Um guia para o panorama geral, as leis físicas fundamentais, as janelas de espaço e tempo, a grande guerra e números extremamente grandes.

Primeiro de janeiro de 7.000.000.000 d.C. e., Ann Arbor.

O próximo Ano Novo não é um motivo muito grande para comemoração. Não há ninguém que possa marcar sua chegada. A superfície da Terra se transformou em um deserto irreconhecível, totalmente queimado pelo Sol. O sol inchou sem limites: tornou-se tão grande que seu disco incandescente cobre quase todo o céu diurno. Mercúrio e Vênus já morreram, e agora as finas regiões externas da atmosfera solar ameaçam capturar o recuo da órbita da Terra.

Os oceanos que deram origem à vida evaporaram há muito tempo, transformando-se primeiro em uma nuvem pesada e esterilizante de vapor d'água e depois se dissolvendo completamente no espaço sideral. Tudo o que restou foi uma superfície árida e rochosa. Vestígios tênues de litorais antigos, bacias oceânicas e restos erodidos de continentes ainda podem ser vistos. Ao meio-dia, a temperatura atinge quase três mil graus Fahrenheit e a superfície rochosa começa a derreter. O equador já está parcialmente cercado por um amplo cinturão de lava fervente que, à medida que esfria, forma uma fina crosta cinzenta, enquanto o Sol inchado repousa todas as noites atrás do horizonte.

A parte da superfície que outrora serviu de berço às morenas florestadas do sudeste do Michigan mudou muito ao longo dos últimos milhares de milhões de anos. O antigo continente norte-americano foi há muito dividido por uma falha geológica que se estende do antigo estado de Ontário até Louisiana; dividiu a antiga plataforma continental estável e formou um novo fundo marinho. Os restos petrificados e glaciais de Ann Arbor foram cobertos com lava que desceu ao longo dos leitos de antigos rios de vulcões próximos. Posteriormente, quando um grupo de ilhas do tamanho da Nova Zelândia colidiu com a costa, a lava solidificada e as rochas sedimentares escondidas abaixo foram pressionadas para dentro da cordilheira.

Agora a superfície da antiga rocha está enfraquecida pelo calor insuportável do Sol. Um bloco de rocha se divide, causando um deslizamento de terra e revelando a marca perfeitamente preservada de uma folha de carvalho. Este vestígio do mundo outrora verde, agora tão distante, está desaparecendo lentamente, derretendo-se num fogo inexorável. Muito em breve toda a Terra será envolvida por uma sinistra chama vermelha.

Esta imagem da destruição da Terra não foi copiada das primeiras páginas do roteiro de um filme de ficção científica de segunda categoria; esta é uma descrição mais ou menos realista do destino que aguarda o nosso planeta quando o Sol deixar de existir como uma estrela comum e se expandir, transformando-se em uma gigante vermelha. O catastrófico derretimento da superfície da Terra é apenas um dos muitos eventos que ocorrerão quando o Universo e o seu conteúdo envelhecerem.

Agora o nosso Universo, cuja idade é estimada em dez a quinze mil milhões de anos, ainda está a viver o tempo da sua juventude. Tantas possibilidades astronômicas de maior interesse simplesmente ainda não tiveram tempo de se manifestar. No entanto, à medida que o futuro distante se aproxima, o Universo mudará gradualmente, transformando-se em uma arena na qual uma grande variedade de processos astrofísicos surpreendentes se desenvolverão. Este livro conta a biografia do Universo do começo ao fim. Esta é a história de como as estrelas familiares do céu noturno gradualmente se transformam em estranhas estrelas congeladas, evaporando buracos negros e átomos do tamanho da Galáxia. Este é um olhar científico sobre a face da eternidade.

A biografia do nosso Universo e o estudo da astrofísica em geral desdobra-se em quatro escalas importantes - ao nível dos planetas, das estrelas, das galáxias e do Universo como um todo. Cada um oferece um tipo diferente de janela para observar as propriedades e a evolução da natureza. Em cada um desses níveis, os objetos astrofísicos passam por todos os ciclos de vida, começando com a formação - um evento semelhante ao nascimento, e - muitas vezes terminando com um final muito específico, semelhante à morte. A morte pode ser rápida e furiosa; por exemplo, uma estrela massiva termina a sua evolução com uma espetacular explosão de supernova. Outra alternativa é a morte dolorosamente lenta que aguarda as fracas anãs vermelhas, que gradualmente se transformam em anãs brancas - as brasas refrescantes de estrelas outrora poderosas e ativas.

Na maior escala, podemos considerar o Universo como um único organismo em evolução e estudar o seu ciclo de vida. Houve um progresso científico significativo nesta área da cosmologia nas últimas décadas. O Universo tem se expandido desde o seu início em uma poderosa explosão - o Big Bang. A teoria do Big Bang descreve a evolução subsequente do Universo ao longo dos últimos dez a quinze mil milhões de anos e tem sido notavelmente bem sucedida na explicação da natureza do nosso Universo à medida que se expandia e arrefecia.

A questão chave é se o Universo se expandirá para sempre ou se em algum momento no futuro a expansão irá parar e contrair-se novamente. As observações astronómicas atuais sugerem fortemente que o nosso universo está destinado a expandir-se continuamente, pelo que grande parte da nossa narrativa segue este cenário. No entanto, decidimos delinear brevemente as consequências do segundo cenário possível - a terrível morte do Universo em repetidas compressões quentes.

Abaixo da vasta extensão da cosmologia, num nível menor, vêm galáxias como a nossa Via Láctea. As galáxias são coleções grandes e bastante esparsas de estrelas, gás e outros tipos de matéria. As galáxias não estão espalhadas aleatoriamente por todo o Universo; em vez disso, eles estão entrelaçados na tapeçaria geral do cosmos pela gravidade. Alguns grupos de galáxias são tão pesados ​​que permanecem juntos sob a influência de forças gravitacionais, e esses aglomerados de galáxias podem ser considerados objetos astrofísicos independentes. Além de pertencerem a aglomerados, as galáxias se combinam aleatoriamente para formar estruturas ainda maiores, semelhantes a fios, lençóis e paredes. O conjunto de padrões formados; galáxias neste nível são chamadas de estrutura em grande escala do Universo.

As galáxias contêm uma grande proporção da matéria comum do universo; esses sistemas estelares estão claramente separados uns dos outros, mesmo dentro de aglomerados. Esta separação é tão pronunciada que as galáxias já foram chamadas de “ilhas do Universo”. Além disso, as galáxias desempenham um papel extremamente importante como marcadores de posições espaço-temporais. Nosso Universo está em contínua expansão e as galáxias, como faróis no vazio, nos permitem observar essa expansão.

É extremamente difícil compreender o vasto vazio do nosso Universo. Uma galáxia típica preenche apenas cerca de um milionésimo do volume total do espaço em que está contida, e as próprias galáxias são extremamente rarefeitas. Se você levasse uma nave espacial para algum ponto aleatório do universo, a chance de sua nave pousar em alguma galáxia é atualmente de cerca de uma em um milhão. Isso não é mais muito e no futuro esse valor será ainda menor, porque o Universo está se expandindo, mas as galáxias não. Separadas da expansão geral do Universo, as galáxias existem em relativo isolamento. Neles vive a maioria das estrelas do Universo e, portanto, a maioria dos planetas. Como resultado, muitos processos físicos interessantes que ocorrem no Universo - desde a evolução estelar até o desenvolvimento da vida - ocorrem nas galáxias.

Embora não povoem o espaço com muita densidade, as próprias galáxias também estão em sua maioria vazias. E embora contenham milhares de milhões de estrelas, apenas uma pequena parte do seu volume está realmente preenchida com estrelas. Se você fosse viajar em uma nave espacial para algum ponto aleatório de nossa Galáxia, a probabilidade de sua nave pousar em alguma estrela é extremamente pequena, da ordem de um bilhão em um trilhão (uma chance em 10 22). Esse vazio de galáxias é uma evidência bastante eloquente de como elas se desenvolveram e do que as espera no futuro. Colisões diretas entre estrelas em uma galáxia são extremamente raras. Conseqüentemente, levará muito tempo - muito mais do que o que passou desde o nascimento do nosso Universo até o momento presente - antes que as colisões de estrelas e os encontros de outros objetos astrofísicos tenham qualquer efeito na estrutura da galáxia. Como você verá, essas colisões tornam-se cada vez mais importantes à medida que o Universo envelhece.

No entanto, o espaço interestelar não está completamente vazio. Nossa Via Láctea é permeada por gases de diversas densidades e temperaturas. A densidade média é de uma partícula (um próton) por centímetro cúbico; A temperatura varia de dez graus frios a um milhão de graus de ebulição na escala Kelvin. Em baixas temperaturas, cerca de um por cento da substância permanece no estado sólido - na forma de minúsculas partículas de pó de pedra. Este gás e poeira que preenche o espaço interestelar é chamado de meio interestelar.

O próximo nível de importância, ainda menor, é formado pelas próprias estrelas. Atualmente, a pedra angular da astrofísica são as estrelas comuns – objetos como o nosso Sol que existem devido a reações de fusão nuclear que ocorrem em suas profundezas. As estrelas constituem galáxias e geram a maior parte da luz visível do Universo. Além disso, foram as estrelas que formaram o “registro” moderno do nosso Universo. Estrelas massivas forjaram quase todos os elementos pesados ​​que animam o cosmos, incluindo o carbono e o oxigênio necessários à vida. Foram as estrelas que deram origem à maioria dos elementos que constituem a matéria comum que encontramos todos os dias: livros, carros, mantimentos.

Mas estas centrais nucleares não duram para sempre. As reações de fusão nuclear que produzem energia no interior das estrelas acabarão por cessar; e isto acontecerá assim que o fornecimento de combustível nuclear se esgotar. Estrelas muito mais pesadas que o nosso Sol queimam num período de tempo relativamente curto de alguns milhões de anos: as suas vidas são mil vezes mais curtas do que a idade real do nosso Universo. No extremo oposto do espectro estão estrelas cujas massas são muito menores que a massa do nosso Sol. Essas estrelas podem viver trilhões de anos – cerca de mil vezes a idade atual do nosso Universo.

Depois de completar aquela parte da vida de uma estrela quando ela existe devido a reações termonucleares, a estrela não desaparece sem deixar vestígios. As estrelas deixam para trás aglomerados exóticos chamados remanescentes estelares. Esta casta de objetos degenerados consiste em anãs marrons, anãs brancas, estrelas de nêutrons e buracos negros. Como veremos, à medida que o Universo envelhece e as estrelas comuns desaparecem de cena, estes estranhos remanescentes desempenharão um papel cada vez mais importante e, em última análise, dominante.

O quarto nível, de menor tamanho, mas sem importância, de nosso interesse é formado pelos planetas. Existem pelo menos duas variedades: corpos rochosos relativamente pequenos como a nossa Terra e grandes gigantes gasosos como Júpiter e Saturno. Nos últimos anos, houve uma revolução extraordinária na nossa compreensão dos planetas. Pela primeira vez na história, planetas foram definitivamente descobertos nas órbitas de outras estrelas. Agora sabemos com certeza que os planetas não são o resultado de algum evento raro ou especial que ocorreu no nosso sistema solar, mas estão bastante espalhados por toda a galáxia. Os planetas não desempenham um papel importante na evolução e dinâmica do Universo como um todo. Eles são importantes porque são o ambiente mais provável para o surgimento e desenvolvimento da vida. Assim, o destino a longo prazo dos planetas determina o destino a longo prazo da vida - pelo menos daquelas formas de vida com as quais estamos familiarizados.

Além dos planetas, os sistemas solares contêm muitos objetos muito menores: asteróides, cometas e uma enorme variedade de luas. Tal como os planetas, estes corpos não desempenham um papel significativo na evolução do Universo como um todo, mas têm um um enorme impacto sobre a evolução da vida. As luas que orbitam os planetas fornecem outro ambiente possível para o surgimento e desenvolvimento da vida. Sabe-se que cometas e asteróides colidem regularmente com planetas. Acredita-se que estes impactos, que poderão causar alterações climáticas globais e a extinção de espécies inteiras, terão desempenhado um papel importante na formação da história da vida aqui na Terra.

A natureza pode ser descrita em termos de quatro forças fundamentais que, em última análise, governam a dinâmica de todo o universo; estas são a gravidade, a força eletromagnética, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. Todas estas forças desempenham um papel importante na biografia do cosmos. Eles criaram o nosso Universo como o conhecemos hoje e continuarão a governá-lo de agora em diante.

A primeira destas forças, a força gravitacional, é a que mais se aproxima da nossa vida quotidiana e é a mais fraca das quatro. No entanto, devido à vastidão do seu raio de acção e à sua natureza excepcionalmente atractiva, a distâncias suficientemente grandes a gravidade domina sobre outras forças. Graças à gravidade, vários objetos são mantidos na superfície da Terra, e a própria Terra permanece na órbita em que gira em torno do Sol. A gravidade mantém a existência das estrelas e controla o processo de produção de energia nelas, bem como a sua evolução. Finalmente, a gravidade é responsável pela formação da maioria das estruturas do Universo, incluindo galáxias, estrelas e planetas.

A segunda força é eletromagnética; possui componentes elétricos e magnéticos. À primeira vista podem parecer diferentes, mas num nível fundamental são apenas dois aspectos de uma única força subjacente. Apesar de a força eletromagnética interna ser muito mais forte que a força gravitacional, em grandes distâncias ela tem muito menos efeito. A fonte da força eletromagnética são as cargas positivas e negativas, e no Universo, aparentemente, elas estão contidas em quantidades iguais. Como as forças criadas por cargas com sinais opostos atuam em direções opostas, em grandes distâncias onde estão contidas muitas cargas, a força eletromagnética se anula. A pequenas distâncias, particularmente em átomos, a força eletromagnética desempenha um papel importante. É ela a responsável final pela estrutura dos átomos e moléculas e, portanto, é a força motriz das reações químicas. Num nível fundamental, a vida é governada pela química e pela força eletromagnética.

A força eletromagnética é até 10 40 vezes mais forte que a força gravitacional. Para compreender esta incrível fraqueza da gravidade, pode-se, por exemplo, imaginar um universo alternativo no qual não existem cargas e, portanto, nenhuma força eletromagnética. Num universo assim, átomos completamente comuns teriam propriedades extraordinárias. Se apenas a gravidade ligasse o elétron e o próton, então o átomo de hidrogênio seria maior do que toda a parte visível do nosso Universo.

A força nuclear forte, a nossa terceira força fundamental da natureza, é responsável pela integridade dos núcleos dos átomos. Essa força mantém prótons e nêutrons no núcleo. B. na ausência de uma força forte, os núcleos atômicos explodiriam em resposta às forças repulsivas agindo entre os prótons carregados positivamente. Embora esta força seja a mais forte das quatro, ela opera em distâncias extremamente curtas. Não é por acaso que o raio de ação da força nuclear forte é aproximadamente igual ao tamanho de um grande núcleo atômico: cerca de dez mil vezes menor que o tamanho de um átomo (da ordem de dez fermi ou 10 -12 cm) . A forte interação impulsiona o processo de fusão nuclear, que produz a maior parte da energia nas estrelas e, portanto, no Universo na era atual. É precisamente por causa da grande magnitude, em comparação com a força eletromagnética, da interação forte que as reações nucleares são muito mais fortes do que as reações químicas, a saber: um milhão de vezes por par de partículas.

A quarta força, a força nuclear fraca, é provavelmente a que está mais distante da consciência pública. Essa interação fraca um tanto misteriosa participa do decaimento de nêutrons em prótons e elétrons, e também desempenha um papel no processo de fusão nuclear, aparece no fenômeno da radioatividade e na formação de elementos químicos nas estrelas. A interação fraca tem um alcance de ação ainda menor do que a interação forte. No entanto, apesar da sua fraqueza e pequeno alcance, a força fraca desempenha um papel surpreendentemente importante na astrofísica. Uma fração significativa da massa total do Universo é provavelmente composta de partículas de interação fraca, ou seja, partículas que interagem entre si apenas através da força fraca e da gravidade. Como tais partículas tendem a interagir durante períodos de tempo muito longos, a sua importância aumenta gradualmente à medida que o Universo se move lentamente em direção ao futuro.

Ao longo da vida do nosso Universo, surge constantemente a mesma questão - a luta contínua entre a força da gravidade e o desejo dos sistemas físicos de evoluir para estados mais desorganizados. A quantidade de desordem em um sistema físico é medida pela fração de sua entropia. No sentido mais geral, a gravidade tende a manter todos os componentes de qualquer sistema dentro dos limites deste mesmo sistema, ordenando assim as estruturas físicas. A produção de entropia funciona na direção oposta, ou seja, tenta tornar os sistemas físicos mais desorganizados e “manchados”. A interação dessas duas tendências concorrentes é o principal drama da astrofísica.

Um exemplo direto desta luta contínua é o nosso Sol. Existe num estado de delicado equilíbrio entre os efeitos da gravidade e da entropia. A força gravitacional mantém a integridade do Sol e atrai toda a sua matéria para o centro. Sem forças opostas, a gravidade comprimiria rapidamente o Sol, transformando-o num buraco negro com não mais do que alguns quilómetros de diâmetro. O colapso fatal é evitado por forças de pressão que atuam na direção do centro para a superfície, equilibrando as forças gravitacionais e preservando assim o Sol. A pressão que impede o colapso do Sol surge, em última análise, devido à energia das reações nucleares que ocorrem em suas profundezas. Durante essas reações, são geradas energia e entropia, causando movimentos caóticos de partículas no centro do Sol e, em última análise, preservando a estrutura de todo o Sol.

Por outro lado, se a força gravitacional fosse de alguma forma desligada, o Sol não seria mais retido por nada e se expandiria rapidamente. Esta expansão continuaria até que a matéria solar se espalhasse numa camada tão fina que a sua densidade fosse igual à das partes menos densas do espaço interestelar. Então o fantasma rarefeito do Sol seria cem milhões de vezes maior do que o seu tamanho atual, estendendo-se por vários anos-luz de diâmetro.

Graças à rivalidade de dois concorrentes iguais, a gravidade e a entropia, o nosso Sol existe no seu estado atual. Se este equilíbrio for perturbado, quer a gravidade assuma a entropia ou vice-versa, o Sol transformar-se-á num pequeno buraco negro ou numa nuvem de gás extremamente rarefeita. Este mesmo estado de coisas – o equilíbrio que existe entre a gravidade e a entropia – determina a estrutura de todas as estrelas no céu. A evolução estelar é impulsionada pela feroz competição de duas tendências opostas.

Esta mesma luta está subjacente à formação de todos os tipos de estruturas astronómicas, incluindo planetas, estrelas, galáxias e a estrutura em grande escala do Universo. A existência desses sistemas astrofísicos se deve, em última análise, à gravidade, que tende a unir a matéria. Contudo, em cada caso, a tendência para o colapso gravitacional é combatida por forças expansionistas. A todos os níveis, a competição contínua entre a gravidade e a entropia garante que qualquer vitória seja temporária e nunca absoluta. Por exemplo, a formação de estruturas astrofísicas nunca é 100% eficaz. Casos bem-sucedidos de formação de tais objetos são apenas uma vitória local da gravidade, enquanto tentativas fracassadas de criar algo são um triunfo da desordem e da entropia.

Esta grande guerra entre a gravidade e a entropia determina o destino e a evolução a longo prazo dos objetos astrofísicos, como estrelas e galáxias. Por exemplo, tendo esgotado todas as suas reservas de combustível nuclear, a estrela deve alterar a sua estrutura interna em conformidade. A gravidade puxa a matéria em direção ao centro da estrela, enquanto a tendência de aumento da entropia favorece sua dispersão. A batalha subsequente pode ter muitos resultados diferentes, que dependem da massa da estrela e de suas outras propriedades (por exemplo, a velocidade de rotação da estrela). Como veremos, este drama irá repetir-se continuamente enquanto os objectos estelares povoarem o Universo.

Um exemplo espetacular da luta contínua entre a gravidade e a entropia é a evolução do próprio Universo. Com o tempo, o Universo se expande e fica mais embaçado. Essa direção da evolução é oposta pela gravidade, que se esforça para reunir a matéria em expansão do Universo. Se a gravidade vencer esta batalha, a expansão do Universo acabará por parar e, em algum momento no futuro, começará a contrair-se novamente. Por outro lado, se a gravidade perder esta batalha, o Universo se expandirá para sempre. Qual destes destinos aguarda o nosso Universo no futuro depende da quantidade total de massa e energia contida no Universo.

As leis da física descrevem como o universo se comporta em uma ampla gama de distâncias, desde as monstruosamente grandes até as insignificantes. A maior conquista da humanidade é a capacidade de explicar e prever como a natureza se comporta em condições extremamente distantes da nossa experiência cotidiana. Esta expansão significativa dos nossos horizontes ocorreu principalmente durante o século passado. O escopo do nosso conhecimento se estende desde as estruturas de grande escala do Universo até as partículas subatômicas. E embora tal campo de compreensão possa parecer vasto, não se deve esquecer que as discussões sobre a lei física não podem ser continuadas arbitrariamente em nenhuma destas direcções. As maiores e menores escalas permanecem fora do alcance da nossa compreensão científica moderna.

Nossa compreensão física das maiores escalas do Universo é limitada à causalidade. As informações localizadas além de uma certa distância máxima simplesmente não tiveram tempo de chegar até nós no tempo relativamente curto durante o qual nosso Universo existe. De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, nenhum sinal contendo informação pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Assim, se considerarmos que embora o Universo tenha vivido apenas cerca de dez mil milhões de anos, nenhum sinal de informação simplesmente teve tempo de viajar mais de dez mil milhões de anos-luz. É a esta distância que se localiza a fronteira do Universo que podemos explorar com a ajuda da física; Este limite de causalidade é frequentemente chamado de tamanho do horizonte cosmológico. Devido à existência desta barreira de causalidade, muito pouco pode ser aprendido sobre o Universo a distâncias superiores ao tamanho do horizonte cosmológico. Este tamanho do horizonte depende do tempo cosmológico. No passado, quando o Universo era muito mais jovem, o tamanho do horizonte era correspondentemente menor. À medida que o universo envelhece, ele continua a crescer.

O horizonte cosmológico é um conceito extremamente importante que limita o campo de atuação da ciência. Assim como uma partida de futebol deve ocorrer dentro de limites claramente definidos, os processos físicos do Universo estão limitados aos limites deste horizonte em qualquer momento. Essencialmente, a existência de um horizonte causal leva a alguma ambigüidade quanto ao que o próprio termo “Universo” realmente significa. Às vezes, esse termo refere-se apenas à substância localizada no horizonte em um determinado momento. No entanto, no futuro, o horizonte crescerá, o que significa que acabará por incluir matéria que está atualmente localizada além dele. Esta “nova” matéria faz parte do nosso Universo agora? A resposta pode ser sim ou não dependendo da definição do termo “Universo”. Da mesma forma, pode haver outras regiões do espaço-tempo que nunca estarão dentro do nosso horizonte cosmológico. Por uma questão de certeza, consideraremos que tais regiões do espaço-tempo pertencem a “outros universos”.

Nas distâncias mais pequenas, o poder preditivo da física também é limitado, mas por uma razão completamente diferente. Em uma escala inferior a 10-33 centímetros (esse valor é chamado de comprimento de Planck), o espaço-tempo tem uma natureza completamente diferente do que em grandes distâncias. A distâncias tão pequenas, os nossos conceitos tradicionais de espaço e tempo já não se aplicam devido às flutuações da mecânica quântica. Neste nível, a física deve incluir simultaneamente a teoria quântica e a relatividade geral para descrever o espaço e o tempo. A teoria quântica sugere que em distâncias suficientemente pequenas a natureza tem um caráter ondulatório. Por exemplo, na matéria comum, os elétrons que se movem ao redor da órbita de um núcleo atômico exibem muitas propriedades de onda. A teoria quântica explica essa “ondulação”. A relatividade geral afirma que a própria geometria do espaço (juntamente com o tempo: neste nível fundamental, o espaço e o tempo estão intimamente ligados) muda na presença de grandes quantidades de matéria, criando fortes campos gravitacionais. Porém, no momento, para nosso grande pesar, não temos uma teoria completa que unisse a mecânica quântica à teoria geral da relatividade. A ausência de tal teoria da gravidade quântica limita enormemente o que podemos dizer sobre distâncias menores que o comprimento de Planck. Como veremos, esta limitação da física dificulta enormemente a nossa compreensão dos primeiros momentos da história do Universo.

Nesta biografia do Universo, os últimos dez mil milhões de anos representam um período de tempo muito insignificante. Devemos assumir o sério desafio de introduzir uma escala temporal que descreva os eventos universalmente interessantes que provavelmente ocorrerão nos próximos 10.100 anos.

10.100 é um número grande. Se você escrever sem usar notação científica, ele consistirá em um seguido de cem zeros e terá a seguinte aparência:

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Este número 10.100 não é apenas muito longo para ser escrito; Também é extremamente difícil imaginar com precisão quão imensamente grande ela é. As tentativas de visualizar o número 10.100 imaginando uma coleção de objetos familiares logo dão em nada. Por exemplo, o número de grãos de areia em todas as praias do mundo é frequentemente citado como um exemplo de um número incompreensivelmente grande. Contudo, estimativas aproximadas indicam que o número total de todos os grãos de areia é de aproximadamente 10 23 (um seguido de vinte e três zeros) – um número grande, mas ainda irremediavelmente inadequado para a nossa tarefa. E quanto ao número de estrelas no céu? O número de estrelas na nossa galáxia é próximo de cem bilhões – novamente um número relativamente pequeno. O número de estrelas em todas as galáxias do nosso Universo visível é de aproximadamente 10 22 – também muito pequeno. Na verdade, o número total de protões, os blocos de construção fundamentais da matéria, em todo o Universo visível é de apenas 10 78: mesmo este valor é dez mil milhões de biliões de vezes inferior ao necessário! O número de anos que separam o momento presente da eternidade é verdadeiramente imensurável.

Para descrever as escalas de tempo associadas à evolução futura do Universo, e não ficarmos completamente confusos, usaremos uma nova unidade de tempo chamada década cosmológica. Se denotarmos o tempo em anos por τ, então na representação exponencial τ pode ser escrito como

τ = 10 η anos,

onde η é algum número. De acordo com a nossa definição, o expoente η é o número de décadas cosmológicas. Por exemplo, o Universo tem agora apenas cerca de dez mil milhões de anos, o que corresponde a 10 10 anos, ou η = 10 décadas cosmológicas. No futuro, quando o Universo tiver cem bilhões de anos, serão 10 11 anos, ou η = 11 décadas cosmológicas. O significado deste diagrama é que cada década cosmológica subsequente representa um aumento de dez vezes na idade total do Universo. Assim, o conceito de década cosmológica permite-nos pensar em períodos de tempo incomensuravelmente longos. Assim, o número provocativamente grande do nosso exemplo, o número 10.100, corresponde à centésima década cosmológica, muito mais compreensível, ou η = 100.

As décadas cosmológicas também podem ser usadas ao discutir os períodos muito curtos, mas agitados, imediatamente após o Big Bang. Neste caso, permitimos que a década cosmológica tenha um valor negativo. Graças a esta expansão, um ano após o Big Bang corresponde a 10 0 anos, ou a década cosmológica zero. Então um décimo, ou 10 -1, é a década cosmológica -1, um centésimo, ou 10 -2 anos, é a década cosmológica -2, etc. O início do tempo em que o próprio Big Bang ocorreu corresponde a τ = 0; em termos de décadas cosmológicas, o Big Bang ocorreu na década cosmológica correspondente ao infinito com sinal negativo.

Nossa compreensão atual do passado e do futuro do Universo pode ser sistematizada destacando determinados períodos de tempo. À medida que o Universo passa de uma era para outra, o seu conteúdo e carácter mudam muito significativamente e, em alguns aspectos, quase inteiramente. Essas épocas, semelhantes às épocas geológicas, ajudam a formar uma impressão geral da vida no Universo. Ao longo do tempo, uma série de catástrofes astronómicas naturais moldam o Universo e controlam a sua evolução subsequente. A crônica desta história pode ser assim.

Era primária. -50 < η < 5. Эта эпоха включает раннюю фазу истории Вселенной. В то время, когда Вселенной не исполнилось и десяти тысяч лет, основная часть плотности энергии Вселенной существовала в виде излучения, поэтому этот ранний период часто называют era da radiação. Nenhum objeto astrofísico, como estrelas e galáxias, ainda se formou.

Durante esta curta era inicial, ocorreram muitos eventos importantes que determinaram o curso futuro do universo. Elementos leves como o hélio e o lítio foram formados nos primeiros minutos desta época primordial. Ainda antes, processos físicos complexos causavam uma ligeira predominância da matéria bariônica comum sobre a antimatéria. A antimatéria foi quase completamente aniquilada com a maior parte da matéria, após o que permaneceu uma pequena fração desta, que constitui o Universo moderno.

Se os relógios forem adiantados ainda mais, a nossa compreensão torna-se muito menos sólida. Num período extremamente inicial, quando o Universo era incrivelmente quente, o que parece ter acontecido é que campos quânticos de energia muito elevada causaram uma expansão fantasticamente rápida e criaram perturbações de densidade muito pequenas num Universo homogéneo e normal. Estas pequenas irregularidades sobreviveram e transformaram-se em galáxias, enxames e estruturas de grande escala que povoam o Universo moderno.

No final da época primária, a densidade de energia da radiação tornou-se menor do que a densidade de energia associada à matéria. Esta transição ocorreu quando o Universo tinha cerca de dez mil anos. Pouco depois disso, ocorreu outro divisor de águas: a temperatura do universo tornou-se baixa o suficiente para permitir a existência de átomos (mais precisamente, átomos de hidrogênio). A primeira aparição de átomos de hidrogênio neutros é chamada recombinação. Após a recombinação, perturbações na densidade da matéria no Universo permitiram formar aglomerados que não foram afetados pelo onipresente mar de radiação. Pela primeira vez, objetos astrofísicos familiares, como galáxias e estrelas, começaram a se formar.

Era das Estrelas. 6 < η < 14. Такое название обусловлено наличием звезд. В эту эпоху большая часть энергии, образующейся во Вселенной, возникает в результате реакций ядерного синтеза, которые происходят в обычных звездах. Мы живем в середине эпохи звезд - в то время, когда звезды активно рождаются, живут и умирают.

No período inicial da idade das estrelas, quando o Universo tinha apenas alguns milhões de anos, nasceu a primeira geração de estrelas. No primeiro bilhão de anos, surgiram as primeiras galáxias e começaram suas associações em aglomerados e superaglomerados.

Muitas galáxias recém-emergidas passam por fases turbulentas e de alta energia devido aos buracos negros que consomem tudo localizados em seus centros. Quando os buracos negros destroem estrelas e se cercam de discos de gás quente semelhantes a vórtices, enormes quantidades de energia são liberadas. Com o tempo estes quasares E núcleos galácticos ativos morrendo aos poucos.

No futuro, no final da era estelar, as estrelas mais comuns do Universo - estrelas de baixa massa chamadas anãs vermelhas - desempenharão um papel fundamental. As anãs vermelhas são estrelas cuja massa é inferior a metade da massa do Sol, mas são tantas que a sua massa combinada excede sem dúvida a massa de todas as estrelas maiores do Universo. Essas anãs vermelhas são verdadeiras avarentas quando se trata de converter hidrogênio em hélio. Acumulam a sua energia e existirão mesmo dentro de dez biliões de anos, enquanto estrelas mais massivas terão há muito esgotado as suas reservas de combustível nuclear e evoluído para anãs brancas ou transformadas em supernovas. A era das estrelas terminará quando as galáxias ficarem sem gás hidrogênio, o nascimento das estrelas parar e as estrelas de vida longa (aquelas com menos massa), as anãs vermelhas, desaparecerem lentamente. Quando as estrelas finalmente pararem de brilhar, o Universo terá cerca de cem trilhões de anos (década cosmológica η = 14).

Era da Decadência. 15 < η < 39. По завершении эпохи образования и эволюции обычных звезд большая часть обычного вещества во Вселенной окажется заключенной в вырожденных остатках звезд - единственном, что останется по окончании эволюции звезд. В этом контексте под термином вырожденность подразумевается особое квантово-механическое состояние вещества, а никак не состояние аморальности. В список вырожденных объектов входят коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. В эпоху распада Вселенная выглядит совсем не так, как сейчас. Нет видимого излучения обычных звезд, которое могло бы оживить небо, согреть планеты или придать галактикам слабое сияние, присущее им сегодня. Вселенная стала холоднее, темнее, а вещество в ней - еще более рассеянным.

E, no entanto, a escuridão total é constantemente animada por eventos astronomicamente interessantes. Colisões aleatórias destroem as órbitas das estrelas mortas e as galáxias mudam gradualmente sua estrutura. Alguns remanescentes estelares são ejetados muito além da galáxia, enquanto outros caem em direção ao seu centro. Ocasionalmente, um farol também pode piscar quando a colisão de duas anãs marrons produz uma nova estrela de baixa massa que viverá posteriormente por trilhões de anos. Em média, a qualquer momento, haverá várias dessas estrelas brilhando numa galáxia do tamanho da nossa Via Láctea. De vez em quando, como resultado da colisão de duas anãs brancas, a galáxia é abalada por uma explosão de supernova.

Durante a era da decadência, as anãs brancas, os remanescentes estelares mais comuns, contêm a maior proporção da matéria bariônica comum do universo. Eles coletam partículas de matéria escura que orbitam a galáxia, formando um enorme halo difuso. Uma vez dentro de uma anã branca, essas partículas são posteriormente aniquiladas, fornecendo assim ao Universo uma importante fonte de energia. Na verdade, a aniquilação da matéria escura está a substituir as tradicionais reacções de combustão nuclear nas estrelas como principal mecanismo de produção de energia. No entanto, na trigésima década cosmológica (η = 30) ou mesmo antes, o suprimento de partículas de matéria escura está esgotado, e como resultado este método de geração de energia chega à sua conclusão lógica. Agora, o conteúdo material do Universo está limitado a anãs brancas, anãs marrons, estrelas de nêutrons e planetas mortos espalhados a grandes distâncias uns dos outros.

No final da época de decaimento, a energia de massa armazenada no interior das anãs brancas e das estrelas de nêutrons é dissipada como radiação à medida que os prótons e nêutrons que compõem essas estrelas decaem. A anã branca, alimentada pelo decaimento de prótons, gera cerca de quatrocentos watts: essa quantidade de energia é suficiente para alimentar várias lâmpadas. A luminosidade total de uma galáxia inteira de estrelas tão antigas é menor do que a de uma única estrela comum que queima hidrogênio, como o nosso Sol. Com a conclusão do processo de decaimento do próton, a era do decaimento chega ao fim. O universo – ainda mais escuro, ainda mais rarefeito – está mudando novamente.

Era dos buracos negros. 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть их поверхности. Распад протонов никак не влияет на черные дыры, так что по окончании эпохи распада они остаются целыми и невредимыми.

À medida que as anãs brancas evaporam e desaparecem, os buracos negros absorvem matéria e crescem. No entanto, mesmo os buracos negros não podem viver para sempre. Eventualmente, eles devem evaporar através de um processo mecânico quântico muito lento chamado Radiação Hawking. Apesar do nome, os buracos negros não são completamente negros. Na verdade, eles brilham, embora de forma extremamente fraca, emitindo luz do espectro térmico e outros produtos de decomposição. Após o desaparecimento dos prótons, a evaporação dos buracos negros torna-se a principal fonte da energia quase invisível do Universo. Um buraco negro com a massa do Sol viverá cerca de sessenta e cinco décadas cosmológicas; um grande buraco negro com a massa de uma galáxia evaporará em noventa e oito ou cem décadas cosmológicas. Assim, todos os buracos negros estão destinados a morrer. A era dos buracos negros termina quando os maiores buracos negros evaporam.

A era da escuridão eterna.η > 101. Depois de cem décadas cosmológicas, os prótons já decaíram e os buracos negros evaporaram. Apenas os produtos residuais desses processos são preservados: fótons com enormes comprimentos de onda, neutrinos, elétrons e pósitrons. Existe um estranho paralelo entre a era das trevas eternas e a era primitiva, quando o universo tinha menos de um milhão de anos. Em cada uma dessas épocas, muito, muito distantes no tempo, não existem objetos semelhantes a estrelas que possam gerar energia.

Neste futuro frio e distante, a atividade no universo praticamente cessou. A energia caiu para níveis extremamente baixos e os intervalos de tempo são simplesmente impressionantes. Elétrons e pósitrons à deriva no espaço se encontram e de tempos em tempos formam átomos de positrônio. Porém, essas estruturas que se formam tão tardiamente são instáveis, e as partículas que as compõem, mais cedo ou mais tarde, aniquilam-se. Outros eventos de aniquilação de baixo nível podem ocorrer, embora muito lentamente.

Comparado com o seu passado pródigo, o Universo vive agora uma vida relativamente conservadora e frugal. Ou não? A aparente pobreza desta época, tão distante de nós, pode dever-se à incerteza da nossa extrapolação, e não à real transição do Universo para a velhice.

A nossa sociedade percebeu, com grande preocupação, que a extinção humana não é um problema tão absurdo. A confrontação nuclear, os desastres ambientais e a propagação de vírus não são todas as perspectivas apocalípticas a que as pessoas cautelosas, paranóicas e preocupadas com o lucro estão a prestar atenção. Mas e se aceitássemos a perspectiva um tanto ultrapassada, mas muito mais romântica, dos foguetes, das colônias no espaço e da conquista da Galáxia? Num futuro assim, a humanidade poderia facilmente atrasar a morte da Terra que se aproxima rapidamente, simplesmente mudando-se para outros sistemas solares. Mas podemos prolongar a vida das próprias estrelas? Encontraremos uma maneira de contornar o decaimento de prótons? Seremos capazes de prescindir das propriedades dos buracos negros que fornecem energia ao Universo? Será que algum organismo vivo será capaz de sobreviver à devastação final e abrangente da era das trevas eternas?

Neste livro consideramos as perspectivas e possibilidades de preservação da vida em cada época da evolução futura do Universo. Uma atmosfera de alguma incerteza acompanha inevitavelmente esta análise. A compreensão teórica geral da vida se destaca por sua ausência. Mesmo no único habitat onde temos experiência direta, a nossa Terra natal, a origem da vida ainda não é compreendida. Assim, nas nossas ousadas discussões sobre a possibilidade da existência de vida num futuro distante, estamos numa posição qualitativamente diferente de quando lidamos com fenómenos puramente astrofísicos.

Apesar de não termos um paradigma teórico sólido que descreva a origem da vida, precisamos de pelo menos algum tipo de modelo de trabalho que nos permita sistematizar a nossa avaliação das perspectivas de preservação e difusão da vida. Para abranger pelo menos parte de todo o leque de possibilidades, baseamos as nossas reflexões em dois modelos de vida muito diferentes. No primeiro e mais óbvio caso, estamos considerando a vida, que se baseia em uma bioquímica aproximadamente semelhante à da Terra. Este tipo de vida poderia surgir em planetas como a Terra ou em grandes luas de outros sistemas solares. Mantendo a tradição consagrada pelos exobiólogos, vamos supor que enquanto a água líquida estiver presente num planeta, a vida baseada no carbono pode começar e desenvolver-se nesse planeta. A exigência de que a água esteja no estado líquido impõe um limite de temperatura bastante rigoroso em qualquer habitat potencial. Por exemplo, para a pressão atmosférica a temperatura deve ser superior a 273 graus Kelvin, que é o ponto de congelamento da água, e inferior a 373 graus Kelvin, que é o ponto de ebulição da água. Esta faixa de temperatura exclui a maioria dos ambientes astrofísicos.

A segunda classe de formas de vida baseia-se num modelo muito mais abstrato. Neste último caso, baseamo-nos fortemente nas ideias de Freeman Dyson, um físico influente que formulou a hipótese de correspondência de escala para formas de vida abstratas. A ideia básica é que a qualquer temperatura é possível imaginar alguma forma abstrata de vida que prospere naquela temperatura específica, pelo menos em princípio. Além disso, a taxa a que esta criatura abstrata consome energia é diretamente proporcional à sua temperatura. Por exemplo, se imaginarmos algum tipo de organismo Dyson vivendo a uma determinada temperatura, então, de acordo com a lei da correspondência de escalas, todas as funções vitais de outra forma de vida qualitativamente semelhante, satisfeita com metade da temperatura mais baixa, deveriam ser desaceleradas. para baixo pelas mesmas duas vezes. Em particular, se os organismos Dyson em questão têm inteligência e algum tipo de consciência, então a velocidade real da sua percepção dos eventos em curso é determinada não pelo tempo físico real, mas pela chamada escala de tempo, proporcional à temperatura. Por outras palavras, a taxa de consciência é mais lenta nos organismos Dyson que vivem a baixas temperaturas do que numa forma de vida (de outra forma) semelhante que vive a temperaturas mais elevadas.

Esta abordagem abstrata leva a discussão muito além da familiar forma de vida baseada no carbono que existe no nosso planeta, mas ainda permite que sejam feitas algumas suposições sobre a natureza da vida em geral. Em primeiro lugar, é necessário aceitar que a base primária do pensamento é estrutura forma de vida, e não na substância que a forma. Por exemplo, nos seres humanos, o pensamento surge de alguma forma através de muitos processos bioquímicos complexos que ocorrem no cérebro. A questão é se esta estrutura orgânica é necessária. Se pudéssemos de alguma forma criar outra cópia de toda esta estrutura – uma pessoa – usando um conjunto diferente de materiais de construção, será que essa cópia seria capaz de pensar da mesma maneira? A cópia acreditaria que se trata da mesma pessoa? Se um design orgânico for necessário por algum motivo, o papel fundamental será desempenhado por substância, do qual a vida é composta, e a possibilidade de formas de vida abstratas existirem em uma ampla gama de ambientes diferentes é muito limitada. Se, pelo contrário, como aqui assumimos, apenas estrutura, então muitas formas de vida podem existir em uma ampla variedade de ambientes diferentes. A hipótese de correspondência da escala de Dyson nos dá uma ideia aproximada das taxas metabólicas e mentais dessas formas de vida abstratas. Este sistema de crenças é bastante optimista, mas, como veremos, tem implicações ricas e interessantes.

À medida que a nossa narrativa continua, e as grandes eras se sucedem, o caráter do Universo físico muda quase completamente. Uma consequência direta desta mudança é que o Universo do futuro distante ou do passado distante é completamente diferente do Universo em que vivemos hoje. Dado que o Universo actual é suficientemente propício à vida tal como a conhecemos – temos estrelas para nos fornecer energia e planetas onde viver – estamos todos naturalmente inclinados a considerar que a era moderna ocupa, em certo sentido, uma posição especial. Em contraste com esta opinião, aceitamos a ideia de "Princípio temporal de Copérnico" que afirma simplesmente que a era cosmológica moderna não ocupa um lugar especial no tempo. Em outras palavras, durante o processo de evolução e mudança do Universo, eventos interessantes não irão parar nele. Embora os níveis reais de produção de energia e de entropia estejam a tornar-se cada vez mais baixos, isto é compensado pelo aumento das escalas de tempo que estarão disponíveis no futuro. Parafraseando novamente esta ideia, argumentamos que as leis da física não prevêem que o Universo irá um dia atingir um estado de repouso completo, mas sim que processos físicos interessantes continuarão num futuro tão distante quanto nos atrevermos a olhar.

A ideia do Princípio do Tempo de Copérnico serve como uma extensão natural da nossa visão cada vez maior do Universo. Uma revolução global na visão de mundo ocorreu no século XVI, quando Nicolau Copérnico declarou que a Terra não é o centro do nosso sistema solar, como se pensava anteriormente. Copérnico entendeu corretamente que a Terra é apenas um dos muitos planetas que orbitam o Sol. Esta aparente degradação do estatuto da Terra e, portanto, da humanidade, causou uma forte ressonância na época. Como se costuma dizer, devido às consequências heréticas de tal mudança de pensamento, Copérnico foi forçado a adiar a publicação da sua maior obra. De Revolutionibus Orbium Coelestium até 1543 - ano de sua morte. Ele hesitou até o fim e esteve perto de esconder seu trabalho. Na introdução do seu livro, Copérnico escreve: “Estava prestes a colocar o meu trabalho concluído numa gaveta, pelo desprezo que previa, com razão, devido à novidade e à óbvia contradição da minha teoria com o bom senso”. Apesar do atraso, este trabalho acabou sendo publicado, e a primeira cópia impressa ficou no leito de morte de Copérnico. A Terra não era mais considerada o centro do Universo. Uma revolução global começou.

Após a revolução levada a cabo por Copérnico, o declínio do nosso estatuto não só continuou, mas também acelerou. Muito em breve, os astrónomos descobriram que outras estrelas eram, de facto, objetos semelhantes ao nosso Sol e poderiam, pelo menos em princípio, ter os seus próprios sistemas planetários. Um dos primeiros a chegar a esta conclusão foi Giordano Bruno, que afirmou que outras estrelas não só têm planetas, mas também que estes planetas são habitados! Posteriormente, em 1601, os inquisidores da Igreja Católica Romana queimaram-no na fogueira, embora não alegadamente por causa das suas declarações sobre assuntos de astronomia. Desde então, a ideia de que planetas também possam existir noutros sistemas solares tem sido retomada de tempos a tempos por cientistas eminentes, incluindo Leonhard Euler, Immanuel Kant e Pierre Simon Laplace.

Curiosamente, durante quase quatro séculos, a ideia da existência de planetas fora do nosso sistema solar permaneceu um conceito puramente teórico, para o qual não havia provas que o apoiassem. Somente nos últimos anos, a partir de 1995, é que os astrónomos estabeleceram com certeza que os planetas que orbitam outras estrelas realmente existem. Com novas capacidades de observação e um extenso trabalho, Jeff Marcy, Michel Mayor e seus associados demonstraram que os sistemas planetários são um fenómeno relativamente comum. Agora o nosso sistema solar tornou-se apenas um entre talvez milhares de milhões de sistemas solares que existem na galáxia. Uma nova revolução começou.

Subindo para o próximo nível, descobrimos que a nossa Galáxia não é a única no Universo. Como os cosmólogos perceberam pela primeira vez no início do século XX, o universo visível está repleto de galáxias, cada uma contendo milhares de milhões de estrelas que podem muito bem ter os seus próprios sistemas planetários. Além disso, Copérnico afirmou uma vez que o nosso planeta não tem um lugar especial dentro do nosso sistema solar, mas agora a cosmologia moderna provou que a nossa Galáxia não ocupa uma posição especial no Universo. Na verdade, o Universo parece obedecer princípio cosmológico(veja o próximo capítulo), que afirma que a grandes distâncias o Universo é o mesmo em todo o espaço sideral (o Universo é homogêneo) e que o Universo parece o mesmo em todas as direções (o Universo é isotrópico). O espaço não tem lugares privilegiados nem direções preferenciais. O universo exibe incrível regularidade e simplicidade.

Cada degradação subsequente do estatuto central da Terra leva à conclusão irrevogável de que a localização do nosso planeta no Universo não é digna de nota. A Terra é um planeta comum que gira em órbita de uma estrela moderadamente brilhante em uma galáxia comum localizada em um local selecionado aleatoriamente no Universo. O princípio do tempo de Copérnico estende esta ideia geral do domínio do espaço para o domínio do tempo. Assim como o nosso planeta, e portanto a humanidade, não tem uma localização especial no Universo, a nossa era cosmológica atual não ocupa um lugar especial nas vastas extensões do tempo. Este princípio apenas continua a destruir o pouco pensamento antropocêntrico que resta.

Estamos escrevendo este livro no final do século XX – um momento oportuno para refletir sobre o nosso lugar no universo. Graças à vastidão do conhecimento adquirido neste século, podemos observar mais de perto do que nunca a nossa posição no tempo e no espaço. De acordo com o princípio copernicano do tempo e com a vasta gama de eventos astrofísicos que ainda não ocorreram no vasto futuro, afirmamos que no final deste milénio o fim do Universo não estará muito próximo. Armados com as quatro forças da natureza, quatro janelas astronómicas para ver o universo e um novo calendário que mede o tempo em décadas cosmológicas, partimos na nossa viagem através das cinco grandes eras do tempo.

Notas:

Nas rotações das esferas celestes (lat.). - Aproximadamente. tradução

Forças na natureza.

Existem muitos na natureza tipos diferentes forças: gravidade, gravidade, Lorentz, Ampere, interação de cargas estacionárias, etc., mas todas elas se resumem a um pequeno número de interações fundamentais (principais). A física moderna acredita que existem apenas quatro tipos de forças ou quatro tipos de interações na natureza:

1) interação gravitacional (realizada através de campos gravitacionais);

2) interação eletromagnética (realizada através de campos eletromagnéticos);

3) nuclear (ou forte) (fornece conexão entre partículas no núcleo);

4) fraco (responsável pelos processos de decomposição das partículas elementares).

No âmbito da mecânica clássica, tratam das forças gravitacionais e eletromagnéticas, bem como das forças elásticas e das forças de atrito.

Forças gravitacionais(forças gravitacionais) são as forças de atração que obedecem à lei da gravitação universal. Quaisquer dois corpos são atraídos um pelo outro por uma força cujo módulo é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles:

onde =6,67×10 –11 N×m 2 /kg 2 – constante gravitacional.

Gravidade- a força com que um corpo é atraído pela Terra. Sob a influência da força da gravidade em direção à Terra, todos os corpos caem com a mesma aceleração em relação à superfície terrestre, chamada de aceleração da gravidade. De acordo com a segunda lei de Newton, uma força atua sobre todo corpo , chamada gravidade. É aplicado ao centro de gravidade.

Peso–Com lodo com o qual o corpo, sendo atraído pela Terra, atua na suspensão ou suporte . Ao contrário da gravidade, que é uma força gravitacional aplicada a um corpo, o peso é uma força elástica aplicada a um suporte ou suspensão. A gravidade é igual ao peso somente quando o suporte ou suspensão está estacionário em relação à Terra. No módulo, o peso pode ser maior ou menor que a gravidade. No caso de movimento acelerado de um suporte (por exemplo, um elevador carregando uma carga), a equação do movimento (levando em consideração que a força de reação do suporte é igual em magnitude ao peso, mas tem sinal oposto ): Þ . Se o movimento for ascendente , abaixo: .

Quando um corpo está em queda livre, seu peso é zero, ou seja, está em um estado ausência de peso.

Forças elásticas surgem como resultado da interação dos corpos, acompanhada de sua deformação. A força elástica (quase elástica) é proporcional ao deslocamento da partícula da posição de equilíbrio e é direcionada para a posição de equilíbrio:

Forças de fricção surgem devido à existência de forças de interação entre moléculas e átomos de corpos em contato. As forças dos espinhos: a) surgem quando dois corpos em movimento entram em contato; b) atuar paralelamente à superfície de contato; d) dirigido contra o movimento do corpo.

O atrito entre as superfícies de corpos sólidos na ausência de qualquer camada ou lubrificante é denominado seco. O atrito entre um meio sólido e um meio líquido ou gasoso, bem como entre as camadas de tal meio, é denominado viscoso ou líquido. Existem três tipos de atrito seco: atrito estático, atrito de deslizamento e atrito de rolamento.

Força de atrito estáticoé a força que atua entre corpos em contato que estão em repouso. É igual em magnitude e direcionado de forma oposta à força que força o corpo a se mover: ; , onde m é o coeficiente de atrito.

A força de atrito deslizante ocorre quando um corpo desliza sobre a superfície de outro: e é direcionado tangencialmente às superfícies de atrito na direção oposta ao movimento de um determinado corpo em relação a outro. O coeficiente de atrito de deslizamento depende do material dos corpos, do estado das superfícies e da velocidade relativa de movimento dos corpos.

Quando um corpo rola sobre a superfície de outro, força de atrito de rolamento, o que impede o corpo de rolar. A força de atrito de rolamento para os mesmos materiais de corpos em contato é sempre menor que a força de atrito de deslizamento. Isso é usado na prática, substituindo os rolamentos lisos por rolamentos de esferas ou de rolos.

As forças elásticas e as forças de atrito são determinadas pela natureza da interação entre as moléculas de uma substância de origem eletromagnética, portanto, são de origem eletromagnética por sua natureza. As forças gravitacionais e eletromagnéticas são fundamentais – não podem ser reduzidas a outras forças mais simples. As forças elásticas e de atrito não são fundamentais. As interações fundamentais distinguem-se pela simplicidade e precisão das leis.

O manual contém um conjunto de notas de apoio e tarefas de vários níveis compiladas de acordo com o atual livro de física e o novo padrão educacional.
As notas básicas na forma de blocos esquemáticos de informações educacionais (fórmulas, desenhos, símbolos, etc.) cobrem todos os principais tópicos do curso de física do 7º ano e representam uma estrutura holística. A melhor opção de ensino é quando o professor os aplica sistematicamente em seu trabalho na apresentação de novos materiais, no questionamento e no processo de sistematização do conhecimento.

SÓLIDO
- tem forma e volume
- difícil alterar forma e volume
- as moléculas (átomos) estão dispostas em uma ordem estrita (cristais), próximas umas das outras
- forte atração entre moléculas (átomos)
- moléculas (átomos) vibram em torno de um determinado ponto

LÍQUIDO
- assume a forma do recipiente em que está localizado
- muda facilmente de forma
- mantém o volume (difícil de alterar)
- as moléculas estão localizadas próximas umas das outras
- as moléculas não se separam por longas distâncias
- a atração entre as moléculas não é muito forte
- as moléculas mudam de posição abruptamente
- os líquidos são fluidos

GÁS
- não possuem forma própria e volume constante
- preencha completamente o volume fornecido
- altere facilmente o volume e a forma
- as moléculas estão localizadas distantes umas das outras
- as moléculas quase não têm atração umas pelas outras

ÍNDICE
Prefácio 3
Notas de apoio
OK-7.1 Introdução 4
OK-7.2 Grandezas físicas e suas medições 5
OK-7.3 Divisão de preços de instrumentos de medição 6
OK-7.4 Principais etapas do desenvolvimento da física 7
OK-7.5 Estrutura da matéria 8
OK-7.6 Difusão 9
OK-7.7 Interação de moléculas 10
OK-7.8 Três estados da matéria 11
OK-7.9 Movimento mecânico 12
OK-7.10 Movimento uniforme e irregular 13
OK-7.11 Inércia 14
OK-7.12 Interação de corpos 15
OK-7.13 Peso corporal 15
OK-7.14 Densidade da matéria 16
OK-7.15 Força 17
OK-7.16 O fenômeno da gravidade. Gravidade 18
OK-7.17 Força elástica. Lei de Hooke 19
OK-7,18 Peso corporal 20
OK-7.19 Adição de forças 20
OK-7.20 Força de fricção 21
OK-7.21 Pressão 22
OK-7.22 Pressão do gás 23
OK-7.23 Lei de Pascal 24
OK-7.24 Pressão em líquido e gás 24
OK-7.25 Navios comunicantes 25
OK-7.26 Pressão atmosférica 26
OK-7.27 Medição da pressão atmosférica 26
OK-7.28 Máquina hidráulica 27
OK-7.29 Força de flutuabilidade 28
OK-7.30 Lei de Arquimedes 29
OK-7.31 Corpos flutuantes 30
OK-7.32 Navegação de navios 30
OK-7.33 Aeronáutica 30
OK-7.34 Trabalho mecânico 31
OK-7.35 Potência 31
OK-7.36 Mecanismos simples 32
OK-7.37 Alavanca 32
OK-7.38 Bloco 33
OK-7.39 “Regra de Ouro” da Mecânica 33
OK-7.40 Energia 34
Tarefas multiníveis
RZ-7.1. Movimento mecânico (problemas de cálculo) 35
RZ-7.2. Movimento mecânico (tarefas gráficas) 39
RZ-7.3. Densidade da substância 46
RZ-7.4. Forças na natureza 49
RZ-7.5. Pressão de sólidos 51
RZ-7.6. Pressão de líquidos e gases 55
RZ-7.7. Poder de Arquimedes 62
RZ-7.8. Trabalho mecânico 68
RZ-7.9. Poder 72
RZ-7.10. Mecanismos simples. Eficiência dos mecanismos. Energia 75
Respostas 81
Tabelas de grandezas físicas 90
Fórmulas básicas 93.

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Existem quatro tipos de forças no Universo que determinam a natureza das interações entre os objetos. Dois deles são conhecidos como gravitacional E eletromagnético. O poder causa mudanças em um sistema específico. As forças gravitacionais no espaço mantêm, por exemplo, os planetas nas suas órbitas e reúnem poeira cósmica, resultando na formação de estrelas. As leis do movimento de Newton definem a força aplicada a um corpo como o produto da massa desse corpo pela aceleração que ele recebe. As forças eletromagnéticas que atuam dentro e entre os átomos têm um impacto maior do que as forças gravitacionais (atração mútua). As forças elétricas que atuam entre prótons e elétrons com cargas opostas impedem que átomos e moléculas se quebrem. As mesmas forças elétricas fornecem coesão entre materiais sólidos e líquidos. Mais dois tipos de forças no Universo são chamados forte E interações fracas. Eles atuam apenas dentro dos núcleos atômicos e não afetam o Universo como um todo.

Na física, por sua vez, existe o chamado modelo padrão - são ideias teóricas (um conjunto de equações) sobre os quatro tipos de forças fundamentais de interação entre objetos que existem no Universo. Duas dessas quatro interações são - forte E fraco- aparecem apenas dentro de núcleos atômicos. O terceiro é eletromagnético interação e quarto - gravitacional.

Tomados em conjunto, estes conceitos teóricos tornam possível prever o resultado de qualquer interação fundamental conhecida. A força fraca controla o decaimento radioativo. Interações fortes se unem prótons E nêutrons(também chamado núcleons) nos núcleos átomos, e também une partículas elementares chamadas quarks, por núcleon. A interação eletromagnética está envolvida na geração de luz e outros tipos de energia eletromagnética. radiação. Também liga átomos em moléculas, formando todas as substâncias que conhecemos. Graças à interação gravitacional, os planetas são mantidos próximos à estrela, que giram junto com seus satélites em torno das estrelas, e as próprias estrelas se movem em suas órbitas em galáxias.

2. Forte interação

Interação forte contém prótons e nêutrons dentro do átomo. Cada átomo consiste em um núcleo central carregado positivamente, composto de prótons e nêutrons e ocupando apenas uma pequena fração do volume do átomo, mas contendo a maior parte de sua massa, e uma nuvem circundante de elétrons carregados negativamente muito mais leves. O número de elétrons em um átomo é igual ao número de partículas carregadas no núcleo - prótons - e determina como um determinado átomo se conectará em uma molécula com outros átomos. Os prótons são um dos três tipos de partículas elementares que formam um átomo. As partículas eletricamente neutras (nêutrons) do núcleo determinam sua massa, mas não afetam o número de elétrons e, portanto, quase não têm efeito na ligação de um determinado átomo com outros.

As propriedades químicas de um átomo são determinadas pelo número de prótons em seu núcleo e pelo número correspondente de elétrons orbitando o núcleo. Quase toda a massa de um átomo está concentrada no núcleo. A massa individual de um próton e de um nêutron é aproximadamente 1.800 vezes maior que a de um elétron.

No entanto, quando os físicos se aprofundaram no funcionamento interno do átomo, descobriram que o nêutron e o próton, por sua vez, são construídos a partir de quarks, com cada um deles representando três quarks. A principal questão da física moderna é se os quarks também são construídos a partir de partículas ainda menores.

Interação forte , é a mais forte das interações fundamentais das partículas elementares. Interações fortes envolvem hádrons. (Hadrons, ou seja, quarks, partículas elementares participando da interação forte (bárions e mésons, incluindo todas as ressonâncias).

A interação forte excede a interação eletromagnética em cerca de 100 vezes, seu alcance de ação é de cerca de 10-13 cm.Um caso especial de interação forte são as forças nucleares. A teoria moderna da interação forte é a cromodinâmica quântica.

A cromodinâmica quântica é uma teoria quântica de campos da forte interação de quarks e glúons, que é realizada por meio da troca entre eles - glúons. (Os glúons são hipotéticas partículas eletricamente neutras com massa zero e spin 1 que interagem entre os quarks. Assim como os quarks, os glúons têm a característica quântica da “cor”.)

Ao contrário dos fótons, os glúons interagem entre si, o que leva, em particular, a um aumento na força de interação entre quarks e glúons à medida que se afastam um do outro. Supõe-se que é esta propriedade que determina a ação de curto alcance das forças nucleares e a ausência de quarks e glúons livres na natureza.

3. Interação eletromagnética

Interação eletromagnética, uma interação fundamental envolvendo partículas que possuem carga elétrica (ou momento magnético). O portador da interação eletromagnética entre partículas carregadas é o campo eletromagnético, ou campo quanta - fótons. Em termos de “força”, a interação eletromagnética ocupa uma posição intermediária entre as interações fortes e fracas e é de longo alcance. Determina a interação entre núcleos e elétrons em átomos e moléculas, portanto a maioria das forças manifestadas nos fenômenos macroscópicos são reduzidas à interação eletromagnética: forças elásticas, fricção, ligações químicas, etc. envolvidos na geração de luz e outros tipos de energia eletromagnética radiação.

Também liga átomos em moléculas, formando todas as substâncias que conhecemos.

Em 1647, O físico e filósofo francês Pierre Gassendi sugeriu que os átomos são inicialmente combinados em grupos especiais, que ele chamou de moléculas (de lat. moles - “massa”, com o sufixo diminuto cula).

A questão surgiu imediatamente: como se forma a ligação entre os átomos nas moléculas? A ideia de que os átomos estão ligados por meio de ganchos acabou deixando de satisfazer os químicos, porque Ficou claro que transformações químicas complexas não podem ser explicadas por interações mecânicas primitivas.

No início do século XIX. O químico sueco Jens-Jakob Berzelius propôs a teoria eletroquímica da afinidade. Ele acreditava que os átomos se atraem devido à presença em cada um deles de duas cargas elétricas opostas, localizadas a alguma distância uma da outra.

A ideia de que as forças que mantêm os átomos em uma molécula são de natureza elétrica revelou-se correta, mas os primeiros passos na compreensão da natureza da ligação química foram dados somente após a descoberta do elétron e o desenvolvimento da teoria eletrônica de estrutura atômica.

Em 1907, o químico russo Nikolai Aleksandrovich Morozov sugeriu que uma ligação química entre átomos poderia resultar da formação de pares de elétrons. Isto foi confirmado em 1916 pelo físico-químico americano Gilbert-Newton Lewis. De acordo com os cálculos de Lewis, descobriu-se que uma molécula será energeticamente mais estável se uma camada de oito elétrons (“octeto de elétrons”) for formada em torno de cada um de seus átomos. Não é à toa que gases nobres quimicamente inertes possuem esse conjunto de elétrons externos. Uma ligação química, segundo Lewis, é formada por um, dois, três pares de elétrons pertencentes aos octetos de dois átomos vizinhos.

As ideias de Lewis são compreensíveis e convenientes, mas não fornecem conhecimento sobre a origem das forças que causam a atração de átomos neutros e a formação de moléculas.

Em 1927, físicos teóricos explicaram desta forma a formação da molécula de hidrogênio. Cada um dos átomos deste elemento possui um elétron, que ocupa um orbital esférico ls-atômico e é atraído pelo núcleo carregado positivamente. Se for possível aproximar dois átomos de hidrogênio, então cada um dos elétrons começará a ser atraído por dois núcleos ou (o que é a mesma coisa) ambos os núcleos serão atraídos por elétrons.

Nesse caso, estabelece-se um equilíbrio entre as forças de atração e repulsão (próton-próton e elétron-elétron) e forma-se uma molécula de hidrogênio diatômica estável.

Para evitar que os átomos se espalhem, os elétrons devem passar o máximo de tempo possível entre os núcleos. Como conseguir isso?

Orbitais atômicos durante a interação dos átomos se sobrepõem parcialmente e penetram uns nos outros. Na área de penetração das “nuvens” de elétrons, surge uma carga elétrica adicional.

A região de sobreposição parcial se comporta como um orbital independente, e as mesmas regras se aplicam aqui como no preenchimento de orbitais atômicos, incluindo o princípio de Pauli. De acordo com este princípio, dois elétrons em uma molécula de hidrogênio devem ter spins diferentes (spin é o momento magnético do próprio elétron) - eles são indicados por setas opostas: ↓.

O princípio de Pauli explica porque a formação de uma molécula diatômica de hélio é impossível. Para que tal molécula de He 2 seja estável, deve haver quatro elétrons na região de sobreposição. No entanto, existem apenas duas direções de rotação, o que significa que apenas dois elétrons podem estar entre os núcleos. Os elétrons restantes “separarão” os núcleos e os átomos se separarão. A molécula não é formada. Não apenas orbitais s, mas também outros orbitais podem participar da sobreposição. No entanto, nuvens eletrônicas de átomos se sobrepõem e penetram umas nas outras apenas se tiverem energias semelhantes e a mesma simetria. Aqui, por exemplo, está o flúor F, cujo átomo tem a fórmula eletrônica [He] 2s22pK. Cada átomo de flúor possui sete elétrons de valência – esse é o nome dado aos elétrons externos capazes de formar uma ligação química. |

Orbitais atômicos ocupados por pares de elétrons, mesmo os de valência, não se sobrepõem pela mesma razão que os orbitais dos átomos de hélio. No entanto, cada átomo de flúor tem um orbital com um único elétron (desemparelhado) - esses orbitais irão penetrar um no outro (sobrepor-se). Na região de sobreposição haverá dois elétrons de dois átomos de flúor, que os unirão em uma molécula.

Orbitais diferentes também podem se sobrepor. É assim que uma ligação é formada na molécula de fluoreto de hidrogênio HF. O fato é que o orbital s do átomo de hidrogênio e p-orbitais de um átomo de flúor têm formas diferentes, mas a mesma simetria: ao girar em torno de um eixo que conecta os núcleos dos átomos, eles coincidem entre si. Um elétron de ambos os átomos está localizado na região onde esses orbitais se sobrepõem. E assim um par de elétrons combina átomos de hidrogênio e flúor: a molécula de HF é obtida.

Para esférico é-orbitais há apenas uma possibilidade de sobreposição, mas p-orbitais podem se sobrepor de diferentes maneiras. Um deles é mostrado usando o exemplo de uma molécula de flúor. Com tal sobreposição, o chamado ligação σ. Mas há outra possibilidade - sobrepor-se às regiões laterais da nuvem de elétrons. Neste caso, é formado ligação π, que é muito mais fraca que a ligação σ e só pode surgir além dela. Para fazer isso, dois átomos devem ter p-orbitais que podem participar da sobreposição. Os átomos de oxigênio têm essa oportunidade. A fórmula eletrônica do átomo de oxigênio é [He] 2s 2 2p 4 e aqui existem seis elétrons de valência. O átomo de oxigênio tem em um p-orbitais têm dois elétrons e os dois restantes têm um cada. São esses orbitais atômicos com elétrons únicos (desemparelhados) que participam da sobreposição.

Dois p-orbitais de dois átomos de oxigênio localizados ao longo da linha que conecta seus núcleos se sobrepõem e formam uma ligação σ. A p-orbitais perpendiculares a esta linha criam uma ligação π adicional. A ligação torna-se dupla e dois pares de elétrons participam de sua formação. Era como se os átomos de oxigênio estendessem as duas mãos um para o outro.

O átomo de nitrogênio N (sua fórmula eletrônica é [He] 2s 2 2p 2) dos sete elétrons são de valência, cinco dos quais estão localizados individualmente em três p-orbitais. Quando as nuvens de elétrons de dois átomos de nitrogênio se sobrepõem, uma ligação σ e duas ligações π são formadas. Isso já é uma ligação tripla. É extremamente durável e fica claro por que as moléculas de nitrogênio N2 entram em reações químicas com tanta dificuldade. Em geral, é conveniente ter vários orbitais com elétrons desemparelhados - você pode formar várias ligações com outros átomos. Em vez de usar duas ligações para se combinarem em uma molécula de O2, um átomo de oxigênio pode anexar dois átomos de hidrogênio a si mesmo - o resultado é uma molécula de água H2O.

O mecanismo de formação de uma ligação química, em que é utilizado um elétron de cada átomo, é denominado troca. Aqui todos os átomos parecem trocar seus elétrons.

Por exemplo, se duas pessoas trocam maçãs, cada uma terá novamente uma maçã, e se trocarem ideias, cada uma terá duas. E se um deles for um grande inventor e já tiver duas ideias, mas o seu parceiro não tiver nenhuma? Pois bem, durante a comunicação o resultado será o mesmo - todos têm duas ideias que se tornarão comuns. Portanto, um par de elétrons na região de sobreposição também pode aparecer quando dois orbitais se sobrepõem - um vazio e outro com dois elétrons. Este é um mecanismo doador-aceitador para a formação de uma ligação química: o átomo doador cede livremente e o átomo aceitador aceita dois elétrons emparelhados.

Assim, com base nas interações eletromagnéticas, são explicados não apenas os fenômenos elétricos e magnéticos, mas também os ópticos, térmicos e químicos.

4. Interação fraca

A interação fraca é uma das interações fundamentais da qual participam todas as partículas elementares (exceto o fóton). A interação fraca é muito mais fraca não apenas que a interação forte, mas também a interação eletromagnética, mas é incomensuravelmente mais forte que a interação gravitacional. O raio de ação esperado da interação fraca é de cerca de 2,10-16 cm. A interação fraca determina a maioria dos decaimentos das partículas elementares, a interação dos neutrinos com a matéria, etc. , “charme”, etc. anos 60 foi criada uma teoria unificada de interações fracas e eletromagnéticas (a chamada interação eletrofraca).

Paridade, um número quântico que caracteriza a simetria da função de onda de um sistema físico ou de uma partícula elementar sob algumas transformações discretas: se durante tal transformação y não muda de sinal, então a paridade é positiva; se mudar, então a paridade é negativo. Para partículas (ou sistemas) absolutamente neutras idênticas às suas antipartículas, além da paridade espacial, pode-se introduzir os conceitos de paridade de carga e paridade combinada (para outras partículas, substituí-las por antipartículas altera a própria função de onda).

Estranheza(S), um número quântico inteiro (zero, positivo ou negativo) que caracteriza os hádrons. A estranheza das partículas e antipartículas tem sinais opostos. Hádrons com S≠0 são chamados de estranhos. A estranheza é preservada nas interações fortes e eletromagnéticas, mas é violada (por 1) na interação fraca.

"Charme"(charme, charme), número quântico que caracteriza hádrons (ou quarks); preservado nas interações forte e eletromagnética, mas é violado pela interação fraca. Partículas com valor de charme diferente de zero são chamadas de partículas "encantadas".

A força fraca, por exemplo, controla o decaimento radioativo.

Decaimento radioativo - trata-se de uma diminuição gradual do número de átomos radioativos de uma substância durante o decaimento nuclear espontâneo, como resultado do qual esses átomos passam de um estado instável para um estado estável. O tempo durante o qual metade desses átomos decai é chamado de meia-vida. O processo de decaimento radioativo é acompanhado pela emissão de partículas alfa, núcleons, elétrons e raios gama, seja diretamente de núcleos atômicos instáveis ​​ou como resultado de uma reação nuclear.

A decadência radioativa é um processo natural que ocorre ao nosso redor o tempo todo. É a decomposição radioativa de elementos como urânio, tório e potássio que aquece o interior da Terra. O calor interno do núcleo da Terra também é gerado pela decadência radioativa de elementos formados nos corpos estelares e incluídos na Terra primordial como resultado do Big Bang. Este mesmo calor, por sua vez, energiza a atividade tectônica da Terra.

O tempo necessário para que metade de uma determinada quantidade de material radioativo decaia (libere energia) é chamado de meia-vida. Um átomo decai por fissão (ou divisão) do núcleo atômico, passando de um estado instável para um estado estável. Todas as substâncias radioativas tendem a atingir um estado estável ao longo do tempo, e esse processo é acompanhado pela emissão de radiação ionizante. As meias-vidas de vários materiais radioativos variam de menos de um milionésimo de segundo a milhões de anos. A meia-vida de qualquer substância é constante e não depende de condições físicas como pressão ou temperatura. Portanto, a radioatividade pode ser usada para estimar intervalos de tempo medindo a fração de núcleos que já decaíram. Por exemplo, medindo a quantidade de carbono restante num fóssil, podemos descobrir há quanto tempo o material fóssil foi formado.

As meias-vidas das substâncias radioativas que representam a maior ameaça para a humanidade não são nem muito curtas nem muito longas. As substâncias de vida curta perdem a sua actividade tão rapidamente que não representam qualquer perigo. A radioatividade de materiais de vida muito longa diminui tão lentamente que a radiação ionizante prejudicial deles é praticamente inofensiva.

5. Interação gravitacional

A interação gravitacional, uma interação universal (inerente a todos os tipos de matéria), a mais fraca das interações fundamentais das partículas elementares, tem a natureza da atração.

Se esta interação for relativamente fraca e os corpos se moverem lentamente em comparação com a velocidade da luz no vácuo Com, então a lei da gravitação universal de Newton é válida. No caso de campos fortes e velocidades comparáveis ​​a c, é necessário utilizar a teoria da relatividade geral (GTR) criada por A. Einstein, que é uma generalização da teoria da gravidade de Newton baseada na teoria da relatividade especial. A relatividade geral baseia-se no princípio da equivalência – a indistinguibilidade local das forças gravitacionais e das forças inerciais que surgem durante a aceleração do sistema de referência. Este princípio se manifesta no fato de que em um determinado campo gravitacional, corpos de qualquer massa e natureza física se movem da mesma forma sob as mesmas condições iniciais. A teoria de Einstein descreve a gravidade como a influência da matéria física nas propriedades geométricas do espaço-tempo (s.-t.); por sua vez, essas propriedades influenciam o movimento da matéria e outros processos físicos. Em um p.-v tão curvo. o movimento dos corpos “por inércia” (isto é, na ausência de outras forças externas além das gravitacionais) ocorre ao longo de linhas geodésicas, semelhantes às linhas retas no espaço não curvo, mas essas linhas já são curvas. Num campo gravitacional forte, a geometria do espaço tridimensional comum revela-se não euclidiana e o tempo flui mais lentamente do que fora do campo. A teoria de Einstein prevê uma taxa final de mudança no campo gravitacional igual à velocidade da luz no vácuo (esta mudança é transferida na forma de ondas gravitacionais), a possibilidade do surgimento de buracos negros, etc. relatividade geral.

Depois de realizar experimentos mentais, Einstein chegou à conclusão de que um campo gravitacional real só será equivalente a sistemas acelerados se o espaço-tempo for curvo, ou seja, não-euclidiano: “Nosso mundo é não-euclidiano. Sua natureza geométrica é formada pelas massas e suas velocidades. As equações gravitacionais da relatividade geral procuram revelar as propriedades geométricas do nosso mundo." O grande físico partiu do fato de que o continuum espaço-tempo é de natureza Riemanniana. E Riemanniano (no sentido estrito) é um espaço de curvatura positiva constante. Sua imagem visual é a superfície de uma esfera comum, na qual a linha mais curta não é reta.

Assim, do ponto de vista da relatividade geral, o espaço do nosso mundo não tem curvatura zero constante. Sua curvatura varia de ponto a ponto e é determinada pelo campo gravitacional. E o tempo flui de maneira diferente em pontos diferentes. O campo gravitacional nada mais é do que um desvio das propriedades do espaço real das propriedades do espaço ideal (euclidiano). O campo gravitacional em cada ponto é determinado pelo valor da curvatura do espaço naquele ponto. Neste caso, a curvatura do espaço-tempo é determinada não apenas pela massa total da substância que compõe o corpo, mas também por todos os tipos de energia nele presentes, incluindo a energia de todos os campos físicos. Assim, na relatividade geral o princípio da identidade de massa e energia da relatividade especial é generalizado: E =MC 2 . Assim, a diferença mais importante entre a GTR e outras teorias físicas é que ela descreve a gravitação como a influência da matéria nas propriedades do espaço-tempo; essas propriedades do espaço-tempo, por sua vez, afetam o movimento dos corpos e os processos físicos em eles.

Na relatividade geral, o movimento de um ponto material em um campo gravitacional é considerado como movimento “inercial” livre, mas ocorrendo não no euclidiano, mas no espaço com curvatura variável. Como resultado, o movimento do ponto não é mais retilíneo e uniforme, mas ocorre ao longo da linha geodésica do espaço curvo. Segue-se que a equação do movimento de um ponto material, assim como de um raio de luz, deve ser escrita na forma de uma equação de uma linha geodésica de um espaço curvo. Para determinar a curvatura do espaço, é necessário conhecer a expressão dos componentes do tensor fundamental (um análogo do potencial na teoria da gravidade de Newton). A tarefa é, conhecendo a distribuição das massas gravitantes no espaço, determinar as funções das coordenadas e do tempo (componente do tensor fundamental); então você pode escrever a equação da linha geodésica e resolver o problema do movimento de um ponto material, o problema da propagação de um raio de luz, etc.

Einstein encontrou a equação geral do campo gravitacional (que na aproximação clássica se transformou na lei da gravitação de Newton) e assim resolveu o problema da gravitação de forma geral. As equações do campo gravitacional na relatividade geral são um sistema de 10 equações. Ao contrário da teoria da gravidade de Newton, onde existe um potencial de campo gravitacional, que depende de uma única quantidade - densidade de massa, na teoria de Einstein o campo gravitacional é descrito por 10 potenciais e pode ser criado não apenas pela densidade de massa, mas também pelo fluxo de massa e fluxo de impulso.

Outra diferença fundamental entre a GTR e suas teorias físicas antecessoras é a rejeição de uma série de conceitos antigos e a formulação de novos. Assim, o GTR abandona os conceitos de “força”, “energia potencial”, “sistema inercial”, “caráter euclidiano do espaço-tempo”, etc. No GTR são utilizados corpos de referência não rígidos (deformáveis), uma vez que não existem corpos rígidos em campos gravitacionais e horas de movimento dependem do estado desses campos. Tal quadro de referência (é chamado de “marisco de referência”) pode se mover de qualquer maneira e sua forma pode mudar; o relógio usado pode ter um movimento arbitrariamente irregular. A relatividade geral aprofunda o conceito de campo, ligando os conceitos de inércia, gravidade e métricas espaço-temporais, e permite a possibilidade de ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais são criadas por um campo gravitacional variável, movimento desigual de massas e se propagam pelo espaço na velocidade da luz. As ondas gravitacionais em condições terrestres são muito fracas. Existe a possibilidade de registro real da radiação gravitacional que surge em grandiosos processos catastróficos no Universo - explosões de supernovas, colisões de pulsares, etc.

Lista de literatura usada

1. Albert Einstein e a teoria da gravidade. - M., 1979. - S. 570.

1. Grande série de conhecimentos. Química. - M.: World of Books, Parceria Enciclopédica Russa, 2006. - P. 10 - 21.

1. Grande Enciclopédia de Cirilo e Metódio, 2007. - www.KM.ru [multiportal eletrônico]

4. Brenan R. Dicionário de alfabetização científica. - M: Mundo, 1997. - 368 p.

5. Grushevitskaya T.G., Sadokhin A.P., Conceitos de ciências naturais modernas: livro didático para universidades. - M., 2002.

6. Ilchenko V.R. Encruzilhada de física, química e biologia. - M.: Educação, 1986. - P.134 - 140.

7. Naydysh V.M., Conceitos de ciências naturais modernas: livro didático. - Ed. 2º, revisado e adicional - M.: Alfa-M, INFRA-M, 2004.

8. Problemas filosóficos das ciências naturais. - M.: Ensino Superior, 1985.

9. Einstein A., Infeld L., Evolução da física. - M., 1965.

Existem quatro tipos de forças na natureza: gravitacional, eletromagnética, nuclear e fraca.

Forças gravitacionais ou gravidade, agir entre todos os corpos. Mas essas forças são perceptíveis se pelo menos um dos corpos tiver dimensões comparáveis ​​ao tamanho dos planetas. As forças de atração entre corpos comuns são tão pequenas que podem ser desprezadas. Portanto, as forças de interação entre os planetas, bem como entre os planetas e o Sol ou outros corpos que possuem massa muito grande, podem ser consideradas gravitacionais. Podem ser estrelas, satélites de planetas, etc.

Forças eletromagnéticas atuam entre corpos com carga elétrica.

Forças nucleares(fortes) são os mais poderosos da natureza. Eles atuam dentro dos núcleos dos átomos a distâncias de 10 a 13 cm.

Forças fracas, como os nucleares, atuam em distâncias curtas da ordem de 10 a 15 cm e, como resultado de sua ação, ocorrem processos no interior do núcleo.

A mecânica considera forças gravitacionais, forças elásticas e forças de atrito.

Forças gravitacionais

A gravidade é descrita lei da gravitação universal. Esta lei foi delineado por Newton no meio XVII V. na obra “Princípios matemáticos da filosofia natural”.

Por gravidadechamada de força da gravidade com a qual quaisquer partículas materiais se atraem.

A força com que as partículas materiais se atraem é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. .

G – constante gravitacional, numericamente igual ao módulo da força gravitacional com a qual um corpo de massa unitária atua sobre um corpo de mesma massa unitária e localizado a uma distância unitária dele.

G = 6,67384(80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1, ou N m² kg −2.

Na superfície da Terra, a força da gravidade (força gravitacional) se manifesta como gravidade.

Vemos que qualquer objeto lançado na direção horizontal ainda cai. Qualquer objeto jogado para cima também cai. Isso acontece sob a influência da gravidade, que atua sobre qualquer corpo material localizado próximo à superfície da Terra. A força da gravidade atua nos corpos e nas superfícies de outros corpos astronômicos. Esta força é sempre direcionada verticalmente para baixo.

Sob a influência da gravidade, um corpo se move em direção à superfície do planeta com aceleração, que é chamada aceleração da queda livre.

A aceleração da gravidade na superfície da Terra é denotada pela letra g .

Pés = mg ,

por isso,

g = Pés / eu

g = 9,81 m/s 2 nos pólos da Terra e no equador g = 9,78 m/s 2 .

Ao resolver problemas físicos simples, o valor g é considerado igual a 9,8 m/s 2.

A teoria clássica da gravidade é aplicável apenas a corpos cuja velocidade é muito inferior à velocidade da luz.

Forças elásticas

Forças elásticas são chamadas de forças que surgem em um corpo como resultado de uma deformação, causando uma mudança em sua forma ou volume. Essas forças sempre se esforçam para retornar o corpo à sua posição original.

Durante a deformação, as partículas do corpo são deslocadas. A força elástica é direcionada na direção oposta à direção do deslocamento das partículas. Se a deformação parar, a força elástica desaparece.

O físico inglês Robert Hooke, contemporâneo de Newton, descobriu uma lei que estabelece uma ligação entre a força elástica e a deformação de um corpo.

Quando um corpo é deformado, surge uma força elástica que é diretamente proporcional ao alongamento do corpo e tem direção oposta ao movimento das partículas durante a deformação.

F = k ∆ eu ,

Onde Para – rigidez corporal, ou coeficiente de elasticidade;

∆ eu – a quantidade de deformação mostrando a quantidade de alongamento do corpo sob a influência de forças elásticas.

A lei de Hooke se aplica às deformações elásticas quando o alongamento do corpo é pequeno, e o corpo restaura suas dimensões originais após o desaparecimento das forças que causaram essa deformação.

Se a deformação for grande e o corpo não retornar à sua forma original, a lei de Hooke não se aplica. No Deformações muito grandes causam destruição do corpo.

Forças de fricção

O atrito ocorre quando um corpo se move na superfície de outro. É de natureza eletromagnética. Isto é uma consequência da interação entre átomos e moléculas de corpos em contato. A direção da força de atrito é oposta à direção do movimento.

Distinguir seco E líquido atrito. O atrito é denominado seco se não houver camada líquida ou gasosa entre os corpos.

Uma característica distintiva do atrito seco é o atrito estático, que ocorre quando os corpos estão em repouso relativo.

Magnitude forças de atrito estático sempre igual à magnitude da força externa e direcionada na direção oposta. A força de atrito estático impede o movimento de um corpo.

Por sua vez, o atrito seco é dividido em atrito escorregar e fricção rolando.

Se a magnitude da força externa exceder a magnitude da força de atrito, ocorrerá deslizamento e um dos corpos em contato começará a se mover para frente em relação ao outro corpo. E a força de atrito será chamada força de atrito deslizante. Sua direção será oposta à direção do deslizamento.

A força de atrito deslizante depende da força com que os corpos se pressionam, do estado das superfícies de atrito, da velocidade do movimento, mas não depende da área de contato.

A força de atrito deslizante de um corpo na superfície de outro é calculada pela fórmula:

F tr. = k N ,

Onde k- coeficiente de atrito deslizante;

N – força de reação normal agindo sobre o corpo a partir da superfície.

Força de atrito de rolamento ocorre entre um corpo que rola sobre uma superfície e a própria superfície. Tais forças aparecem, por exemplo, quando os pneus dos automóveis entram em contato com a superfície da estrada.

A magnitude da força de atrito de rolamento é calculada pela fórmula

Onde Pés – força de atrito de rolamento;

f – coeficiente de atrito de rolamento;

R – raio do corpo rolante;

N – força de pressão.