Pergunte a Ethan: Quão pequena é uma partícula elementar?

As escalas de tamanho, comprimento de onda e temperatura/energia que correspondem a várias partes do espectro eletromagnético. Crédito da imagem: usuário da NASA e do Wikimedia Commons Indutiveload, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.

Qual é a diferença entre o tipo de ponto e o que podemos realmente afirmar?


Quando pensamos no presente, oscilamos descontroladamente entre a crença no acaso e a evidência em favor do determinismo. Quando pensamos no passado, no entanto, parece óbvio que tudo aconteceu da maneira que foi planejado. – Michel Houellebecq



Se você pegar qualquer quantidade de matéria, não importa quão pequena ou grande, há apenas duas opções para o que é composto: ou pode ser dividido em algo menor, ou é verdadeiramente fundamental e indivisível. Durante a maior parte do século 19, pensamos que os átomos eram aquela entidade fundamental e menor, já que as próprias palavras gregas, ἄτομος, significam literalmente incortáveis. Mas sabemos melhor agora, e podemos dividir os átomos em núcleos e elétrons, e os núcleos podem ser divididos não apenas em prótons e nêutrons, mas essas próprias entidades podem ser decompostas em quarks e glúons mais fundamentais. Mas eles podem ser divididos ainda mais, e como sabemos seu tamanho? Patrick Moore quer saber, enquanto pergunta:



O que os cientistas realmente querem dizer quando afirmam o tamanho de uma partícula elementar?

O tamanho é um conceito difícil, mas a mecânica quântica está aqui para ajudar.



Uma molécula de pentaceno, como fotografada pela IBM com microscopia de força atômica e resolução de átomo único. Crédito da imagem: Allison Doerr, Nature Methods 6, 792 (2009).

O que você está vendo, acima, é uma foto – tirada com uma técnica não muito diferente de uma fotografia tradicional – dos átomos individuais dentro de uma molécula relativamente simples. É o fato de que a luz é uma onda que permite que objetos de um determinado tamanho sejam visualizados, mas não algo muito pequeno. Veja, porque a luz tem um comprimento de onda característico, ela pode interagir com qualquer coisa que seja aproximadamente do tamanho desse comprimento de onda ou maior, mas não menor. Isto é:

  • por que você precisa de uma antena relativamente grande para captar ondas de rádio, já que seus comprimentos de onda longos exigem uma antena substancial para detectá-los,
  • por que os orifícios na porta do seu micro-ondas mantêm as micro-ondas dentro, porque o comprimento de onda das micro-ondas é maior que o tamanho dos orifícios,
  • e por que minúsculos grãos de poeira no espaço são bons em bloquear a luz de comprimento de onda curto (azul), menos bons em bloquear a luz de comprimento de onda mais longo (vermelho), e por que eles são totalmente transparentes para radiação ainda mais longa (infravermelha).

Vistas visíveis (esquerda) e infravermelha (direita) do glóbulo Bok rico em poeira, Barnard 68. A luz infravermelha não é bloqueada, pois os grãos de poeira são muito pequenos para interagir com a luz de comprimento de onda longo. Crédito das imagens: ESO.



Se você deseja medir o tamanho das menores partículas, precisa de fótons com comprimentos de onda cada vez menores. Por causa da relação entre a energia e o comprimento de onda de um fóton – eles são inversamente proporcionais – isso significa que você precisa ir para energias cada vez mais altas para sondar as menores escalas de todas.

O espectro eletromagnético e como a energia de um fóton aumenta com o comprimento de onda. Crédito da imagem: Philip Ronan da Wikipedia em inglês, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.

Mas os fótons não são o único caminho a seguir; é possível usar algum partículas em altas energias para sondar o tamanho da matéria. Uma das regras engraçadas da mecânica quântica na natureza é que não são apenas partículas de luz que agem como ondas, mas quaisquer partículas, incluindo partículas compostas como prótons e indivisíveis como (até agora) o elétron provou ser . É indo para altas energias e colidindo com um alvo estacionário que podemos determinar o tamanho de uma partícula não fundamental vendo quando ela se separa, ou determinar que se uma partícula não for fundamental, ela só mostrará essa propriedade abaixo um determinado tamanho.



Os elétrons também exibem propriedades de onda e podem ser usados ​​para construir imagens ou sondar tamanhos de partículas tão bem quanto a luz. Crédito da imagem: Thierry Dugnolle, de um padrão de onda de elétrons após passar por uma fenda dupla.

Esta foi a técnica que nos permitiu determinar que:



  • Os átomos não são indivisíveis, mas são compostos de elétrons e núcleos com um tamanho de ~1 Å, ou 10^–10 metros.
  • Os próprios núcleos podem ser divididos em prótons e nêutrons, cada um com um tamanho de ~1 fm, ou 10^–15 metros.
  • E se você bombardear as partículas dentro de prótons e nêutrons – os quarks e glúons – com partículas de alta energia, elas não mostram nenhuma estrutura interna, assim como os elétrons.

Para cada uma das partículas do Modelo Padrão, determinamos que, se elas tiverem uma natureza composta ou um tamanho físico diferente do tipo pontual, deve ser menor que 10^–19 metros ou mais.

Os tamanhos de partículas compostas e elementares, com possivelmente menores dentro do que é conhecido. Crédito da imagem: Fermilab, via http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2012/today12-03-09_NutshellReadMore.html .

Podemos não achar isso estranho, mas houve um tempo em que as pessoas não conheciam a mecânica quântica, mas fez conheça a famosa equação de Einstein: E = mc2 . Se você dissesse que um elétron tem a carga que você mede, e a energia potencial elétrica fosse responsável por sua massa, você poderia derivar um tamanho para ele, conhecido como raio do elétron clássico . Isso acaba sendo bem pequeno e igual a:

Mas sabemos que isso está errado! Isso acaba sendo substancialmente maior que o tamanho de um próton e é maior por mais de um fator de 1.000 de nossas melhores restrições. Em outras palavras, as partículas que encontramos são verdadeiramente quânticas por natureza, e isso significa - se formos para energias arbitrariamente altas - as verdadeiramente fundamentais devem ser pontuais.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão. Crédito da imagem: E. Siegel, de seu livro, Além da Galáxia.

Então, quando falamos sobre o tamanho de uma partícula elementar, falamos sobre a busca por algo verdadeiramente fundamental. As partículas do modelo padrão são verdadeiramente indivisíveis? Se assim for, devemos ser capazes de continuar indo para energias cada vez mais altas, e não devemos descobrir nada que difere do comportamento pontual até a energia de Planck, ou até escalas de distância de 10 a 35 metros. Abaixo dessa escala de distância, a física não fornece previsões sensatas, mas continuamos nos aproximando. Talvez ao longo do caminho, descobriremos que algumas (ou todas) dessas partículas podem ser ainda mais quebradas, ou talvez que sejam feitas de cordas ou membranas, ou, alternativamente, que sejam simplesmente pontos por todo o caminho baixa. Mas tudo o que sabemos até agora, no que diz respeito aos tamanhos reais das partículas, são os tamanhos das não fundamentais. Todo o resto é apenas um limite superior, e a busca por escalas cada vez menores continua.


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