Valdir Aguilera
Físico e pesquisador

As forças do universo físico. Quantas são?

Valdir Aguilera

1. Introdução

São muitas as situações do cotidiano em que vemos a ação de uma força. É um menino que atira uma pedra, uma fruta que cai da árvore, alguém empurrando um objeto, outro abrindo ou fechando uma gaveta, quando arremessamos uma bola para cima, quando ela cai, um metal atraído por um ímã, o coração bombeando sangue, etc. Há outras ações que podem ser observadas apenas em situações especiais e controladas.

Também há forças cuja ação não pode ser diretamente observada, embora a intensidade delas possa ser calculada. Por exemplo, a atração que o núcleo atômico exerce sobre os elétrons que formam um átomo.

O êxito de teorias elaboradas por físicos leva-os a aceitar que algumas forças realmente existem e estão atuantes, embora não possamos medi-las. Apenas para mencionar um exemplo, a força de gravitação universal entre objetos cósmicos é uma delas. Não é possível medir diretamente a intensidade da força que atua entre duas galáxias, mas a teoria permite calculá-la, e o movimento dessas galáxias é explicável pela atração gravitacional que uma exerce sobre a outra. É a força gravitacional também que explica e descreve a dinâmica interna do sistema solar.

2. Quantas forças existem?

Pela grande variedade de exemplos da ação de forças, podemos ser levados a imaginar que existe uma infinidade delas. Contudo, por incrível que pareça, todas as forças que atuam nos vários exemplos mencionados, e numa infinidade de outros, podem ser reduzidas a um número muito pequeno delas. Esse pequeno grupo constitui as forças fundamentais da natureza. Acreditava-se que eram apenas três: a força da gravidade, a força elétrica e a força magnética. A ação de todas as forças era explicada com apenas essas três.

3. Três é demais

Cerca de um século e meio atrás, mais precisamente em 1864, descobriu-se que três forças eram demais. Duas delas, a força elétrica e a magnética, na verdade são manifestações de uma mesma força, que foi batizada de força eletromagnética. Desta forma, apenas duas forças, a eletromagnética e a gravitacional, eram suficientes para explicar todos os efeitos até então observados. A primeira atuando onde houver carga elétrica. Vemos seus efeitos no interior dos átomos, nos objetos imantados, nas transmissões de rádio, televisão, telefone, no microondas, computadores etc. A segunda atuando onde houver massa, como os objetos sobre uma mesa, a roupa pendurada no varal, os cometas viajando erradamente pelo espaço, a lua em seu movimento ao redor da Terra, as marés etc.

Os cientistas viviam felizes com essas duas forças, pois lhes permitiam explicar todos os fenômenos físicos e químicos. Até que novos acontecimentos vieram perturbar-lhes o sono. Descobriram que o átomo tem uma estrutura interna, que ele é feito de partes menores e não é indivisível como se suspeitava desde a época em que brilhavam os filósofos gregos.

4. Três é pouco

O átomo é um objeto formado por um núcleo envolto por elétrons. O núcleo, que contém partículas com carga elétrica positiva, mantém os elétrons presos no átomo graças à ação atrativa da força eletromagnética, uma das forças fundamentais. Até aí tudo bem. Pode-se continuar com apenas duas forças fundamentais. Contudo, como explicar que as cargas positivas permanecem confinadas no pequeníssimo núcleo? A força de repulsão, eletromagnética, entre essas cargas dentro do núcleo é enorme, enormíssima! Alguma força, desconhecida até então, seria responsável por manter as cargas positivas presas no interior do núcleo, e deveria ser muito mais forte do que a extraordinária repulsão entre as partículas de carga positiva no interior do núcleo. Uma nova força fundamental acabava de ser descoberta. Nunca tinha sido detectada antes porque seu raio de ação se limita ao interior do núcleo atômico. A ela deu-se o nome de força nuclear (hoje é chamada de força forte).

Ampliou-se, assim, o leque de forças fundamentais. De duas passaram a ser novamente três: a força gravitacional, a força eletromagnética e a força forte. Contudo, o interior do átomo tinha mais surpresas para aqueles que se atreveram a perturbar a sua intimidade.

Sabia-se que muitos átomos não são estáveis, vivem se transformando em outros. Esse fenômeno tem sua origem na instabilidade dos seus núcleos. A situação é a seguinte.

No interior do núcleo atômico há dois tipos de partículas: prótons e nêutrons. Em alguns núcleos, como o carbono-11 por exemplo, de repente um nêutron resolve se transformar num próton. Quando isso acontece, e ninguém sabe quando, como e por quê, diz-se que houve uma desintegração nuclear, ou decaimento beta. Nesse processo, um nêutron se transforma num próton que permanece no núcleo e este emite duas partículas: um elétron e um neutrino.

Esse processo não pode ser resultado da ação de nenhuma das três forças fundamentais então conhecidas. Assim, foi descoberta uma quarta força fundamental. A ela se deu o nome de força fraca.

Recapitulemos a posição dos físicos ao longo dos tempos. Aceitavam a existência de três forças fundamentais, a gravitacional, a elétrica e a magnética. Tiveram de reduzir para duas, a gravitacional e a eletromagnética. Mais tarde, vasculhando o interior do átomo, tiveram de incluir uma terceira força fundamental, a força forte. E não demorou muito para descobrirem mais uma, a força fraca, elevando a quatro o número de forças fundamentais. Ainda não é o fim do filme.

4. Quatro é demais?

Poucas décadas atrás descobriu-se que a força eletromagnética e a força fraca eram uma só força no início do universo (logo após o hipotético big bang). Pouco tempo mais tarde, essa força desdobrou-se na forma de força eletromagética e força fraca. Em sua origem, portanto, a força fraca e a eletromagnética se “fundiam” numa só, a força eletrofraca.

Diante deste quadro, e de acordo com as teorias mais modernas, as forças fundamentais que atuam no universo são quatro: gravitacional, eletromagnética, forte e fraca.

5. Partículas portadoras de força

A cada uma dessas forças está associada uma partícula exclusiva, que seria uma medida da quantidade mínima em que a força pode existir. Temos, assim, quatro partículas, cada uma associada a uma das forças fundamentais. Essas partículas são chamadas partículas portadoras da força. Três delas já foram identificadas e detectadas: os bósons da força fraca, os glúons – associados à força forte –, e os fótons – associados à força eletromagnética. A partícula associada à força gravitacional recebe o nome de gráviton, mas ainda não foi detectada, embora sejam conhecidas suas propriedades físicas.

O que o parágrafo anterior está querendo nos dizer? Vamos tentar aclarar a situação.

Os físicos não gostam do conceito de "ação à distância". Por exemplo, como pode o Sol, do local onde está, atrair a Terra e os seus outros planetas? Imaginaram, então, um mecanismo pelo qual as forças exercem suas ações. O Sol e a Terra se atraem mutuamente via trocas entre si de grávitons, as partículas portadoras da força gravitacional.

Da mesma forma, um elétron e um próton se atraem mutuamente pela troca de fótons entre si. Os fótons são as partículas portadoras da força eletromagnética. Similarmente para as outras duas forças.

6. Por que quatro e por que com intensidades tão diferentes?

Uma pergunta espanta os físicos: por que quatro forças e não três, cinco, seis ou mais? Não se sabe a resposta. Talvez haja outras forças que ainda não têm lugar no universo que conhecemos.

Outro mistério é a enorme diferença entre as intensidades dessas forças fundamentais. Dentre elas, a mais fraca é a gravitacional. Para se ter uma idéia quantitativa das intensidades relativas das forças fundamentais, vamos atribuir o valor 10 para a força forte. A intensidade da força eletromagnética seria representada por 0,01, ou seja, 1/100; a da força fraca por 1/10¹³, ou seja, 1 dividido por 1 seguido de 13 zeros; e, a da força gravitacional por 1/10⁴², ou seja, 1 dividido por 1 seguido de 42 zeros!

Ainda sobre as intensidades das forças fundamentais, de acordo com uma teoria moderna, chamada Modelo Padrão, a intensidade das forças eletromagnética, forte e fraca se igualam quando são consideradas em regiões extremamente pequenas, o que equivale a energias extremamente grandes. A força gravitacional não pôde ser incorporada nesse esquema. Contudo, em uma outra teoria, chamada Teoria M, e nas mesmas condições – regiões extremamente pequenas–, a intensidade das quatro forças se equivalem.

7. Conclusão

Todos os fenômenos físicos conhecidos podem ser explicados por apenas estas quatro forças fundamentais: a gravitacional, a eletromagnética, a forte e a fraca. Até agora, nenhum fenômeno foi observado que acuse a existência de uma quinta força. O que não significa que não exista. A ciência e seus avanços experimentais e teóricos têm evoluído muito rapidamente e surpresas podem estar nos aguardando na próxima curva. Afinal, o universo é infinito. Ou não é?!

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1. Mistérios da matéria – os quarks

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(Junho 2009)

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