slide 1 · ppt file · web view2008-11-21 · este processo é chamado de energia produz matÉria...

O Universo : do Big-Bang aos primeiros

átomos

Dennis Bessada Divisão de Astrofísica -

INPE

I I A COSMOLOGIAA COSMOLOGIA

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...

II II FÍSICA QUÂNTICAFÍSICA QUÂNTICA

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

Elétron Elétron OscilandOsciland

oo

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

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”)




(“pacotes”)(“pacotes”)Quantum de luz =Quantum de luz =

FÓTONFÓTON




(“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,

III III PARTÍCULAS PARTÍCULAS

ELEMENTARESELEMENTARES

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


Quarks não Quarks não são são


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


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


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...)...)

IV IV DO QUE O DO QUE O

UNIVERSO É UNIVERSO É FORMADO?FORMADO?

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:

V V QUAL É A ORIGEM QUAL É A ORIGEM

DO UNIVERSO? DO UNIVERSO?


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


1028ºC

O universo O universo cresce cresce 1050

do seu do seu tamanho tamanho original! original!

InflaçãoInflação

Big Big BangBang


A formação das primeiras A formação das primeiras partículaspartículasNo instante No instante


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



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


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



1028ºC

10−34



ss1026ºC

10−5

GênesGênese dos e dos BárionBárion

s s

1012ºC

Formação Formação de de

bárions a bárions a partir de partir de quarksquarks

BariogêneseBariogênese

Os primeiros núcleos Os primeiros núcleos atômicosatômicos

Entre os instantes Entre os instantes


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



1028ºC

10−34



ss1026ºC

10−5


s s

1012ºC

NúcleosNúcleos-íntese-íntesePrimor-Primor-

dial dial

109 ºC

102100

FormaçãFormação de o de

Núcleos!Núcleos!

Nucleossíntese PrimordialNucleossíntese Primordial

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



1028ºC

10−34



ss1026ºC

10−5


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 ! !

VI VI QUAL É O QUAL É O

DESTINO DO DESTINO DO UNIVERSO? UNIVERSO?


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...

FIM FIM

OBRIGADO!OBRIGADO!

slide 1 · ppt file · web view2008-11-21 · este processo é chamado de energia produz matÉria...

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