Introdução às Ciências Físicas Aula 10

Prévia do material em texto

Introdução às Ciências Físicas
Aula 10: Física contemporânea
Apresentação
Desde o início das Ciências, a espécie humana se faz três perguntas: Quem somos? De onde viemos? Para onde vamos?
Essas perguntas nos servem como um roteiro da trajetória que devemos seguir. Certamente não temos suas respostas,
pois a cada avanço cientí�co, surgem outras perguntas e não conseguimos completar essas respostas. 
Para a Física, perguntar “O que somos?” e “Como somos?” signi�ca questionar “O que é o Universo e do que é feito?” Isso
representa o presente. Para sabermos de onde viemos, nos faz perguntar “Como surgiu o Universo e como evoluiu até
aqui?”, representando o passado. E, para sabermos para onde vamos, nos fará perguntar “Qual será a evolução do
Universo? Qual será nosso destino?” Isso é o futuro. 
Não se pretende aqui responder a essas questões fundamentais, nem �loso�camente, nem �sicamente. Mas vamos falar
um pouco a respeito para concluir nossa disciplina
Objetivos
Descrever alguns grandes avanços da Física contemporânea;
Reconhecer alguns dos desa�os atuais da Física contemporânea.
 Por Alex Mit (Fonte: Shutterstock).
As surpresas da Física contemporânea
A Física contemporânea tem-nos surpreendido de forma histórica. Cada nova descoberta ou feito experimental é motivo para
constar nos anais da história humana, tamanho a grandeza desses feitos.
No intervalo dos últimos 40 anos, concluiu-se o quadro de detecção das partículas fundamentais do Modelo Padrão das
Interações Fundamentais, não incluída a gravidade, com a observação dos últimos Quarks supermassivos, o que exigiu uma
enorme evolução tecnológica dos aceleradores de Partículas até a escala de 1 TeV.
 
Multiplicaram-se os observatórios astrofísicos, mundo afora. Colocou-se o Observatório Hubble em órbita, o que nos abriu um
Universo nunca antes observado. Diversos outros observatórios espaciais também foram colocados em órbita.
Saiba mais
O acelerador de partículas LHC foi desenvolvido e encontra-se operacional até a escala de 14 Tev. A partícula geradora de
massa, Higgs, foi encontrada, concluindo o Modelo Padrão Mínimo das partículas fundamentais.
 
As oscilações dos Neutrinos e suas massas foram observadas. Houve enorme evolução na compreensão da Mecânica
Quântica, por meio da Óptica Quântica e suas descobertas acerca do Emaranhamento Quântico, Transporte de Informação
Quântica (teletransporte) e Computação Quântica.
 
O avanço na compreensão dos Buracos Negros e dos fenômenos astrofísicos também estão presentes. Descobriu-se,
inclusive, a existência da Matéria Escura e da Energia Escura e, por isso, passamos, mais uma vez, a questionar o Tempo.
 
Os avanços na Física da Matéria Condensada, nas ciências dos Nanomateriais e Fenômenos Super�ciais, Supercondutores,
Super�uidos e Materiais Quânticos são dignos de nossa atenção também. Porém, vamos focar, por ora, no Universo.
Modelo Padrão das partículas
fundamentais
No �nal do século XX e início deste, a comunidade de físicos
de altas energias no mundo acreditava que tínhamos
praticamente alcançado o �m da trajetória das grandes
descobertas Físicas fundamentais da Natureza, e a
compreensão de todas as interações fundamentais, com
provável uni�cação dessas interações, ao conceber um
modelo mínimo de uni�cação possível das interações
(GUT), com o Modelo Padrão das Partículas e Campos,
chamado de Standard Model (SM), apesar de alguns de
seus problemas ainda não solucionados.
 
Por outro lado, tentando solucionar esses problemas
existentes nos modelos de partículas, investiu-se décadas
de trabalho em modelos de uni�cação por teorias de
Cordas (Strings), que ainda não foi completado mas
apresenta grande potencial matemático.
Acreditava-se que as interações da Natureza já haviam sido
descobertas e precisaríamos re�nar e experimentar para os
detalhamentos, soluções de inconsistências restantes e
fenomenologia.
 Por Ole moda(Fonte: Shutterstock).
Faltava encontrar a partícula geradora de massa, o Higgs, previsto no modelo padrão das interações fundamentais,
responsável pelo fenômeno da Quebra Espontânea de Simetria, e as tão esperadas partículas Supersimétricas, também
previstas teoricamente nos Modelos Supersimétricos, chamados de Supersymmetric Standard Models (SSM), e que
resolveriam muitos dos problemas de inconsistência do Modelo Padrão, com a introdução das famílias supersimétricas das
partículas fundamentais.
Essa trilha foi parcialmente alcançada com grande sucesso experimental nos aceleradores de partículas de altas energias,
como Slac (Stanford), Brookhaven (Long Island), Tevatron (Fermilab), hoje desativado, Lep (CERN), desativado, DESY
(Alemanha) e o Large Hadron Collider - LHC (CERN), ultimando com o anúncio da descoberta do Higgs em 2014 pelo CERN.
 
O Modelo Padrão Mínimo das interações fundamentais estava demonstrado, com todas as famílias Hadrônicas e Leptônicas
conhecidas, seus campos Bosônicos de Gauge, mediadores das interações, identi�cados e o Higgs �nalmente encontrado.
 
Até as massas dos Neutrinos já haviam sido detectadas em 1998, no Super-kamiokande (Japão), em um fenômeno chamado
de Oscilações de Neutrinos, também previsto teoricamente.
 
A grande exceção é a Gravitação, cujos modelos de Gravitação Quântica com abordagem perturbativa apresentam
inconsistências a altas energias, optando-se por modelos de campos com abordagem efetiva e não perturbativa, ou modelos
de Cordas (Strings) e Gravitação Quântica em Loops.
No Quadro Geral do Modelo Padrão, três são as famílias, ou gerações, de matéria. Classi�cados em matéria:
 Quadro Geral do Modelo Padrão
 Clique no botão acima.
• Leptônica
Léptons são os elétrons, os muons e os tau, têm carga elétrica negativa e spin ½. Cada Lépton tem um Neutrino
associado, Neutrino do elétron, Neutrino do muon e Neutrino do tau, de carga elétrica nula e spin ½. Todos com
diferentes massas.
• Quarks
Os Quarks são, ao todo, seis, sendo três famílias, up e down, charm e strange, top e bottom, todos com spin ½ e carga
elétrica fracionária 2/3 ou -1/3, com diferentes massas. Para cada Lépton e Quark, existe a contraparte antimatéria,
com Carga Elétrica oposta.
• Bósons de Gauge
Os Bósons de Gauge são os mediadores de interação à distância. São fótons, da interação Eletrodinâmica, glúons da
interação Nuclear Forte, W+ W- e Z0, mediadores da interação Nuclear Fraca, chamados de Bósons vetoriais da
interação.
Temos o Higgs, de carga elétrica nula e spin zero, responsável pela geração de massas para todas as partículas.
Há, ainda, dentro desse quadro, a classi�cação de spin por Férmions, que possuem spin fracionário, e Bósons, que
possuem spin inteiro.
Por último, temos a classi�cação das partículas estruturadas, em Bárions, constituídos por três Quarks ou três anti-
Quarks, e os Mésons, constituídos por Quarks e anti-Quark.
O Gráviton é o mediador da interação gravitacional e não foi ainda detectado. Então, ele é hipotético, pois a escala de
energias para detectá-lo é ainda inatingível, sua escala é a do comprimento de Planck, da ordem de 10-35 m.
O modelo padrão de interações fundamentais ~ \ cite {SMPicture}. Disponível em: inSpire. Acesso em: 05 set. 2019.
javascript:void(0);
Escalas de Planck
As Escalas de Planck, chamadas de escalas de unidades naturais, incluído o comprimento de Planck e o tempo de Planck, da
ordem de 10-44 s, parecem ser escalas que fariam os efeitos quânticos dominarem os efeitos da Relatividade Geral, dando
efetividade aos modelos e às teorias de gravitação quântica.
 
Não se tem comprovação experimental de detecção de partículas quânticas da gravidade, apesar das belas teorias
envolvidas.
Veja o quadro de compreensão do Standard Model das partículas fundamentais.
Disponível em: //www.cpepweb.org/cpep_sm_large.html. <//www.cpepweb.org/cpep_sm_large.html> Acesso em: 06 set. 2019.
Dica
Vale a pena acessar as duas imagens dos links para imprimi-las e tê-las consigo. Elas representam nossa melhor compreensão
da fenomenologia das interações fundamentais, com dados dos anosde 2014 e 2016, respectivamente.
O Modelo Padrão mínimo, sem a Gravitação, compõe as interações Eletrodinâmica, Nuclear Fraca (Weak) e Nuclear Forte
(Strong). Leptons e Quarks possuem Carga Elétrica, mas somente Quarks e glúons possuem Carga Forte, também chamada de
Carga de Cor.
 
Nada tem a ver com cores luminosas, mas é designativo da Teoria das Interações Nucleares Fortes, chamada de
Cromodinâmica Quântica. Somente partículas com Carga de Cor interagem com a Força Forte, assim como somente
partículas que possuem Carga Elétrica interagem com Força Eletromagnética.
Atenção
Interessante notar que fótons não interagem com fótons, mas glúons interagem com glúons, pois possuem Carga de Cor.
Quarks e Léptons também estão sujeitos à Força Nuclear Fraca, responsável por processos de decaimentos e desintegrações
radioativos.
 
Léptons e fótons são encontrados em estado livre, mas Quarks e glúons estão con�nados à escala das interações fortes, em
Mésons e Bárions, não sendo encontrados em estado livre.
https://www.cpepweb.org/cpep_sm_large.html
 Perguntas sem esclarecimento
 Clique no botão acima.
Algumas questões ainda permanecem desconhecidas. Veja algumas delas.
Por que Quarks são con�nados?
Por que as escalas das interações fundamentais são tão diferentes?
Por que 4-dimensões espaço-temporais?
Por que três famílias de partículas?
Por que o desequilíbrio de matéria e antimatéria?
Só observamos antimatéria em raios cósmicos e em laboratório, em proporção completamente diferente da
matéria. Como incluir a interação Gravitacional em uma descrição de partículas, no Modelo Padrão? 
Falta, ainda, detectar-se as partículas supersimétricas, e, quem sabe, desvendar as dimensões extras, outra previsão
teórica mais complexa.
Clique nos botões para ver as informações.
Os modelos supersimétricos, SUSY, são propostas que introduzem um parceiro, chamado supersimétrico, a cada
partícula do modelo padrão, com semelhança, mas estatística de spin deferente.
 
Se considerarmos um férmion, de spin fracionário, seu parceiro supersimétrico seria um bóson, de spin inteiro. Assim, o
elétron teria um parceiro bosônico, o selétron; um fóton, que é um bóson, teria um parceiro fermiônico, o fotino, e assim
por diante.
 
O Modelo Supersimétrico Mínimo introduz um único parceiro supersimétrico para cada partícula do Modelo Padrão.
Esses modelos de SUSY trazem a capacidade de resolver alguns dos problemas elencados acima, como o problema das
escalas das interações serem tão diferentes. A interação gravitacional é ín�ma se comparada à escala da interação
nuclear fraca.
 
Esses modelos de SUSY vêm sendo testados no LHC, infelizmente, sem sucesso experimental. Modi�cações desses
modelos estão ainda em curso no LHC. Muitos já acreditam que as supersimetrias talvez não sejam simetrias da
natureza.
 
Os modelos supersimétricos mínimos mais populares não foram bem-sucedidos nos experimentos, e outros modelos
estão em teste com modi�cações que talvez introduzam outros problemas
Modelos de SUSY 
Os modelos de Strings não apresentam fenomenologia e di�cilmente atingiremos escalas de energias para testá-los
diretamente.
 
São modelos matemáticos de altíssimas escalas de energia que, potencialmente, nos levaria a modelos de partículas
fundamentais de forma efetiva, a energias mais baixas.
 
Esses modelos de Strings preveem a existência de outras dimensões espaço-temporais, 10-dimensões ao todo nos
modelos ditos duais.
Modelos de Strings 
 Mas se temos fenomenologia em 4-dimensões, onde estariam as demais?
 Clique no botão acima.
Se nosso Universo possuiu outras dimensões, em eras anteriores, chamadas de Extra-dimentions, elas existem hoje
compacti�cadas, fechadas. A ideia básica dos modelos de Strings, com dimensões mais altas, é que se pode
compacti�car essas dimensões extras gerando os modelos de partículas que conhecemos, em escalas de energias
mais baixas do que as escalas de Planck das Strings.
Uma grande esperança dos próximos experimentos no LHC será encontrar, além das partículas da SUSY, as
dimensões extras. Contudo não são dimensões que tenhamos acesso, pois se acredita que, caso existam, sejam
dimensões compacti�cadas.
Imagine que cada dimensão seja como uma linha matemática dimensional. Ao olharmos para essa dimensão, não
veremos estrutura nessa linha dimensional. Agora, imagine que essa linha seja um cabo e a estamos olhando à grande
distância, o que as faz parecer uma linha. No entanto, isso não impedirá que uma formiga consiga contornar esse
cabo. Ou seja, as dimensões extras podem ser dimensões no entorno de outras dimensões, que não acessamos a
baixas energias.
A hipótese a ser testada no LHC será atingir escalas de energias onde partículas de dimensões extras possam deixar
um rastro de desbalanceamento de momentum linear e energia, pois, se pertencem a dimensões extras, retornarão
rapidamente a elas, mas poderão deixar um vazio de momentum e energia em alguma região de detecção.
Assim, pode ser que as partículas da SUSY pertençam a dimensões extras e quem sabe o Gráviton também, como
antecipado nos modelos de Strings, com dimensões extras. Da mesma maneira que o fóton está para o campo
eletromagnético, o Grávitons estaria para o campo gravitacional.
O problema de não detectarmos o Gráviton, acredita-se, é um problema de escalas de energias. Mas como os modelos
de Gravitação Quântica perturbativa apresentam problemas de consistência, as alternativas são modelos de Quantum
Gravity efetivas, ou de Strings.
Se, em espalhamentos de altas energia, um vazio de momentum e energia, compatível com a massa de um gráviton
for identi�cado, mesmo que a partícula Gravitônica não a seja diretamente, pois pode retornar às dimensões extras,
isso já seria uma evidência da existência do Gráviton.
Então, nessas escalas de energias que ainda serão testadas, os experimentos Atlas e CMS, do CERN, buscarão vazios
de momentum e energia tentando associar às partículas da SUSY ou do Gráviton, que seriam um grande sonho se
descobertos.
Isso comporia uma modelagem de GUT, teoria de grande uni�cação, incluída a
gravidade, e o sonho de Einstein e de milhares de outros Físicos seria completado.
Nos anos que se seguiram, já no século atual, todos os esforços foram empenhados na con�rmação, ou não, desta conclusão. E o
desfecho foi pela con�rmação.
Repare que, no grá�co abaixo, os dados de Intensidade luminosa X Velocidade de afastamento das Supernovas �tam uma reta
correspondente a um modelo de Universo em expansão acelerada, comparativamente às soluções de Universo crítico, onde sua
massa seria su�ciente para fazê-lo contrair novamente.
Expansão do Universo
Como vimos, no �nal do século XX e início deste,
paralelamente aos grandes esforços para concluir
minimamente o Modelo Padrão das Interações
Fundamentais, ainda em andamento, o que aconteceu,
ainda nos surpreende.
 
Alguns astrofísicos buscavam entender a expansão do
Universo, e responder se ele estaria em fase de expansão ou
contração, como as soluções da Equações de Einstein
preveem.
 
Se partimos de um Big Bang, há 13,82 bilhões de anos, será
que haverá um Big Crunch, uma contração Universal e
novamente um recomeço com novo Big Bang do Universo?  Por Markus Gann (Fonte: Shutterstock).
Comentário
Qual seria a velocidade precisa de Hubble, de afastamento das Galáxias e expansão do Universo? Toda nossa teoria e
observações diziam que estávamos ainda em expansão, mas essa expansão iria perder velocidade e então a gravidade, em
larga escala, faria o Universo contrair. Restava-nos medir isso.
 
A grande surpresa, depois de uma grande evolução técnica de rastreamento de Supernovas tipo 1A, que serviram como faróis
no “mar” Galáctico, para permitir a métrica do Universo, não foi a descoberta de muitas supernovas, nem as tecnologias
desenvolvidas para isso. Também não foi a medição com precisão dessa expansão. O que, diga-se, já foi um feito imenso.
 
A surpresa geral, foi que o Universo não está somente em expansão, como previsto, mas em expansãoacelerada.
Nosso Universo está em expansão acelerada. Esse trabalho revolucionário
resultou no prémio Nobel de Física de 2011 aos três professores envolvidos.
Esses dados e resultados foram exaustivamente con�rmados e não há mais
nenhuma dúvida. Nosso Universo está em expansão acelerada.
 Disponível em: //hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Astro/univacc.htmlAcesso em: 06 set. 2019.
 O desvio para o vermelho - Redshift
 Clique no botão acima.
O Redshift é o desvio para o vermelho no espectro eletromagnético da luz emitida por estrelas e galáxias, à medida
que se afastam relativamente. Quando a fonte luminosa se movimenta, aumentando sua distância relativa, o período
de oscilação da luz emitida aumenta (o intervalo de tempo entre duas cristas da onda luminosa), por efeito Doppler.
Assim como um veículo ao se afastar, relativamente ao observador, seu som recebido muda, diminuindo sua
frequência. Como a velocidade de propagação da luz é uma constante universal, de acordo com a Relatividade de
Einstein, o comprimento de onda dessa luz emitida também aumenta na detecção, com diminuição de sua frequência
de oscilação.
Assim, a luz emitida pela estrela, que se afasta, se desloca para as frequências mais vermelhas do espectro. Ao medir
esse deslocamento para o vermelho, sabemos qual a velocidade de afastamento da fonte luminosa.
Existem três formas de observarmos o fenômeno:
1. Pelo afastamento da fonte luminosa, por efeito Doppler.
2. Por intensos efeitos gravitacionais da fonte luminosa.
3. Por Expansão do Universo, chamado Redshift Cosmológico.
O Redshift é conhecido há décadas, identi�cado por Fredmann, Slipher, Lemaître e Hubble, que estabeleceu
fenomenologicamente a Lei de Hubble. Todas as Galáxias se afastam de acordo com a constante observacional de
Hubble.
A compreensão do fenômeno do Redshift levou à hipótese do Universo
primordial e do Big Bang. Se as galáxias estão se afastando, em um tempo
passado estiveram mais próximas.
Nas �guras abaixo, temos os resultados do trabalho de Hubble, mostrando um deslocamento para comprimentos de
onda vermelhos, quanto mais distantes os corpos observados.
Sua conclusão foi que, quanto mais distante uma Galáxia, maior sua velocidade
de afastamento, que corresponde ao desvio para o vermelho de sua
luminosidade.
Para saber se a luz emitida por uma Galáxia está se desviando para o vermelho, faz-se a comparação com o espectro
de emissão e absorção da luz emitida pelos mesmos elementos químicos que são as fontes das raias luminosas
detectadas dessas Galáxias, como se vê na �gura da esquerda.
Ao comparar os padrões de emissão e absorção da luz desses elementos químicos em laboratório, característicos
desses elementos, com o espectro da luz emitida por uma Galáxia, percebe-se um deslocamento de todas as raias no
sentido dos comprimentos-de-onda vermelhos.
Na �gura à esquerda, Hubble comparou a velocidade de afastamento das Galáxias observadas com a distância destas,
por meio de sua luminosidade. Assim, pode propor sua equação para a velocidade de afastamento comparativamente
à distância de uma Galáxia.
Radiação Cósmica de Fundo
A Radiação Cósmica de Fundo, ou CBR, da sigla em Inglês, foi prevista teoricamente como possibilidade residual de um Big
Bang. Se houve um Big Bang, um início do Universo, deveria haver um rastro fóssil desse evento ou de alguma era evolutiva do
Universo.
 
Em 1962, Penzias e Wilson, trabalhando para os Laboratórios Bell, da companhia norte-americana de telefonia ATT, buscavam
solucionar um ruído nas linhas de transmissão, um zumbido constante, que não localizavam a origem. Usando um
radiotelescópio, que mais parecia uma versão de um cone acústico, eles detectaram o zumbido vindo de todas as direções.
Então, decidiram apontar o radiotelescópio para o Universo, para
todas as direções e, em todas elas, lá estava o zumbido. Mediram a
energia desse zumbido, em termos térmicos, e o resultado era
compatível com o previsto para a radiação de fundo do Universo do
Big Bang. Assim, foram os primeiros a observar a CBR e produziram
um mapa isotrópico e uniforme dessa radiação, como na primeira
imagem abaixo.
Posteriormente, outras observações, com mais amplo
espectro eletromagnético, identi�caram anisotropias,
irregularidades encontradas em 1962. As observações vêm
sendo aperfeiçoadas e hoje temos um mapa da CBR,
bastante detalhado, mostrando anisotropias
completamente compatíveis com a formação de estruturas
nessas localidades em uma era passada do Universo,
compondo o segundo argumento à hipótese do Big Bang.
 
As três últimas imagens, dentre as quatro, foram os
resultados de observações por sondas espaciais
especi�camente projetadas para a detecção da CBR e suas
anisotropias.
 
No centro das imagens dos mapas, está a nossa Galáxia, a
Via Láctea, e o entorno é o Universo visível.
Na imagem seguinte, �cará mais clara a compreensão dessas imagens ovais. A CBR é observada esfericamente e plotada em
duas dimensões, como em um mapa-múndi.
 O mapa esférico do CMB se traduz em um oval da mesma forma que um globo se traduz em um mapa oval familiar
quando achatado. Disponível em: https://universeadventure.org/big_bang/cmb-origins.htm.
<https://universeadventure.org/big_bang/cmb-origins.htm> Acesso em: 06 set. 2019.
Na imagem abaixo, fez-se a sobreposição da localização de aglomerados Galácticos com o mapa da CBR, associando as
anisotropias de um Universo passado, que é o rastro deixado pela CBR, com a localização das estruturas Galácticas que se
observam hoje.
 IPAC/Caltech, by Thomas Jarrett [Public domain]. Disponível em: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2MASS_LSS_chart-NEW_Nasa.jpg.
<https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2MASS_LSS_chart-NEW_Nasa.jpg> Acesso em: 06 set. 2019.
https://universeadventure.org/big_bang/cmb-origins.htm
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2MASS_LSS_chart-NEW_Nasa.jpg
 A matéria escura e a energia escura
 Clique no botão acima.
Con�rmada a expansão acelerada do Universo, a pergunta que se colocou foi: “O que ou qual interação promove essa
expansão?”
Uma hipótese antiga sobre a existência de uma forma de matéria escura, não sensível aos fenômenos
eletromagnéticos, que já havia sido cogitada para explicar alguns fenômenos gravitacionais envolvendo Galáxias,
ressurgiu com intensidade.
Alguma forma material e energética deveria ser responsável pelo balanço de massa e energia do Universo e a causa de
um hipotético e futuro Big Rip, o afastamento completo da matéria em desagregação em 35 bilhões de anos.
Atualmente, sabemos que existe uma forma de matéria escura, não Bariônica, não detectável aos sentidos
eletrodinâmicos de nossos sensores, e uma forma de energia escura, responsável por uma interação gravitacional,
nova para nós, repulsiva em larga escala do Universo.
Na verdade, modelos Cosmológicos foram restruturados para incluir essa possibilidade, cada vez menos hipotética,
por meio dos modelos Lambda Cosmic Dark Model (ΛCDM), com a introdução da Constante de Einstein, Λ, como a
causa matemática das modi�cações gravitacionais por origem da Energia Escura, e com a introdução da Matéria
Escura.
Com esses modelos cosmológicos, que não explicam a origem dos fenômenos, mas suas consequências, nossa
compreensão sobre a Natureza, sobre os fenômenos de larga escala do Universo, evoluiu por compreendermos a
dinâmica Universal, mas se reduziu enormemente, já que acreditávamos conhecer 100% da matéria e energia do
Universo, que seria visível, Bariônica, Leptônica e radiativa, e surpreendentemente, os resultados indicam que
conhecemos, de fato, a natureza de somente 5% de toda a matéria e energia do Universo.
Conseguiu-se mapear aglomerações dessa Matéria Escura, por seus efeitos gravitacionais nas vizinhanças dos
aglomerados e grupos de Galáxias, mas, apesar de terem sido desenvolvidas técnicas de observação da localização
de aglomerações da Matéria Escura, na verdade não se sabe do que se trata.
Não temos ainda um modelo do que seja a Matéria Escura. Como vimos antes,existem possibilidades que vão desde
partículas em dimensões extras, até novas propostas de modi�cações das Equações de Einstein para a Relatividade
Geral.
O que já sabemos é que toda a matéria e energia visível corresponde a, não
mais que, 5% da matéria e energia do Universo, sendo 95% completamente
escuro, apesar de já conseguirmos mapear a Matéria Escura.
De outra maneira, como podemos observar na foto acima com dados apresentados nas simulações dos novos
modelos cosmológicos, já no ano de 2012, durante o International School on Field Theory and Gravitation, no
Laboratório Nacional de Computação Cientí�ca (LNCC), em Petrópolis, RJ, congresso organizado pelo Prof. Dr. Carlos
Pinheiro, a matéria e energia como as conhecíamos, chamada matéria Bariônica e Leptônica, com radiação
eletrodinâmica, Neutrinos, e Campos de Gauge mediadores de Interações, tudo que é visível aos sensores
eletromagnéticos, tudo que observávamos há séculos até recentemente, toda a Física conhecida, não passa de
representações de, não mais que, 5% do que existe, na realidade. 95% da matéria e energia do Universo é escura! Isso
tem sido, ainda, chocante, quando pensamos a respeito. Apesar dos esforços teóricos e experimentais, ainda não
sabemos o que são a Matéria Escura e a Energia Escura.
Recentemente, a colaboração internacional Dark Energy Survey (DES) tem apresentado dados sobre a distribuição da
Matéria Escura, compondo uma imagem do Universo presente, imagem abaixo, ao lado da imagem da Radiação
Cósmica de Fundo, do observatório Planck, �gura acima junto com a de Penzias, que corresponde ao Universo infantil.
Temos, assim, uma imagem do Universo de eras cosmológicas diferentes. O Universo do passado e o Universo do
presente. Mais um grande feito cientí�co.
Outras possibilidades teóricas para a Energia Escura têm sido consideradas teoricamente, como:
Gás de Chaplygin.
Campo de Quintessência.
Contribuição Theta.
Axions.
Funções f (R).
Modi�cações da Teoria de Einstein.
Contudo, as evidências observacionais têm apontado para a solução mais
simples, a existência da Constante Cosmológica de Einstein, sem, no entanto,
que isso signi�que conhecimento da causa desse fenômeno.
A observação do Universo
 Diagrama da evolução do Universo como concebido pelos modelos atuais. Crédito: ESA – C. Carreau
Desde o lançamento do observatório Hubble, na década de 1990, e seus sucessores, tivemos acesso a imagens e maravilhosas
descobertas. Fotogra�as de corpos cósmicos, aglomerados e clusters de Galáxias, nebulosas, estrelas das mais variadas,
exoplanetas, sinais de supernovas, e as mais distantes imagens do Universo, onde cada ponto descreve uma Galáxia, ou
aglomerado de delas, em número e beleza que somente o Universo poderia nos propor. 
As imagens a seguir mostram o Hubble em órbita e uma de suas fotos. Cada ponto luminoso, incrivelmente são Galáxias e
aglomerados. É uma das imagens mais distantes que foram obtidas, do Universo há bilhões de anos atrás. Devemos lembrar
que a luz possui uma velocidade constante e para nos entregar as imagens dessa foto, viajou por bilhões de anos.
Ondas gravitacionais e Buracos Negros
A existência das ondas gravitacionais era o sonho de muitos Físicos, desde Einstein, quando propôs a solução ondulatória de
suas equações. Durante décadas, diversos grupos tentaram em vão encontrá-las, inclusive em nosso País, com corpos
massivos ressonantes.
 
Porém, somente o Laboratório LIGO, com duas estruturas de interferometria a Laser, com duas linhas Lasers perpendiculares,
de 4km de extensão cada, situadas em estados diferentes nos EUA, somado a outro laboratório chamado VIGO, em território
Italiano, conseguiram em 2016, pela primeira vez na história, a detecção de ondas Gravitacionais advindas do choque de dois
Buracos Negros.
 
Desde então, algumas outras detecções foram obtidas. Resultado tão importante que seus fundadores e projetistas
mereceram o Nobel em Física de 2017. Grandes perturbações gravitacionais são propagadas Universo afora, à velocidade da
luz, que pode ser usada como sinal para rastreamento de sua fonte, em uma nova interferometria gravitacional.
Agora, a Física mundial não conta mais somente com os fenômenos
eletromagnéticos para sua observação do Universo. Temos o Ligo-Vigo,
para observar fenômenos de origem unicamente gravitacionais.
 (Fonte: Shutterstock).
Simulação do colapso de dois Buracos Negros
 (Fonte: Shutterstock).
Arte de como deve ser a deformação do espaço à volta desse fenômeno, provavelmente.
 (Fonte: Shutterstock).
Foto do laboratório LIGO
 (Fonte: Shutterstock).
Uma recente e primeira foto do anel de acreação de um Buraco Negro supermassivo M87, com 6,5 bilhões de vezes a massa
do nosso Sol, resultado de dois anos de trabalho, com diversos observatórios contribuindo para essa fotogra�a.
O diâmetro desse anel, onde gases são acelerados pela intensa atração gravitacional da singularidade (Buraco Negro) emitindo
luz, é superior ao diâmetro do nosso Sistema Solar.
 Estaremos Sós?
 Clique no botão acima.
Quando do projeto das sondas espaciais Pioneer 10 e 11 e Voyager 1 e 2, da NASA, lançadas de 1972 a 1977, Carl
Sagan incluiu, em suas fuselagens, placas com informações sobre a nossa humanidade, nossos conhecimentos
cientí�cos e nossa localização no sistema solar, para que, segundo ele próprio, informassem que aqui na Terra há
seres inteligentes, com conhecimentos de matemática, ciências e há diversidade biológica.
Talvez hoje o Professor Sagan desejasse incluir as informações descobertas sobre Modelo Padrão das partículas
fundamentais, sobre o Universo, sua Cosmologia e Astrofísica, para informar onde chegamos na compreensão das
estruturas da matéria e das interações fundamentais da Natureza a da dinâmica Universal.
Infelizmente o Prof. Sagan não está mais conosco, mas suas sondas espaciais continuam viajando e já ultrapassaram
o limite do nosso sistema solar. Seus objetivos primários eram obter informações sobre os planetas do nosso sistema
Solar, mas sua missão secundária era viajar pelo Universo, enviando informações à Terra, e carregando a informação
de nossa existência, a quem as encontrasse.
É interessante notar que, posteriormente, o Professor Sagan fundou, junto com colaboradores, o Instituto SETI (Search
for Extra-Terrestian Intelligence) e convenceu inúmeros cientistas e laboratórios a doarem seu tempo livre e/ou se
dedicarem à busca de vida extraterrestre inteligente, por meio do rastreamento radiotelescópico de sinais
eletromagnéticos inteligentes.
O Projeto SETI se diversi�cou para diferentes linhas de atuação, não mais unicamente em sua proposta original. Em
um Universo tão vasto, com aproximadamente 200 bilhões de Galáxias, cada Galáxia com aproximadamente 100
bilhões de estrelas, cada estrela podendo ter seu próprio sistema planetário, era estatisticamente improvável, para o
Prof. Sagan, que estivéssemos sós no Universo.
Hoje, poucos são aqueles que desacreditam a existência, extraterrestre, de elementos da vida, moléculas complexas,
que poderiam evoluir para sequências de DNA, como ocorreu na Terra.
O trabalho de Carl Sagan contribuiu fortemente para o surgimento de áreas cientí�cas, como a Astrobiologia, a
Astrogeologia e a Astroquímica.
A existência de elementos à vida, e a localização de Planetas capazes de suportar a vida como a conhecemos é hoje
um dos temas prioritários na pesquisa Astrofísica. Já se localizou fortes indícios de água fora da Terra, elementos
químicos necessários à vida, e mais de 4000 exoplanetas, mas, infelizmente, nenhum deles capaz de suportar a vida,
com a exceção (até 2019) de Kepler-452b, que está no limite entre um planeta rochoso e um planeta gasoso, pois
possui massa 1,6 vezes a massa da Terra. As condições para a vida são extremamente raras, mas não impossíveis.
Outro planeta aparentemente capaz de suportar a vida, e nosso vizinho, é
Marte. Não é sem motivo todo o interesse por Marte, como possível futura
colônia humana.
Abaixo um diagrama da sonda Voyager 1, com seussubsistemas e fotos das Placas Douradas de Carl Sagan.
O disco sonoro no antigo formato LP, feito de ouro, carrega os sons da Terra, seus animais, das atividades humanas e
sua evolução em sociedade, até o lançamento do veículo que transportou a sonda ao espaço.
Esses sons e essas placas douradas estão viajando pelo Universo, assim como todas as nossas comunicações e
sinais de rádio, TV e telecomunicações. No entanto, considerando nossa era moderna, temos pouco mais de cem anos
de tecnologia de rádio, ainda muito pouco para alcançar outra Galáxia próxima, como Andrômeda, que se encontra a
2,5 milhões de anos-luz da Terra.
Agora re�ita você sobre a questão: Em tão vasto Universo, estaremos sós?
Atividades
1. O que são Bárions?
2. Quais são as interações fundamentais do Modelo Padrão?
3. O que é Matéria Escura e Energia Escura?
4. O que são ondas gravitacionais?
5. Qual o percentual de matéria-energia visível do Universo?
Notas
Título modal 1
Lorem Ipsum é simplesmente uma simulação de texto da indústria tipográ�ca e de impressos. Lorem Ipsum é simplesmente
uma simulação de texto da indústria tipográ�ca e de impressos. Lorem Ipsum é simplesmente uma simulação de texto da
indústria tipográ�ca e de impressos.
Título modal 1
Lorem Ipsum é simplesmente uma simulação de texto da indústria tipográ�ca e de impressos. Lorem Ipsum é simplesmente
uma simulação de texto da indústria tipográ�ca e de impressos. Lorem Ipsum é simplesmente uma simulação de texto da
indústria tipográ�ca e de impressos.
Referências
HALLIDAY, D.; RESNICK, R. Fundamentos da Física. Volumes 1, 2, 3 e 4. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de Física Básica. Volumes 1, 2, 3 e 4. São Paulo: Ed. Edgar Blücher, 1998.
SEARS & ZEMANSKY; YOUNG, H.; FREEDMAN, R. A. Física I, II, III e IV. 12. ed. São Paulo: Pearson, 2009
TIPLER, P.; MOSCA, G. Física para Cientistas e Engenheiros. Volumes 1, 2 e 3. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012.
Próxima aula
Explore mais
Cientistas produzem mapa da matéria escura no Universo;
//www.on.br/index.php/pt-br/ultimas-noticias/341-des-revela-medida-mais-precisa-materia-escura.htm;
Como seria viver no Kepler -452b, “o primo” da Terra e explore esse exoplaneta descoberto em 2015, que talvez tenha as
condições necessárias para suportar vida;
Foto de um buraco negro é revelada pela primeira vez na história;
Explore o material O Modelo Padrão.Texto escrito em 2007, antes da detecção do Higgs.
E também:
O Universo como um Todo;
The Universe Adventure;
Understanding the Evolution of Life  in the Universe.
javascript:void(0);
javascript:void(0);
javascript:void(0);
javascript:void(0);
javascript:void(0);
javascript:void(0);
javascript:void(0);
javascript:void(0);