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Como provar a relatividade de Einstein por menos de US$ 100

Os raios cósmicos produzidos por fontes astrofísicas de alta energia podem atingir a superfície da Terra. Ao detectar corretamente essas partículas em movimento rápido, podemos testar a relatividade de Einstein. Crédito da imagem: colaboração ASPERA / AStroParticle ERAnet.

Com materiais de prateleira e um pouco de gelo seco, você pode descobrir partículas que não existiriam a menos que a relatividade fosse real.

Os experimentos que faremos com o LHC [Large Hadron Collider] foram feitos bilhões de vezes por raios cósmicos atingindo a Terra. … Eles estão sendo feitos continuamente por raios cósmicos atingindo nossos corpos astronômicos, como a lua, o sol, como Júpiter e assim por diante. E a terra ainda está aqui, o sol ainda está aqui, a lua ainda está aqui. – John Ellis

A ideia da relatividade especial ainda é uma das mais difíceis para as pessoas entenderem. Estamos tão acostumados a pensar no espaço e no tempo como entidades fixas e imutáveis ​​– você pode levar um mapa e um relógio para qualquer lugar, afinal – que é difícil imaginar que eles mudem dependendo de como você se move. No entanto, é indiscutivelmente verdade: se você viajar perto da velocidade da luz, as distâncias se contraem na direção do movimento, enquanto o tempo se dilatará cada vez mais quanto mais rápido você se mover. É uma ideia tão bizarra que hoje, mais de um século depois, muitos ainda não a aceitam. No entanto, não é apenas verdade, mas você pode provar a si mesmo por menos de US $ 100 e com menos de um dia de trabalho.

Uma câmara de nuvem completa pode ser construída em um dia com materiais prontamente disponíveis e por menos de US$ 100. Você pode usá-lo para provar a validade da relatividade de Einstein, se souber o que está fazendo! Crédito da imagem: usuário do Instructables ExperiencingPhysics.

Tudo o que você precisa fazer é construir uma câmara de nuvem. Você pode não ser capaz de ver partículas subatômicas individuais com seus próprios olhos, pois os comprimentos de onda da luz que nossos olhos podem perceber praticamente não são afetados por elas. Mas se você criar um vapor de álcool - álcool 100% puro, como álcool isopropílico ou etílico (qualquer coisa inferior a 90% não funcionará!) - uma partícula carregada e em movimento rápido criará um rastro que você mesmo pode ver visualmente! À medida que uma partícula carregada se move através do vapor de álcool, ela ioniza um caminho de partículas de álcool, que atuam como centros de condensação. O que você acaba com uma trilha grande o suficiente e duradoura o suficiente para que você possa vê-la a olho nu.

Embora existam quatro tipos principais de partículas que podem ser detectadas em uma câmara de nuvens, as trilhas longas e retas são os múons de raios cósmicos, que podem ser usados ​​para provar que a relatividade especial está correta. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Cloudylabs.

Uma câmara de nuvem pode ser construída, por você, em casa, por menos de US$ 100. tem algum detalhado guias por aí , mas aqui está o resumo simples:

• Comece obtendo um aquário de aquário retangular, que tenha vedações boas e sólidas em torno de todas as bordas e não vaze.
• Corte três pedaços grandes de espuma grossa e isolante do mesmo tamanho: dois com furos retangulares grandes o suficiente para o aquário caber dentro, um que você deixa sólido para sua base.
• Corte um pedaço de chapa de aço galvanizado do mesmo tamanho da espuma isolante. Anexe cartolina preta ou feltro preto fosco, ou pinte-o com tinta preta fosca, para a superfície do tamanho do tanque de peixes.
• Coloque a placa de metal entre as duas camadas superiores de espuma isolante; adicione uma camada de massa de modelar nos dois lados para que o tanque se encaixe. Adicione água ou um pouco da solução de álcool na ranhura para que, quando você colocar o tanque em cima, nenhum ar possa entrar ou sair.
• Modifique o tanque de peixes adicionando uma camada de feltro ou material semelhante a uma esponja à base do tanque. Proteja-o bem; vai ficar de cabeça para baixo! Uma vez definido, você está pronto para juntar tudo.
• Coloque um pouco de gelo seco nas duas primeiras camadas (base sólida e retângulo oco) da espuma isolante, em seguida, coloque a placa de metal (lado preto para cima) sobre ela, depois a última camada de espuma isolante. Em seguida, coloque a água/álcool no sulco de argila, enquanto simultaneamente embebe/satura a camada de feltro/esponja no aquário com a solução de álcool. (Dica profissional: use mais álcool para saturar a camada de feltro/esponja do que você acha que deveria; não seja mesquinho aqui!) Vire o aquário e coloque as bordas dentro das ranhuras de metal, para que você tenha uma vedação hermética. ao redor com o vapor de álcool dentro.
• Desligue todas as luzes para que fique em um quarto escuro, acenda uma lanterna brilhante (ou projetor) através do tanque, coloque um objeto quente e pesado (como uma toalha dobrada, recém-saída da secadora) em cima do tanque e espere cerca de 10 minutos. minutos.

Sua recompensa por este trabalho? Você verá o vapor de álcool supersaturado aparecer e, no fundo do tanque, você começará a ver cerca de uma trilha no tanque a cada segundo: mais ou menos dependendo do tamanho do seu tanque.

https://www.youtube.com/watch?v=mI1FPT0U8Qo

É assim que você pode ver a relatividade por si mesmo. Todas as partículas que fazem trilhas praticamente verticais são raios cósmicos: criados quando partículas de alta energia (principalmente prótons) atingem a atmosfera superior em altas energias. Eles formam uma cascata de partículas de alta energia, muitas das quais são instáveis ​​e decaem. A grande maioria das partículas que fazem trilhas em seu detector – e uma configuração um pouco mais sofisticada que possui ímãs defletores e um detector de energia/calorímetro na parte inferior pode medir isso – serão múons.

Embora as chuvas de raios cósmicos sejam comuns de partículas de alta energia, são principalmente os múons que chegam à superfície da Terra, onde são detectáveis ​​​​com a configuração correta. Crédito da imagem: Alberto Izquierdo; cortesia de Francisco Barradas Solas.

Os múons são partículas instáveis: primos mais pesados ​​do elétron que são idênticos a eles. Mas por serem instáveis, um múon pode decair para um elétron (e um neutrino e um antineutrino, que são invisíveis) após um curto período de tempo: 2,2 microssegundos em média. Raramente, em sua câmara de nuvens, você verá uma trilha vertical com uma dobra; isso é na verdade um múon se decompondo diante de seus olhos! Se você correr e observar sua câmara de nuvens por cerca de uma hora, provavelmente verá alguns desses eventos.

A trilha em forma de V no centro da imagem é provavelmente um múon decaindo para um elétron e dois neutrinos. A trilha de alta energia com uma torção é evidência de um decaimento de partículas no ar. Crédito da imagem: The Scottish Science & Technology Roadshow.

Mas o fato de você poder ver múons de raios cósmicos é suficiente para provar que a relatividade é real. Pense em onde esses múons são criados: no alto da atmosfera superior, cerca de 30 a 100 quilômetros acima da superfície da Terra. Pense em quanto tempo um múon vive: cerca de 2,2 microssegundos em média. E pense no limite de velocidade do Universo: a velocidade da luz, ou cerca de 300.000 quilômetros por segundo. Se você tem algo se movendo na velocidade da luz que vive apenas 2,2 microssegundos, ele deve percorrer apenas 0,66 quilômetros antes de se decompor. Com essa vida média, menos de 1 em 10⁵⁰ múons devem atingir a superfície. Mas, na realidade, quase todos eles descem.

Em energias e velocidades suficientemente altas, a relatividade se torna importante, permitindo que muito mais múons sobrevivam do que sem os efeitos da dilatação do tempo. Crédito da imagem: Frisch/Smith, Am. J. de Phys. 31 (5): 342–355 (1963) / usuário do Wikimedia Commons D.H.

Por quê? Do nosso ponto de vista (ou quadro de referência), por causa da dilatação do tempo. Quanto mais próximo você se aproxima da velocidade da luz, mais lento seu relógio parece correr. E esses múons de raios cósmicos têm energias tão altas que uma jornada que leva cerca de 300 microssegundos do nosso ponto de vista leva apenas cerca de 1 microssegundo para o múon. A dilatação do tempo permite que essas partículas vivam.

Do ponto de vista do múon, é a contração do comprimento que permite que ele sobreviva. Ele vê a Terra (e a atmosfera da Terra) como sendo comprimida em sua direção de movimento, a ponto de toda a atmosfera da Terra ter menos de 1% de seu tamanho em nosso quadro de repouso. Uma distância de 100 quilômetros, para nós, pode parecer meros 300 metros até o múon. Ele pode facilmente fazer essa viagem.

Para um bônus extra de faixas radioativas, adicione o manto de um detector de fumaça ao fundo de sua câmara de nuvens e observe as partículas em movimento lento que emanam dele. Alguns vão até saltar do fundo! Crédito da imagem: NASA/GRC/Bill Bowles.

Vá em frente, que duvida da relatividade, e passe um dia provando isso para si mesmo. Os suprimentos são baratos e prontamente disponíveis, e você pode fazer a física sozinho! Para uma maneira bônus de desfrutar de uma câmara de nuvens, coloque uma pequena fonte radioativa – como o manto de dentro de um detector de fumaça – na placa de metal na parte inferior e veja como são as partículas carregadas em movimento lento vindo de uma direção diferente. também. Mas quando esses rastros de múons verticais chegam, especialmente nas raras ocasiões em que você vê as dobras de decaimento, não há mais dúvidas sobre a relatividade. A dilatação do tempo e a contração do comprimento são reais, e é assim que você pode provar isso a si mesmo!

Começa com um estrondo é com sede na Forbes , republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Encomende o primeiro livro de Ethan, Além da Galáxia , e pré-encomende seu próximo, Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive !

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