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As forças da natureza

Neste artigo, abordaremos as forças fundamentais da natureza, que são um mecanismo em que as partículas interagem entre si e que não pode ser explicado por nenhuma outra força que fundamente a origem de um fenômeno físico

Antonio José Silva Oliveira / físico, doutor em Física Atômica e Molecular, pós-doutor em Jornalismo Científico. Professor da UFMA

- Atualizada em 11/10/2022 às 12h21

Cada fenômeno físico observado, desde uma colisão de galáxias até quarks agitando-se dentro de um próton, pode ser explicado por estas interações. Devido à sua importância fundamental, a compreensão dessas interações ocupou a atenção dos físicos por meio século e continua ocupando até hoje.
Tradicionalmente, a física moderna tem listado quatro interações: gravidade, eletromagnetismo, força nuclear eletrofraca (força fraca), e força nuclear forte (força forte). Suas magnitudes e seus comportamentos variam muito, mas existe uma tendência de que três dessas interações sejam a manifestação de uma única interação, mais fundamental, tal como a eletricidade e o magnetismo são agora entendidos como dois aspectos de uma interação eletromagnética. Eletromagnetismo e forças fracas têm-se mostrado semelhantes em dois aspectos da força eletrofraca. De forma mais especulativa, a força eletrofraca e a força forte podem vir a ser combinadas usando as teorias da grande unificação. Como combinar a quarta interação, a gravidade, com as outras três ainda é um tópico para a pesquisa em gravitação quântica.

As quatro forças fundamentais da natureza
Na natureza, quatro são as interações fundamentais entre os corpos, denominadas de força gravitacional, força eletromagnética, força fraca e força forte, com intensidades que dependem da fonte que a produz e da distância da fonte ao ponto em que fazemos a medição.

A força gravitacional presente no nosso dia a dia é a mais fraca de todas e é uma força mútua de atração entre dois corpos quaisquer do universo. Foi descrita por Isaac Newton (1643-1727) na obra Princípios Matemáticos da Filosofia Natural, publicada em 1687, que, com o conjunto das três leis de Newton, fundamentaram a mecânica clássica.

Conjunto de massas que compõe o sistema solar que obedecem às leis de Newton
Conjunto de massas que compõe o sistema solar que obedecem às leis de Newton

A lei da gravitação de Newton afirma que toda partícula do universo atrai qualquer outra partícula com uma força que é diretamente proporcional ao produto das massas das partículas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Concluiu ainda que um corpo de massa m1 atrai um segundo corpo de massa m2, e este segundo também pode atrair o primeiro com a mesma força.

Interação entre dois corpos de massa m1 e m2. G é a constante gravitacional universal. F12=-F21
Interação entre dois corpos de massa m1 e m2. G é a constante gravitacional universal. F12=-F21

Embora seja considerada uma força fraca, na ordem de 10-40 vezes menor que a força eletromagnética, a Força Gravitacional é a de maior alcance, sendo a responsável pela estabilidade dinâmica de todo o universo. A sua generalização relativística é a Teoria da Gravitação de Einstein, que introduziu o conceito da curvatura espaço-tempo. Ela é das quatro forças da natureza que, até o momento, não pode ser quantizada, ou seja, que a força possa ser medida em partes discretas, e essa quantidade medida advém do menor tamanho da partícula responsável pelo campo gravitacional — a menor fonte capaz de produzir um campo gravitacional.

Essa interação seria transmitida por partículas chamadas grávitons. Os estudos sobre grávitons têm sido realizados por anos na busca de encontrar uma teoria quântica da gravitação consistente, algo que ainda não possuem, apesar dos enormes esforços desenvolvidos pelos físicos.

Outra força, ou interação fundamental da natureza, é a força fraca, vista no processo de decaimento, tais como o decaimento beta nuclear, o decaimento do píon, do múon e de várias partículas "estranhas". Incluem-se nessa classe os léptons, os mésons, os bárions, o fóton, os bósons W e Z e as respectivas antipartículas.

A primeira teoria das interações fracas foi apresentada por Fermi em 1933. Hoje a sua forma atual é devida a Glashow, Weinberg e Salam, que a propuseram nos anos da década de 1960, e ficou sendo chamada de teoria de flavordinâmica por causa de uma das propriedades intrínsecas das partículas elementares. A relação entre a força fraca e a força eletromagnética é na ordem de 10-11 — a força fraca é 10-11 menor que a força eletromagnética.

As quatro forças fundamentais da natureza
As quatro forças fundamentais da natureza

A terceira interação está relacionada aos fenômenos elétricos e magnéticos, ou seja, as forças eletromagnéticas. A formulação clássica da Eletrodinâmica foi feita por James Clerk Maxwell (1865), que sintetizou as leis da eletricidade e do magnetismo em quatro equações. As equações de Maxwell reuniram numa mesma descrição a eletricidade, o magnetismo e a óptica, até então especialidades separadas, tendo constituído uma das mais bem-sucedidas teorias de unificação da Física. Com a formulação de Maxwell, a luz adquiriu uma consistência científica que nos permitiu entender, de forma inédita, como a luz interage com a matéria e suas diversas propriedades. A identificação da natureza elétrica e magnética da luz foi um dos desenvolvimentos mais brilhantes da física moderna. A invenção do laser só foi possível após a compreensão da natureza da luz no final do século XX, após o desenvolvimento da teoria da mecânica quântica. De acordo com a teoria quântica, um feixe de luz é feito de milhões de fótons, entidades elementares cuja natureza é ambígua, podendo se comportar ora como ondas, ora como partículas.

O laser transformou a pesquisa básica e permitiu que os físicos explorassem as propriedades da matéria por meio de espectroscopia e da óptica não linear, explorando fenômenos como os modos normais de vibração da matéria, e a mudança de frequências de oscilações. Com esses resultados, podem-se fabricar estruturas micro e nanométricas em vidros e polímeros orgânicos, os quais os pesquisadores tentam tornar compatíveis com as feitas de silício.

A teoria clássica construída por Maxwell já era consistente com a teoria da relatividade especial de Einstein. A junção desta teoria com a mecânica quântica, ou seja, a construção de uma "Eletrodinâmica Quântica" foi realizada por grandes nomes da física tais como Feynman, Tomonaga e Schwinger nos anos que compõem a década de 1940.

Na teoria de flavordinâmica, as interações fraca e eletromagnética são apresentadas como manifestações diferentes de uma única força, a força eletrofraca. Essa unificação entre a interação fraca e a interação eletromagnética reduz o número de forças existentes no universo a apenas três: força gravitacional, força forte e força eletrofraca.

As forças fortes são aquelas responsáveis pelos fenômenos que ocorrem a curta distância no interior do núcleo atômico. A estabilidade nuclear está associada à força forte. É ela que mantém o núcleo unido evitando que os prótons que os constituem, por possuírem a mesma carga elétrica, simplesmente sofram uma intensa repulsão e destruam o próprio átomo. O trabalho pioneiro sobre as forças fortes foi realizado por Yukawa em 1934, mas, até meados da década de 1970, não havia, realmente, uma teoria capaz de explicar os fenômenos nucleares. Foi então que surgiu a cromodinâmica quântica.

Interação nuclear forte
Interação nuclear forte

Recentemente, uma equipe de físicos teóricos propôs um método para investigar modelos gerais que descrevem "tubos de energia", com o objetivo de compreender melhor a força forte entre os quarks, as partículas constituintes dos prótons e nêutrons dos núcleos atômicos. O estudo, publicado na revista Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 123 , 221602), concluiu que os modelos para tubos de energia formados entre um par de quarks estão localizados no limiar do espaço de possibilidades matemáticas para esses modelos.

Se a força forte não existisse, a matéria que forma o universo, tal como a conhecemos, também não existiria. Prótons e nêutrons não conseguiriam se formar. Nós, seres humanos, não poderíamos existir.

Ilustração de um tubo de energia criado ao separar um par de quarks
Ilustração de um tubo de energia criado ao separar um par de quarks

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