Throwback Thursday: Quão estável é a matéria?

Crédito de imagem: Dreamstime.

Vamos ficar por aqui para a eternidade? Ou algum dia decair?


Confio na natureza para as leis estáveis ​​de beleza e utilidade. A primavera deve plantar e o outono acumular até o fim dos tempos. – Robert Browning



Como tudo o que já observamos diretamente no Universo – galáxias, estrelas e planetas – os seres humanos são feitos de partículas encontradas no Modelo Padrão de partículas elementares. E, em particular, nossos corpos (junto com galáxias, estrelas e planetas) são compostos de combinações específicas de apenas algumas dessas partículas: somos feitos de átomos.



Crédito da imagem: J. Roche na Universidade de Ohio.

Os átomos, em particular, são uma forma especial de matéria. Eles consistem em estados ligados de elétrons orbitando em torno de um núcleo atômico. Enquanto a intensidade da força eletromagnética e a interação entre os elétrons (com carga negativa) e o núcleo (com carga positiva) determinam a Tamanho do átomo, a massa do próprio átomo — pelo menos, 99,94% dela — é determinada unicamente pelo núcleo atômico.



E se você entrar no núcleo de cada átomo, no coração deles, descobrirá que esses núcleos são combinações de apenas dois tipos de nucleon: o próton e o nêutron. Ligados em centenas de combinações diferentes, prótons e nêutrons não apenas determinam que tipo de elemento seu átomo é, mas também determinam se seu átomo é estável ou não.

Dentro do corpo humano, existem, literalmente, mais de 10^28 átomos que o compõem.

Crédito da imagem: Ed Uthman.



Isso mesmo: mais de 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 de átomos em cada corpo humano. Agora, alguns desses átomos são bem conhecidos por serem radioativos, como bismuto, urânio e tório, mas mesmo esses elementos sempre conservam o total número de nucleons; eles transformam um nêutron em um próton e emitem outras partículas no processo, ou se separam, emitindo um núcleo de hélio do núcleo principal.

Mesmo um nêutron livre – por mais instável que seja – decai em um próton (e algumas outras coisas), conservando o número total de nucleons.

Crédito da imagem: Wikimedia Commons.



Mas e os prótons, você pode perguntar? Mais de 10²⁷ dos átomos em cada ser humano são átomos de hidrogênio simples, com apenas um único próton para um núcleo.

É possível que esses prótons eles mesmos são instáveis? De acordo com muitas idéias em física (como Grandes Teorias Unificadas ), o próprio próton poderia concebivelmente decair !



Crédito da imagem: Wikimedia Commons.

Mas se isso faz decadência, deve durar muito tempo. Ao contrário de um nêutron, que decai após 15 minutos ou mais, o próton deve ter uma vida incrivelmente longa.

Podemos descobrir isso apenas por usando nossos corpos ! Com (para ser um pouco mais preciso) 4 x 10²⁷ prótons velhos e simples dentro de você - dos núcleos de seus átomos de hidrogênio - você não poderia ter muitos deles decaindo, ou você mesmo liberaria muita energia!

Como é isso?

Crédito da imagem: Comissão de Energia Atômica dos EUA.

A mesma conversão de matéria em energia que impulsiona o Sol e as bombas atômicas – o mesmo E = mc^2 – também pode resultar de algo aparentemente tão benigno quanto um próton ser inerentemente instável. Sempre que uma partícula de matéria decai radioativamente, essa energia radioativa vem da diferença de massa dos produtos e reagentes, e da E = mc^2 .

Bem, você sabe o quê? Humanos Faz emitem energia que foi gerada internamente, como todas as criaturas de sangue quente.

Crédito da imagem: NASA/IPAC.

Não é óbvio na luz visível, mas se você olhar infravermelho luz, você consegue ver que os humanos, em relação aos seus ambientes externos, estão constantemente irradiando seu calor para o ar mais frio ao seu redor.

Crédito da imagem: NASA/IPAC.

Para se manter na temperatura adequada, você precisa gastar energia para compensar o que está constantemente irradiando. Para um humano adulto do tamanho de um macho adulto típico, fazendo o cálculo mostra que cada um de nós produz cerca de 100 Watts de potência: são 100 Joules de energia todo segundo , assim como uma lâmpada incandescente da velha escola.

Crédito da imagem: usuário do Flickr Vox Efx.

Mesmo se você estivesse recebendo 100% dessa energia dos prótons em decomposição, que limita a número de prótons que podem decair a cada segundo, dentro do seu corpo, para não mais do que cerca de 600 bilhões .

Mas com base no tremendo número de prótons em seu corpo (é aí que entra o número de 4 x 10²⁷), você pode descobrir que - em média - leva pelo menos centenas de milhões de anos para um próton típico decair. Agora, na realidade, os humanos são como todas as outras criaturas de sangue quente, e nós não obter nossos 100 Watts de energia de prótons em decomposição.

Nós a obtemos da energia química, principalmente comendo coelhos. Não, é brincadeira; nós a obtemos comendo alimentos ricos em calorias. São necessárias cerca de 2.000 calorias de alimentos por dia apenas para manter a temperatura corporal de um homem adulto normal. (Na verdade, um dos primeiros sintomas de desnutrição é uma queda na temperatura corporal.)

Mas se quisermos testar com a maior precisão possível se os prótons decaem ou não, você sabe como fazê-lo. Você junta o máximo possível deles, constrói um detector gigante ao redor deles e procura a assinatura reveladora de sua decadência.

Crédito da imagem: Super-Kamiokande.

Em Kamioka, no Japão, eles fizeram exatamente isso. Eles construíram um tanque com milhares de toneladas de água dentro e detectores de fótons por toda a parte externa. Se qualquer um dos prótons decaísse, os produtos de decaimento de alta energia emitiriam sinais de luz reveladores, permitindo-nos não apenas medir se algo decaiu, mas quantos desses átomos decaiu.

Você pega um tanque de 10³² de prótons, espera um ano e, se nenhum deles decair, você sabe que o próton tem meia-vida de pelo menos 10³² anos !

Crédito da imagem: Super-Kamiokande.

E enquanto essas configurações de tanques gigantes provaram ser incrivelmente úteis para detectar neutrinos cósmicos , todos os experimentos já feitos deram resultados nulos para decaimentos de prótons. No geral, as melhores restrições que temos nos dizem que o tempo de vida de um próton é pelo menos 10³⁵ anos , o que realmente não é ruim, considerando que o próprio Universo tem apenas cerca de 10¹⁰ anos!

O próton é assim estável que realmente apresenta um problema para um número significativo de Grandes Teorias Unificadas. De fato, apenas com base nessa restrição, podemos dizer que, ao maioria , há apenas 0,001% de chance de mesmo 1 próton em seu corpo decaindo ao longo de toda a sua vida, e que todas as estrelas no céu que se formarão terão queimado em escalas de tempo mais curtas do que o tempo médio de vida do próton. Mas é isso verdadeiramente estável ou é simplesmente instável em escalas de tempo mais longas do que conseguimos medir?

Isso, pelo menos, ainda é uma questão em aberto.


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