As evidências da física moderna: como sabemos o que sabemos

O Dr. Lincoln inicia com a observação de que toda matéria é feita de átomos. Mas como sabemos isso? A hipótese atômica remonta à antiguidade, embora tenha sido apenas uma suposição inspirada. Pesquise as contribuições de cientistas posteriores, como John Dalton e Albert Einstein. Descubra por que os átomos são invisíveis aos microscópios de luz, mas não ao eletrônico de transmissão por varredura.

Ao examinar o interior dos átomos, você encontrará espaços vazios, além de elétrons e um núcleo compacto, composto de prótons e nêutrons. Todas essas partículas foram descobertas indiretamente por meio de experimentos meticulosos e simples. Os físicos usaram ferramentas mais complexas para descobrir centenas de objetos menores e a teoria do quark para trazer simplicidade a esse aparente caos.

Investigue um dos maiores mistérios da física: a dualidade onda-partícula da luz. Acompanhe o debate sobre a natureza da luz até sua aparente solução em 1801, quando Thomas Young demonstrou que a luz é uma onda. Um século depois, Einstein provou que a luz também se comporta como uma partícula, e trabalhos posteriores mostraram que os elétrons e outras matérias também têm essa dualidade singular.

O Dr. Lincoln confronta ousadamente o paradoxo do entrelaçamento quântico, que rege o comportamento de partículas no mesmo estado quântico. As regras da mecânica quântica desafiam todas as tentativas de explicar o inexplicável - implicando, por exemplo, que um gato poderia estar simultaneamente morto e vivo no famoso experimento mental de Erwin Schrödinger. Explore outros exemplos assustadores.

Saiba como o Dr. Lincoln realiza rotineiramente experimentos que mostram os efeitos da relatividade especial de Einstein, que entram em ação em velocidades próximas à da luz. Assim como a teoria quântica, a relatividade é difícil de acreditar, mas os relógios realmente desaceleram e o comprimento se contrai em velocidades relativísticas; nós só não notamos esses efeitos em nossas vidas lentas.

Como a velocidade da luz pode ser a mesma para todos, independentemente de seu estado de movimento? Primeiro, investigue como a velocidade da luz é determinada. Em seguida, considere a hipótese do meio para a propagação da luz - o éter - que sofreu com o experimento de Michelson-Morley em 1880. Por fim, examine a prova laboratorial de que a velocidade da luz é constante para todos os observadores.

Observe as partículas e forças fundamentais do Modelo Padrão, que é a teoria predominante da física de partículas. Em seguida, concentre-se nas partículas não fundamentais e em suas ferramentas de descoberta, como a câmara de nuvem. Fácil de montar, a câmara de nuvens revela produtos do decaimento radioativo, inclusive a antimatéria - que parece ficção, mas é real e autêntica.

Meça as massas e a vida útil de partículas subatômicas que existem por um trilionésimo de um trilionésimo de segundo. Usando o bóson de Higgs e o quark superior como exemplos, o Dr. Lincoln baseia-se em uma versão simplificada da equação de massa e energia de Einstein e no princípio da incerteza de Werner Heisenberg para inferir informações detalhadas sobre entidades verdadeiramente efêmeras.

Ouça a história do neutrino, a partícula fantasmagórica que passa por você a uma taxa de um quatrilhão por segundo, sem efeitos nocivos. Os neutrinos são criados em abundância em reações nucleares e são extremamente difíceis de detectar. É preciso muita engenhosidade experimental, já que os neutrinos são artistas que mudam rapidamente, muitas vezes transformando suas identidades na hora.

Como membro da equipe de pesquisa, o Dr. Lincoln relata a descoberta do bóson de Higgs, uma das principais histórias científicas do último meio século. Prevista em 1964, a partícula de Higgs só foi confirmada experimentalmente em 2012. Trace o caminho para esse triunfo, à medida que os físicos reduziram as propriedades da partícula indescritível e utilizaram poderosos aceleradores de partículas.

Avalie três cenários de um experimento de física que deu terrivelmente errado. Alguns teóricos preveem que fenômenos exóticos como strangelets, um falso vácuo e mini buracos negros, poderiam ser produzidos por novos aceleradores de partículas, levando à destruição da Terra e até mesmo do universo! O risco não parece valer a pena, mas o Dr. Lincoln lhe dá bons motivos para dormir tranquilo.

Os cientistas não sabiam a composição exata da Lua até que os astronautas trouxeram as rochas de volta. Então, como sabemos do que são feitas as estrelas muito mais distantes? Faça um breve curso de astrofísica que revela os segredos da luz das estrelas, a temperatura estelar e a composição elementar aos observadores na Terra. Em seguida, aplique a física nuclear ao ciclo de vida das estrelas.

Até 100 anos atrás, acreditava-se que nossa galáxia compreendia todo o universo. Atualmente, acreditamos que há cerca de um trilhão de galáxias de vários tamanhos e formas no universo observável. Investigue como os astrônomos chegaram a essa conclusão e como mapearam a estrutura e o conteúdo da Via Láctea, descobrindo um buraco negro supermassivo em seu centro - entre outras atrações galácticas.

Os planetas além do nosso sistema solar foram vistos na década de 1990. Milhares foram confirmados em torno de estrelas próximas, e bilhões talvez povoem a Via Láctea. Os planetas são escuros em comparação com as estrelas que orbitam e os observadores tiveram que criar técnicas inteligentes para inferir sua presença. Concentre-se nos métodos de "oscilação" e "sombra", que têm sido produtivos.

O Dr. Lincoln aborda a relatividade geral, que incorpora a gravidade e prevê a deformação do espaço-tempo em torno de objetos maciços. Estude três fenômenos que comprovam a relatividade geral: uma anomalia na órbita de Mercúrio, a curvatura da luz das estrelas que passam perto do Sol e a desaceleração dos relógios em regiões de gravidade mais forte.

A relatividade geral prevê que grandes eventos, como a colisão de buracos negros, fazem com que o tecido do espaço-tempo forme ondas gravitacionais. Participe da busca por esses sinais que são praticamente indetectáveis quando chegam à Terra. A existência de ondas gravitacionais foi inferida a partir de observações na década de 1970 e finalmente confirmada por detectores em 2015.

O Big Bang é um dos poucos conceitos científicos que entrou na cultura pop. Mas de onde surgiu a ideia? Acompanhe essa emocionante história das tentativas de uma jovem astrônoma no início do século XX de medir as distâncias das estrelas. Seu sucesso preparou o terreno para que outros descobrissem que o universo está se expandindo, como um "big bang" inicial. Mais pistas foram descobertas.

Ao contrário das teorias que você estudou até agora nesta série, veja uma que ainda não foi comprovada, mas que tem implicações surpreendentes. A inflação cósmica propõe que um período de expansão explosiva ocorreu nos primeiros instantes do Big Bang. Essa ideia é responsável por duas características intrigantes do universo atual: a uniformidade observada da matéria e a geometria plana do espaço.

A matéria escura é a substância conjecturada que supera a matéria comum em cinco para um. Entretanto, não podemos vê-la e nem sabemos o que ela é - ainda não. Os primeiros indícios da sua existência foram as observações de estrelas e galáxias na década de 1930. Desde então, as evidências aumentaram. Considere explicações alternativas e razões para acreditar que a matéria escura é de fato real.

Aprofunde-se na busca para entender a matéria escura. Comece descartando teorias exóticas e as primeiras explicações plausíveis: a matéria escura é matéria comum invisível, como o gás hidrogênio frio ou planetas rebeldes. Então, o Dr. Lincoln descreve os experimentos atuais para identificar essa substância elusiva, entre eles seu próprio trabalho com aceleradores de partículas de alta energia.

Investigue as evidências de que a expansão do universo reverteu sua desaceleração gradual e pisou no acelerador há 5 bilhões de anos. "Energia escura" é o termo dado a essa força misteriosa que está expandindo o espaço a uma taxa cada vez maior. Saiba como esse fenômeno notável foi descoberto e explore sua ligação com a constante cosmológica proposta por Einstein há um século.

Use os fatos surpreendentes sobre o universo que você já aprendeu nesta série e, em seguida, acrescente observações de missões recentes de satélites e chegue a conclusões exatas sobre o tamanho e a idade do universo. Uma coisa que você descobre é que o diâmetro de todo o universo é pelo menos 500 vezes maior do que o universo visível. Já que não podemos ver tão longe, como sabemos disso?

Poucas afirmações da física são tão absurdas quanto a de que o espaço vazio está repleto de partículas "virtuais" - uma espuma de partículas, antipartículas e fótons que aparecem e desaparecem sem parar. Saiba como o princípio da incerteza de Heisenberg dá origem a esse fenômeno de obter algo do nada e descubra que essa é uma consideração crucial para os engenheiros que criam microeletrônica.

Termine a série com um salto para um dos campos mais especulativos da física - a busca para entender a gravidade em escala quântica. Examine por que a teoria da gravidade de Einstein - relatividade geral - é incompatível com a mecânica quântica. Então, considere o que uma teoria quantizada da gravidade implicaria. Com certeza seria um futuro repleto de teorias ousadas e grandes surpresas!