Image credit: Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF/LBNL, via http://cpepweb.org/.
Quando se trata de leis fundamentais da natureza, podemos quebrar tudo em quatro forças que estão no centro de tudo no Universo:
- A força nuclear forte: a força responsável para a realização de núcleos atômicos e individuais, prótons e nêutrons juntos.a força electromagnética: a força que atrai e repele partículas carregadas, liga átomos em conjunto em moléculas e vida, e causa corrente elétrica, entre outras coisas.a força nuclear fraca: a força responsável por alguns tipos de decaimento radioativo e a transmutação de partículas fundamentais pesadas e instáveis em partículas mais leves.
- e gravidade: a força que liga a terra, o sistema Solar e as estrelas e galáxias juntas.as quatro forças fundamentais do nosso universo. Image credit: Wikimedia Commons user Kvr.lohith, por baixo… um C. C. A.-by-S. A. -4.0 Licença Internacional.
dependendo de como você olha para ele, cada força tem uma escala e uma circunstância sob a qual brilha acima de todos os outros.
um átomo de hélio, com o núcleo a uma escala aproximada. Image credit: Wikimedia Commons user Yzmo,… sob uma licença C. C. A.-S. A.-3.0 não portada.
descer para as menores escalas — 10^-16 metros, ou um milhão de vezes menor que um átomo — e a força nuclear forte pode superar todas as outras. Veja o núcleo de hélio, por exemplo.: dois protões e dois neutrões, Unidos numa configuração estável. Mesmo a repulsão eletromagnética entre os dois prótons não é suficiente para superar a forte força de cola que mantém o núcleo Unido. Mesmo que tires um nêutron, deixando-te com dois prótons e apenas um nêutron, esse isótopo de hélio também é estável. A força forte, nas distâncias mais ínfimas, superará consistentemente todas as outras, e, portanto, sob muitas circunstâncias, pode ser considerada a mais forte.
the galaxy Centaurus a, with its high-energy jets caused by electromagnetic acceleration. Imagem… crédito: NASA / CXC/CfA / R. Kraft et al.
mas tente construir o seu núcleo atómico demasiado grande e a força electromagnética assuma o controlo. O urânio-238, por exemplo, irá cuspir um núcleo de hélio de vez em quando, uma vez que a repulsão entre as diferentes partes do núcleo é demasiado grande para que a força forte o mantenha Unido. Em escalas cósmicas maiores, são os intensos campos magnéticos gerados pelas estrelas em colapso e a matéria em rápida rotação, carregada que pode acelerar as partículas para as maiores energias do universo: os raios cósmicos de energia ultra-alta que nos bombardeiam de todas as direções no céu. Ao contrário da força forte, não há limite para o alcance da força eletromagnética; o campo elétrico de um próton pode ser sentido do outro lado do universo.
ilustração esquemática do decaimento beta nuclear num núcleo atómico maciço. Image credit: Wikimedia… User Inductiveload, created Inkscape and released into the public domain.
a força nuclear fraca pode parecer o candidato mais fraco para a força mais forte, dado o seu nome, mas mesmo este fraco relativo tem os seus momentos a brilhar. Sob as condições certas, a força eletromagnética (trabalhando para repelir componentes como carregados) e a força nuclear forte (trabalhando para ligar núcleos juntos) podem cancelar um ao outro, permitindo que a força fraca de muito curto alcance para subir à proeminência. Quando isso acontece, pode fazer toda a diferença para a estabilidade de um sistema, pois pode causar decaimento radioativo (beta), onde um nêutron se transforma em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. Neutrões livres, muitos elementos pesados e até Trítio, o isótopo instável encontrado na água radioativa (tritiada), todos destacam o poder da força fraca.ilustração de um sistema estelar formador de planetas. Crédito de imagem: NASA / FUSE / Lynette Cook.
mas nas maiores escalas — na escala de galáxias, aglomerados de galáxias e mais — nenhuma das forças acima importa tanto. Mesmo eletromagnetismo, cujo alcance pode se estender por todo o Universo, não tem muito efeito, já que o número de cargas positivas (principalmente prótons) e o número de cargas negativas (principalmente elétrons) parece ser exatamente igual. Mesmo observacionalmente, podemos limitar a diferença de carga no Universo a ser menos de uma parte em 10^34. O Universo está nos dizendo que mesmo que o eletromagnetismo possa ser muito mais forte do que a gravidade entre duas partículas, se você juntar partículas suficientes que são globalmente neutras eletricamente (ou próximas a ele), a gravidade será a única força que importa. A fusão Nuclear e a pressão de radiação associada não podem sequer separar as estrelas, pois a sua força gravitacional atraente supera esse impulso energético para fora.
crédito de imagem: Sloan Digital Sky Survey, de IC 1101, a maior galáxia individual conhecida da galáxia… Universo.
aglomerados de galáxias e grandes estruturas podem ser encontradas abrangendo mais de um bilhão de anos-luz de tamanho em todo o universo. E ainda assim, se você procurar estruturas 8, 10 ou 15 bilhões de anos-luz de diâmetro, você vai encontrar absolutamente zero em todo o cosmos. A razão para isso, muito intrigante, não é devido a nenhuma das forças que mencionamos, mas sim a um fenômeno inteiramente inesperado: a energia escura.
o aglomerado de galáxias de El Gordo( inferior direito), como imaginado pela câmera de energia escura. Não é obrigado a fazê-lo… as outras estruturas na imagem. Crédito de imagem: Dark Energy Survey.
Em escalas maiores, o fundamental, pequena quantidade de energia inerente ao próprio espaço-menos de um Joule de energia por quilômetro cúbico de espaço — é suficiente para superar até mesmo a atração gravitacional entre as galáxias mais massivas e clusters no Universo. O resultado? Uma expansão acelerada, à medida que as galáxias mais distantes e os aglomerados se afastam cada vez mais uns dos outros a taxas cada vez mais rápidas com o passar do tempo. Nas maiores escalas cósmicas, nem a gravidade consegue o seu caminho.
Crédito à imagem: NASA& ESA, de possíveis modelos do universo em expansão.quem é o mais forte? Nas menores escalas, é a força forte. Para alcançar as energias mais altas, é a força eletromagnética. Para as maiores estruturas ligadas, é a gravidade. E nas maiores escalas de todas, é o misterioso quebra-cabeças da energia escura. Em termos de magnitude absoluta, a energia escura é a coisa mais fraca de todas: o universo levou quase metade da sua idade apenas para começar a revelar os seus efeitos, e nem sequer foi descoberto pela humanidade até 1998. Mas o Universo é um lugar muito grande, e quando você somar todo o volume de espaço e olhar para o futuro distante, a energia escura será a única força que importa no final.