Como provar a relatividade de Einstein na palma da sua mão
Os raios cósmicos, que são partículas de energia ultra-alta originárias de todo o Universo, atingem prótons na atmosfera superior e produzem chuvas de novas partículas. As partículas carregadas em movimento rápido também emitem luz devido à radiação Cherenkov, pois se movem mais rápido que a velocidade da luz na atmosfera da Terra e produzem partículas secundárias que podem ser detectadas aqui na Terra. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)
A física das partículas está em toda parte, até na palma da sua mão.
Quando você estende a palma da mão e aponta para o céu, o que está interagindo com sua mão? Você pode supor corretamente que existem íons, elétrons e moléculas colidindo com sua mão, já que a atmosfera é simplesmente inevitável aqui na Terra. Você também pode se lembrar de que fótons, ou partículas de luz, devem estar atingindo você também.
Mas há algo mais marcante em sua mão que, sem relatividade, simplesmente não seria possível. A cada segundo, aproximadamente um múon – o primo instável e pesado do elétron – passa pela palma da mão estendida. Esses múons são feitos na atmosfera superior, criados por raios cósmicos. Com uma vida útil média de 2,2 microssegundos, você pode pensar que a jornada de mais de 100 km até sua mão seria impossível. No entanto, a relatividade o torna assim, e a palma da sua mão pode provar isso. Aqui está como.
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. (ALBERTO À ESQUERDA; CORTESIA DE FRANCISCO BARRADAS SOLAS)
As partículas subatômicas individuais são quase sempre invisíveis aos olhos humanos, pois os comprimentos de onda da luz que podemos ver não são afetados pelas partículas que passam por nossos corpos. Mas se você criar um vapor puro feito de álcool 100%, uma partícula carregada que passa por ele deixará um rastro que pode ser detectado visualmente por um instrumento tão primitivo quanto o olho humano.
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 para a condensação de gotículas de álcool. A trilha resultante é longa e duradoura o suficiente para que os olhos humanos possam vê-la, e a velocidade e a curvatura da trilha (se você aplicar um campo magnético) podem até dizer que tipo de partícula era.
Este princípio foi aplicado pela primeira vez na física de partículas na forma de uma câmara de nuvens.
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! (INSTRUCTABLE USER EXPERIENCINGFÍSICA)
Hoje, uma câmara de nuvem pode ser construída, por qualquer pessoa com peças comumente disponíveis, para um dia de trabalho e menos de US$ 100 em peças. ( Publiquei um guia aqui .) Se você colocar o manto de um detector de fumaça dentro da câmara de nuvens, verá partículas emanadas dele em todas as direções e deixando rastros em sua câmara de nuvens.
Isso ocorre porque o manto de um detector de fumaça contém elementos radioativos, como o amerício, que decai emitindo partículas α. Na física, as partículas α são compostas por dois prótons e dois nêutrons: são o mesmo que um núcleo de hélio. Com as baixas energias do decaimento e a alta massa das partículas α, essas partículas fazem trilhas lentas e curvas e podem até ser vistas ocasionalmente saltando do fundo da câmara de nuvens. É um teste fácil para ver se sua câmara de nuvem está funcionando corretamente.
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! (NASA/GRC/BILL BOWLES)
Se você construir uma câmara de nuvens como esta, no entanto, esses rastros de partículas α não são as únicas coisas que você verá. De fato, mesmo se você deixar a câmara completamente evacuada (ou seja, você não colocar uma fonte de nenhum tipo dentro ou nas proximidades), ainda verá rastros: eles serão principalmente verticais e parecerão perfeitamente retos.
Isso ocorre por causa dos raios cósmicos: partículas de alta energia que atingem o topo da atmosfera da Terra, produzindo chuvas de partículas em cascata. A maioria dos raios cósmicos é composta de prótons, mas se move com uma grande variedade de velocidades e energias. As partículas de energia mais alta colidirão com partículas na atmosfera superior, produzindo partículas como prótons, elétrons e fótons, mas também partículas instáveis e de vida curta, como píons. Esses chuveiros de partículas são uma marca registrada dos experimentos de física de partículas de alvo fixo e também ocorrem naturalmente a partir de raios cósmicos.
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. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO CLOUDYLABS)
A coisa sobre os píons é que eles vêm em três variedades: carregados positivamente, neutros e carregados negativamente. Quando você faz um píon neutro, ele simplesmente decai em dois fótons em escalas de tempo muito curtas (~ 10–16 s). Mas os píons carregados vivem mais (por cerca de 10 a 8 s) e, quando decaem, decaem principalmente em múons, que são partículas pontuais como os elétrons, mas têm 206 vezes a massa.
Os múons também são instáveis, mas são a partícula fundamental instável de vida mais longa até onde sabemos. Devido à sua massa relativamente pequena, eles vivem em média 2,2 microssegundos surpreendentemente longos. Se você perguntar até onde um múon pode viajar depois de criado, você pode pensar em multiplicar sua vida útil (2,2 microssegundos) pela velocidade da luz (300.000 km/s), obtendo uma resposta de 660 metros. Mas isso leva a um quebra-cabeça.
Chuva de raios cósmicos e algumas das possíveis interações. Observe que se um píon carregado (esquerda) atinge um núcleo antes de decair, produz uma chuva, mas se decair primeiro (direita), produz um múon que atingirá a superfície. (KONRAD BERNLÖHR DO INSTITUTO MAX-PLANCK EM HEIDELBERG)
Eu lhe disse anteriormente que, se você segurar a palma da sua mão, aproximadamente um múon por segundo passará por ela. Mas se eles podem viver apenas 2,2 microssegundos, são limitados pela velocidade da luz e são criados na atmosfera superior (cerca de 100 km), como é possível que esses múons cheguem até nós?
Você pode começar a pensar em desculpas. Você pode imaginar que alguns dos raios cósmicos têm energia suficiente para continuar em cascata e produzindo chuvas de partículas durante toda a sua jornada até o solo, mas essa não é a história que os múons contam quando medimos suas energias: os mais baixos ainda são criados a cerca de 30 km acima. Você pode imaginar que os 2,2 microssegundos são apenas uma média, e talvez os múons raros que vivem por 3 ou 4 vezes mais tempo consigam descer. Mas quando você faz as contas, apenas 1 em 1050 múons sobreviveria até a Terra; na realidade, quase 100% dos múons criados chegam.
Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para qualquer observador. Embora os dois observadores possam não concordar um com o outro sobre quanto tempo está passando, eles concordarão nas leis da física e nas constantes do Universo, como a velocidade da luz. Quando a relatividade for aplicada corretamente, suas medidas serão equivalentes umas às outras, pois a transformação relativística correta permitirá que um observador entenda as observações do outro. (JOÃO D. NORTON)
Como podemos explicar tal discrepância? Claro, os múons estão se movendo perto da velocidade da luz, mas estamos observando-os de um referencial onde estamos estacionários. Podemos medir a distância que os múons viajam, podemos medir o tempo que eles vivem, e mesmo se lhes dermos o benefício da dúvida e dizermos que eles estão se movendo (e não perto) da velocidade da luz, eles não deveriam. t mesmo fazê-lo por 1 quilômetro antes de decair.
Mas isso perde um dos pontos-chave da relatividade! Partículas instáveis não experimentam o tempo enquanto você, um observador externo, o mede. Eles experimentam o tempo de acordo com seus próprios relógios de bordo, que serão mais lentos quanto mais se aproximarem da velocidade da luz. O tempo dilata para eles, o que significa que vamos observá-los vivendo mais de 2,2 microssegundos de nosso referencial. Quanto mais rápido eles se movem, mais longe os veremos viajar.
Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, proposto por Einstein, mas previamente construído por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos em movimento rápido pareciam se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece dilatar para o mundo exterior. Essa imagem, da mecânica relativística, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica e pode explicar o tempo de vida de um múon de raio cósmico. (CURT RENHAW)
Como isso funciona para o múon? A partir de seu quadro de referência, o tempo passa normalmente, então ele viverá apenas 2,2 microssegundos de acordo com seus próprios relógios. Mas ele experimentará a realidade como se fosse arremessado em direção à superfície da Terra extremamente perto da velocidade da luz, fazendo com que comprimentos se contraíssem em sua direção de movimento.
Se um múon se move a 99,999% da velocidade da luz, cada 660 metros fora de seu referencial parecerá ter apenas 3 metros de comprimento. Uma jornada de 100 km até a superfície parece ser uma jornada de 450 metros no referencial do múon, levando apenas 1,5 microssegundos de tempo de acordo com o relógio do múon.
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. (FRISCH/SMITH, AM. J. OF PHYS. 31 (5): 342–355 (1963) / WIKIMEDIA COMMONS USER D.H)
Isso nos ensina como reconciliar as coisas para o múon: do nosso referencial aqui na Terra, vemos o múon viajar 100 km em um intervalo de tempo de cerca de 4,5 milissegundos. Isso é bom, porque o tempo é dilatado para o múon e os comprimentos são contraídos para ele: ele se vê viajando 450 metros em 1,5 microssegundos e, portanto, pode permanecer vivo até seu destino na superfície da Terra.
Sem as leis da relatividade, isso não pode ser explicado! Mas em altas velocidades, que correspondem a altas energias de partículas, os efeitos da dilatação do tempo e da contração do comprimento permitem não apenas alguns, mas maioria dos múons criados para sobreviver. É por isso que, mesmo aqui embaixo na superfície da Terra, um múon por segundo ainda parece passar pela sua mão estendida e virada para cima.
A trilha em forma de V no centro da imagem surge de 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. Ao colidir pósitrons e elétrons em uma energia específica e ajustável, pares múon-antimúon podem ser produzidos à vontade. A energia necessária para fazer um par múon/antimúon a partir de pósitrons de alta energia colidindo com elétrons em repouso é quase idêntica à energia das colisões elétron/pósitron necessárias para criar um bóson Z. (O ROADSHOW DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA ESCOCÊS)
Se você alguma vez duvidou da relatividade, é difícil culpá-lo: a teoria em si parece tão contra-intuitiva e seus efeitos estão completamente fora do âmbito de nossa experiência cotidiana. Mas há um teste experimental que você pode fazer em casa, barato e com apenas um dia de esforço, que permite que você veja os efeitos por si mesmo.
Você pode construir uma câmara de nuvens e, se fizer isso, verá esses múons. Se você instalasse um campo magnético, veria essas trilhas de múons se curvando de acordo com sua relação carga-massa: você saberia imediatamente que não eram elétrons. Em raras ocasiões, você veria um múon decaindo no ar. E, finalmente, se você medisse suas energias, descobriria que eles estavam se movendo de forma ultra-relativística, a 99,999% + da velocidade da luz. Se não fosse a relatividade, você não veria um único múon.
A dilatação do tempo e a contração do comprimento são reais, e o fato de os múons sobreviverem, desde chuvas de raios cósmicos até a Terra, prova isso sem sombra de dúvida.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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