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O homem tenta compreender o O homem tenta compreender o universo que o cerca desde os universo que o cerca desde os
tempos mais remotos!tempos mais remotos!
Vejamos alguns exemplos de como o Vejamos alguns exemplos de como o homem buscou entender o universo homem buscou entender o universo
através dos tempos..através dos tempos....
Perguntas tão antigas...Perguntas tão antigas...
Pintura babilônica que mostra Marduk (deus Pintura babilônica que mostra Marduk (deus Sol) kutando com Tiamat (o abismo – a Sol) kutando com Tiamat (o abismo – a
escuridão do céu)escuridão do céu)
Na Antiga MesopotâmiaNa Antiga Mesopotâmia
Papiro egípcio que mostra a deusa Nut (o Céu) Papiro egípcio que mostra a deusa Nut (o Céu)
e o deus Geb (a Terra)e o deus Geb (a Terra)
No Antigo EgitoNo Antigo Egito
Paul GauguinPaul Gauguin: De onde viemos? Que somos? Para : De onde viemos? Que somos? Para onde vamos?onde vamos?
18971897
No Pós-impressionismo No Pós-impressionismo francêsfrancês
... fosse na Arte, na Mitologia, na ... fosse na Arte, na Mitologia, na Religião, na Filosofia, na Ciência, o Religião, na Filosofia, na Ciência, o homem sempre buscou entender o homem sempre buscou entender o que é e como funciona o universo!que é e como funciona o universo!
À esta autêntica jornada em busca À esta autêntica jornada em busca dos segredos do universo damos o dos segredos do universo damos o
nome de nome de COSMOLOGIACOSMOLOGIA
Portanto...Portanto...
II. De onde viemos ? II. De onde viemos ?
I. O que somos ? I. O que somos ?
III. Para onde vamos ? III. Para onde vamos ? Paul GauguinPaul Gauguin: De onde viemos? Que somos? Para : De onde viemos? Que somos? Para onde vamos?onde vamos?
18971897
Em particular, a Cosmologia busca, Em particular, a Cosmologia busca, dentre outras coisas, responder às dentre outras coisas, responder às perguntas colocadas pela obra de perguntas colocadas pela obra de
Gauguin: Gauguin:
A CosmologiaA Cosmologia
Neste seminário, em particular, Neste seminário, em particular, discutiremos a Cosmologia conforme discutiremos a Cosmologia conforme o olhar da Física, ou seja, o estudo o olhar da Física, ou seja, o estudo do universo segundo as leis do universo segundo as leis físicas físicas
Vamos agora explorar as questões Vamos agora explorar as questões fundamentais da Cosmologia fundamentais da Cosmologia
(Física) com a ajuda das questões (Física) com a ajuda das questões colocadas na obra de Gauguin:colocadas na obra de Gauguin:
como aquelas que se aprende como aquelas que se aprende na escolana escola!!
A Cosmologia FísicaA Cosmologia Física
II. De onde II. De onde viemos ? viemos ?
I. O que I. O que somos ? somos ?
III. Para III. Para onde onde vamos ? vamos ?
Qual a origem Qual a origem do universo ?do universo ?
Do que o Do que o universo é universo é formado ?formado ?
Qual é o Qual é o destino do destino do universo ?universo ?
Gaugui
n
Cosmologia
““Gauguin e a Cosmologia”Gauguin e a Cosmologia”
...antes de respodermos estas ...antes de respodermos estas questões, vamos dar um rápido questões, vamos dar um rápido
passeio pelo mundo dapasseio pelo mundo da
Então...Então...
A constituição da matériaA constituição da matéria
CasaCasa
Parede Parede (1º nível na (1º nível na estrutura)estrutura)
Constituição do Constituição do tijolo tijolo
(2º nível na (2º nível na estrutura)estrutura)
MoléculMoléculasas
1º nível na 1º nível na estruturaestrutura
ÁtomosÁtomos2º nível na 2º nível na estruturaestrutura
Dividindo átomosDividindo átomos
ÁtomosÁtomos2º nível na 2º nível na estruturaestrutura
PrótonsPrótons
NêutronsNêutrons
EletrosfeEletrosferara
NúcleoNúcleo
ElétronsElétrons
PrótonsPrótons
NêutronsNêutrons
ElétronsElétrons
3º nível 3º nível na na
estruturaestrutura
PrótonsPrótons
NêutronsNêutrons
ElétronsElétrons
Carga elétricaCarga elétrica
A carga elétrica é uma propriedade A carga elétrica é uma propriedade física associada às partículas física associada às partículas
elementares, e existe em duas elementares, e existe em duas modalidades: modalidades:
POSITIVAPOSITIVAEx.: Ex.: PrótonsPrótons
NEGATIVANEGATIVAEx.: Ex.: ElétronsElétrons
Carga elétrica?Carga elétrica?
Exemplo
Pólo Pólo negativo: negativo:
“fonte” de “fonte” de elétronselétrons
Ondas EletromagnéticasOndas Eletromagnéticas
Cargas elétricas em movimento Cargas elétricas em movimento geram ondas como aquelas que geram ondas como aquelas que
surgem quando uma pedra cai na surgem quando uma pedra cai na águaágua
Radiação EletromagnéticaRadiação Eletromagnética
Onda Onda EletromagnéticaEletromagnética
Elétron Elétron OscilandOsciland
oo
LUZ!LUZ!
Emissão de energia por Emissão de energia por átomosátomos
A A emissãemissã
o de o de energia energia
na na Física Física
clássica clássica é é
contínucontínua:a:
Exemplo:
Calor Calor emitido emitido por uma por uma
velavela
Porém, na Porém, na Física Física
quântica, a quântica, a energia é energia é
emitida “emitida “em em pacotespacotes” ” (emissão (emissão discretadiscreta))
““PacotePacote” = ” = QuantumQuantum
Emissão de energia por Emissão de energia por átomosátomos
Porém, na Porém, na Física Física
quântica, a quântica, a energia é energia é
emitida “emitida “em em pacotespacotes” ” (emissão (emissão discretadiscreta))
““PacotePacote” = ” = QuantumQuantum
Emissão de energia por Emissão de energia por átomosátomos
Porém, na Porém, na Física Física
quântica, a quântica, a energia é energia é
emitida “emitida “em em pacotespacotes” ” (emissão (emissão discretadiscreta))
““PacotePacote” = ” = QuantumQuantum
Emissão de energia por Emissão de energia por átomosátomos
Porém, na Porém, na Física Física
quântica, a quântica, a energia é energia é
emitida “emitida “em em pacotespacotes” ” (emissão (emissão discretadiscreta))
““PacotePacote” = ” = QuantumQuantum
Clássico x QuânticoClássico x QuânticoSe compararmos a energia à um Se compararmos a energia à um
fluxo de água, entãofluxo de água, entãoEmissão Discreta
Emissão ContínuaEmissão Clássica
Emissão Quântica
Voltando à luz...Voltando à luz...
Com isso, os Com isso, os átomos, ao átomos, ao emitirem emitirem
energia, os energia, os fazem por fazem por meio de meio de quanta quanta
(“pacotes”)(“pacotes”)
Voltando à luz...Voltando à luz...
Com isso, os Com isso, os átomos, ao átomos, ao emitirem emitirem
energia, os energia, os fazem por fazem por meio de meio de quanta quanta
(“pacotes”)(“pacotes”)
Voltando à luz...Voltando à luz...
Com isso, os Com isso, os átomos, ao átomos, ao emitirem emitirem
energia, os energia, os fazem por fazem por meio de meio de quanta quanta
(“pacotes”)(“pacotes”)
Voltando à luz...Voltando à luz...
Com isso, os Com isso, os átomos, ao átomos, ao emitirem emitirem
energia, os energia, os fazem por fazem por meio de meio de quanta quanta
(“pacotes”)(“pacotes”)Quantum de luz =Quantum de luz =
FÓTONFÓTON
Voltando à luz...Voltando à luz...
Com isso, os Com isso, os átomos, ao átomos, ao emitirem emitirem
energia, os energia, os fazem por fazem por meio de meio de quanta quanta
(“pacotes”)(“pacotes”)Quantum de luz =Quantum de luz =
FÓTONFÓTON
FÓTON:FÓTON:
Partícula de Partícula de luzluz
RepresentadRepresentada pela letra a pela letra
gregagregagammagamma
A Teoria da Relatividade A Teoria da Relatividade EspecialEspecial
A equação mais famosa da história A equação mais famosa da história foi descoberta por Einstein,foi descoberta por Einstein,
E=mc 2
e significa o seguinte:e significa o seguinte:
E mc2=EnergiEnergi
aaé é
equivalenteequivalenteà Matériaà Matéria
Mecânica Quântica + Mecânica Quântica + RelatividadeRelatividade
A união das duas teorias que A união das duas teorias que vimos acima,vimos acima,MECÂNICA MECÂNICA
QUÂNTICAQUÂNTICATEORIA DA TEORIA DA
RELATIVIDADRELATIVIDADEE
++implica que a afirmaçãoimplica que a afirmação
A Energia é equivalente à A Energia é equivalente à MatériaMatéria
Da energia podemos CRIAR Da energia podemos CRIAR Matéria!Matéria!
Para entendermos como isso pode Para entendermos como isso pode ocorrer, vejamos o conceito deocorrer, vejamos o conceito de
ANTIMATÉRIAANTIMATÉRIA
AntimatériaAntimatéria
A antipartícula possui a mesma A antipartícula possui a mesma massa da partícula, mas cargas massa da partícula, mas cargas
opostas:opostas:
Para cada partícula na Natureza Para cada partícula na Natureza existe uma “parceira”: sua existe uma “parceira”: sua
antipartículaantipartícula..
PARTÍCULPARTÍCULAA
ANTIPARTÍCULAANTIPARTÍCULA
ElétronElétronss
e−¿
PrótoPrótonsns
p AntiprótonAntiprótonss
p
PósitroPósitronsns
e¿
Destruindo partículasDestruindo partículas
Um elétron e um pósitron Um elétron e um pósitron interagindo produzeminteragindo produzem
PósitronPósitron
ElétronElétron
FótonFóton
FótonFóton
DOIS DOIS FÓTONS !!!FÓTONS !!!
Este processo é chamado deEste processo é chamado de
MATÉRIA DESTRÓI MATÉRIA DESTRÓI ANTIMATÉRIA PRODUZINDO ANTIMATÉRIA PRODUZINDO
ENERGIA!ENERGIA!
ANIQUILAÇÃO DE ANIQUILAÇÃO DE PARESPARES
Portanto,Portanto,
Criando partículasCriando partículas
Dois fótons interagindo produzemDois fótons interagindo produzem
PósitronPósitron
ElétronElétron
FótonFóton
FótonFóton
UM PAR ELÉTRON-UM PAR ELÉTRON-PÓSITRON !!!PÓSITRON !!!
Este processo é chamado deEste processo é chamado de
ENERGIA PRODUZ MATÉRIA ENERGIA PRODUZ MATÉRIA MAIS ANTIMATÉRIA!MAIS ANTIMATÉRIA!
PRODUÇÃO DE PARESPRODUÇÃO DE PARES
Portanto,Portanto,
Buscando o infinitamente Buscando o infinitamente pequenopequeno
Vamos agora dividir ainda mais a Vamos agora dividir ainda mais a matéria, buscando as menores matéria, buscando as menores
partículas...partículas...
Dividindo ainda mais a matéria...Dividindo ainda mais a matéria...
PrótonsPrótons
NêutronsNêutrons
Composto por 3 Composto por 3 partículas – os partículas – os
quarksquarks!!
Composto por 3 Composto por 3 partículas – os partículas – os
quarksquarks!!
ElétronsElétrons Sem estrutura interna!Sem estrutura interna!
Elétrons não Elétrons não são são
divisíveis...divisíveis...
Quarks não Quarks não são são
divisíveis...divisíveis...
Quarks não Quarks não são são
divisíveis...divisíveis...
Partículas ElementaresPartículas Elementares
QUARKS E ELÉTRONS SÃO QUARKS E ELÉTRONS SÃO PARTÍCULAS PARTÍCULAS
ELEMENTARES: ELEMENTARES: NÃO PODEM SER NÃO PODEM SER
DIVIDIDOS!!DIVIDIDOS!!
Os quarks e os hádronsOs quarks e os hádrons
upupdowdow
nncharchar
mmstranstrangege
toptopbottobotto
mm
Famílias de quarks PrótonPróton NêutronNêutron
Ômega Ômega --
LambdaLambda
Partículas
ConsideranConsiderando os do os
antiquarks, antiquarks, temos temos
tambémtambém
Os quarks e os hádronsOs quarks e os hádrons
ConsideranConsiderando os do os
antiquarks, antiquarks, temos temos
tambémtambém
PrótonPróton NêutronNêutron
Ômega Ômega --
LambdaLambda
Partículas Partícul
as
KáonKáon
B0B0
PíonPíon
Eta-cEta-c
PrótonPróton NêutronNêutron
Ômega Ômega --
LambdaLambda
Partículas
Os quarks e os hádronsOs quarks e os hádrons
Partícul
asAs partículas compostas por
quarks são chamadas deHÁDRONS,
e dividem-se em
MÉSONSMÉSONS BÁRIONSBÁRIONS
Mais partículas elementaresMais partículas elementares
NEUTRINONEUTRINO
Além dos quarks e do elétron, há Além dos quarks e do elétron, há mais uma partícula elementar, mais uma partícula elementar,
chamada chamada
Produzindo neutrinos peloProduzindo neutrinos pelo decaimento betadecaimento beta
Decaimento betaDecaimento beta
__
__
AntineutriAntineutrinono
ElétroElétronn
NêutrNêutronon
PrótonPróton
DecaimentDecaimento do quark o do quark
== ++++
LéptonsLéptons
LÉPTONSLÉPTONS
Com a discussão do neutrino, temos Com a discussão do neutrino, temos agora uma família de partículas agora uma família de partículas
leves, osleves, os
que são o elétron e os vários tipos que são o elétron e os vários tipos de neutrino (além de outra de neutrino (além de outra partícula chamada partícula chamada tautau...)...)
Voltando às questões postas pela Voltando às questões postas pela obra de Gauguin,obra de Gauguin,
O que O que somos ? somos ?
Do que o Do que o universo é universo é formado ?formado ?
Conforme vimos nos slides Conforme vimos nos slides anteriores...anteriores...
O que somos?O que somos?
Zoológico CósmicoZoológico Cósmico
QuarksQuarksUp, Up,
downdownCharm, Charm, StrangeStrangeTop, Top, bottombottom
LeptonsLeptonsElétronElétronElétronElétronMuonMuon
NeutrinoNeutrinoss
TauTau
RadiaçãoRadiaçãoFótonFóton
Zoológico CósmicoZoológico Cósmico
SÓ 4% de SÓ 4% de átomos?????átomos????? SIM, SIM, SÓ SÓ
4%4% de de átomos...átomos...
Uma figura que resume todo o Uma figura que resume todo o conteúdo do universo:conteúdo do universo:
Voltando às questões postas pela Voltando às questões postas pela obra de Gauguin,obra de Gauguin,
De De onde onde
viemos viemos ? ?
Qual é a origem Qual é a origem do universo ?do universo ?
O universo inicia-se no...O universo inicia-se no...
De onde viemos?De onde viemos?
BIG BANG!BIG BANG!
é o estado inicial do universo onde é o estado inicial do universo onde sua densidade de energia era sua densidade de energia era
infinita, e concentrada em um único infinita, e concentrada em um único ponto ponto
O que é o Big Bang?O que é o Big Bang?
O BIG BANGO BIG BANG
Porém...Porém...
há um problema fundamental... a há um problema fundamental... a barreira dobarreira dotempo de tempo de
PlanckPlanck
A barreira de PlanckA barreira de Planck
Não sabemos o que aconteceu Não sabemos o que aconteceu exatamente no instante zero do exatamente no instante zero do
universo.universo.No máximo, sabemos o que No máximo, sabemos o que aconteceu após um instante aconteceu após um instante chamado tempo de Planck:chamado tempo de Planck:
tP=10−43s
Então,Então,
O tempo de PlanckO tempo de PlanckTempo Tempo
(s)(s)0
Big Big BangBang
10−43
Tempo Tempo de de
PlanckPlanck
UNIVERSO UNIVERSO CONHECIDOCONHECIDOLeis da Física Leis da Física são válidassão válidas
????????????
??????
??????
??????
GRAVITAÇÃOGRAVITAÇÃOQUÂNTICAQUÂNTICA
Física Física parcialmente parcialmente
conhecidaconhecida
E depois do tempo de E depois do tempo de Planck?Planck?
Então começa a Então começa a
A partir deste momento, o universo A partir deste momento, o universo só contém fótons à altíssima só contém fótons à altíssima
temperatura:temperatura:
ERA DA RADIAÇÃOERA DA RADIAÇÃO
T=1032 ºC
Era da RadiaçãoEra da RadiaçãoTempo Tempo
(s) (s)
0 10−43
Big Big BangBang
∞
Era da Era da RadiaçãoRadiação
T=1032 ºC
Temperatura da Temperatura da RadiaçãoRadiação
A Inflação CósmicaA Inflação Cósmica
No instante No instante
inicia-se a fase dainicia-se a fase da
INFLAÇÃOINFLAÇÃO
t inf=10−37 s
na qual o universo “cresce” de um na qual o universo “cresce” de um fatorfator1050
InflaçãoInflaçãoTempo Tempo
(s) (s)
0 10−43
Big Big BangBang
∞
10−37
InflaçãInflaçãoo
Era da Era da RadiaçãoRadiação
1028ºC
O universo O universo cresce cresce 1050
do seu do seu tamanho tamanho original! original!
A formação das primeiras A formação das primeiras partículaspartículasNo instante No instante
inicia-se a fase dainicia-se a fase da
GÊNESE DOS QUARKS E GÊNESE DOS QUARKS E LÉPTONSLÉPTONS
t=10−34 s
Ou seja, os quarks e léptons são Ou seja, os quarks e léptons são formados a partir da altíssima formados a partir da altíssima
energia da radiação existente, em energia da radiação existente, em conjunto com a expansão do conjunto com a expansão do
universouniverso
Anti-Anti-quarkquark
QuarkQuark
FótonFóton
FótonFóton
Gênese dos quarks e léptonsGênese dos quarks e léptons
Lembram-se? Lembram-se?
Gênese dos quarks e léptonsGênese dos quarks e léptonsTempo Tempo
(s) (s)
0 10−43
Big Big BangBang
∞
10−37
InflaçãInflaçãoo
Era da Era da RadiaçãoRadiação
1028ºC
10−34
GênesGênese dos e dos QuarkQuark
s e s e LéptonLépton
ss1026ºC
Formação Formação de quarks de quarks e léptons e léptons a partir a partir
de fótonsde fótons
Formando mais partículas...Formando mais partículas...
No instante No instante
inicia-se a fase dainicia-se a fase da
BARIOGÊNESEBARIOGÊNESE
t=10−5 s
ou seja, os bárions são formados a ou seja, os bárions são formados a partir de associações de quarks, em partir de associações de quarks, em
conjunto com a expansão do conjunto com a expansão do universouniverso
BariogêneseBariogêneseTempo Tempo
(s) (s)
0 10−43
Big Big BangBang
∞
10−37
InflaçãInflaçãoo
Era da Era da RadiaçãoRadiação
1028ºC
10−34
GênesGênese dos e dos QuarkQuark
s e s e LéptonLépton
ss1026ºC
10−5
GênesGênese dos e dos BárionBárion
s s
1012ºC
Formação Formação de de
bárions a bárions a partir de partir de quarksquarks
Os primeiros núcleos Os primeiros núcleos atômicosatômicos
Entre os instantes Entre os instantes
inicia-se a fase dainicia-se a fase da
NUCLEOSSÍNTESE PRIMORDIALNUCLEOSSÍNTESE PRIMORDIAL
3 m in
ou seja, a formação dos primeiros ou seja, a formação dos primeiros núcleos de Deutério, Hélio e Lítionúcleos de Deutério, Hélio e Lítio
1 s ee
Nucleossíntese PrimordialNucleossíntese PrimordialTempo Tempo
(s) (s)
0 10−43
Big Big BangBang
∞
10−37
InflaçãInflaçãoo
Era da Era da RadiaçãoRadiação
1028ºC
10−34
GênesGênese dos e dos QuarkQuark
s e s e LéptonLépton
ss1026ºC
10−5
GênesGênese dos e dos BárionBárion
s s
1012ºC
NúcleosNúcleos-íntese-íntesePrimor-Primor-
dial dial
109 ºC
102100
FormaçãFormação de o de
Núcleos!Núcleos!
A dominação da matériaA dominação da matéria
A A
Faz com que a quantidade de Faz com que a quantidade de matéria cresça em comparação com matéria cresça em comparação com
a quantidade de radiaçãoa quantidade de radiação
Formação dos Primeiros Formação dos Primeiros NúcleosNúcleos Expansão do universoExpansão do universo
Diminuição da Diminuição da temperaturatemperatura
A Era da matériaA Era da matéria
Isso faz com que as quantidades de Isso faz com que as quantidades de matéria e radiação fiquem iguais no matéria e radiação fiquem iguais no
instante instante
A partir deste instante, inicia-se a A partir deste instante, inicia-se a fase dafase da
t= 47.000 anos
ERA DA MATÉRIAERA DA MATÉRIA
Era da matériaEra da matériaTempo Tempo
(s) (s)
0 10−43
Big Big BangBang
∞
10−37
InflaçãInflaçãoo
Era da Era da RadiaçãoRadiação
1028ºC
10−34
GênesGênese dos e dos QuarkQuark
s e s e LéptonLépton
ss1026ºC
10−5
GênesGênese dos e dos BárionBárion
s s
1012ºC
NúcleosNúcleos-íntese-íntesePrimor-Primor-
dial dial
109 ºC
102100 1012
Igual-Igual-dadedade
Matéria-Matéria-RadiaçãRadiaçã
o o 104 ºC
Era da Era da MatériMatéri
aa
A RecombinaçãoA Recombinação
Desde a Nucleossíntese Primordial Desde a Nucleossíntese Primordial os elétrons estão separados dos os elétrons estão separados dos
núcleos.núcleos.A matéria está A matéria está
t= 240.000 anos
IONIZADA!!IONIZADA!!Entretanto, no instante Entretanto, no instante
A RecombinaçãoA Recombinação
os elétrons passam a se ligar aos os elétrons passam a se ligar aos núcleos.núcleos.
Inicia-se então a época da Inicia-se então a época da
RECOMBINAÇÃORECOMBINAÇÃO
ou formação dos ou formação dos primeirosprimeiros átomos átomos neutros.neutros.
ÁTOMOS NEUTROSÁTOMOS NEUTROS
A Radiação Cósmica de A Radiação Cósmica de FundoFundo
Com a formação dos átomos Com a formação dos átomos neutros, a radiação “presa” nos neutros, a radiação “presa” nos
núcleos é liberada...núcleos é liberada...esta radiação chama-se esta radiação chama-se
RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDORADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDOEste é o registro mais antigo que Este é o registro mais antigo que
conseguimos captar:conseguimos captar:t= 380.000 anos ! !
Voltando às questões postas pela Voltando às questões postas pela obra de Gauguin,obra de Gauguin,
Para Para onde onde
vamos ? vamos ?
Qual é o Qual é o destino do destino do universo ?universo ?
Para sabermos a resposta a essa Para sabermos a resposta a essa pergunta...pergunta...
Para onde vamos?Para onde vamos?
Para onde vamos?Para onde vamos?
PERGUNTEMOS AO PERGUNTEMOS AO
MÁRCIO !!!MÁRCIO !!!
HE HE...HE HE...
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