Física II - artigo sobre forças

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A IMPORTÂNCIA DAS FORÇAS FUNDAMENTAIS NA TEORIA DO TUDO 
 1 ALINE GOMES 2 FABIANA DA GAMAFERREIRA 
RESUMO 
A Teoria da Grande Unificação também conhecida como “Teoria do Tudo”, 
é uma teoria unificadora que tem por objetivo chegar a uma única equação 
matemática que unifique as quatro forças fundamentais da natureza: a 
eletromagnética, a gravitacional, nuclear fraca e nuclear forte. Este artigo trata de 
uma revisão sobre as quatro forças fundamentais visando facilitar a compreensão 
da importância dessa teoria e o importante papel que as forças desempenham nela, 
além de explorar os avanços e dificuldades encontradas na busca por esta 
unificação. A pesquisa bibliográfica foi realizada por intermédio da leitura de livros 
de divulgação científica referência na área, teses e em sites específicos de sobre o 
tema. 
 
Palavras-chave: forças da natureza, teoria da grande unificação, teoria do tudo, teoria 
das cordas. 
ABSTRACT 
The Grand Unified Theory also known as the "Theory of Everything," is a 
unifying theory that aims to arrive at a single mathematical equation that unites the four 
fundamental forces of nature the: electromagnetic, gravitational, weak- and strong- 
nuclear force. This article is a review of this four fundamental forces in order to facilitate 
the understanding of the importance of this theory and the significant role that forces 
play in it, also to explore the advances and difficulties faced in the search for this 
unification. The bibliographical research was carried out by reading reference books of 
scientific divulgation in the area, thesis and in specific sites related to the subject. 
 
Key words: forces of nature, Grand Unified Theory, Theory of Everything, String 
Theory. 
 
 
 
 
1 Docente do Curso de Engenharia Ambiental da Faculdade Anchieta de Ensino Superior do 
Paraná. E-mail: alinne.gommes@outlook.com. 
2 Doutora em Engenharia e Ciência dos Materiais. Professora de física da Faculdade Anchieta 
de Ensino Superior do Paraná. E-mail: fabi_ferreira@ymail.com. Rua: Pedro Gusso 4150- 
Cidade Industrial. Curitiba/Paraná. 
mailto:fabi_ferreira@ymail.com
 
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1. INTRODUÇÃO 
O conceito de força vem sendo desenvolvido desde a antiguidade, quando 
os filósofos gregos observaram os movimentos dos corpos e passaram á associa-lo 
com a força, sendo assim, esta passou a ser definida como o agente causador do 
movimento. Atualmente, sabe-se que a natureza pode ser descrita por quatro forças 
que são consideradas fundamentais, sendo elas: gravitacional, eletromagnética, 
nuclear fraca e nuclear forte e que, por intermédio delas, todos os fenômenos naturais 
relacionados ao movimento dos corpos em pequena ou grande escala podem ser 
explicados (Souza, 2015). 
A Teoria da Grande Unificação (Grand Unified Theory – GUT) ou, também 
chamada de a Teoria do Tudo prevê a unificação destas forças, visando descrever 
todos os fenômenos naturais através de uma única força. Para melhor compreender a 
GUT, este artigo faz uma revisão do conceito de força, como seu conceito foi 
desenvolvido, as quatro forças que visão ser unificadas e os avanços realizados na 
área. É necessário fazer uma revisão acerca destas forças para chegar à 
compreensão da importância que as mesmas desenvolvem na teoria. 
 
2. MATERIAIS E MÉTODOS 
O presente artigo foi desenvolvido através de pesquisa literária em livros 
de divulgação científica, livros-textos, artigos acadêmicos, teses de doutorado e sites 
específicos de divulgação científica relacionados ao tema. Foi optado por artigos 
acadêmicos e sites de divulgação cientifica escritos na língua portuguesa, com o 
intuito de se fazer um levantamento acerca da quantidade disponível e a 
acessibilidade da literatura pertinente ao tema proposto no presente artigo. 
 
 
 
 
 
 
 
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3.RESULTADOS E DISCUSSÃO 
3.1 A ORIGEM DAS FORÇAS FUNDAMENTAIS 
Atualmente a explicação científica mais aceita sobre a origem do universo 
é a teoria da grande explosão ou Big Bang como é popularmente conhecida. A teoria 
do big bang prevê que o universo passou por um processo acelerado de expansão, e 
que no instante anterior a este processo, o universo e toda a matéria e energia que 
nele há, estava comprimida numa região pequena e densa do espaço, conhecida 
como ponto de singularidade (Pereira, 2016). 
 Esta teoria prevê que neste estado primordial do universo, as quatros 
forças fundamentais da natureza estavam unificadas em uma única só (Abdalla, 2016), 
que a mesma interagia com toda matéria comprimida na singularidade. Quando o 
universo começou a se expandir, esta única força se dividiu, resultando nas quatros 
versões das forças fundamentais que os especialistas definem hoje como sendo a: 
gravitacional, eletromagnética, nuclear fraca e nuclear forte (Abdalla, 2016). 
3.2 O CONCEITO DE FORÇA 
O filósofo grego Aristóteles (384-322 a.C), acreditava que ‘força’ era algo 
que puxava ou empurrava objetos e que para manter o movimento dos mesmos, este 
‘algo’ teria que agir sobre ele durante todo o movimento (Tenenbaum ,2006). Essa 
ideia de força permaneceu por muitos anos, até que Galileu Galilei (físico italiano 
1564-1642) afirmou que um objeto em movimento continuaria em movimento até que 
uma força contrária a esse movimento agisse sobre ele, caso contrário, o objeto 
tenderia a se movimentar indefinidamente (Hewitt, 2015). 
Galileu Galilei realizou vários experimentos com diversos objetos em 
planos inclinados para testar a sua hipótese (Hewitt, 2015) e concluiu que quanto 
menos inclinado e mais liso fosse o plano, menor seria a força de atrito (força oposta 
ao movimento).A essa tendência dos objetos resistirem a mudanças em seu 
movimento, Galileu chamou de ‘inércia’ (Hewitt, 2015), contradizendo o conceito 
aristotélico. 
Quase cem anos depois, Isaac Newton (físico inglês 1727-1622) 
desenvolveu as ideias de Galileu, em seu livro O Princípio Matemático da Filosofia 
 
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Natural (1687) formulou três leis fundamentais das causas do movimento. (Francisco 
et al.,2007). As leis de Newton trazem a relação entre a força total ( ou força soma ou 
resultante) e a variação da velocidade de um corpo em referenciais inerciais (corpos 
que se movimentam a uma velocidade baixa quando comparada a velocidade da luz) 
(Halliday et al.,2016). 
As três leis são: lei da inércia que expressa que um corpo que está em 
movimento ou repouso tende a permanecer em movimento ou repouso, 
respectivamente, a menos que uma força externa atue sobre ele (Bertoldo, 2008). A 
lei fundamental da dinâmica ou lei da força resultante expressa a relação entre força, 
massa e aceleração de um corpo é descrita pela equação (1). 
 
F=m.a (1) 
 
Em que F representa o vetor força que age sobre um corpo, que expressa, 
‘m’ é a massa desse objeto e a é o vetor aceleração do corpo (Bertoldo, 2008). Já a lei 
da ação e reação mostra que quando dois corpos ou mais interagem um exerce sobre 
o outro uma força de mesma intensidade e direção, porém de sentidos opostos, 
caracterizando um par de forças opostas (Bertoldo, 2008). 
A partir das três leis do movimento de Newton, o conceito de força foi 
definido como o agente causador dos movimentos dos corpos (Halliday et al.,2016). 
Este conceito de força foi aperfeiçoado a partir das novas descobertas acerca do 
comportamento da matéria e com o aperfeiçoamento do modelo atômico proposto por 
J.J Thomson (Chesmam et al.,2004), onde esta grandeza física passou a ser 
considerada também o resultado da interação entre as partículas constituintesdos 
átomos que compõe a matéria dos corpos (elétrons, prótons e nêutrons) (Chesmam et 
al.,2004) . 
 
 
 
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3.3 A ESTRUTURA DA MATÉRIA 
Por volta de 478 a.C dois filósofos gregos Leucipo e Demócrito 
propuseram que a matéria poderia ser dividida em minúsculas partes, até que fosse 
possível chegar a uma pequena fração que não poderia ser dividida, á essa pequena 
fração indivisível da matéria eles chamaram de: átomo que significa Indivisível (Maia & 
Bianchi,2007) Segundo a Concepção dos filósofos atomistas os átomos se uniam para 
formar estruturas mais complexas, como moléculas e compostos (Cristoff, 2015). 
Em 1911, o físico Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores 
(Geizer e Marsden) realizaram vários experimentos onde bombardearam uma fina 
lâmina de ouro com um feixe de partículas alfa (α) (partículas radioativas que possuem 
carga positiva) (Christoff, 2015) e observaram que a maioria das partículas 
atravessava a lâmina sem sofrer nenhum desvio. Realizando repetidamente a 
experiência com mais precisão observaram que algumas das partículas sofriam alguns 
desvios e outras chegavam a ser refletidas novamente ao ponto de origem, como se 
as partículas α tivessem colidido com algo maciço (Maia & Bianchi, 2007). 
Com os resultados da sua experiência, Rutherford propôs um novo modelo 
atômico, onde o átomo passou a ter um núcleo pequeno e muito denso composto por 
uma partícula chamada próton com carga positiva, e ao redor desse núcleo ficava uma 
região com carga negativa onde se encontrava uma partícula chamada elétron. Em 
1932 James Chadwick (1891-1974) confirmou a existência do nêutron no núcleo do 
átomo como sendo uma partícula sem carga, fortalecendo assim o modelo proposto 
por Rutherford e completando a estrutura atômica(Cristoff, 2015). 
A Partir de Rutherford foi definido que toda a matéria que constitui o 
universo é constituída por átomos e que os mesmos são constituídos por partículas 
que possuem uma massa pequena (10-27 kg), e que possuem uma carga elétrica, 
conforme ilustrado na tabela 1. (Maia & Bianchi,2007). As forças fundamentais da 
natureza: gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca é o resultado da 
interação entre essas partículas que compõe a matéria, e também a força de atração 
ou repulsão de toda a matéria que compõe o Universo (Horvath et al.,2017) 
 
 
 
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Tabela 1. Algumas propriedades das partículas constituintes da matéria fonte: 
www.exatasmontessoricristal.blogspot.com 
Nome Símbolo Carga (C) Massa (kg) 
Próton p+ ̟ +1,602x101,673 ¹⁹־x10²⁷־ 
Nêutron n° 0 1,675x10²⁷־ 
Elétron eֿ -1,602x109,109 ¹⁹־x10³¹־ 
 
Cerca de 30 anos depois, entre as décadas de 60 e 70, os físicos Henry 
Kendall (1839-1882), Richard Taylor (1929-2017) e Jerome Friedman (1930-2017), 
realizaram vários experimentos que comprovaram a existência de subpartículas que 
constituem os prótons e nêutrons, chamadas de quarks (Randall ,2013). As 
experiências dos físicos foram realizadas em um acelerador de partículas linear de 
Stanford (Stanford Linear Accelerator Center - SLAC), localizado em Palo Alto, 
Califórnia (Randall ,2013). 
A partir desta descoberta cientifica, as quatros forças fundamentais da 
natureza passaram a ser consideradas também a resultante da interação entre as 
partículas constituintes da matéria. 
3.4 FORÇA GRAVITACIONAL 
 Isaac Newton (1727-1622) não se limitou apenas ao estudo das 
forças e a aceleração que elas causavam em um corpo, também se dedicou ao estudo 
da força de atração entre os corpos (Halliday et al.,2016). Em 1687 publicou a sua Lei 
da Gravitação Universal, afirmando que havia uma força de atração entre os corpos 
com massa no universo. A partir da equação (1), formulou a equação matemática que 
descreve a ação da força gravitacional, relacionando força, massa e distância 
(equação 2) (Hugh & Freedman,2008). 
 𝑭 = 𝐺
𝒎𝟏𝒎𝟐
r2
 (2) 
 
http://www.exatasmontessoricristal.blogspot.com/
 
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Em que 𝑭 é a força gravitacional que age sobre dois corpos que se 
atraem entre si, 𝐺 o módulo da constante gravitacional de valor igual a 6.67x10-11 
Nm²/Kg², 𝒎𝟏 𝒆 𝒎𝟐 representam o módulo da massa dos corpos, e r a distância que 
eles estão um do outro. 
 
 
 Corpo 1 (m1) Corpo 2 (m2) 
 
 Distância (d) 
Figura 1. Ilustração da força gravitacional entre dois corpos. Os dois corpos 1 e 2 com massa diferentes 
(m1 e m2), estão a uma distância (r) e atraem-se mutuamente, representado pelo sentido das setas. 
Através da equação (2) nota-se que a força é proporcional às massas e inversamente proporcional a 
distância entre eles, isso significa que, quanto maior a massa dos corpos maior será a força de atração 
entre eles (força gravitacional) e essa força irá diminuir à medida que os corpos se afastam um do outro 
Fonte: www.alfaconnection.pro.br 
 
Para explicar a ação da força de atração entre objetos que não estão em 
contato, Newton introduziu o conceito de campo em sua teoria da gravitação 
(Wheatley,1996) definindo assim o ‘’campo gravitacional” como a região ao redor da 
massa de um corpo (Bertoldo, 2008). As forças gravitacionais agem sobre as massas 
do objeto devido a esse campo (Greef, 2005). 
A força gravitacional é considerada uma força Universal, pois todas as 
partículas sentem a sua ação proporcionalmente as suas massas (Hawking,2015). 
Entre as forças fundamentais a gravidade é considerada fraca, com intensidade da 
ordem de 10-42 N porém é a única que pode agir a longas distâncias sendo sempre 
uma força de atração(Hawking ,2015). 
 O conceito da gravitação de Newton permaneceu até que em 1905 o físico 
Albert Einstein (1879-1955) postulou a sua Teoria da Relatividade geral, a qual faz a 
relação entre o tempo e o espaço, em que ambos se entrelaçam (Ben-Dov, 1996). 
c
d
d 
http://www.alfaconnection.pro.br/
 
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A Relatividade Geral difere da gravitação de Newton, não apenas em 
questões matemáticas, mas também em questões fundamentais (Ben-Dov, 1996). Na 
teoria newtoniana da gravitação o espaço bem como o tempo são fixos e distintos 
entre si, e os fenômenos gravitacionais são resultantes da interação entre corpos com 
massas. Enquanto que na Relatividade Geral a resultante da interação desses corpos 
com o tecido espaço/tempo causam nele deformações, ou seja, são mutáveis e 
inseparáveis (Ben-Dov, 1996). (figura 2). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 Efeito da Força Gravitacional no tecido espaço/tempo. A ilustração mostra a Terra e a Lua como 
objetos massivos, que além, de se atraírem mutuamente provocam uma curvatura no tecido 
espaço/tempo (representado pelas linhas). 
 
3.5 FORÇA ELETROMAGNÉTICA 
A força eletromagnética é a força que ocorre entre as partículas 
carregadas (elétrons, prótons e nêutrons) por meio de campos eletromagnéticos 
(Serway & Jr, 2011). 
As primeiras observações dos fenômenos elétricos e magnéticos se deram 
na Grécia Antiga (Morais, 2014). O filósofo Tales de Mileto (640-546 a.C) foi o primeiro 
a constatar que o âmbar (material formado por uma resina fossilizada) ao ser atritado, 
tinha o efeito de atração sobre objetos mais leves. Ele constatou também a atração do 
ferro pelo ímã (fenômeno magnético) (Morais, 2014). O mesmo comportamento de 
atrair corpos mais leves também foi observado pelo filósofo Teofrasto (372-288 a.C) 
quando outros minerais eram atritados, ou seja, essa propriedade não era exclusiva do 
âmbar. (Morais, 2014) 
 
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A força elétrica F é descrita pela equação (3). As partículas carregadas são 
representadas pelas letras Q1 e q2, a letra K representa a constante elétrica (9.109 
N.m2.C-2) e a letra d representa a distância que as partículas estão uma da outra. 
 
 𝐅 = K 
𝑄1.𝑞2
𝒅²(3) 
 
A região do espaço em torno da uma partícula carregada Q, que gera o 
campo, é chamado de campo elétrico. Dentro deste campo as demais partículas q 
sentem o efeito da força elétrica (Serway& Jr, 2011). 
Entretanto ao redor de uma carga elétrica em movimento em um fio 
retilíneo ,por exemplo, além do campo elétrico produzido por ela, existe a presença de 
um campo magnético (Serway & Jr, 2011). Esta relação entre partículas carregadas e 
campo magnético começou a ser estudada em 1820 por Hans Christian Oersted 
(1777-1851). Ele demonstrou experimentalmente que uma corrente elétrica passando 
por um fio retilíneo próximo a uma agulha imantada, fazia a mesma sofrer um leve 
desvio, devido a ação de uma força magnética, descrita pela equação (4). 
 Fm = B. q. V. sen θ (4) 
onde 𝐹𝑚 representa a intensidade da força magnética, 𝐵 é o campo magnético onde 
a carga q se encontra, v a sua velocidade e 𝜃 o ângulo formado entre a carga e o 
campo magnético onde ela está. 
 A partir dessa evidência os fenômenos elétricos e magnéticos passaram 
a ser reconhecidos como fenômenos de uma mesma natureza: a natureza 
eletromagnética (Barthem,2005). A descoberta de Oesrted impulsionou diversas 
pesquisas sobre o assunto, até que o matemático James Clerk Maxwell (1831-1879) 
sintetizou as informações nas quatros equações conhecidas como as Leis do 
eletromagnetismo clássico (Stefanovits, 2003). 
 
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A 1° lei do eletromagnetismo clássico é conhecida como lei de Gauss para 
campos elétricos, e diz que o fluxo elétrico (cargas elétricas em movimento por uma 
superfície fechada) é proporcional a quantidade de carga elétrica nela contida. (Bauer 
et al. ,2012) A Lei de Gauss é válida para qualquer campo elétrico, seja ele uniforme 
(cargas elétricas distribuídas de forma ordenada) ou não uniforme e para qualquer tipo 
de superfície plana fechada, também chamada de superfície Gaussiana. (Bauer et al. 
,2012) 
A 2° lei do eletromagnetismo clássico, é conhecida como lei de Gauss do 
magnetismo, essa lei expressa à existência de pólos magnéticos (polo norte e polo 
sul) de um ímã (mineral com propriedades magnéticas). As linhas de campo 
magnético que saem do polo norte e sul do ímã formam curvas fechadas (Stefanovits, 
2013), de modo que o fluxo magnético total que passa pela superfície é nulo 
(Stefanovits, 2013). 
A 3° lei do eletromagnetismo clássico, também conhecida como lei de 
Faraday-Lenz, estabelece que a variação da intensidade de um campo magnético 
gera um campo elétrico (Jr & Buck, 2013) ,descrevendo assim o fenômeno da indução 
eletromagnética proposto por Faraday. Ele observou em seus experimentos que ao 
colocar um ímã em movimento próximo a uma bobina este induzia na mesma uma 
corrente elétrica(carga elétrica em movimento) (Stefanovits, 2013). 
Por fim a 4° lei do eletromagnetismo clássico ou lei de Ampére-Maxwell, 
estabelece a relação existente entre corrente elétrica e campo magnético (Bauer et 
al.2012). Essa lei também estabelece a relação entre a variação dos campos elétricos 
e magnéticos em função do tempo, ou seja, tanto a corrente elétrica quanto o campo 
elétrico que varia no tempo são fontes de um campo magnético (Bauer et al.,2012). 
Resumindo a força eletromagnética descreve os fenômenos elétricos e 
magnéticos, ela tem uma intensidade da ordem de (10-2 N) e é a principal responsável 
por manter os elétrons orbitando o núcleo do átomo (Hawking,2015). 
 
 
 
 
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3.6 FORÇA NUCLEAR FORTE 
Após a descoberta dos núcleos atômicos serem constituídos por partículas 
com cargas positivas e neutras (prótons e nêutrons, respectivamente), esperava-se 
que o núcleo atômico fosse instável (Peruzzo,2012)3 como o previsto pelas leis da 
eletrodinâmica. Porém, o observado pelos cientistas revelava a existência de uma 
força nuclear atuante no núcleo atômico, que sobressaia a força de repulsão dos 
prótons, mantendo assim o núcleo unido, chamada de força nuclear 
forte.(Peruzzo,2012). 
A força nuclear forte é uma força atrativa de alcance da ordem de 10-15 m, 
isto significa que ela age em curtas distâncias, como por exemplo entre um próton e 
um nêutron, e respectivamente entre suas partículas constituintes (quarks). Sendo 
assim, sua a ação está limitada ao núcleo atômico (Peruzzo, 2012). 
 Não há uma equação matemática que seja capaz de descrever a 
interação nuclear forte com precisão, as equações existentes são especulativas e 
teóricas. Estas equações matemáticas formam grupos conhecidos como ‘grupos de 
calibre’ e estes formam as conhecidas Teorias de Gauge, entre elas á pertencente ao 
grupo SU(3), que descreve teoricamente as interações nucleares forte e fraca. 
(Bassalo & Cattani, 2008). 
3.7 FORÇA NUCLEAR FRACA 
Em 1896 o cientista francês Henri Becquerel(1852-1908) realizou um 
experimento com o composto químico óxido de urânio. O francês guardou essa 
amostra em uma gaveta que continha algumas placas fotográficas que estavam 
revestidas com um material opaco que impedia a incidência da luz, (Atkins & Loretta, 
2009) Becquerel percebeu que as placas fotográficas haviam escurecido na presença 
desse material, deduzindo que o composto de urânio deveria estar emitindo algum tipo 
de radiação (Atkins & Loretta, 2009). 
Posteriormente Marie Curie (1867-1934), mostrou que o urânio era a fonte 
da emissão da radiação observada por Becquerel, a qual ela chamou de 
 
 
 
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‘radioatividade’( Peruzzo, 2012) em seus estudos Marie Curie constatou que o urânio 
assim como alguns outros elementos - como o tório, o rádio e o polônio, por exemplo, 
eram elementos que possuíam propriedades radioativas. ( Peruzzo, 2012). 
Em 1898, Ernest Rutherford descobriu três tipos diferentes de radiação 
que ele chamou de alfa (α), beta (β) e gama(γ) (Atkins & Loretta, 2009). Todavia, a 
origem dos fenômenos radioativos permaneceu um grande mistério, uma vez que 
ainda era desconhecida a existência dos núcleos atômicos. 
As descobertas que foram feitas por Becquerel, Curie e Rutherford 
demonstraram que a radioatividade é o resultado do decaimento nuclear, ou seja, da 
decomposição parcial do núcleo dos átomos radioativos (Atkins & Loretta, 2009).Esse 
decaimento só poderia ter ocorrido devido a ação de uma força que fosse capaz de 
desintegrar núcleos atômicos , vencendo assim a ação da força nuclear forte ( 
Peruzzo, 2012)( Loretta, 2009). 
A explicação para este fato é que em núcleos atômicos radioativos há um 
número maior de prótons do que nêutrons, aumentando a força de repulsão entre eles 
e deixando o núcleo instável (com energia acumulada) (Okuno & Yoshimura, 2010). 
Para que o núcleo alcance estabilidade ele precisa perder energia em ‘excesso’, e ele 
o faz através da emissão de ‘partículas radioativas’ (Baker, 2015; Adams & Laughlin, 
2001). 
 A força responsável pelos fenômenos radioativos e pelo decaimento 
nuclear é chamada de força nuclear fraca. Ela recebe este nome devido ao seu curto 
alcance 10-18 m agindo especificamente no interior das partículas constituintes do 
núcleo atômico (Peruzzo, 2012). 
3.8 RELAÇÃO ENTRE AS FORÇAS FUNDAMENTAIS 
Como é possível notar, a força gravitacional é a força predominante em 
sistemas macroscópicos, como em planetas e galáxias; ao contrário da força 
eletromagnética, predominante em sistemas microscópicos, como em átomos e 
moléculas (Bauer et al., 2012). 
 
 
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A Intensidade de ambas as forças são diretamente proporcionais as suas 
massas ou cargas das partículas, e inversamente proporcional as suas distâncias que 
se encontram os respectivos objetos (Bauer et al.,2012). 
Já as forças nuclear fraca e forte agem de forma diferentes, enquanto que 
a força nuclear forte é a força predominante no núcleo do átomo e é a responsável 
pela união e estabilidade do mesmo, a forçanuclear fraca faz o trabalho oposto, sendo 
uma força de menor alcance e que causa a desestabilidade do núcleo atômico. 
(Atkins & Loretta, 2009) 
A tabela 2 mostra a intensidade e o alcance das quatros forças 
fundamentais discutidas. 
 
Tabela 2. Características das forças fundamentais Fonte: www.pt.slideshare.net 
 
3.9 QUINTA FORÇA FUNDAMENTAL DA NATUREZA 
Em 2015 um grupo de cientistas experimentais liderados pelo físico Attila 
Krasznahorkay da academia de ciências da Hungria publicaram um artigo na revista 
Physical Review Letters (Krasznahorkay et al. 2015), no qual discutiam que através 
de experimentos realizados com átomos instáveis de berílio afirmaram terem 
descoberto fortes evidencias da existência de uma nova partícula que poderia ser a 
transmissora de uma quinta força fundamental da natureza (Dvorsky, 2016). 
 Interessados no artigo publicados pelos Cientistas húngaros, um grupo de 
físicos teóricos da universidade da Califórnia em Irvine nos Estados Unidos liderados 
pelo físico e professor de astronomia Jonathan Feng deram continuidade aos estudos 
desenvolvido pelos húngaros (Maes, 2016). 
 Intensidade Relativa: Alcance: 
Força gravitacional: 10-40 ilimitado 
Força eletromagnética: 10-2 ilimitado 
Força nuclear forte: 1 10-15 m 
Força nuclear fraca: 10-5 10-7 m 
http://www.pt.slideshare.net/
https://arxiv.org/abs/1504.01527
https://arxiv.org/abs/1504.01527
 
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A análise feita pela equipe de Feng resultou num artigo que foi publicado 
na revista Physical Review Letters em 2016 (Feng et al. 2016 apud Maes, 2016) 
confirmando a observação feita pelos cientistas húngaros Apesar destes artigos 
publicados, não há nenhuma convicção da existência dessa nova força. Entretanto, 
cientistas ainda estão estudando para verificar a veracidade da descoberta feita por 
estas equipes (Maes, 2016). 
 
4. TEORIA DA GRANDE UNIFICAÇÃO (GUT) 
A GUT, ou Teoria do Tudo, tem por objetivo a unificação das quatro (ou 
cinco) forças fundamentais, visando descrevê-las através de um único modelo teórico 
matemático, afim de facilitar a compreensão acerca dos fenômenos físicos 
relacionados a estas forças (Demétrius, 2016). 
Essa ideia de unificação vem sendo desenvolvida há muito tempo sendo 
iniciada por Isaac Newton. Como citado por Rivelles: 
 “ Quando Newton descobriu que os corpos celestes e terrestres obedecem às 
mesmas leis do movimento, houve uma unificação na descrição desses fenômenos. ” 
(RIVELLES, 2007, física na escola, vol.8 p.10) . 
Alguns anos depois da unificação das leis que regem os movimentos dos 
corpos celestes e terrestres proposta por Newton, o físico Albert Einstein também 
trabalhou muito na teoria de campo unificada, de forma a juntar a força 
eletromagnética e a gravitacional. Neste período, Einstein tinha todos os motivos para 
acreditar que tal unificação era possível, devido a similaridade das equações que 
descrevem estas forças (equações (2) e (3), uma vez que as duas podem ser 
descritas pela lei do inverso do quadrado da distância (Morris, 2001). 
 Einstein dedicou os últimos anos da sua vida trabalhando nessa 
unificação, mas infelizmente não obteve êxito(Morris, 2001). Contudo, ele inspirou 
vários outros físicos como Sheldon Glashow (1932-2017), Steven Weinberg (1933-
2017) e Abdus Salam (1926-2017) a prosseguirem com as tentativas de unificação 
destas forças (Morris, 2001). 
https://arxiv.org/abs/1504.01527
https://arxiv.org/abs/1504.01527
 
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 Em 1967 estes cientistas desenvolveram uma teoria onde propuseram a 
unificação das forças eletromagnética e nuclear fraca, a chamada força eletrofraca 
(Abdalla, 2006 ). 
A teoria eletrofraca prevê a existência de novas partículas que seriam as 
mediadoras (transmissoras) da força fraca e que quando submetidas a energias 
equivalente a 100 GeV (unidade de energia correspondente a 1,602x10-8 J), seriam 
também a transmissoras da força eletromagnética. Essas partículas mediadoras da 
força eletrofraca receberam o nome de bósons W+ (o sinal + corresponde a sua 
carga positiva), W- (o sinal – corresponde a carga negativa) e Bóson Z° ( em que ° 
corresponde a sua carga que é nula) (Oliveira, 2009). 
As primeiras evidências da existência dessas partículas foram em 1970, 
através de experimentos realizados no grande colisor de hádrons (Large Hadron 
Collider-LHC). Neste colisor, feixes de prótons (hádrons) são inicialmente acelerados 
num local chamado pré-acelerador a uma velocidade próxima de 99,99% da 
velocidade da luz (300.000.000 m/s) (Freire, 2014). Após este feixe ser acelerado, ele 
é dividido em dois feixes que circulam em um outro círculo maior em sentidos opostos; 
os feixes então colidem em quatro pontos diferente do colisor conhecidos como Atlas, 
Alice, LHCb e CMS (Figura 3) (Baker, 2015) . Nestes pontos existem super sensores 
monitorados por computadores que registram o momento da colisão e enviam os 
resultados ao centro de controle (Baker, 2015). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Ilustração do grande colisor de hádrons. Na parte inferior da imagem observa-se flechas em 
laranja que representam o movimento dos feixes de prótons acelerados. Estas partículas colidem nos 
 
16 
 
pontos detectores representados em rosa (LHCb, CMS, Atlas e Alice). Na parte superior observa-se os 
centros de controles, onde os cientistas recebem as informações Fonte: ww.brasilescola.com 
 . 
Posteriormente em 1983 a existência dessas partículas foram 
comprovadas no LHC por uma equipe de físicos teóricos liderada pelo físico Cesar 
Lattes (Baker , 2015). A comprovação da existência dessas partículas mediadoras 
acabaram confirmando que a unificação das forças eletromagnéticas e nuclear fraca é 
possível. (Baker, 2015). 
A partir desses experimentos realizados no LHC foi desenvolvido um 
modelo matemático que descreve as observações dos fenômenos eletrofracos 
(Abdalla, 2006). Segundo a teoria desenvolvida por Glashow, Weinberg e Salam seria 
possível unificar não apenas a força eletromagnética e a fraca, mas também a força 
nuclear forte (Hawking, 2015). Contudo, esta união das três forças ainda continua 
sendo objeto de estudo e especulação dos físicos teóricos, que tentam comprová-la 
experimentalmente (Hawking, 2015). 
Para que as teorias da GUT alcancem sucesso e atinjam seu objetivo, elas 
precisam estar de acordo com as leis que regem os dois pilares fundamentais da física 
moderna: a mecânica quântica formulada por Max Planck e a relatividade geral 
formulada por Albert Einstein (Demétrius,2016). 
A Mecânica Quântica é a área de estudo da física moderna destinada a 
melhor compreensão dos fenômenos físicos relacionados aos sistemas microscópicos; 
em contrapartida, a Relatividade Geral dedica-se ao estudo dos fenômenos físicos 
relacionados a sistemas macroscópicos (Bathista, 2010). 
Das quatro forças fundamentais, três delas são compatíveis á Mecânica 
Quântica e Relatividade Geral: eletromagnética, nuclear forte e fraca. 
(Demétrius,2016). No entanto a força gravitacional tem sido um grande problema, pois 
ela é somente compatível á relatividade geral (Cherman Alexandre). 
 
 
 
 
17 
 
4.1 As forças fundamentais Explicadas pela Mecânica Quântica 
Na Mecânica Quântica as forças fundamentais são descritas pelas 
chamadas Teorias Quânticas de Campos, que são a Eletrodinâmica Quântica, que 
explica os fenômenos físicos relacionados à força eletromagnética (Frenkel, 1996); a 
Cromodinâmica Quântica, proposta pelo físico Murray Gell-Mann, que explica os 
fenômenos físicos relacionados á força nuclear forte (Chaves & Shellard, 2005), e a 
Flavordinâmica Quântica (ou Teoria Eletrofraca), que por sua vez explica os 
fenômenos que estão relacionados à força nuclear fraca (Otavio, 2002). 
A força gravitacional é a única força que permanece sem ser quantificada 
pois em sistemas microscópicos a gravidade parece ter uma ação insignificante 
(Greene, 2012). Ou seja, é uma força incompatívelcom a Mecânica Quântica, o que 
tem sido um grande problema na unificação das forças fundamentais (Greene, 2012). 
Várias teorias vem sendo desenvolvidas na tentativa de se resolver este 
problema, como citado por Demétrius (2016): 
“[...] Há inúmeras propostas de teoria da gravitação quântica: ●Teoria das cordas 
●Supergravitação ●Ads/CFT ●Equação de Wheeler-de-witt●Gravitação quântica de Loop 
de Ashtekar , Smolin e Roveli●Gravitação quântica Euclidiana, ●Geometria não 
cumulativa de Alain Connes ● Teoria Twistor de Roger Penrose ● Gravitação quântica 
discreta de Lorentzian● Gravitação induzida Sakharov● Calculo Regge● Métrica 
acústica e outros modelos análogos de gravitação [..]” (DEMÉTRIOS, p.123, 2016) 
No presente artigo serão abordadas apenas as duas teorias mais 
conceituadas, são elas a Teoria das Cordas e Gravitação Quântica de Loop. 
A mais conceituada dessas teorias é a chamada teoria das cordas, (Neves, 
2007), que afirma que as partículas subatômicas podem ser filamentos vibrantes de 
energia, similares a cordas (Figura 4) (Neves,2007). A teoria ainda prevê que, por 
intermédio dessas vibrações energéticas, outras subpartículas poderiam ser criadas 
(Neves,2007), entre elas o gráviton que seria a partícula responsável pela 
transmissão da força gravitacional, a existência desta partícula continua sendo 
especulação teórica (Neves,2007). 
 
 
 
18 
 
 
Figura 4. A imagem ilustrativa da teoria das cordas, fonte: site Brasil Escola 
Um dos problemas mais conflitantes da Teoria das Cordas é o fato dela 
não ser única, apresentando-se em cinco versões diferentes (Lima,2013), que 
prevêem matematicamente a existência de no mínimo 10 micros dimensões espaciais, 
por onde supostamente a força gravitacional escaparia explicando assim o fato dela 
ser a mais fraca entre as demais forças fundamentais (Lima, 2013). 
A sua última inovação, foi proposta pelo físico Edward Witten entre 1994 e 
1997 e ficou conhecida como ‘Teoria M’, (Ferreira,2017). Witten conseguiu unificar as 
cincos teorias das cordas em uma só, propondo um novo modelo matemático que 
acrescentaria mais uma micro dimensão conhecida como superbrana (Ferreira,2017). 
Atualmente a teoria tem sido aperfeiçoada por muitos físicos teóricos, 
como por exemplo o físico Michio Kaku (1974), professor de física teórica pela 
Universidade de Nova York, considerado o co-fundador da teorias das cordas. (1974-
2017), (Neves, 2017). 
Além da teoria das cordas há uma outra teoria quântica da gravitação 
bastante aceita atualmente, ela é conhecida como: gravitação quântica em loops, e foi 
inicialmente formulada físico Abhay Ashtekar em 1986, e aperfeiçoada pelos físicos 
Lee Smolin e Carlos Rovelli (Rovelli, 2017). Esta teoria apresenta uma versão 
quantizada do espaço/tempo, ou seja, ela prevê que o tecido espaço/tempo (previsto 
pela relatividade geral de Einstein) seria composto por pequenas estruturas 
interligadas chamadas ‘loops’ (Baker 2015)(Rovelli,2017). Segundo a teoria , a força 
gravitacional é capaz de interagir com os loops, a resultante desta interação é a 
deformação do espaço/tempo (Demétrius, 2016). 
 
19 
 
 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 As forças fundamentais da natureza exercem um papel de extrema 
importância na Teoria do Tudo, uma vez que, esta deseja suas unificações, para uma 
descrição única do comportamento do Universo, além de nos ajudar a entender sua 
origem. 
No entanto, é necessário que todas as quatro (ou cinco) forças estejam 
unificadas nas leis que regem a Mecânica Quântica e a Relatividade Geral. O grande 
empecilho é a força gravitacional que não é compatível com a física das partículas, a 
Mecânica Quântica. Na tentativa de solucionar este problema teorias como a da 
Gravitação Quântica em Loops e a Teoria das Cordas. 
 Para solucionar o problema se faz necessário encontrar uma teoria da 
gravitação quântica algumas teorias candidatas já foram desenvolvidas, dentre elas as 
mais conceituadas são: a teoria das cordas e a gravitação quântica em loops. 
Vale mais uma vez ressaltar que estas teorias continuam sendo 
especulações teóricas que os cientistas tentam comprová-las, seja desenvolvendo 
equações matemáticas mais abrangentes ou com experimentos realizados em 
equipamentos de pesquisas para este fim, como o LHC, onde procura-se a existência 
de partículas mediadoras destas interações fundamentais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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