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O Sol Não Brilharia Sem Física Quântica

O Sol é a fonte da maioria esmagadora de luz, calor e energia na superfície da Terra, e é alimentado por fusão nuclear. Mas sem as regras quânticas que governam o Universo em um nível fundamental, a fusão não seria possível. (DOMÍNIO PÚBLICO)

Se as partículas não fossem também ondas, o Sol nunca alcançaria a fusão nuclear. Sem a mecânica quântica, a vida na Terra nunca teria existido.

A maior fonte de energia recém-produzida no Universo hoje é a luz das estrelas. Esses objetos grandes, maciços e incrivelmente comuns emitem enormes quantidades de energia através do menor dos processos: a fusão nuclear de partículas subatômicas. Se você estiver em um planeta em órbita em torno de tal estrela, ele pode fornecer toda a energia necessária para facilitar reações químicas complexas, o que é exatamente o que acontece aqui , na superfície da Terra.

Como isso acontece? No fundo dos corações das estrelas – inclusive no núcleo do nosso próprio Sol – os elementos leves são fundidos sob condições extremas em mais pesados. Em temperaturas acima de 4 milhões de kelvin e em densidades dez vezes maiores que a do chumbo sólido, os núcleos de hidrogênio (prótons simples) podem se fundir em uma reação em cadeia para formar núcleos de hélio (dois prótons e dois nêutrons), liberando uma tremenda quantidade de energia. no processo.

A versão mais direta e de menor energia da cadeia próton-próton, que produz hélio-4 a partir do combustível inicial de hidrogênio. Observe que apenas a fusão de deutério e um próton produz hélio a partir do hidrogênio; todas as outras reações produzem hidrogênio ou fazem hélio a partir de outros isótopos de hélio. (NESS / WIKIMEDIA COMMONS)

À primeira vista, você pode não pensar que a energia é liberada, já que os nêutrons são ligeiramente mais massivos que os prótons: cerca de 0,1%. Mas quando nêutrons e prótons são unidos em hélio, toda a combinação de quatro nucleons acaba sendo significativamente menos massiva - cerca de 0,7% - do que os constituintes individuais não ligados. Esse processo permite que a fusão nuclear libere energia, e é exatamente esse processo que alimenta a esmagadora maioria das estrelas do Universo, incluindo o nosso próprio Sol. Isso significa que toda vez que o Sol funde quatro prótons em um núcleo de hélio-4, resulta na liberação líquida de 28 MeV de energia, que ocorre através da conversão massa-energia do E = mc² de Einstein.

Uma erupção solar do nosso Sol, que ejeta matéria para longe de nossa estrela-mãe e para o Sistema Solar, é diminuída em termos de 'perda de massa' por fusão nuclear, que reduziu a massa do Sol em um total de 0,03% de sua massa inicial. valor: uma perda equivalente à massa de Saturno. E=mc², quando você pensa sobre isso, mostra como isso é energético, pois a massa de Saturno multiplicada pela velocidade da luz (uma grande constante) ao quadrado leva a uma tremenda quantidade de energia produzida. (OBSERVATÓRIO DE DINÂMICA SOLAR DA NASA / GSFC)

Ao todo, olhando para a potência do Sol, medimos que ele emite 4 × 10²⁶ Watts contínuos. Dentro do núcleo do Sol, em média, colossais 4 × 10³⁸ prótons se fundem em hélio-4 a cada segundo. Embora esta seja uma pequena quantidade de energia por unidade de volume – um ser humano metabolizando sua comida ao longo de um dia é mais energético do que um volume do tamanho de um humano do núcleo do Sol em fusão – o Sol é absolutamente enorme.

A soma de toda essa energia e sua emissão omnidirecional de forma contínua e constante é o que permite ao Sol alimentar todos os processos que a vida requer aqui na Terra.

A relação de distância de brilho e como o fluxo de uma fonte de luz cai como um ao quadrado da distância. A Terra tem a temperatura que tem por causa de sua distância do Sol, o que determina quanta energia por unidade de área é incidente em nosso planeta. O equilíbrio entre a saída do Sol e a distância da Terra é o que torna a vida em nosso mundo possível. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Se você considerar que existem cerca de 10⁵⁷ partículas em todo o Sol, das quais um pouco menos de 10% estão no núcleo, isso pode não parecer tão absurdo. Afinal:

• Essas partículas estão se movendo com tremendas energias: cada próton tem uma velocidade de cerca de 500 km/s no centro do núcleo do Sol, onde as temperaturas chegam a 15 milhões de K.
• A densidade é tremenda e, portanto, as colisões de partículas acontecem com extrema frequência: cada próton colide com outro próton bilhões de vezes por segundo.
• E, portanto, levaria apenas uma pequena fração dessas interações próton-próton, resultando em fusão em deutério – cerca de 1 em 10²⁸ – para produzir a energia necessária do Sol.

A anatomia do Sol, incluindo o núcleo interno, que é o único local onde ocorre a fusão. Mesmo nas incríveis temperaturas de 15 milhões de K, o máximo alcançado no Sol, o Sol produz menos energia por unidade de volume do que um corpo humano típico. O volume do Sol, no entanto, é grande o suficiente para conter mais de 1⁰²⁸ humanos adultos, e é por isso que mesmo uma baixa taxa de produção de energia pode levar a uma produção total de energia tão astronômica. (NASA/JENNY MOTTAR)

Portanto, embora a maioria das partículas no Sol não tenha energia suficiente para nos levar até lá, bastaria uma pequena porcentagem se fundir para alimentar o Sol como o vemos. Então fazemos nossos cálculos, calculamos como os prótons no núcleo do Sol têm sua energia distribuída e chegamos a um número para essas colisões próton-próton com energia suficiente para sofrer fusão nuclear.

Esse número é exatamente zero.

A força forte, operando como funciona devido à existência de “carga de cor” e a troca de glúons, é responsável pela força que mantém os núcleos atômicos juntos. No entanto, para fundir dois prótons em um dêuteron, o primeiro passo na cadeia próton-próton que funde hidrogênio em hélio, um dos quarks up de um próton deve ser convertido em um quark down, o que só pode ocorrer através de um quark fraco. (não forte) interação nuclear. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO QASHQAIILOVE)

A repulsão elétrica entre as duas partículas carregadas positivamente é grande demais para que até mesmo um único par de prótons a supere e se funda com as energias do núcleo do Sol. Este problema só piora, lembre-se, quando você considera que o próprio Sol é mais massivo (e mais quente em seu núcleo) do que 95% das estrelas do Universo! Na verdade, três em cada quatro estrelas são anãs vermelhas da classe M, que atingem menos da metade da temperatura máxima do núcleo do Sol.

O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. A esmagadora maioria das estrelas hoje são estrelas da classe M, com apenas 1 estrela conhecida da classe O ou B dentro de 25 parsecs. Nosso Sol é uma estrela da classe G e mais massiva que 95% de todas as estrelas do Universo. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS LUCASVB, ADIÇÕES DE E. SIEGEL)

Apenas 5% das estrelas produzidas ficam tão quentes ou mais quentes quanto o nosso Sol em seu interior. E, no entanto, a fusão nuclear acontece, o Sol e todas as estrelas emitem essas tremendas quantidades de energia e, de alguma forma, o hidrogênio é convertido em hélio. O segredo é que, em um nível fundamental, esses núcleos atômicos não se comportam apenas como partículas, mas também como ondas. Cada próton é uma partícula quântica, contendo uma função de probabilidade que descreve sua localização, permitindo que as duas funções de onda das partículas em interação se sobreponham levemente, mesmo quando a força elétrica repulsiva as manteria inteiramente separadas.

Quando dois prótons se encontram no Sol, suas funções de onda se sobrepõem, permitindo a criação temporária de hélio-2: um dipróton. Quase sempre, ele simplesmente se divide em dois prótons, mas em ocasiões muito raras, um deutério estável (hidrogênio-2) é produzido, devido ao tunelamento quântico e à interação fraca. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Sempre há uma chance de que essas partículas possam sofrer tunelamento quântico e acabar em um estado ligado mais estável (por exemplo, deutério) que causa a liberação dessa energia de fusão e permite que a reação em cadeia prossiga. Mesmo que a probabilidade de tunelamento quântico seja muito pequena para qualquer interação próton-próton em particular, algo na ordem de 1 em 10²⁸, ou o mesmo que suas chances de ganhar na loteria Powerball três vezes seguidas, esse ultra-raro interação é suficiente para explicar a totalidade de onde vem a energia do Sol (e a energia de quase todas as estrelas).

Este corte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região que contém hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)

Nos níveis dos quarks individuais, o passo mais difícil é fundir dois prótons nesse núcleo de deutério, que é mais conhecido como deutério. A razão pela qual isso é difícil é porque um deutério não é feito de dois prótons, mas sim de um próton e um nêutron fundidos. Um deutério contém três quarks up e três quarks down; dois prótons contêm quatro quarks up e dois quarks down. A matemática está toda errada.

Para chegar lá, o tunelamento quântico que ocorre precisa passar por uma interação fraca: converter um quark up em um quark down, o que requer:

• energia,
• a absorção de um elétron (ou a emissão de um pósitron),
• e a emissão de um neutrino do elétron.

Isso só pode acontecer através da força nuclear fraca, que é estranhamente responsável por controlar a escala de tempo das reações de fusão em praticamente todas as estrelas, incluindo o nosso Sol. A raridade diferente de zero disso ocorrer, na ordem de 1 em 10²⁸ para cada interação próton-próton no Sol, é o motivo pelo qual o Sol brilha.

Sob normal. condições de baixa energia, um nêutron livre decairá em um próton por uma interação fraca, onde o tempo flui na direção ascendente, como mostrado aqui. Em energias altas o suficiente, há uma chance de que essa reação ocorra ao contrário: onde um próton e um pósitron ou um neutrino podem interagir para produzir um nêutron, o que significa que uma interação próton-próton tem a chance de produzir um deutério. É assim que ocorre o primeiro passo crítico para a fusão dentro do Sol. (JOEL HOLDSWORTH)

Se não fosse a natureza quântica de cada partícula no Universo, e o fato de suas posições serem descritas por funções de onda com uma incerteza quântica inerente à sua posição, essa sobreposição que permite que a fusão nuclear ocorra nunca teria acontecido. A esmagadora maioria das estrelas de hoje no Universo nunca teria inflamado, incluindo a nossa. Em vez de um mundo e um céu iluminado com os incêndios nucleares queimando em todo o cosmos, nosso Universo seria desolado e congelado, com a grande maioria das estrelas e sistemas solares não iluminados por nada além de uma luz estelar fria, rara e distante.

É o poder da mecânica quântica que permite que o Sol brilhe. De uma forma fundamental, se Deus não jogasse dados com o Universo, nunca ganharíamos a Powerball três vezes seguidas. No entanto, com essa aleatoriedade, ganhamos o tempo todo, ao som contínuo de centenas de Yottawatts de potência, e aqui estamos.

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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