• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Como as partículas fundamentais criam a consciência?

Em um nível fundamental, apenas algumas partículas e forças governam toda a realidade. Como suas combinações criam a consciência humana?

Principais conclusões

• Em um nível fundamental, um ser humano é feito de apenas um pequeno conjunto de partículas quânticas, unidas por meio de apenas quatro interações fundamentais para criar toda a realidade conhecida.
• Isso inclui alguns fenômenos que são incrivelmente complexos, incluindo os de consciência, inteligência e senciência.
• Quão estranho é que essas partículas e forças se encaixem tão precisamente para permitir que seres conscientes como nós existam? É uma pergunta de ponta, mas que estamos mais perto do que nunca de responder definitivamente.

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Em teoria, tudo o que existe no Universo físico depende apenas das mesmas entidades e interações fundamentais que encontramos ao separar a matéria nas menores escalas possíveis. As criaturas vivas podem ser divididas em células; as próprias células são compostas de organelas; as organelas podem ser decompostas em moléculas; as moléculas são feitas de átomos; os átomos são compostos de elétrons e núcleos atômicos; os elétrons não podem ser mais decompostos, mas os próprios núcleos consistem em quarks e glúons. Devemos, portanto, ser capazes de pegar esses constituintes fundamentais da matéria – quarks, glúons e elétrons – e montá-los de várias maneiras para explicar tudo o que encontramos na vida cotidiana.

Mas com apenas esses blocos de construção simples e as quatro interações fundamentais, isso é realmente possível? Podemos explicar tudo , incluindo seres humanos conscientes? É um grande desafio, com certeza. O inquérito Ask Ethan desta semana vem de Ottho Heldring, para quem parece impossível que isso possa ser simplesmente o resultado de condições naturais com chance aleatória lançada:

“Sempre me intrigou como é que as partículas e forças na sopa de glúons de quarks original encaixar com precisão formar:

1. núcleos, e quando unidos por elétrons,
2. átomos (cada um com suas propriedades distintas),
3. inúmeras moléculas (cada uma com suas propriedades distintas),
4. capaz de formar vida,
5. que pode alcançar a consciência,
6. e, finalmente, levar a astrofísicos?

Esse “encaixe” preciso dificilmente pode ser pura coincidência.”

Isso é uma afirmação verdadeira? Vamos olhar para as evidências, até onde sabemos hoje, para tentar descobrir.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão obedecem a todo tipo de leis de conservação, mas também apresentam diferenças fundamentais entre partículas fermiônicas e antipartículas e bosônicas. Embora haja apenas uma “cópia” do conteúdo bosônico do Modelo Padrão, existem três gerações de férmions do Modelo Padrão. Ninguém sabe por quê.

Todas as partículas do Modelo Padrão – que representam os constituintes conhecidos do Universo, excluindo as incógnitas que atualmente são representadas pelos espaços reservados da matéria escura e da energia escura – se enquadram em duas categorias: férmions e bósons. Os férmions são o que consideramos os constituintes da matéria: quarks e léptons. Os quarks se unem para formar prótons, nêutrons e todas as outras partículas pesadas compostas, enquanto os léptons consistem em partículas carregadas que se ligam e orbitam prótons e nêutrons (por exemplo, o elétron), bem como partículas não carregadas de baixa massa. que quase não interagem com nada: os neutrinos.

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Mas os bósons são tão importantes quanto. Essas partículas mediam todas as forças e interações (não gravitacionais) que ocorrem entre as partículas. Embora existam 12 bósons diferentes, eles são agrupados para descrever apenas três interações.

1. Os 8 glúons mediam a força nuclear forte e atuam apenas em partículas com carga de cor: os quarks, antiquarks e outros glúons.
2. Os 3 bósons fracos, o W+, W- e Z ⁰ , são todos maciços e mediam a força nuclear fraca. Se você pode decair radioativamente ou ser um produto de um decaimento radioativo (incluindo cada um dos férmions), esses bósons podem interagir com você.
3. E o 1 fóton, solitário como é, é responsável por mediar a totalidade da força eletromagnética. Todas as partículas carregadas experimentam a interação eletromagnética, incluindo todos os férmions, exceto os neutrinos e antineutrinos.

Este gráfico das partículas e interações detalha como as partículas do Modelo Padrão interagem de acordo com as três forças fundamentais que a Teoria Quântica de Campos descreve. Quando a gravidade é adicionada à mistura, obtemos o Universo observável que vemos, com as leis, parâmetros e constantes que sabemos que o governam. Mistérios, como matéria escura e energia escura, ainda permanecem.

Essas forças têm propriedades diferentes umas das outras no que diz respeito ao seu comportamento. A força eletromagnética, por exemplo, é uma força de longo alcance: se você tiver duas partículas carregadas, elas vão se atrair ou repelir na proporção da carga de cada uma e inversamente proporcional à distância ao quadrado entre elas. Quanto mais longe você fica, mais fraca é a força eletromagnética, mas nunca cai a zero, nem mesmo para distâncias arbitrariamente grandes. Uma carga positiva e negativa, no entanto, se cancelam em geral; se você juntar dois deles, eles formam um objeto eletricamente neutro e, a grandes distâncias, a força elétrica de um objeto neutro vai para zero.

A força nuclear forte, por outro lado, funciona de maneira muito diferente. Em distâncias muito pequenas, a força forte entre objetos carregados de cores é assíntota a zero, mas à medida que você aumenta a separação entre eles, a força aumenta. Isso é verdade desde que haja uma carga de cor líquida, mas se você for de cor neutra, a força também vai para zero, assim como acontece com um objeto eletromagnético neutro. O único problema é que a maneira de obter um objeto “incolor” é tendo três cores (vermelho, verde, azul), três anticores (ciano, magenta, amarelo) ou uma cor anticolor (vermelho-ciano, verde- magenta ou amarelo-azul).

Quarks e antiquarks, que interagem com a força nuclear forte, possuem cargas de cor que correspondem a vermelho, verde e azul (para os quarks) e ciano, magenta e amarelo (para os antiquarks). Qualquer combinação incolor, de vermelho + verde + azul, ciano + amarelo + magenta, ou a combinação apropriada de cor/anticor, é permitida sob as regras da força forte.

Para simplificar, podemos ignorar a força nuclear fraca, exceto para notar que se uma partícula fundamental ou composta é inerentemente instável, o que significa que é energeticamente favorável para decair em uma partícula ou conjunto de partículas com menos massa de repouso, a interação fraca é como vai chegar lá.

Para entender que tipos de estruturas somos capazes de formar no Universo, você precisa voltar aos estágios iniciais e ver o que surge e por quê. A partir desse ponto, podemos olhar para o que resta, e então começar a entender que tipos de estruturas mais complexas podem emergir.

Nos estágios iniciais do Big Bang quente, havia energia disponível suficiente e condições densas o suficiente para que as colisões fossem frequentes, permitindo a criação de cada uma das partículas fundamentais (e antipartículas) em grande número. À medida que o Universo se expande e esfria, no entanto, torna-se menos energia disponível (via E = mc² ) para criar novas partículas, mas é muito fácil para os pares partícula-antipartícula serem aniquilados. Além disso, quaisquer partículas instáveis ​​irão decair, através da interação fraca, em partículas mais estáveis.

Após um período de tempo relativamente curto, o Universo é feito principalmente de fótons, elétrons, pósitrons, neutrinos e antineutrinos, e um pouco de quarks up e down, que superam ligeiramente os quarks anti-up e anti-down.

O Big Bang produz matéria, antimatéria e radiação, com um pouco mais de matéria sendo criada em algum momento, levando ao nosso Universo hoje. Como essa assimetria surgiu, ou surgiu de onde não havia assimetria para começar, ainda é uma questão em aberto, mas podemos ter certeza de que o excesso de quarks up-and-down sobre seus equivalentes de antimatéria é o que permitiu a formação de prótons e nêutrons. no início do Universo em primeiro lugar.

Este é o primeiro passo: quarks up e down vão se unir, formando prótons e nêutrons. A razão é simples, como os quarks up e down têm cargas elétricas de +⅔ e -⅓, respectivamente, então a distâncias muito pequenas, as forças eletromagnéticas afastam cargas semelhantes. Você não pode afastá-los muito, no entanto, ou a força nuclear forte aumentará, fazendo com que essas partículas “se encaixem” de volta, assim como uma mola esticada aumentará em força até que se encaixe novamente.

Então, por que você só obtém prótons e nêutrons de quarks up-and-down?

São necessários três férmions (e quarks são férmions) para fazer um objeto de cor neutra, então você pode ter dois quarks up e um down (um próton), ou você pode ter um quark up e dois down (um nêutron). Você não pode ter três quarks up ou três down, porque há outra regra: o Princípio de Exclusão de Pauli , o que impede que dois férmions idênticos tenham o mesmo estado quântico. Quarks têm um spin, então você pode ter dois férmions idênticos em um próton ou nêutron se um for “spin up” e o outro for “spin down”, mas não há como obter um terceiro quark do mesmo tipo lá. As forças forte e eletromagnética, combinadas, explicam por que existem prótons e nêutrons.

Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas os quarks dentro deles são coloridos. Os glúons podem não apenas ser trocados entre os glúons individuais dentro de um próton ou nêutron, mas em combinações entre prótons e nêutrons, levando à ligação nuclear. No entanto, cada troca deve obedecer ao conjunto completo de regras quânticas, e essas interações de força forte são simétricas de inversão de tempo: você não pode dizer se o filme animado aqui é mostrado avançando ou retrocedendo no tempo.

A partir de prótons e nêutrons, o Universo pode construir núcleos atômicos maiores e mais massivos. Novamente, as forças fortes e eletromagnéticas entram em jogo aqui. Sob a força eletromagnética, os prótons se repelem, enquanto os nêutrons não atraem nem repelem prótons ou outros nêutrons. No entanto, a força nuclear forte, você se lembrará, atua entre todos os objetos com uma carga de cor, e se você conseguir prótons e/ou nêutrons próximos o suficiente, os quarks dentro de um objeto irão “ver” os quarks dentro de outro objeto, permitindo para trocar glúons e experimentar a força nuclear forte.

No geral, prótons e nêutrons são cada um de cor neutra, então a longas distâncias deles, a força nuclear forte cai para zero e pode ser desprezada. Mas a distâncias muito próximas, a “elasticidade” entre os quarks mais próximos em um

• próton-próton,
• nêutron-nêutron,
• ou par próton-nêutron

torna-se substancial. Desde que surjam as condições certas – ou seja, temperaturas e densidades suficientemente altas – e a combinação de prótons e nêutrons que é feita é estável contra o decaimento radioativo, você pode acabar com uma variedade de núcleos atômicos pesados ​​e estáveis.

A tabela periódica dos elementos é classificada como está (em períodos semelhantes a linhas e grupos semelhantes a colunas) por causa do número de elétrons de valência livres/ocupados, que é o fator número um na determinação das propriedades químicas de cada átomo. Aqui, a origem astrofísica de cada átomo é mostrada pelo código de cores. Os átomos podem se ligar para formar moléculas em variedades tremendas, mas é a estrutura eletrônica de cada um que determina principalmente quais configurações são possíveis, prováveis ​​e energeticamente favoráveis.

Todos os núcleos atômicos estáveis ​​são carregados positivamente, enquanto os elétrons (restos do Universo primitivo após os pósitrons serem todos aniquilados com a maioria dos elétrons, deixando um Universo neutro) são carregados negativamente. Os elétrons não experimentam a força nuclear forte, mas experimentam a força eletromagnética. Eles serão atraídos pelos núcleos atômicos devido ao fato de que cargas elétricas opostas se atraem e podem formar estados ligados, com elétrons entrando em vários orbitais ao redor de cada núcleo atômico.

Como os elétrons são muito mais leves que os núcleos atômicos, com 1836 elétrons necessários para igualar a massa de um próton, os núcleos ficam relativamente imóveis nos centros de cada átomo, enquanto os elétrons orbitam em alta velocidade em configurações semelhantes a nuvens ao seu redor. . As regras da mecânica quântica - e novamente, a Princípio de Exclusão de Pauli desempenha um papel importante – determinar que tipo de configurações e formas as camadas eletrônicas assumem, o que, por sua vez, determina como os átomos de vários tipos se ligarão uns aos outros. Apenas das interações fortes e eletromagnéticas, obtemos uma grande variedade de átomos.

Os níveis de energia e funções de onda de elétrons que correspondem a diferentes estados dentro de um átomo de hidrogênio, embora as configurações sejam extremamente semelhantes para todos os átomos. A maneira como os átomos se unem para formar moléculas e outras estruturas mais complexas é uma tarefa desafiadora quando se começa a partir de partículas e interações fundamentais.

Agora, com temperaturas muito mais baixas, esses átomos podem se ligar em combinações praticamente infinitas. Embora os próprios átomos sejam eletricamente neutros, eles são compostos de cargas positivas e negativas.

• Em algumas circunstâncias, um ou mais elétrons podem ser transferidos de um átomo que mantém seus elétrons mais externos frouxamente para um que está ansioso para adquirir elétrons adicionais, criando íons e compostos iônicos.
• Em outras circunstâncias, átomos neutros podem se ligar uns aos outros, formando uma variedade ilimitada de combinações e ligações, resultando em moléculas.
• E uma vez que íons, compostos e moléculas se formam, eles podem interagir.

Lembre-se de que prótons e nêutrons podem se unir para formar um núcleo atômico, apesar de cada um ser “de cor neutra” por si só, porque os quarks dentro de cada um podem exercer forças sobre os quarks dentro de um adjacente. Da mesma forma, os elétrons carregados negativamente e os núcleos atômicos carregados positivamente dentro das moléculas podem exercer forças uns sobre os outros, formando moléculas maiores, criando forças e modificando estruturas entre as moléculas, e até mesmo permitindo vários mecanismos moleculares, como fechadura e chave (ou seja, ligante -dependentes) e canais sensíveis à carga elétrica (isto é, dependentes de voltagem).

Moléculas, exemplos de partículas de matéria ligadas em configurações complexas, adquirem as formas e estruturas que adquirem devido principalmente às forças eletromagnéticas que existem entre seus átomos constituintes e os elétrons. A variedade de estruturas que podem ser criadas é quase ilimitada.

Assim, com apenas algumas das partículas fundamentais e algumas propriedades gerais de duas das forças fundamentais, podemos passar dos constituintes elementares da matéria para moléculas de complexidade ilimitada.

Então, como vamos das moléculas para a vida, do início da vida para os seres humanos e da falta de consciência para a consciência?

o emergência da vida da não-vida certamente ocorreu, mas ainda estamos intrigados exatamente como ocorreu em nosso planeta. No entanto, as forças do eletromagnetismo e da gravidade, dadas as condições que surgiram naturalmente e a presença de moléculas complexas, parecem ser tudo o que é necessário. Da mesma forma, a vida sobreviveu, prosperou e evoluiu ao longo de bilhões de anos, dando origem ao conjunto diversificado de organismos que existe hoje, incluindo nós. Até onde sabemos, o que torna um “ser vivo” vivo é simplesmente a presença de eletricidade: o fluxo de elétrons. Embora existam muitos com ideias malucas sobre o que é a consciência e qual pode ser sua conexão com o reino quântico, é possível – talvez até provável – essa simples eletricidade (ou seja, o fluxo de elétrons ao longo de um cérebro e/ou sistema nervoso em animais) é suficiente, dada a configuração externa correta de átomos e moléculas, para criar o fenômeno que identificamos como consciência.

Um cérebro de mosca da fruta visto através de um microscópio confocal. O funcionamento do cérebro de qualquer animal não é totalmente compreendido, mas é eminentemente plausível que a atividade elétrica no cérebro e em todo o corpo seja responsável pelo que conhecemos como “consciência” e, além disso, que os seres humanos não são tão únicos entre os animais. ou mesmo outras criaturas vivas em possuí-lo.

Sim, é um fato notável que, com apenas as quatro forças fundamentais no Universo de gravidade, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca, podemos formar núcleos atômicos, átomos, moléculas, vida, vida complexa e diferenciada , onde a consciência emerge e alguns desses seres conscientes podem estudar o próprio Universo. Podemos aprender como o Universo funciona e como viemos a surgir dentro dele, com alguns de nós optando por se tornar astrofísicos neste Universo: um pedaço do Universo que, por um breve período de tempo cósmico, pode estudar o cosmos como um todo e para todos os tempos.

Mas isso não é necessariamente milagroso. Desde que existam algumas regras e propriedades simples para a natureza:

• alguns dos quais são desprezíveis em distâncias curtas, mas aumentam em força à medida que as distâncias aumentam,
• outros dos quais são fortes a curtas distâncias, mas tornam-se mais fracos a grandes distâncias,
• e onde existem vários tipos de cargas, algumas das quais são sempre atrativas e algumas das quais repelem ou atraem dependendo dos tipos relativos de carga,

estruturas complexas e possibilidades aparentemente infinitas não podem deixar de surgir. Com as configurações corretas, os elétrons podem se mover por vários caminhos, criando correntes elétricas que impulsionam os processos vitais e – muito possivelmente – são totalmente responsáveis ​​pela criação do fenômeno que chamamos de consciência.

Se as leis da física fossem tão diferentes que não pudéssemos existir, nunca teríamos surgido para descobrir essas coisas. Infelizmente, temos apenas um Universo, com as regras e limitações que ele possui, para estudar. Até que encontremos outro, ou descubramos precisamente por que e como nosso Universo tem as regras e leis que ele tem, perguntas como “As regras que nosso Universo joga têm uma causa ou um designer?” permanecerá firmemente fora do domínio da ciência: além do que é possível saber.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

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