De caminhar na rua, lançar um foguete no espaço, colocar um imã na geladeira, forças físicas estão agindo ao nosso redor. Mas todas as forças que experimentamos todos os dias (e muitas que não percebemos que experimentamos todos os dias) podem ser reduzidas a apenas quatro forças fundamentais:
- Gravidade.
- A força fraca.
- Eletromagnetismo.
- A força forte.
Essas são chamadas as quatro forças fundamentais da natureza e governam tudo o que acontece no universo.
Gravidade
Gravidade é a atração entre dois objetos que têm massa ou energia, seja vista ao deixar uma pedra cair de uma ponte, um planeta orbitando uma estrela ou a lua causando as marés do oceano. A gravidade é provavelmente a mais intuitiva e familiar das forças fundamentais, mas também tem sido uma das mais difíceis de explicar.
Isaac Newton foi o primeiro a propor a idéia da gravidade, supostamente inspirada por uma maçã caindo de uma árvore. Ele descreveu a gravidade como uma atração literal entre dois objetos. Séculos depois, Albert Einstein sugeriu, através de sua teoria da relatividade geral, que a gravidade não é uma atração ou uma força. Em vez disso, é uma conseqüência de objetos dobrarem o espaço-tempo. Um objeto grande funciona no espaço-tempo, da mesma maneira que uma bola grande colocada no meio de uma folha afeta esse material, deformando-o e fazendo com que outros objetos menores na folha caíssem em direção ao meio.
Embora a gravidade mantenha planetas, estrelas, sistemas solares e até galáxias unidos, ela é a mais fraca das forças fundamentais, especialmente nas escalas molecular e atômica. Pense da seguinte maneira: Quão difícil é levantar uma bola do chão? Ou para levantar o pé? Ou pular? Todas essas ações estão neutralizando a gravidade de toda a Terra. E nos níveis molecular e atômico, a gravidade quase não tem efeito em relação às outras forças fundamentais.
A força fraca
A força fraca, também chamada de interação nuclear fraca, é responsável pela deterioração das partículas. Esta é a mudança literal de um tipo de partícula subatômica em outro. Assim, por exemplo, um neutrino que se aproxima de um nêutron pode transformar o nêutron em um próton, enquanto o nêutrino se torna um elétron.
Os físicos descrevem essa interação através da troca de partículas portadoras de força chamadas bósons. Tipos específicos de bósons são responsáveis pela força fraca, força eletromagnética e força forte. Na força fraca, os bósons são partículas carregadas chamadas bósons W e Z. Quando partículas subatômicas como prótons, nêutrons e elétrons chegam a 10 ^ -18 metros, ou 0,1% do diâmetro de um próton, um do outro, eles podem trocar esses bósons. Como resultado, as partículas subatômicas decaem em novas partículas, de acordo com o site HyperPhysics da Georgia State University.
A força fraca é crítica para as reações de fusão nuclear que alimentam o sol e produzem a energia necessária para a maioria das formas de vida aqui na Terra. É também por isso que os arqueólogos podem usar o carbono-14 para datar ossos, madeira e outros artefatos antigos. O carbono-14 possui seis prótons e oito nêutrons; um desses nêutrons decai em um próton para produzir nitrogênio-14, que possui sete prótons e sete nêutrons. Essa deterioração ocorre a uma taxa previsível, permitindo que os cientistas determinem quantos anos esses artefatos têm.
Força eletromagnética
A força eletromagnética, também chamada força de Lorentz, atua entre partículas carregadas, como elétrons carregados negativamente e prótons carregados positivamente. As cargas opostas se atraem, enquanto as cargas repelem. Quanto maior a carga, maior a força. E, assim como a gravidade, essa força pode ser sentida a uma distância infinita (embora a força seja muito, muito pequena a essa distância).
Como o próprio nome indica, a força eletromagnética consiste em duas partes: a força elétrica e a força magnética. A princípio, os físicos descreveram essas forças como separadas umas das outras, mas os pesquisadores mais tarde perceberam que as duas são componentes da mesma força.
O componente elétrico atua entre as partículas carregadas, estejam elas em movimento ou estacionárias, criando um campo pelo qual as cargas podem se influenciar. Mas uma vez acionadas, essas partículas carregadas começam a exibir o segundo componente, a força magnética. As partículas criam um campo magnético ao seu redor à medida que se movem. Portanto, quando os elétrons passam através de um fio para carregar seu computador ou telefone ou ligam a TV, por exemplo, o fio fica magnético.
As forças eletromagnéticas são transferidas entre partículas carregadas através da troca de bósons sem massa, chamados de fótons, que são também os componentes das partículas da luz. Os fótons portadores de força que trocam entre partículas carregadas, no entanto, são uma manifestação diferente dos fótons. Eles são virtuais e indetectáveis, apesar de serem tecnicamente as mesmas partículas da versão real e detectável, de acordo com a Universidade do Tennessee, Knoxville.
A força eletromagnética é responsável por alguns dos fenômenos mais comuns: atrito, elasticidade, força normal e força que mantém os sólidos juntos em uma determinada forma. É até responsável pelo arrasto que pássaros, aviões e até Superman experimentam enquanto voam. Essas ações podem ocorrer devido a partículas carregadas (ou neutralizadas) interagindo umas com as outras. A força normal que mantém um livro em cima de uma mesa (em vez de a gravidade puxar o livro para o chão), por exemplo, é uma conseqüência de elétrons nos átomos da mesa repelindo elétrons nos átomos do livro.
A forte força nuclear
A força nuclear forte, também chamada de forte interação nuclear, é a mais forte das quatro forças fundamentais da natureza. São 6 mil trilhões e trilhões de trilhões (39 zeros após 6!) Vezes mais que a força da gravidade, de acordo com o site HyperPhysics. E isso porque une as partículas fundamentais da matéria para formar partículas maiores. Ele mantém juntos os quarks que compõem prótons e nêutrons, e parte da força forte também mantém os prótons e nêutrons do núcleo de um átomo juntos.
Assim como a força fraca, a força forte opera apenas quando partículas subatômicas estão extremamente próximas umas das outras. Eles devem estar em algum lugar a 10 ^ -15 metros um do outro, ou aproximadamente dentro do diâmetro de um próton, de acordo com o site da HyperPhysics.
A força forte é estranha, porém, porque, diferentemente de qualquer uma das outras forças fundamentais, fica mais fraca à medida que as partículas subatômicas se aproximam. Na verdade, atinge a força máxima quando as partículas estão mais afastadas uma da outra, de acordo com o Fermilab. Uma vez dentro do alcance, os bósons carregados sem massa chamados glúons transmitem a força forte entre os quarks e os mantêm "colados" juntos. Uma pequena fração da força forte chamada força forte residual atua entre prótons e nêutrons. Os prótons no núcleo se repelem por causa de sua carga semelhante, mas a força forte residual pode superar essa repulsão, de modo que as partículas permanecem ligadas no núcleo de um átomo.
Unificando a natureza
A questão pendente das quatro forças fundamentais é se elas são realmente manifestações de apenas uma única grande força do universo. Nesse caso, cada um deles deve poder se fundir com os outros, e já há evidências de que eles podem.
Os físicos Sheldon Glashow e Steven Weinberg, da Universidade de Harvard, com Abdus Salam, do Imperial College de Londres, ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1979 por unificar a força eletromagnética com a força fraca para formar o conceito de força eletro-fraca. Os físicos que trabalham para encontrar a chamada teoria da grande unificação visam unir a força eletro-fraca com a força forte para definir uma força eletronuclear, que os modelos previram, mas os pesquisadores ainda não observaram. A peça final do quebra-cabeça exigiria a unificação da gravidade com a força eletronuclear para desenvolver a chamada teoria de tudo, uma estrutura teórica que poderia explicar todo o universo.
Os físicos, no entanto, acharam bastante difícil mesclar o mundo microscópico com o mundo macroscópico. Em escalas grandes e especialmente astronômicas, a gravidade domina e é melhor descrita pela teoria da relatividade geral de Einstein. Mas em escalas moleculares, atômicas ou subatômicas, a mecânica quântica descreve melhor o mundo natural. E até agora, ninguém encontrou uma boa maneira de mesclar esses dois mundos.
Os físicos que estudam a gravidade quântica visam descrever a força em termos do mundo quântico, o que poderia ajudar na fusão. Fundamental para essa abordagem seria a descoberta de gravitons, o bóson teórico da força gravitacional. A gravidade é a única força fundamental que os físicos podem descrever atualmente sem usar partículas que transportam força. Mas como as descrições de todas as outras forças fundamentais exigem partículas que transportam força, os cientistas esperam que os gravitons existam no nível subatômico - os pesquisadores ainda não descobriram essas partículas.
Para complicar ainda mais a história, está o reino invisível da matéria escura e da energia escura, que compõem aproximadamente 95% do universo. Não está claro se a matéria escura e a energia consistem em uma única partícula ou em um conjunto inteiro de partículas que têm suas próprias forças e bósons mensageiros.
A principal partícula mensageira de interesse atual é o fóton escuro teórico, que mediaria as interações entre o universo visível e o invisível. Se existirem fótons escuros, eles seriam a chave para detectar o mundo invisível da matéria escura e poderiam levar à descoberta de uma quinta força fundamental. Até agora, porém, não há evidências de que fótons escuros existam, e algumas pesquisas ofereceram fortes evidências de que essas partículas não existem.
