Breviário do pensamento cosmológico – o Princípio da Incerteza de Heisenberg[1]

Para prever a posição e a velocidade futuras de uma partícula é necessário poder medir, com precisão, a sua posição e velocidade actuais. O processo para conseguir este resultado consiste em fazer incidir luz na partícula. Algumas das ondas luminosas serão dispersas pela partícula, o que indicará a sua posição. Mas não conseguiremos determinar a posição da partícula com maior rigor do que a distância entre cristas consecutivas de ondas luminosas; de modo que é necessário utilizar luz de onda curta para medir com precisão a posição da partícula. Segundo a Teoria Quântica de Planck[2], não pode utilizar-se uma quantidade arbitrariamente pequena de luz; tem que utilizar-se pelo menos um quantum. E este quantum vai perturbar a partícula e modificar a sua velocidade de um modo que não pode ser previsto. Além disso, quanto maior for a precisão com que se mede a posição, menor será o comprimento de onda necessário e daí maior a energia que um único quantum deve ter.

A velocidade da partícula será perturbada: quanto mais rigorosamente tentarmos medir a posição da partícula, menos precisa será a sua velocidade e vice-versa[3].

Heisenberg demonstrou que a incerteza quanto à posição da partícula, a multiplicar pela incerteza quanto à sua velocidade e a multiplicar pela massa da partícula, nunca pode ser menor do que uma certa quantidade, conhecida por Constante de Planck[4].

O Princípio da Incerteza marcou o fim da Teoria do Determinismo Científico de Laplace – de um modelo de Universo completamente determinista. É impossível prever acontecimentos futuros com exactidão, dado que não é possível medir com precisão o estado actual do Universo!

Einstein protestou contra esta ideia, apesar do papel importante que desempenhou no seu desenvolvimento. Os seus sentimentos sobre um Universo governado pelo acaso estão resumidos na famosa frase: «Deus não joga aos dados».

Copérnico & Galileo

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[1] Werner Karl Heisenberg – Físico alemão (1901-1976), Prémio Nobel da Física em 1932, pela formulação da Mecânica Quântica.

[2] Teoria Quântica de Planck – Conceito de que a luz (ou quaisquer outras ondas electromagnéticas) pode ser emitida ou absorvida somente em unidades discretas, chamadas quanta, cuja energia é proporcional à frequência.

[3] Princípio da Incerteza de Heisenberg – Àcerca de uma partícula, quanto mais precisa for a determinação da sua posição, menos exacta será a medição da sua velocidade e vice-versa.

[4] Constante de Planck – número imutável que liga o comprimento de onda (propriedade ondulatória) à energia (propriedade corpuscular) das partículas.

Breviário do pensamento cosmológico – “os pacotes de energia”

E = hv Quantum de energia de um fotão

h = constante de Planck

v = frequência de radiação

O início do séc. XX foi uma época de extraordinário progresso para a Ciência, especialmente para a Física do muito..., muito pequeno – a Física das partículas – que equacionou questões chave que dominam hoje a Cosmologia[1] e a Cosmogonia[2].

A aceitação universal da teoria Newtoniana (Teoria da Gravitação), tinha levado o cientista francês Laplace (início do séc. XIX), a formular que o Universo era todo ele determinado. Laplace sugeria que existiam um conjunto de leis científicas que permitiam prever tudo o que viesse a acontecer no Universo, sendo apenas necessário termos conhecimento da caracterização completa do seu estado num dado momento. Era como se o conhecimento da posição do Sol e dos planetas em determinado momento, nos permitisse, futuramente, conhecer outros estados do sistema solar. A doutrina do determinismo cientifico foi aceite até aos primeiros dias do séc. XX. Um dos primeiros indícios de que o determinismo tinha os dias contados, foi dado pelas conclusões dos cientistas britânicos Lorg Rayleigh e Sir James Jeans, sobre a radiação emitida por corpos quentes, como por exemplo uma estrela: esta devia radiar quantidades ilimitadas de energia. Segundo o que se pensava, um corpo quente devia emitir ondas electromagnéticas em quantidades iguais em todas as frequências; e como o número de ondas por segundo não tem limite, deduzia-se que a energia total radiada seria ifinita, o que não era fisicamente correcto.

Foi quando o cientista alemão Max Planck[3] sugeriu que a luz, os raios X e as outras ondas electromagnéticas não podiam ser emitidas em quantidades arbitrárias, mas apenas em certas quantidades pequenas, a que chamou quantum[4]. Cada quantum teria uma quantidade de energia que seria tanto maior, quanto mais alta fosse a frequência das ondas. Assim, a uma frequência suficientemente alta, a emissão de um único quantum necessitava de mais energia do que a que se encontrava disponível; o que implicava que a radiação a altas frequências seria reduzida e a potência de emissão seria finita.

A hipótese dos quanta explicava muito bem a emissão de radiação por corpos quentes.

Einstein demonstrou que a hipótese quântica de Planck explicava o chamado efeito fotoeléctrico: o modo como alguns metais libertavam electrões ao ser iluminados – a energia quântica absorvida pelo metal, desloca os electrões periféricos do átomo, sendo então emitidos. Este efeito é a base dos modernos detectores de luz e aparelhos de televisão (foi por este trabalho que Einstein recebeu o Prémio Nobel da Física, em 1921).

Em 1906, Einstein interpretou os quanta como partículas de luz. Chamou-lhes fotões.

Mas as implicações da teoria quântica no determinismo só foram compreendidas em 1926, quando outro cientista alemão, Werner Heisenberg, formulou o seu famoso Princípio da Incerteza...

Copérnico & Galileo

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[1]Cosmologia-(Gr. Kosmología, tratado das leis finais que regem o Universo), s. f. Ciência que estuda o Universo como um todo, incluindo a sua origem, a sua evolução e teorias do seu desenvolvimento futuro; -(Astr.) parte da Astronomia que se dedica ao estudo das características físicas globais do Universo.

[2]Cosmogonia (Gr. Kósmos, universo + goné,  nascimento), s. f. designação das várias teorias que têm por objectivo explicar a formação do mundo.

[3]Max Planck – físico alemão (1889-1928), Prémio Nobel da Física em 1918 pela sua formulação da Teoria Quântica.

[4]Quantum – definição baseada na constatação de que todas as formas de energia são libertadas ou absorvidas em unidades discretas ou blocos, chamados quanta (plural de quantum, lat. quantidade)

Água mole em pedra dura

É uma antiga extracção de granito, algures nos arredores da cidade; nas cavidades, já perfeitamente delineadas, eram colocados entalhes de madeira, depois preenchidos com água; na foto inferior é perceptível um corte anterior na rocha, e in loco observam-se os veios onde madeira e água trabalharam.

Um exemplo de perseverança e determinação que tanto faltam por estes dias...

Se o mundo não acabar em 2012, segundo reza a profecia da civilização Maia, já temos outra data marcada para o nosso fim!

Foi notícia  um possível encontro do nosso planeta com um asteróide gigante – 2002NT7 – que anda a semear o pânico neste cantinho sossegado da Galáxia, questionando alguns a hipótese do monstro celeste se estatelar em cima da nossa Terra e provocar uma catástrofe a nível global, pondo em risco a continuação da vida por estas bandas.

Pensamos que os cientistas da NASA quiseram testar os nervos da humanidade, quando anunciaram que a colisão poderia estar marcada para o muito próximo ano de 2019, um tempo que passará num abrir e fechar de olhos – um instante, à escala universal.

E tem que se ter em conta que a aproximação de um asteróide nem sempre pode ser antecipada atempadamente. Foi o caso, ainda recente, de uma rocha da dimensão de um campo de futebol, que nos passou uma tangente a menos de um terço da distância Terra – Lua, porque a sua aproximação se fez contra a luz do Sol, sendo detectado apenas quando já se afastava da Terra.

O 2002NT7 tem uma dimensão de 2,6 km, uma trajectória de 837 dias e uma órbita com inclinação de 42 graus. A maior parte do tempo está acima do plano dos planetas, mas em cada 2,29 anos passa para um plano inferior, intrometendo-se, eventualmente, na trajectória da Terra. As probabilidades de uma colisão são de um para 250 mil, o que poderá acontecer a 1 de Fevereiro de 2019.

Copérnico & Galileo

Foto  mostra o asteróide 2002 NT7 passando a 66,123 milhões de milhas (0.711 UA); 1UA = 93 milhões de milhas, distância média entre a Terra e o Sol.

A valsa do rato

Não há palavras para descrever a beleza das imagens que o Telescópio Espacial Hubble envia para a Terra. Este “espião do espaço”, a sondar o Universo com o equipamento mais sofisticado, vai-nos surpreendendo com a descoberta de acontecimentos astronómicos que fazem parte da essência do próprio Universo, em constante evolução e mudança.
A Advanced Camera for Surveys (ACS) do Hubble fixou a imagem da colisão astronómica de duas galáxias em espiral, perfeitamente abraçadas numa “dança celestial”.
Baptizada de “O Rato” – como o instantâneo sugere – a sua cauda e parte da cabeça, são estrelas jovens, gás e poeiras emanadas pelas galáxias. O par, provavelmente, fundiu-se em uma só galáxia gigante. Também conhecida por NGC 4676, encontra-se na Constelação Coma Berenices(1) , a 300 milhões de anos luz dos terráqueos. O Hubble também monta um cenário de fundo com longínquas galáxias.
Uma simulação feita por computador (J. Barnes e J. Hibbard) mostra que a fotografia capta a colisão de “O Rato” 160 milhões de anos após o seu íntimo encontro.
Este espectáculo pode ser a antevisão do que acontecerá à galáxia a que pertence o Sistema Solar – a Via Láctea – dentro de alguns biliões de anos, quando colidir estrondosamente com a galáxia vizinha, Andrómeda, já que estão a aproximar-se e em rota de colisão uma com a outra.


Copérnico & Galileo


(1)A Constelação Coma Berenices deve o seu nome a uma lenda da Antiguidade Clássica, a propósito do cabelo de Berenice, mulher de Ptolomeu III rei do Egipto. E se a lenda é muito antiga, a constelação é relativamente recente, sendo introduzida na Cosmologia por Tycho Brahe (1546-1601). De acordo com a lenda, Ptolomeu empreendeu uma longa guerra contra os Assírios, que tinham morto a sua irmã. Regressando Ptolomeu vitorioso da guerra, sua mulher Berenice cortou as bonitas tranças do cabelo em oferta a Afrodite, colocando-as no altar do templo da Deusa. Ao entardecer desse dia festivo, sem se saber como e porquê, o cabelo desapareceu do sítio onde fora colocado, pondo em risco a vida dos sacerdotes responsáveis pelo templo, se não fosse recuperado. Foi o astrónomo Conon de Samos que veio em seu auxílio, proclamando que Afrodite aceitara a oferta das tranças de Berenice e que as mesmas brilhavam intensamente no céu, junto a Leão.
A Constelação é visível no Hemisfério Norte durante a Primavera e o Verão e pode ser observada entre as constelações Virgem e Ursa Maior. Beta Comae é actualmente a estrela de maior magnitude, na Constelação Coma Berenices, e a mais perto de nós – 27anos luz. Tem um diâmetro igual ao do Sol.
Posição no céu: Ascensão Recta: 12.76 horas; Declinação: 21.83 graus (ascensão recta e declinação são coordenadas que os astrónomos usam para localizar com precisão as estrelas).

Breviário do pensamento cosmológico - Mercúrio também não acertava o passo...

Precessão do Perélio















"Lentes gravitacionais"

A Teoria da Gravidade de Newton foi aceite sem discussão! E manteve-se como o “pilar universal” da física até ao início do séc. XX.
Então Albert Einstein deu um abanão na “indiscutível” física Newtoniana, com a concepção da Teoria Especial da Relatividade, em 1905, e da Teoria Geral(1) da Relatividade, em 1915.
A 1.ª mostrou que as três leis do movimento de Newton não eram totalmente correctas, não se aplicando para velocidades próximas da velocidade da luz(2) . A 2.ª demonstrou que a lei da gravidade de Newton também não era totalmente correcta, porque não se aplicava na presença de campos gravitacionais muito fortes.
No entanto, a Teoria da Gravidade de Newton e a Teoria da Gravitação implícita na Teoria da Relatividade Geral, prevêem essencialmente o mesmo para campos gravitacionais em que a força gravitacional é fraca.
Mas há três pontos fundamentais em que as duas teorias divergem:
1. Observou-se que a órbita de Mercúrio precede no espaço a sua posição, isto é, tem uma posição ligeiramente diferente da esperada. Este fenómeno é comumente chamado a “precessão do periélio”, porque faz com que a posição do periélio se mova. Apenas parte deste fenómeno é previsto pela Teoria de Newton. Há 43 segundos de arco extras, por século, nesta precessão, que são previstos pela Teoria Geral da Relatividade, e observada a sua ocorrência (um segundo de arco é 1/3600 de um grau angular). Este efeito é extremamente pequeno mas a sua medição é muito precisa e pode detectar o fenómeno da precessão, que é devido à grande atracção gravitacional que o Sol exerce sobre o planeta.
2. A teoria de Einstein prevê que a direcção de propagação da luz pode ser alterada devido à acção de um dado campo gravitacional, contrariamente à previsão da Teoria Newtoniana. Observações de grande precisão indicaram que Einstein estava certo, em relação ao efeito e sua magnitude. Uma consequência desse fenómeno é o conceito das “lentes gravitacionais”(3) .
3. A Teoria Geral da Relatividade prevê que a luz que passa por um campo gravitacional forte, tem o seu comprimento de onda mudado para valores maiores ( o que os astrónomos chamam “mudança para o vermelho”), também contrariando a teoria de Newton. Observações detalhadas indicam essa “mudança para o vermelho”, e que a sua magnitude é correctamente determinada pela teoria de Einstein.
Mas o ano de 1900 assistiu à formulação de uma outra teoria revolucionária da Física...

(1)As duas teorias sustentam a noção de que não há movimentos absolutos no Universo, mas apenas relativos. Para Einstein o Universo não é plano, nem o tempo é absoluto, e combinam-se ambos em espaço-tempo curvo. Enquanto que para a geometria clássica a distância menor entre dois pontos é uma linha recta, na teoria de Einstein é uma linha curva. Com base nessa teoria são postulados o princípio da relatividade, isto é, que as leis físicas são as mesmas em todos os sistemas inertes de referência, e o princípio da constância da luz. De acordo com a teoria da Relatividade, se dois sistemas se movem de modo uniforme em relação um ao outro, é impossível determinar algo sobre o seu movimento, a não ser que é relativo. Isto deve-se ao facto de a velocidade da luz no vácuo ser constante, sem depender da sua origem ou de qualquer observador. Em virtude disso, verifica-se que a massa e a energia são intercambiáveis, o que nos leva à equação mais famosa do século: E = mc2 (“E” ,energia, é igual à massa, “m”, multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz, “c2”).
(2)Velocidade da Luz = 300 mil Km por segundo.
(3)Lentes Gravitacionais: um fenómeno que ocorre quando o próprio espaço é deformado por forças gravitacionais, tão intensas, que conseguem alterar a direcção da luz emitida por qualquer objecto; este surge então com aparência amplificada.


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Uma galáxia reobservada...

Uma galáxia reobservada pelo Telescópio Espacial Hubble

Um anel de estrelas “azuis” gira em volta do núcleo amarelo, desta galáxia conhecida como Objecto de Hoag.
A galáxia, com 120 mil anos luz de extensão, é ligeiramente maior que a Via Láctea.
O anel azul, onde predominam aglomerados de estrelas jovens, contrasta com o núcleo amarelo constituído por estrelas mais velhas. E o que parece ser um intervalo, ou um “buraco”, entre as duas populações de estrelas, pode conter outros aglomerados de estrelas com um brilho já muito enfraquecido para serem visíveis.
Curiosamente..., um objecto que aparenta uma estranha semelhança com o Objecto de Hoag, pode ser visto, no referido intervalo, na posição da 1 hora. Trata-se de outra galáxia focada num ponto bastante mais distante do Universo.
O Objecto de Hoag foi descoberto em 1950, pelo astrónomo Art Hoag e encontra-se à distância de 600 milhões de anos luz, na Constelação da Serpente . Hoag inicialmente pensou tratar-se de uma nebulosa planetária – os vestígios brilhantes de uma estrela semelhante ao Sol. No entanto, rapidamente afastou essa hipótese, sugerindo que o misterioso objecto fosse uma galáxia.

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