Nós costumammos pebsar que as forças movem as coisas ao nosso redor atraindo uma maçã para o chão, ou tracionando um carro.Mas as forças também fazem o Sol brilhar; eles formam o gelo que se derrete na bebida e uma planta emergir da semente.
As forças são os agentes das mudanças no universo. Para nos ajudar a entender as forças, milhares de cientistas de todo o mundo gastaram bilhões de dólares para construir o Grande Colisor de Hádrons, ou LHC. E localizado a cem metroas abaixo do solo do CERN em Genebra, Suíça, está o detector CNS.
Parte do mais recente e complicado experimento científico de todos os tempos. Estes experimento nós permitirá um olhar mais profundo das forças da Natureza que jamais tivemos abtes. Há uma longa distãncia entre ele e as descobertas de Einstein e Newton sobre a gravidade, mas tudo são partes da mesma história.
Gravidade Nós compreendemos o mundo hoje em termos de quatro forças da Natureza: As Forças Nuclear Forte e Fraca, o Eletromagnetismo e a Gravidade. A Gravidade é talvez a mais familiar, mas é de longe a mais fraca de todas as forças, embora não pareça. Tão fraca, na verdade, que podemos ignorar completamente seus efeitos quando se explora o mundo subatômico. Pelo menos com as experiências atuais.
Eletromagnetismo Além da familiar força da gravidade há três outras forças no universo, cada qual vital para nossa existência. Elas podem não parecer óbvias, mas as forças que fazem as bolhas são as mesmas que acendem uma chama: o eletromagnetismo. É a força que nos permite empurrar e puxar as coisas, a força que nos permite ver tudo no mundo à nossa volta e a força que faz funcionar a TV.
O Eletromagnetismo é a força que mantém os elétrons ao redor do núcleo atômico, é a força que mantém juntos átomos e moléculas no corpo; ela também faz os elétrons repelirem um ao outro. Então, embora todo o planeta Terra esteja puxando os átomos da maçã em direção ao solo, a maçã permanece firme na mão porque os elétrons na superfície repelem os elétrons na palma da mão.
Nós usamos a palavra eletromagnetismo para descrever o eletromagnetismo como força única, mas a eletricidade e o magnetismo parecem à primeira vista serem fenômenos bem diferentes. O magnetismo que faz o peão levitar parece nada ter a ver em comum com faíscas elétricas. Os gregos sabiam que se esfregassem um pedaço de borracha no pêlo, ele irá atrair penas. Eles também sabiam que certas rochas atraem o ferro, mas não imaginavam que as duas coisas estavam relacionadas.
Dois mil anos depois dos gregos, nós sabemos que eletricidade e magnetismo são fenômenos diferentes de uma mesma coisa.Somente após o século19 que nós descobrimos que leas são, na verdade, diferentes manifestações da mesma coisa. Uma caixa prateada dentro da qual há uma subestação elétrica que fornece energia a subestações do outro lado da rua é, na verdade, um monumento ao homem que pavimentou o caminho para uma produnda descoberta: Michael Faraday. Mas a ideia original era fazer a caixa de vidro para que se pudesse ver os transformadores elétricos lá dentro.
Mas alguém diria que devemos melhores tributos para dizer que ele é o pai fundador do mundo elétrico moderno. Há um monumento mais óbvio de Michael Faraday, sua estátua no exterior do Instituto Britânico de Tecnologia e Engenharia. E nele estão alguns dos livros originais de Faraday. Em um caderno, a letra de mão elegante de Faraday é faz uma referência à sua mais famosa descoberta. Está aqui no título: "Conversão de magnestismo em eletricidade". O que Faraday descobriu é que se alguém pegar uma bobina de fio e mover um magneto dentro dela, irá gerar eletricidade. E máquinas como esta estão em todas as usinas geradoras de eletricidade do mundo.
Faraday mostrou que eletricidade e magnetismo são conectados de maneira sem igual. Mas eles estavam ainda unificados em um só quadro matemático.
Um tipo de físico muito diferente, James Clerk Maxwell, é quem viria a perceber a real conexão. E isso produziu uma revolução em nossa compreensão do universo que Einstein descreve como a mais profunda e gratificante das experiências em física desde os tempos de Newton.
Unificação This is the place where Maxwell taught electricity and magnetism to students. I want to show you something about the beauty and productive power of mathematics in the hands of Maxwell. These are almost Maxwell's equations. They predict everything that was imagined by Faraday and his colleagues about electricity and magnetism throughout th 19th century.
This for example is Faraday's law of magnetic induction. Maxwell noticed that these equations are not mathematically consistent, he was forced to add an extra term which is called Maxwell's displacement current. With this extra term these equations can cast into this formule: these equations are equations for electromagnetism waves. Waves of light. So, in one piece of genius maxwell unified the forces of electricity and magnetism and made a profound connection between electromagnetism and light itself.
Maxwell's unification of electricity and magnetism is regarded as a great mark in physics because it is the first time when two disparate pieces of physical processes, electromagnetism and magnetism are brought together under a single theory which we can put in together under a single theory and announce it as a very importante thing in physics that we should explain as much as we can as simple as possible.
A Força Nuclear Forte
As duas forças, da gravidade e o eletromagnetismo, parecem à primeira vista sufficientes para explicar tudo o que vimos e sentimos diariamente no mundo.
Mas quando se olha dentro de um átomo, fica imediatamente óbvio que outras forças devem atuar no universo.
Na metade dos anos 1930 sabia-se que átomos são compostos de elétrons e um só núcleo de prótons e nêutrons. Mas há um problema com esse modelo porque prótons têm carga positiva e então, quando estão muito próximos o impulso eletromágnético explode o núcleo em pedaços.
Não é o que acontece, porém, é claro. Deve haver outra força, 90 vezes mais forte que o eletromagnetismo, que mantém o núcleo coeso, e essa força é chamada Força Nuclear Forte.
A Força Forte não é apenas responsável por manter os núcleos dos átomos coesos, pois sem ela todos os átomos do universo explodiriam, mas é também - e isso é muito interessante - responsável por 98% da massa do núcleo. 98% da minha massa, da sua massa, da massa do Sol, da massa do universo. E não se sabe exatamente como a força forte gera a massa; é necessário estudá-la mais detalhadamente.
A descoberta da Força Forte foi um passo gigantesco para a nossa compreensão da natureza. Mas há ainda um fenômeno inexplicado.
A Força Nuclear Fraca
Este é um PET scanner, aparelho que transformou a maneira de se diagnosticas doenças porque ele permite ver o corpo por dentroe detectar anormalidades nas atividades celulares.
Máquinas como essa foram desenvolvidas como resultado direto dos avanços na física de partículas. O P da sigla PET significa posítron, que é o elétron, idêntico em todos os aspectos, exceto pela carga elétrica
Posítrons são elétrons emitidos pelo núcleo no decaimento radioativo, e esse é o processo que deixou perplexos os físicos por volta do início dos anos 1930.
E eles sabiam que o núcleo é feito de prótons e nêutrons mantidos unidos pela Força Nuclear Forte. Como também conheciam uma radiação beta que sai do núcleo. E que a radiação beta composta de elétrons. Então, de onde vinham os elétrons?
Foi o gigante italiano da ciência Enrico Fermi quem finalmente resolveu o problema. Em 1934 ele propôs que havia uma Força Nuclear Fraca que poderia converter prótons em nêutrons e vice-versa, ao mesmo tempo emitindo elétrons ou posítrons e neutrinos pelo núcleo.
Fermi descobriu a força que faltava para explicar o funcionamento interno do átomo. Ele teve um grande papel na física nuclear e a Força Nuclear Fraca tem um grande papel na nossa existência. Ela controla o primeiro estágio da fusão atômica do Sol. E é por ser tão fraca que o Sol se mantém vivo. Ele queima há cinco bilhões de anos até agora. Se a Força Fraca fosse um pouco mais poderosa, o Sol teria se consumido muito antes de chegarmos aqui.
A descoberta por Fermi da Força Nuclear Fraca não é o final da história. Algumas décadas mais tarde, nos anos 1960, cientistas conseguiram unir as forças fraca e eletromagnética em uma só Força Eletrofraca.
É possível que a Força Forte, a Força Fraca e talvez a Gravidade possam ser unificadas com a Força Fraca em uma só força que governou o universo nos primeiros instantes após o começo do tempo.
A Unificação de Maxwell foi inspirada por experiências feitas em uma simples escrivaninha. As experiências que poderão levar à longamente esperada Teoria de Tudo seriam controladas do LHC.
O coração do complexo do acelerador no CERN.
Aqui, serão recriadas as condições presentes no primeiro bilionésimo de segundo do universo após o Big Bang. Como se criam essas condições extremas? No LHC.
Nos vinte e sete quilômetros de circumferência dentro do LHC serão acelerados prótons a 99,99999% da velocidade da luz (C) antes de leválos a colidir dentro de grandes detectores. E esses detectores tiram uma foto de colisões que ocorrem 6 bilhões de vezes por segundo.
Estes são os caminhos a percorrer para explicar as forças da natureza. Hoje pode-se descrever tudo o que acontece em termos de forças com o Eletromagnetismo, as Forças Nucleares Forte e Fraca e a Gravidade. Mas alguns cientistas sonham em ir ainda mais longe e unificar essas forças em uma só força. A Teoria de Tudo.
TV presenter and particle physicist Brian Cox introduces the four forces that underpin our world: the strong and weak nuclear forces, electromagnetism and gravity.
We usually think that forces are moving things around us by pulling an apple towards the ground, or pushing a car. But forces also cause the Sun to shine; they make the ice that melts in the drink and they cause a plant to emerge from the seed.
Forces are the agents of change in universe. To help us understand forces thousands of scientists around the world have spent billions of dollars to build the LHC - Large Hadron Collider. And standing a hundred meters below the ground of CERN in Geneva, Swiss, this is the CNS detector.
Part of the last and most complicated science experiments ever. This experiment will give us deeper insights into the forces of Nature than ever before.It's a long way from Einstein's and Newton's founds of gravity, but it's all parts of the same story.
Gravity: We undestand the world today in the terms of four forces of Nature: Strong and Weak Nuclear forces, Electromagnetism and Gravity. Gravity is perhaps the most familiar, but it's by far the weakest of all forces. So weak in fact we can completely ignore its effects when we explore the subatomic world. At least with today's experiments.
Electromagnetism: Besides the familar weak force of gravity there are three other forces in the universe, each of which is vital for our existence. They may not seem obvious, but the forces that build bubbles together is the same force that lights the flame of burn: electromagnetism. It's the force that allows us to push and pull things, the force that allows us to see everything in the world around us and the force that allows your TV set to work.
Electromagnetism is the force that holds electrons in place around the atomic nucleus, it's the force that and holds the atoms and molecules in the body; it also causes the electrons to repel each other. So even though the whole planet Earth is pulling the apple's atoms down to the ground, they apple stays firmly in the hand because the electrons in the surface repels the electrons in the hand's palm.
Have we used the word electromagnetism to describe electromagnetism as a single force, but electricity and magnetism seem at first sight to be very different phenomenon. The magnetism that make this top levitate seems to have nothing in common with electrical sparks. The Greeks knew that if we rub a piece of band with fur they will pick up feathers. They also knew that certain rocks attract the iron, but they had no idea that the two were related.
Two thousand years after the greeks we know that electricity and magnetism are different phenomenon.It wasn't until the 19th century that we discovered that they are in fact different manifestations of the same thing. A silver box inside of which there is an electrical substation that powers substations across the road.is in fact a monument to the man who set on the road to a profound discovery; Michael Faraday. Now, the original idea was making the box of glass so one could see the electrical transformers inside.
But one could say we depend even more efficient tributes to say he's the founding father of the modern electrical world. There is one more obvious monument of Michael Faraday, his statue outside the British Institute of Engineering and Technology. And inside there are some of Faraday's original books. In a notebook in Faraday's own elegant handwriting is a reference to his most famous discovery. It's here in the title: "Convert magnestism into electricity". What Faraday found is if one takes a coil of wire and moves a magnet inside it one generates electricity. And are machines like this that lie in every power station in world.
Faraday had shown that electricity and magnetism are unsimilarily connected. But they were yet unified together into a single mathematical framework.
A very different kind of phisicist, James Clerk Maxwell, was to see the true connection. And this produced a revolution in our understanding of the universe that Einstein's describes as the most profound and the most grateful of physics experiences since the times of Newton.
Unification This is the place where Maxwell taught electricity and magnetism to students. I want to show you something about the beauty and productive power of mathematics in the hands of Maxwell. These are almost Maxwell's equations. They predict everything that was imagined by Faraday and his colleagues about electricity and magnetism throughout th 19th century.
This for example is Faraday's law of magnetic induction. Maxwell noticed that these equations are not mathematically consistent, he was forced to add an extra term which is called Maxwell's displacement current. With this extra term these equations can cast into this formule: these equations are equations for electromagnetism waves. Waves of light. So, in one piece of genius maxwell unified the forces of electricity and magnetism and made a profound connection between electromagnetism and light itself.
Maxwell's unification of electricity and magnetism is regarded as a great mark in physics because it is the first time when two disparate pieces of physical processes, electromagnetism and magnetism are brought together under a single theory which we can put in together under a single theory and announce it as a very importante thing in physics that we should explain as much as we can as simple as possible.
Strong nuclear force
The two forces of gravity and electromagnetism seem at first sight sufficient to explain everything we see or feel in everyday world.
But once one looks inside the atom it is immediately obvious that other forces must be at work in the universe.
By the mid 1930s we knew that atoms are composed of electrons and of a single nucleus of protons and neutrons. But there's a problem with this model because protons are positively charged and so when they're close together the electromagnetic push explodes the nucleus apart.
Now, it's not what happens, of course. There must be another force 90 times stronger than electromagnetism that glues the nucleus together, and that force is called the strong nuclear force.
The strong force is not only resposible for holding nuclei of atoms together, but without that every atom in the universe would explode, but it's also - and this is quite interesting - responsible for 98% of the nucleus mass. 98% of my mass, your mass the Sun's mass, the Earth's mass. And we don't quite know exactly how the strong force generates that mass; we want to study it in more detail.
The discovery of the strong force was a giant step forward to our understanding of Nature. But that's still a phenomenon we couldn't explain.
The weak nuclear force
This is a PET scanner and it has transformed the way we diagnose many diseases because it allows us to look inside the body and detect abnormalities in cellular activity.
Machines like this are developed as a direct result of advances in particle physics. The P in PET stands for positron which is the electron, identical in every way, except for the electric charge.
Positrons are electrons emitted by the nucleus in radioactive decay and that's a process that baffled physicists around the early 1930s.
And they knew the nucleus is made of protons and neutrons held together by the strong nuclear force. And they also knew a beta radiation that comes out of the nucleus. They also knew the beta radiation was comprised of electrons. So where did the electrons come from?
It was the Italian giant of science Enrico Fermi who finally solved the problem. In 1934 he proposed there was a weak nuclear force that could convert protons into neutrons and vice-versa, at he same time emitting electrons or positrons and neutrinos from the nucleus.
Fermi found the missing force that would explain the inner works of the atom. He played a huge role in nuclear physics and the weak force plays a huge work in us being here. IIt controls the Sun's first stage of atom fusion. And it's because it's so weak that the Sun keeps alive. It has been burning for five billions of years already. If the weak force would be a little more powerful the Sun would have fully burned long before any of us got here.
Fermi's discovery of the Weak Nuclear Force is not the end of the story. A few decedes later, in the 1960s, scientists were able to bring together weak force and electromagnetism into a single electroweak force.
It is possible that Strong Force, Weak Force and Perhaps gravity could be unified with the weak force into a single force that ruled the universe in first instants after the beginning of time.
Maxwell's Unification was inspired by experiments done on a single desktop. The experiments that may lead to a long expected Theory of Everything would be controlled from the LHC.
The nerve center of the accelerator's complex at CERN.
Here, we'll recreate the conditions that were present in the Universe's first billionth of a second after the Big Bang. How do we create those extreme conditions? On the LHC.
Twenty seven km in circumference inside the LHC they accelerate protons to 99,99999% of the speed of light (C) before bringing them into collision inside great detectors. And those detectors take pictures of the collisions 6 hundred million times a second.
These are the lands we have to go through to explore the forces of Nature. Today we can describe everything that happens in terms of forces with Electromagnetism, Strong and Weak Nuclear Forces and Gravity. But it some scientists dream of going even further and unify these forces together into a single force. The Theory of Everything.
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