, no IFT, onde ele comenta que: “achamos escandaloso que nessa altura do campeonato (da ciência), ainda haja controvérsia sobre quantas são as constantes fundamentais”…A partir daí, por 3 anos, Matsas e Vicente Pleitez, do IFT, Alberto            Saa, do Instituto de Física – Unicamp, e Daniel Vanzella, do Instituto de Física de              São Carlos da USP, passaram a…regularmente em seminários…discutir o assunto.

Uma “teoria final” (em conjectura)                                                                                          “Quanto mais leis você assume, menos constantes independentes                                        você precisa”. (Frank Wilczek – “Prêmio Nobel” de Física…2004)

E foi assim que, quando se encontraram novamente em maio de 2005, Matsas estava convencido de que a resposta definitiva…somente seria dada por uma…“teoria final”,      que daria explicação para os valores de todas as propriedades do universo. A ideia de      que…quanto mais sofisticada a teoria… – menos constantes fundamentais ela possui, colocaria portanto essa ‘teoria final’, com um número mínimo possível de constantes.

teoria finalTodavia… Matsas e colegas logo perceberam que não precisavam esperar pela teoria final para obter uma resposta. Eles começaram a imaginar um laboratório ideal com todos os instrumentos necessários – para verificar todas as leis físicas que conhecemos Eles então perceberam que os cientistas desse laboratório imaginário, precisariam definir apenas 2 padrões de medida, utilizando 2 propriedades constantes e independentes…para medirem todas as demais propriedades: tais como massa, corrente elétrica e temperatura. Isso, porque, a rigor, tudo o que se mede são…”comprimentos”…e…”intervalos de tempo”.

Mas, alguém que se lembre das lições na escola sobre o sistema MKS (metro, kilograma, segundo) pode perguntar…“E a massa?”… Matsas então, explica que… “A maneira mais direta de medir massa é pelo experimento de Cavendish”. – Desenvolvido em 1798, por Henry Cavendish, esse experimento mede a massa de um corpo… – ao registrar apenas distâncias e aceleração de movimentos. Dessa forma…poderíamos, portanto, expressar massas – por uma combinação de unidades de tempo e espaço… em vez de kilogramas.

Os pesquisadores deduziram que a partir de 2 padrões fundamentais surgem, necessariamente, 2 ‘constantes fundamentais’ nas equações.    Todas constantes a mais…são opcionais, definidas por conveniência.

“Note também que não estamos dizendo quais constantes são mais fundamentais que as outras…não há um par preferencial”, ressalta Matsas. – O estudo afirma apenas que, em princípio, basta escolher quaisquer 2 constantes independentes dentre todas a possíveis  (c, G, h, carga do elétron, etc.) para que possamos então… expressar todas as demais propriedades do universo…exclusivamente…em termos de combinações entre unidades.

Mais tarde, a equipe de teóricos verificou que outros estudos chegaram a conclusões semelhantes…um resultado de 1914 do físico Edgar Buckingham já pregava… àquela      época…a necessidade de – no mínimo 2 … padrões fundamentais de medida. E mais recentemente, físicos estudando a definição de padrões de medida, estão concluindo          o mesmo. – Entre eles, John Wignall, da Universidade de Melbourne, defende que o padrão de massa do Sistema Internacional de Unidades seja definido em termos de tempo e comprimento; como explica Vanderlei Bagnato, do Instituto de Física/USP:

“Há possibilidade de que a massa venha a ser determinada por oscilações                            de íons aprisionados em armadilhas; definida assim a massa atômica, o                            kilograma seria… tão somente um múltiplo dela”. (texto base) (jan/2009)  **********************************************************************

Constantes fundamentais da natureza estão prestes a mudar (jul/2011)            Valores definidos pela Comissão de Dados para Ciência e Tecnologia (‘CODATA’)

valores-constantes-fundamentais

As constantes fundamentais da natureza são ajustadas a cada 4 anos, para incorporarem os avanços no conhecimento científico, e também nas tecnologias e precisões das medições. [Mohr/Talbott/NIST]

A força eletromagnética ficou um pouco mais forte…A gravidade ficou um pouco            mais fraca, e agora se conhece um pouco melhor o tamanho do menor ‘quantum’                de energia. Os novos valores das constantes fundamentais da natureza…acabam                de ser recomendados internacionalmente, pelo “Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia” (NIST) dos EUA… Todavia, não há motivos para pânico, nem falsas expectativas…a sua geladeira não passará a grudar no ímã e nem você se sentirá            mais leve por uma presumida ‘dieta da gravidade’…As constantes fundamentais                    da natureza – que vão de algumas bem famosas, como a velocidade da luz … até                  outras bem obscuras, como o ‘deslocamento da frequência de Wien’, se ajustam,                    a cada 4 anos…para incorporar os avanços científicos…e tecnologias de precisão.

Estes últimos valores chegam bem na hora…quando está para ser votado um plano        para redefinir as unidades básicas do “Sistema Internacional de Unidades” – como o quilograma e o ampere, exclusivamente em termos das constantes fundamentais.

Constante alfa (α)                                                                                                                          A constante α também será uma constante crítica…depois de uma cada vez mais            provável redefinição do sistema: continuando a ser uma constante experimental,        enquanto outros valores serão fixados…para definir unidades básicas de medida.

Embora os valores ajustados reflitam alguns desenvolvimentos científicos significativos      ao longo dos últimos 4 anos… na maior parte dos casos a melhor notícia que se pode ter sobre o valor de uma constante fundamental é uma redução da incerteza – os cientistas passam a saber o valor com mais precisão. – A incerteza no valor da constante alfa, por exemplo (α = 7,297.352.5698 x 10-3), definindo a intensidade da ‘força eletromagnética’,      foi reduzida pela metade, chegando agora a 0,3 parte por bilhão (ppb)…Como pode ser medida em uma enorme escala de fenômenos… – a consistência das medições funciona como um…’barômetro‘…da “compreensão geral” da física, que os cientistas adquirem.

Constante de Planck (h)

A constante de Planck, h, que define o tamanho do menor “quantum” (pacote) de energia possível, central para os esforços de redefinição da unidade de massa, também se ajustou.  O último valor de h (6,626.069.57 x 10-34 joule/segundo) leva em consideração a medição do número de átomos em uma esfera de silício, altamente enriquecido. – Esse valor atual não coincide com o outro método fundamental para determinar h. Mesmo assim, quando todos valores são combinados, a incerteza de 44 ppb é menor…e as 2 técnicas convergem.

Diminuição da gravidade (G)

Os novos valores também incorporam duas novas medições experimentais de G, a constante da gravitação de Newton, que determina a força da gravidade…O último        valor de (6,673.84 x 10-11 m3 kg-1 s-2) é cerca de 66 partes por milhão, menor que                o valor de 2006. – Além desses acertos, foram feitos outros ajustes em constantes,        como o raio do próton, além de outras, relacionadas a átomos e gases. (texto base***************************(texto complementar)**************************** 

NASA inicia atividades do “relógio atômico do espaço profundo” (26/ago/2019)

relógioatômicoespaçoprofundo

O “Deep Space Atomic Clock” da NASA, a primeira tecnologia semelhante a GPS para o espaço profundo, iniciou sua missão espacial de um ano nesta sexta-feira. Se a tecnologia for bem-sucedida, relógios atômicos semelhantes serão usados ​​para a navegação automática das próprias espaçonaves. Crédito: General Atomics Electromagnetic Systems

Um relógio atômico que poderia abrir caminho para viagens espaciais autônomas acaba de ser ativado com sucesso na semana passada, e está pronto para começar sua demonstração tecnológica de um ano, confirmou a equipe da missão. Lançado em junho, o Relógio “Deep Space” da ‘NASA’ é um passo fundamental para permitir uma segura “navegação espacial”, zerando o ‘tempo de espera‘ do lento processo de receber o retorno de instruções da Terra.

Desenvolvido no ‘Laboratório de Propulsão a Jato’ da NASA em Pasadena, Califórnia, o cronômetro portátil é o primeiro marcador estável o suficiente para mapear a trajetória      no espaço profundo – em pleno voo a bordo da espaçonave. – Sua estabilidade permite operações mais afastadas da Terra, com a precisão necessária…ao eliminar os períodos mais longos de resposta, similar ao de satélites artificiais terrestres. Relógios atômicos, como estes dos…”satélites GPS”…são empregados ​​para medir a distância entre objetos, cronometrando quanto tempo leva um sinal para ir do ponto A ao ponto B. Entretanto,        na exploração espacial os relógios atômicos devem ser extremamente precisos; mesmo        o erro de 1 segundo…significa a diferença entre pousar em um planeta como Marte, ou perdê-lo por centenas de milhares de kms… Programado numa estabilidade superior a        dos relógios atômicos nos satélites GPS em mais de 50 vezes – o “Deep Atomic Space Clock” perde 1 segundo a cada 10 milhões de anos… como ficou comprovado em testes controlados na Terra. Essa extraordinária precisão poderá agora ser testada no espaço.

Atualmente… a navegação espacial na Terra usa relógios atômicos do tamanho de um refrigerador para identificar a localização de uma espaçonave. Essa operação, quando    um sinal é enviado da Terra à espaçonave, antes de retornar à Terra…quando é usado      para criar instruções que são enviadas de volta à espaçonave – pode custar, de alguns minutos…a horas. – Um relógio a bordo… permitiria que a espaçonave calculasse sua própria trajetória – em vez de esperar que os navegadores da Terra…enviassem essas informações. Esse avanço liberaria missões para viajar mais longe…e, eventualmente, transportar humanos em segurança para outros planetas…E ainda sobre esse mesmo assunto, Todd Ely, pesquisador chefe do projeto “Deep Space Clock” no JPL explicou:

“O objetivo atual do experimento é aplicar o “Deep Space Clock” no            contexto de uma espaçonave em operação… sintonizado com todas    nuances que afetam a estabilidade … e precisão de um cronômetro,            para assim, conferir seu funcionamento ao nível esperado; ordens              de magnitude acima… da estabilidade dos relógios convencionais”.

Nos próximos meses será medida a eficiência do relógio em intervalos de nano-segundos. Os resultados inauguram a “contagem regressiva”, para o dia em que a tecnologia poderá ajudar os astronautas … a navegar com segurança … para outros mundos. (texto original)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
Esse post foi publicado em cosmobiologia, cosmologia, física e marcado . Guardar link permanente.

Uma resposta para Constante de Estrutura Fina, e outras referências fundamentais

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