Explorando o universo: do muito pequeno ao muito grande Teach article

Como é que os físicos estudam objetos muito pequenos (tais como moléculas, átomos e partículas subatômicas) ou muito grandes (como galáxias) que não podem ser diretamente observados e medidos?

Imagine um grão de areia. As partículas subatômicas, como os protões e os neutrões são um trilião de vezes mais pequenas do que um grão de areia. Os físicos de partículas estudam estas pequenas partículas que constituem a matéria. Para explorar o invisível mundo subatómico, os cientistas constroem aceleradores de partículas, fazem colisões de partículas e observam os padrões resultantes das interações. Os Cientistas analisam milhões de interações entre partículas e obtêm informações sobre as suas propriedades.

Agora imagine um búfalo. A nossa galáxia, a Via Láctea, é 1 000 000 000 000 000 000 000 de vezes maior do que um búfalo. Os astrofísicos estudam objetos muito grandes, como galáxias e aglomerados de galáxias. Eles utilizam um importante resultado da teoria da relatividade geral de Einstein – a gravidade curva a luz – para explorar e estudar corpos astronômicos que estão muito distantes para serem vistos, mesmo com os telescópios mais poderosos.

A escala do Universo: as partículas subatómicas são os objetos mais pequenos que os cientistas conhecem e os aglomerados de galáxias são os maiores. As fotos não estão à escala.
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Atividade 1: Colisões e espalhamento

Idade recomendada: 10 anos ou mais (a atividade deve ser supervisionada por um adulto)
Tempo estimado para a atividade: 20–30 minutos
Tempo de preparação da atividade: 10–15 minutos

No nosso mundo a maiorias das colisões, desde bolas de bilhar a partículas, podem ser descritas numa palavra: espalhamento. Os cientistas constroem aceleradores de partículas para estudar colisões de partículas e os seus padrões de espalhamento.  Eles recolhem os dados e analisam as interações entre partículas, encontram padrões e adquirem conhecimento sobre estas pequenas partículas que constituem a matéria.

Espalhamento de bolas de bilhar após a colisãoImage: Brian Demaio/Flickr, CC BY 2.0

Esta atividade demonstra como funciona o espalhamento. Ela apresenta aos alunos um método de identificação das formas do alvo a partir dos padrões de espalhamento característicos.

Materiais

  • Esferas de aço de rolamentos com 6 mm
  • Objetos pequenos e planos com diferentes formas geométricas (triangular, circular, quadrada)
  • Cobertura resistente, como um pedaço de papelão
  • Um Hula Hoop
  • Fita adesiva de dupla face
Materiais para atividade
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Procedimento

  1. Encontre uma grande superfície lisa (como uma mesa). Defina uma área nessa superfície onde as esferas de rolamentos se podem mover. Use o Hula Hoop para definir um perímetro na superfície. Coloque fita adesiva de dupla face na superfície interna do Hula Hoop.
  2. Coloque um objeto pequeno e plano no centro do Hula Hoop. Pode usar a fita dupla face para fixar o objeto no centro.
  3. Faça rolar uma mão cheia de esferas de rolamentos até ao objeto e observe como elas ricocheteiam nele. Use um íman para recolher as esferas. Repita o procedimento várias vezes até encontrar um padrão. Faça isto para cada objeto.
  4. Peça a alguém para colocar um objeto no centro da área experimental e escondê-lo debaixo da cobertura. (As esferas têm de conseguir passar pela cobertura, portanto, talvez seja necessário elevá-la um pouco se o objeto estiver muito plano). Consegue adivinhar a forma do objeto com base na forma como as esferas são espalhadas?
A experiência de espalhamento
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Tente isto

Mapeie o espalhamento das esferas pelos diferentes tipos de superfície (curvada, reta, inclinada, etc.).  Depois peça para alguém lhe encontrar um novo objeto para esconder debaixo da cobertura. Faça rolar as esferas até ao novo objeto a partir de vários ângulos. Consegue adivinhar a forma e tamanho do objeto com base na forma como as esferas são espalhadas?

Aplicações na vida real

No início de 1900, uma equipa de físicos lideradas por Ernest Rutherford disparou partículas alfa positivamente carregadas contra uma fina folha de ouro. A maioria das partículas atravessou diretamente pela folha, mas algumas ricochetearam em direções estranhas. Esta experiência levou à descoberta do núcleo atómico, a parte dos átomos de ouro com carga positiva ricochetearam as partículas alfa. Desde então, cientistas e engenheiros têm usado o espalhamento de partículas para determinar estruturas microscópicas, desde partículas subatômicas até proteínas. O espalhamento de luz laser em múltiplos ângulos também é usado para determinar os pesos moleculares de proteínas e complexos de proteínas.[1]

Discussão

  • O que acontece quando as esferas atingem o alvo?
  • O padrão de espalhamento depende da forma do alvo?
  • Porque precisa de repetir a experiência várias vezes (e de recolher mais dados)?
  • Qual o padrão de espalhamento produzido por um triângulo? (Círculo? Quadrado?)


Quando as esferas atingem o alvo, elas são espalhadas em diferentes direções. Diferentes formas produzem diferente padrões de espalhamento. Aqui estão dois exemplos: (A) é produzido por um triângulo equilátero, e (B) é produzido por um disco. Precisa de repetir a experiência várias vezes, para cada amostra, para conseguir observar o padrão de espalhamento. Depois com base no padrão, pode dizer a forma do objeto oculto.

Exemplos de diferentes padrões de espalhamento
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Atividade 2: Consegue curvar a luz?

Idade recomendada: 10 anos ou mais (a atividade deve ser supervisionada por um adulto)
Tempo estimado para a atividade: 20–30 minutos
Tempo de preparação da atividade: 10–15 minutos

No espaço, os raios de luz curvam quando passam perto de objetos massivos, como estrelas e galáxias. A presença de matéria curva o espaço, e o trajeto de um raio de luz será desviado como resultado. Assim como as lentes curvam a luz, os objetos supermassivos (como as galáxias) curvam a luz devido à sua poderosa atração gravitacional; esse efeito é chamado de “lente gravitacional”.

O curvar dos raios de luz pelo sol faz uma estrela aparentar estar numa localização diferente da sua localização real
Raios de luz curvam na presença de uma grande massa
Image: NASA’s Goddard Space Flight Center

Imagine uma bola de bowling no meio de um trampolim. A bola de bowling atua como um objeto massivo (como o sol ou uma galáxia) e o trampolim atua como espaço-tempo. Se fizer rolar uma pequena bola em direção à bola de bowling ela não vai seguir um trajeto reto. Em vez disso, a curvatura do trampolim irá fazer com que a sua trajetória se “curve” devido há presença da bola de bowling. É isso que acontece com a luz em redor de objetos massivos: quanto mais massivo o objeto, mais a luz se curvará ao redor dele.

Materiais

  • 1 m de tecido elástico, como a licra
  • 1 caixa grande, aberta no topo (papelão ou madeira)
  • 1 agrafador
  • 2–3 pesos de tamanhos variados
  • 10–15 esferas de rolamentos
Materiais para atividade
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Procedimento

  1. Estique o tecido por cima da caixa aberta.
  2. Agrafe o tecido às partes laterais da caixa. (Deve formar uma superfície suspensa e esticada.)
  3. Coloque um peso no tecido. O que acontece? O tecido esticado representa o espaço-tempo e cada peso representa um objeto massivo, como uma estrela ou um aglomerado de galáxias.
  4. Faça rolar uma esfera de rolamentos pelo objeto massivo (a esfera representa uma partícula de luz). O que acontece à sua trajetória?
  5. Varie a velocidade da esfera de rolamentos e o peso do objeto massivo?
A experiência de curvar a luz
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Tente isto

Use alfinetes e uma rede para pendurar um objeto massivo por debaixo do tecido do espaço-tempo. Consegue adivinhar a massa do objeto com base na trajetória das esferas de rolamentos?

Aplicações na vida real

Os físicos usam lentes gravitacionais para determinar a massa de galáxias e medir a quantidade de massa escura no universo. Os cientistas pensam que a matéria escura é abundante e que distorce o espaço-tempo, mas até agora ela evitou outras formas de deteção.[2–4]

Discussão

  • O que acontece à trajetória dos fotões quando passam perto de uma galáxia?
  • Como é que a curvatura depende da massa da galáxia?
  • Como é que os cientistas determinam a massa das galáxias?
  • Será que a luz consegue escapar da atração de objetos massivos?

A trajetória dos fotões é alterada quando passa perto de uma galáxia devido ao efeito de lente gravitacional. À medida que o espaço é distorcido por objetos massivos, a luz de um objeto distante curva enquanto viaja até nós, e vemos uma imagem distorcida dele. Quanto mais pesado o objeto massivo, mais ele distorce o caminho da luz, desta forma a distorção da luz dá informações sobre a massa do objeto.

As lentes gravitacionais oferecem uma oportunidade para estudar as propriedades de galáxias distantes. Uma consequência importante da distorção da lente é a ampliação, que nos permite observar objetos que de outra forma estariam muito distantes para serem vistos. No entanto, a luz nem sempre pode escapar da atração gravitacional de objetos supermassivos: os buracos negros são regiões no espaço-tempo onde a atração da gravidade é tão poderosa que nem mesmo a luz pode escapar.

Atividade 3: Consegue determinar formas utilizando alfinetes de cabeça

Idade recomendada: 10 anos ou mais (a atividade deve ser supervisionada por um adulto)
Tempo estimado para a atividade:
20–30 minutos
Tempo de preparação da atividade:
10–15 minutos

Os físicos de partículas estudam a natureza utilizando colisões de partículas. A energia das partículas é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Partículas de alta energia tem comprimentos de onda extremamente pequenos e podem sondar a natureza à escala subatómica.[5] Quanto maior a energia, mais próximas as partículas ficam, revelando maiores detalhes da sua estrutura. Os detetores de partículas são usados para registar os resultados das colisões de alta energia. Os detetores podem ser vistos como câmaras digitais gigantes que são usadas para “fotografar” partículas extremamente pequenas. Esta atividade explica como se pode sondar formas com alfinetes de cabeça com diferentes tamanhos e faz uma analogia entre energia/comprimento de onda da partícula, resolução e tamanho da cabeça do alfinete.

Em imagens digitais, quanto maior for o número de pontos por polegada (dpi), maior será a resolução e mais nítida será a imagem.
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Materiais

  • Dois conjuntos de alfinetes de cabeça esférica com diferentes tamanhos (ou pregos com cabeça redonda)
  • Uma peneira
  • Pequenas formas geométricas (triângulo, disco, quadrado, trapézio)
Materiais para atividade
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Procedimento

  1. Cubra metade da peneira com alfinetes com cabeça grande.
  2. Cubra a outra metade da peneira com alfinetes de cabeça menor, como mostrado na imagem acima.
  3. Pegue uma forma geométrica plana e empurre as cabeças de alfinete por baixo, para que elas se movam para cima e revelem a forma do objeto sob elas.
  4. Agora escolha as formas sem olhar para elas, repita a experiência e tente adivinhar qual é a forma sob os alfinetes.
A experiência com alfinetes de cabeça
Image: Fermilab Office of Education and Public Engagement

Aplicações na vida real

Os microscópios eletrónicos usam um feixe de eletrões para examinar objetos muito pequenos. Num microscópio ótico, o comprimento de onda da luz limita a ampliação que é possível obter. Como os eletrões têm comprimentos de onda muito menores, eles permitem obter uma maior ampliação, podendo ser utilizados para ver objetos muito menores – tipicamente cerca de 1000 vezes mais pequenos do que observado com um microscópio ótico. Os microscópios eletrônicos de varrimento (MEV) usam um feixe de eletrões para obter imagens de amostras com uma resolução até à escala nanométrica.

Imagem de microscopia eletrónica de varrimento (MEV) de uma formiga
United States Geological Survey, Public Domain

Discussão

  • A resolução depende do tamanho da cabeça de alfinete?
  • O que permite maior resolução: cabeças de alfinete menores ou maiores?

Esta experiência mostra que uma resolução maior pode ser atingida com alfinetes mais pequenos: quanto menor o tamanho, mais alta será a resolução. Analogamente, em colisões de partículas, quanto maior a energia, mais próximas as partículas ficam revelando maiores detalhes da sua estrutura. É por isso que precisamos de aceleradores com energias cada vez mais altas, para sondar o universo na menor escala possível e revelar as propriedades das partículas subatômicas.


References

[1] Mogridge J (2004) Using light scattering to determine the stoichiometry of protein complexes. Methods Mol Biol. 261:113–118. doi: 10.1385/1-59259-762-9:113.

[2] Um artigo no The Dark Energy Survey sobre a distribuição de matéria escura e visível com lentes gravitacionais: https://www.darkenergysurvey.org/darchive/a-new-method-to-measure-galaxy-bias-by-combining-the-density-and-weak-lensing-fields/

[3] Informação e animações ilustrativas de como a gravidade distorce a luz: : https://nasa.tumblr.com/post/187009797389/how-gravity-warps-light

[4] Ford F, Stang J, Anderson C (2015) Simulating gravity: dark matter and gravitational lensing in the classroom. The Physics Teacher 53:557. doi: 10.1119/1.4935771

[5] Informação e animações ilustrativas de como a gravidade distorce a luz: https://en.wikipedia.org/wiki/Angular_resolution

Resources

Author(s)

Ketevan Akhobadze desenvolve exposições no Office of Education and Public Engagement (EPE) no Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA. Ela tem um doutoramento em física e matemática, com especialização em física de partículas.




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