O ilusivo Gravitão, a partícula que foi de Férias.

Modelo matemático do Gravitão. Modelo nexus-g.
Créditos: Stuart Marongwe

A Física moderna começou com Newton, quando este propôs um modelo teorético e especulativo para a luz, um modelo de partículas, que só assim poderia acolher os fenómenos da reflexão, da refracção e da dispersão.

A luz reflecte num espelho, refracta numa palhinha dentro dum copo de água, atirando a palhinha para outra trajectória e dispersa nas cores do arco-íris, ou nos prismas de vidro de Newton ou nos CD’s dos Pink Floyd, tanto na capa do disco Dark Side of the Moon como no corpo intrínseco do CD quando lhe apontamos uma luz.

Um por todos e todos por um.

Analisados um a um, estes comportamentos da luz podem ser explicados à luz da Física das ondas, mas vistos no seu todo apenas satisfazia a Newton a ideia de que a luz é constituída por partículas, algo que até o assustou, já que Newton era dado a dramatismos e a misticismos.

Newton estava também a descobrir que a Gravitação teria que ter uma propagação, se não instantânea, pelo menos muito rápida.

Partindo e melhorando os cálculos de Newton, Einstein entendeu que a Luz e a Gravitação se propagam à mesma velocidade, que é mesma da da luz quando esta se propaga no vácuo. VG = c.

Isso deve-se, segundo Einstein, aos efeitos dos corpos com massa no tecido do espaço-tempo, que esculpem montanhas e vales nesse espaço, de forma suave e elegante, que no grande esquema do espaço resulta numa forma plana, ligeiramente, muito ligeiramente, curva. Plana para todos os efeitos de medições. A causa é a massa material desses corpos, das estrelas, dos planetas e das galáxias.

E num plano com rugosidades locais, as tais colinas e montanhas suaves do espaço-tempo.

De esculturas estamos bem servidos, essa baixa energia da Gravidade está bem localizada em qualquer GPS. Mas e em ondas?

Até agora, Julho de 2016, só em casos muito extremos e muito raros, nuns grãos de matéria colapsada em pares de buracos negros em brutal fusão, conseguiu a astrofísica detectar 2 sinais, em 2015, das ondas Gravitacionais.

Tecnologia hiper sofisticada, a mais sofisticada em 2015, e em fase de update para 2016. Detecta oscilações de 1/100.000 partes dum protão de massa à mão. Crédito: Lisa

De alguma forma, essa detecção, a ser confirmada a sua localização com outros sets de detectores afim de se triangular a sua posição no hemisfério norte do mapa nocturno das estrelas, foi uma detecção de partículas, que apenas conseguimos captar, na forma de ondas, com recurso aos aparelhos mais sofisticados desta segunda década do século 21.

Localização da zona de origem das zonas gravitacionais. Algures neste enorme arco. Crédito: Lisa

Muitos físicos interpretam a eminente confirmação das ondas gravitacionais como uma emissão de gravitões, a partícula mediadora, ou o bosão, da Gravitação.

Faz muito sentido teórico que assim seja, afinal os fotões descobertos por Einstein e por Max Planck só foram detectados após se estudarem os seus fenómenos sob os comportamentos de ondas, logo em energias mais baixas, também alcançadas nas câmaras de vácuo das experiências, precursoras das válvulas dos aparelhos de telefonia domésticos. FM e AM, jazz, BBC e rádio pirata, todas as estações. Até a emissão de Júpiter em Rádio.

A Física de partículas é a Física que nasceu com o aumento das energias dos aceleradores e da capacidade de captação dos detectores, e hoje é uma física de altas energias relativista, a velocidades próximas da da luz no vácuo ou mesmo da luz no vácuo, o c da famosa equação E = mc^2.

Grãos de areia com fotões do Sol.
Foto: Jaime Santiago Pinto.

Hoje é expediente afinar para = 1 as escalas relativistas e as de Planck, e todas as unidades naturais, fazendo c = 1 ou G de Gravitação = 1.

Isso resulta que a E= mc^2 se simplifica para E =m.

É um tanto ou quanto confuso, afinal o fotão tem massa ou não? Não tem e tem, não tem se estivesse em repouso mas como a luz anda literalmente na brasa adquire massa relativista, nem ela pode ultrapassar o seu próprio limite da velocidade da luz.

Ganha inércia e deixa de acelerar, por isso como inércia resulta da massa e massa é energia até se pode entender o conceito.

Algo a faz não acelerar mais, por isso algo trava essa aceleração, mantendo a velocidade invariante no mesmo meio, sem a conseguir somar ou aumentar.

A Luz num carro não anda a c + os 100 km/h do carro, anda sempre a c, não se soma.

O que é estranho, pelo menos para mim é. É aliás um bom bocado muito estranho, mas enfim, é assim, adiante.

A Gravitação anda à velocidade da luz, e ainda por cima não se vê a partícula, o que também é estranho. Então quando largo um objecto este cai para o chão à velocidade da luz?

Não, nada disso, mas a acção de o objecto começar a cair começa logo , e começa à velocidade da luz. É para nós instantânea, como acender um interruptor e deixar que a luz aqueça ou dispare para a vermos.

A ligação gravítica entre a Terra e a Lua transmite-se à velocidade da luz, as ondas gravitacionais no espaço andam à velocidade da Luz, e é a força que se propaga a essa velocidade, não as resultantes dessa força sobre os corpos, que até é muito débil, que se põem logo a mexer literalmente na brasa.

Esta partícula misteriosa que transmite, ou medeia, a gravitação, terá um spin de 2, o que significa algo muito mais estranho ainda. É que rodará 1/2 volta para voltarmos a ver o mesmo lado, no seu corte transversal.

Um fotão é normal, dá 1 volta e vemos o mesmo lado, um electrão é doido varrido, dá 2 voltas para vermos o mesmo lado e o Gravitão achou por bem ser marado de todo.

A sua dimensão desafia tudo e mais alguma coisa, terá o tamanho dum fotão mas um pouco mais pequeno, assim tipo zero vírgula seguido de 42 zeros e um 1 vezes mais pequeno.

Tipo mesmo muito pequeno.

O Principio da Incerteza então entra em acção e quanto mais pequena é uma partícula mais energia é precisa para um aparelho a poder detectar.

Principio da incerteza em acção. Quanto mais depressa andam as coisas, menos eu sei onde elas estão. Quanto mais sei onde estão, menos sei a que velocidade vão.
Foto: Jaime Santiago Pinto.

Então isso dá num detector de partículas tipo CERN mas ligeiramente maior, um pouco maior, mais, um bom bocado valente mais. Isso, literalmente na maior.

Um detector de Gravitões do tamanho do Universo observável.

Tem várias virtudes, este acelerador de partículas, acaba antes de começar sem discussões orçamentais, deixa todos de boa disposição porque é engraçado e é perfeitamente realizável na imaginação.

As ideias soltam-se como eles surgem nas Equações. Soltos. Saltitantes.

Os Gravitões saltitam literalmente para fora das equações quando aplicamos muito alta energia a 1 de 3 eixos numa grelha geodésica, e mantemos os eixos restantes na mesma baixa energia inicial.

Nos trabalhos teóricos mais recentes, entre os quarks mais pesados dos compostos da sopa-matéria primordial no Universo, nos fósseis da Física de Partículas, os Gravitões surgem como resto zero para satisfazermos as contas da conservação da energia, já que os quarks e gluões assim excitados e presos em simultâneo rebentam literalmente num acesso de cálculo com spin 2, massa de repouso, ou invariante, zero e dimensão acoplada numa hierarquia muito baixa, ou seja, numa força muito débil, com a mesma intensidade da Gravitação.

Fig 2. Feynman Diagrams representing a higgs boson (left), Z’ boson (center), and graviton (right)
decaying into a b quark (b) & anti-b quark (b).
Crédito: Quantum Diaries – CERN.

No dia em que Física unificar a Teoria da Gravidade e do mundo do muito grande à Teoria das Partículas e ao mundo do muito pequeno a Ciência atinge o seu maior feito de sempre.

Ou quando observar uma criança que vence a rir e a saltar toda a gravidade dum Planeta, num campo-forças estival iluminado pelos fotões do Sol, e daí ver saltitarem Gravitões escalares a deslizar de ondas contagiantes.

Isso podemos todos fazer, é simples, é empolgante, e é fabuloso.

Crédito : Jorge Fajl, AllPosters.

Boas Férias.

~//~

Poderá especular-se que…

Crédito: lisa

Equações:

Considera-se um sistema em que Pz é denominador, com um Hamiltoniano (H) de mecânica quântica e um valor definido (eigenvalue) associado à evolução no tempo.

Eleva-se um sobre-eixo Z de alta energia em sobreposição dum eixo z de energia de ligação.

ih d/dt = H = SUM Pz / 2PZ (energy Boost) + m^2 /2Pz (energia de ligação)

Equação base:

Boost it up!

E = SQRT p^2 + m^2 = SQRT p^2z + P^2x + P^2y + m^2

(p) Fixa-se x, fixa-se y = nada a registar = energia de ligação.
(p) Expande-se z para Z muito alto.

Desenvolve-se para Z muito alto, considera-se que o Momentum total dum sistema é muito alto, mas que é constante e,

a partícula torna-se relativista no eixo Z.

= SQRT 1 + Px^2 + Py^2 + m^2 / P Z^2

Aproximação binomial

= PZ (2 + Px^2 + Py^2 + m^2 / 2 PZ^2)

E = SUM PZ + SUM p^2 / 2PZ + m^2 / 2 PZ

Não se apresenta aqui o desenvolvimento não-relativista.

Note-se que se resume por:

E = mc^2 + P2/zn

Considerando-se que a Propagação diminui as não linearidades na QCD.

Então, o número de moléculas (subatómicas) é conservado.

O nível de energia será assim, no evento, inelástico.

E a energia total conserva-se pela emissão de:

1) gluões novos, num mar de Fermi retido nos nucleões.

+

2) Partículas de Spin 2 surgem e continuam a surgir.

Nas ondas Gravitacionais surgem e continuam a surgir.

Lente Gravitacional, a luz desliza por montanhas e vales suaves do espaço-tempo.
Crédito: Gnu-Linux Free image.

Fontes:

Quantum Diaries – CERN

Leonard Susskind: teorizações para lá do modelo-padrão, Supercordas e Membranes.

Primeiro dia de Praia em 2016. 🙂