Por Thiago Oliveira Delmiro Neves

Ao levantar da cama e abrir a cortina, estamos experimentando os efeitos das quatro forças fundamentais da natureza, ainda que sem perceber. Ao empurrar-mos o corpo para fora da cama, os átomos das mãos repelem os átomos da cama, de forma que há um limite de proximidade que não pode ser quebrado por simples força humana. O Sol que ilumina o ambiente após a abertura das cortinas brilha intensamente por sucessivas fusões nucleares, possibilitadas pela imensa pressão dos átomos de hélio e hidrogênio nele presentes, suficientes para vencer a atração que mantém o núcleo dos átomos unido e também as partículas que compõem esse núcleo.

Em primeiro lugar, quarks são partículas elementares fundamentais para o entendimento dos mecanismos das interações da natureza. Prótons e nêutrons são combinações de três quarks, sendo esta combinação chamada de hádron. Quarks podem ter diferentes “cores” e diferentes “sabores”, sendo essa analogia apenas um aspecto facilitador para a compreensão humana.

Em termos de cores, essas partículas elementares se dividem em Vermelho (Red), Verde (Green) e Azul (Blue).

Em termos de sabores, os quarks se dividem em up, down, charm, strange, top e bottom.

A Força ou Interação que permite a união do núcleo dos átomos e a estabilidade dos hádrons é a Força Forte, que se subdivide em duas interações:

• Força de Cor (Teoria Cromodinâmica);
• Força Nuclear.

A Força de Cor é a responsável por manter hádrons unidos por meio das Carga de Cor. O mecanismo se baseia no princípio de que um hádron é essencialemente “branco” - numa analogia ao sistema de cores RGB (Red, Green, Blue), o branco é representado por Red(255), Green(255), Blue(255) -, ou seja, em prótons e nêutrons, onde só há 3 quarks, é necessário haja apenas um quark de cada cor. Porém, essas partículas estão constantemente mudando de cor. Quarks de cores diferentes trocam de cor ao receber e ao enviar um glúon entre si, e essa é a Força Forte, sendo o glúon a sua partícula transportadora.

A intensidade da Força Forte difere, em comportamento, das forças mais familiares Eletromagnética e Gravitacional, pois a Interação Forte tem baixa intensidade para curtas distâncias, permitindo o movimento dos quarks pelo hádron. Porém, quanto maior a distância entre os quarks, mais intensa é a interação, atraindo-os uns aos outros. Esse é o motivo pelo qual não há detecção de quarks solitários e pelo qual prótons e nêutrons são tão estáveis: a Interação Forte é a mais intensa das quatro Forças Fundamentais.

A outra interação da Força Forte é a Força Nuclear, entendida como um resíduo da Força de Cor. Tal interação permite a estabilidade do núcleo de um átomo, tendo em vista que, em um núcleo de hélio, dois corpos carregados positivamente estão se repelindo de forma intensa devido à repulsão causada pela Força Eletrostática. Isso é possível pois a Força Nuclear é fortemente repulsiva para pequenas distâncias (em escala atômica), o que define o tamanho do núcleo, e é fortemente atrativa para distâncias pouco maiores (distância > um quadrilhonésimo de metro).

Os transportadores dessa força são os pions, um tipo de méson, ou seja, pares de quark – antiquark. Pions podem ser positivos, quando configurados com um up quark e um down antiquark, ou negativos, quando configurados com um down quark e um up antiquark. Os pions transportam a força ao trocar quarks entre os prótons e nêutrons, num processo em que um pion é formado pelo núcleo da partícula e é passado à outra partícula do núcleo, assim, cancelando um antiquark do pion com um quark do núcleo que o recebe, sendo esse substituído pelo quark restante do pion.

Na ordem das Forças Fundamentais mais intensas, segue a Força Eletromagnética, dividida para fins práticos em Força Eletrostática e Força Magnética, ainda que sejam apenas duas expressões de um mesmo fenômeno natural.

Enquanto a Força Eletrostática age sobre objetos eletricamente carregados, a Força Magnética age sobre campos magnéticos, que podem ser gerados por cargas em movimento.

Os elétrons são cargas negativas que definem a carga de um dado objeto. Quando em número superior ao número total de prótons no material, o objeto está negativamente carregado, quando em número inferior, o objeto se encontra positivamente carregado. Elétrons também são responsáveis pela corrente elétrica.

A teoria clássica do eletromagnetismo foi matematicamente fundada por Maxwell em 1864, o que ainda hoje supre a maioria das necessidades e aplicações tecnológicas. Não obstante, com a hipótese de que a luz seria transmitida por pacotes de energia, denominados de quanta, Einstein explicou o efeito fotoelétrico, em que os quanta de energia eram os fótons, que são os transportadores da Força Eletromagnética.

Por volta de 1927, Paul Dirac começou a unir a Mecânica Quântica à Teoria Relativística do Eletromagnetismo. Nos anos 40, Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Shwinger e Sin-Itiro Tomonaga completaram essa teoria, chamada de Eletrodinâmica Quântica. A teoria fornece explicações para eventos como o tunelamento quântico, cujo entendimento permitiu a confecção dos transistores modernos utilizados em processadores.

A Força Eletromagnética é responsável pelo atrito, estruturas moleculares, arco-íris, raios e corrente elétrica.

A próxima interação é a Força Fraca, que se baseia na mudança de sabores dos quarks, atuando principalmente no decaimento radioativo do núcleo de átomos.

Ao trocar os sabores dos quarks de up para down, ou vice-versa (os outros sabores de quark rapidamente decaem para os sabores up e down), a Força Fraca muda a identidade da partícula que sofreu ua influência, transformando um próton em um nêutron, e vice-versa.

Os transportadores da Interação Fraca são os bósons W, que podem ser negativos e positivos, além de possuirem massa, e os bósons Z, que possuem massa mas nenhuma carga. A Força Fraca tem tal nome pois seu alcance é de aproximadamente 0,1% do diâmetro de um próton. Seu mecanismo necessita da atuação de um neutrino suficientemente próximo a um próton ou nêutron, assim, o neutrino passa um bóson W+ para um quark down de um nêutron, por exemplo, fazendo com que ele se torne em um próton.

Esse é o princípio do decaimento beta, pelo qual podem ser feitas datações de precisão com o carbono-14, que gradualmente se transforma em nitrogênio-14.

A última e mais fraca das Forças Fundamentais é a Força Gravitacional. Por seu mecanismo, planetas e estrelas são formados, assim como o processo de fusão nuclear se torna possível, devido à grande pressão exercida pela soma das forças gravitacionais de todos os átomos presentes numa estrela.

Assim como a Força Eletromagnética, a Força Gravitacional é universal, atraindo qualquer objeto que tenha massa a qualquer outro objeto que tenha massa, por todo o Universo. Porém, sua intensidade, analogamente à Força Eletromagnética, é proporcional ao produto das massas dividido pela distância entre os corpos ao quadrado.

A teoria capaz de descrever os mecanismos da Força Gravitacional com precisão é a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que concebe a gravidade como uma propriedade do Espaço-Tempo, em que objetos com massa ou energia curvariam o espaço-tempo ao seu redor, atraindo corpos para a região de “menor relevo”.

Contudo, um dos questionamentos da ciência moderna é a ausência de transportadores de Força para a Interação Gravitacional, que seriam os gravitons, partículas teóricas e previstas para serem essencialmente indetectáveis, pois se a Força Gravitacional é capaz de atrair fótons, seus transportadores devem ser ainda menores que esses, se eles sequer existem.

Outra indagação é a atual incoerência entre a Teoria da Relatividade Geral e a Teoria Quântica, pois esta não consegue explicar a Força Gravitacional e não é compatível com o modelo proposto por Einstein, sendo ambas as teorias sustentadas por grande número de evidências.

As teorias que descrevem os fenômenos naturais não estão completas nem unificadas, tornando-se um grande desafio para cientistas a unificação de todas as teorias em uma única que consiga explicar qualquer fenômeno do universo.Para atingir a Teoria Unificada ou Teoria de Tudo, é preciso primeiramente contornar as incompatibilidades. Para tal, o modelo Supersimétrico é um forte candidato, com elementos que poderiam ser parte da matéria escura, outro grande mistério a ser desvendado pela ciência.

As teorias estão continuamente em evolução, sendo tais desafios parte da imensurável beleza que a ciência nos traz.

Referências: 

O Modelo Padrão da Física de Partículas. M. A. Moreira. Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil. Revista Brasileira de Ensino de Física, 30 de Abril de 2009.

Fundamental Forces of Physics. SciShow. Disponível em Disponível em https://www.youtube.com/playlist?list=PLsNB4peY6C6JDc1HcVKjjYzVB0BYEXexd. Acesso em 23 de Setembro de 2016.

Fundamental Forces of Physics. Wikipedia. Disponível em https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_interaction. Acesso em 24 de Setembro de 2016.

Quark. Wikipedia. Disponível em https://en.wikipedia.org/wiki/Quark. Acesso em 24 de Setembro de 2016.

Meson. Wikipedia. Disponível em https://en.wikipedia.org/wiki/Meson#Isospin_and_charge. Acesso em 24 de Setembro de 2016.