quinta-feira, 16 de Junho de 2011

Brief history of Physics in Spain

During the 7th century, the Hispanic peninsula was conquered by the Arabs. While Europe was still immersed in the shadows of the medieval times, Al-Ándalus became one of the cultural and scientific centers of the world. The Arabs introduced our present numeration, trigonometry and geometry in Europe through Hispania. Astronomy was much studied at the time. Azarquiel (1029-1087), astronomer based in Toledo, started manufacturing astronomic instruments like astrolabes and finished elaborating the Astronomic Tables of Toledo, which were used to predict the position of the orbs in the sky at any moment. His greatest invention was the Azafea, a modified astrolabe that could be used on any latitude.

Until the creation of the first universities (Palencia and Salamanca) in the 13th century, Spanish science was isolated from the rest of the world and was giving only limited contributions. After the Reconquista and the discovery of America, the geographical expeditions oriented the scientific research towards navigation. That is one of the reasons why there was much interest in practical astronomy. Abraham Zacut (1452-1510), a Jew based in Salamanca, is known for his works in astronomy and mathematics until 1492, when he was expelled from the Hispanic peninsula and died in Tunez. As a curiosity, Joan Roget was a Catalan who many people believe to have invented the first telescope before the official inventor, Hans Lippershey. In 1582, Felipe II ordered the creation of the Academy of Mathematics of Madrid. The mathematicians Vicente Tosca and Vicente Mut tried to introduce modern European knowledge in Spain. Mut used Galileo’s mechanics to study projectiles and studied the 1665 comet of 1665, anticipated by Newton.

In the 18th century, known as the century of lights, Spanish science started to reactivate. The Borbones dynasty tried to impulse science as a way to modernize a country deeply sunk, which was a way back from European research. Having many difficulties in renovating the universities, they created academies protected by the court. We should name Tomas Vicente Tosca, author of a compendium for learning Descartes and Newton; Benito Vails, who introduced infinitesimal calculus, Jose Chaix, with worked on differential calculus; Agustin de Predrayes, who represented Spain in Paris in the establishment of the decimal metric system; and Jorge Juan de Santacilia and Antonio de Ulloa, who participated in a expedition to Ecuador to measure the length of one degree of meridian along the equator, trying to resolve the controversies on the Earth’s shape.

In the 19th century, Spain was very unstable and convulsed. Wars, crisis and political revolts explain why almost till the end of that century the political situation never normalized. In 1875 the Institución de Libre Enseñanza was created, where scientific research had an important role. Even so, the physics investigation was still huge leaps back of the European level. We have to add the extremely deficient industrialization of the country.

Already in the 20th century, the Junta de Ampliación de Estudios (JAE) was created in 1907. Until then there was no ministry dedicated to education. In this institution the best Spanish physicists of the time were active, like Blas Cabrera, Julio Rey Pastor, Julio Palacios, Arturo Duperier, etc. One of the objectives of the JAE was to impulse Spanish scientists to move abroad to break the isolation and acquire international practice. In 1910 Manuel Martinez-Risco travelled to Amsterdam to study with Pieter Zeeman, in 1912 Blas Cabrera went to Zurich, where Enrique Moes was already working with Pierre Weiss on the magneton and magneto-chemistry of the ferric components, an area where Cabrera became renown internationally. After the first world war travels by Spanish physicists allowed them to make contacts with the most prestigious physics centers in the world. In Spain, the National Physics and Chemistry Institute opened in 1932, with the financial support of the Rockefeller Foundation. This looked like the final touch to a brighter time.

But this modest but constant resurgence crashed against the Spanish civil which took place from 1936 until 1939. Apart from the material destruction, many scientists were killed, politically expelled or thrown in exile. In 1939 the JAE changed to become the actual Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) During the Franco regime, physics started to regain importance but, in 1950, the situation was still very much as before the civil war. In Madrid, Garcia-Santesmases built a big computer. In Valencia, Catalá de Alemany started the study of nuclear reactions with emulsions. In Zaragoza, Cases investigated mass spectroscopy and termodiffusion. An experimental nuclear reactor and a particle accelerator were constructed in the Junta de Energía Nuclear in Madrid. There, many scientists gained knowledge in nuclear physics, like fusion, fission, and detectors.

In the 1970's, being the dictatorship over, Spain had 14 universities, in which only three Physics courses were offered. Today it can be studied in almost half of the 49 universities.

Alejandro Pazó de la Sota

Chile, um acordar tardio para a Física

Tendo sido povoado pelos Incas ao longo de vários séculos, o Chile foi conquistado pelos espanhóis em 1536, tendo estes construído a actual capital, Santiago, em 1545. O Chile foi uma das colónias mais valiosas de Espanha, pelas suas riquezas e posição estratégica. Assim, sob o domínio espanhol, o progresso notou-se somente nas técnicas de extracção de minérios e na agricultura. Em Setembro de 1810, durante as invasões das tropas napoleónicas em Espanha, ocorreu a primeira tentativa de independência do povo chileno. Sendo a data oficial da independência do Chile 1818, em 1813 já  uma junta militar governava o território.

Em 10 de Agosto de 1813 foi inaugurado o Instituto Nacional, que iniciou a sua actividade com 18 disciplinas, sendo uma destas a física experimental leccionada pelo Padre José Bezanilla. Era leccionada no curso de Ciências Naturais, juntamente com química, botânica, geografia, economia, política, matemática e línguas vivas. Com apenas 14 meses de funcionamento, a Reconquista (1814-1819) forçou o Instituto a fechar as portas até 1819, data da vitória de Maipú. A formação do Instituto Nacional teve como consequência directa o desejo do novo governo de educar o povo. Sendo este um marco histórico da ciência chilena, não era de todo o primeiro acto ligado à ciência nacional. Há relatos de actividades esporádicas, ligadas à física, anteriores à República do Chile. Na Academia de San Luis (uma academia militar), por exemplo, um engenheiro espanhol, Agustin Cavallero, tinha, em 1799, abordado vários tópicos (termodinâmica, projécteis, dinâmica, hidraulica, etc.) direccionando-os para problemas de teor militar. Esta física experimental difere em muitos aspectos da que conhecemos hoje. Quando o Instituto Nacional reabriu, a disciplina de Física Experimental continuou a ser leccionada, em latim, pelo Padre Bezanilla, o qual dividia o programa em duas partes: física geral, que abordava cosmografia, geografia física e história natural; e física particular, englobando fenómenos físicos e as suas causas (como eram tidas na época).

Em 1823 foi fundada a Academia Chilena, por um físico espanhol e por um engenheiro francês, Carlos A. Lozier, que leccionavam  na secção de Ciências Matemáticas e Físicas. Lozier foi nomeado reitor do Instituto Nacional em 1826, impondo uma reforma radical que tinha como principal objectivo eliminar os vestígios residuais do ensino colonial, o que implicava mudar a quase totalidade dos professores. Tal levou a que o cargo lhe fosse retirado pouco tempo depois. Com a saída de Lozier, chegou ao Chile o engenheiro espanhol Andrés A. Gorbea, que estudou matemática e engenharia em Espanha, após o que rumou a França para aperfeiçoar os seus conhecimentos em física, tendo tido como colega Louis Gay-Lussac. Gorbea é responsável pelo primeiro livro de física publicado no Chile, tradução de uma obra de Jean-Baptiste Biot. Apesar de todos os esforços de Gorbea, não sendo a disciplina de Física Experimental obrigatória, eram muito poucos os alunos que a frequentavam. Gorbea ficou conhecido como o “pai” da engenharia e do ensino da matemática (no sentido de hoje) e ainda como o primeiro a leccionar física racional, em 1850, no Chile.

A 21 de Janeiro de 1832, o venezuelano Andrés Bello, primeiro reitor da Universidade do Chile, afirmou que as principais áreas de profissão no Chile (agricultura, extracção mineira, comércio e advocacia) necessitavam de conhecimentos de física, sendo necessário leccionar esta disciplina no ensino preparatório. Esta afirmação deu origem a um movimento de reformulação dos programas do ensino preparatório, começando a ser leccionada física experimental em vários colégios por todo o país. Em 1858, eram 14 as escolas que leccionavam física.

Foram vários os nomes que contribuíram para a evolução do ensino da ciência neste país, mas destaca-se o de José Zegers, discípulo de um físico polaco, que em 1857 foi nomeado responsável da disciplina de física experimental no Instituto Nacional. Zegers ficou conhecido por impor nas escolas do Chile o livro de física utilizado nas melhores universidades europeias e americanas  (Traité Elémentaire de Physique Expérimental et Appliquée et Métérologie, de Adolphe Ganot). Além disso, Zegers publicou vários estudos sobre electricidade, novos barómetros, mecânica e ensino de ciências experimentais. Em 1889, foi fundado o Instituto Pedagógico, responsável pela formação de professores na área das ciências experimentais (com base nos estudos publicados por Zegers), uniformizando assim o ensino nesta área por todo o país.

No início do século XX, começou uma nova etapa do ensino e concepção da física, até então ligada a aspectos práticos dos sectores de actividade principais do Chile. Esta mudança iniciou-se em Maio de 1903, com a chegada ao Instituto Pedagógico do alemão Wilhem Ziegler, que pretendeu adaptar o ensino da física ao que era praticado na Alemanha. Foram construídos edifícios para o ensino da física e da química, contratados matemáticos e químicos alemães, com o fim de unir áreas até então como isoladas. De modo a ser perceptível a mudança que Ziegler provocou no ensino chileno, pode-se comparar a física no Chile (embora mais ligada a aspectos práticos) com a que se fazia em muitos sítios da Europa, onde pouco depois Einstein publicou o seu artigo sobre o efeito fotoeléctrico.

A melhoria do ensino no Chile conduziu à evolução da ciência nesse país, tendo sido publicados, em 1908, artigos sobre espectroscopia, electrólise, velocidade de moléculas de gases, electricidade, etc. No final dos anos 20, iniciaram-se vários projectos de investigação nas escolas de ensino superior. Em 1928, a Universidade do Chile recebeu o físico francês Paul Langevin, que proferiu numa palestra sobre a física quântica, sendo esta seguida de várias conferências sobre a estrutura da matéria e a teoria da relatividade. Os académicos chilenos encontravam-se finalmente aptos a acompanhar (e a contribuir para) os progressos alcançados na Europa e na América do Norte. Motivado por este crescimento da ciência, o governo forneceu bolsas de investigação e contratou professores e investigadores europeus (maioritariamente alemães). Um destes professores foi Karl Grandjot, doutorado em Göttingen, que estudou matemática com Lev Landau e David Hilbert, e física experimental e teórica com Peter Debye e Max Born. Em 1930, uma forte crise afectou o Chile. Foi seguida pela Segunda Guerra Mundial, que abrandou o progresso científico chileno. Em 1945, poucos dias após a detonação da primeira bomba atómica, teve lugar na Universidade do Chile um debate sobre a desintegração do núcleo, que foi a primeira discussão académica sobre física nuclear no Chile. Em 1954 foi fundado o Laboratório de Física Nuclear da Universidade do Chile, onde surgiu o primeiro grupo de académicos a proceder a investigações autónomas. Este laboratório foi a sede do Instituto da Física e da Matemática, cujos membros se tinham especializados na Europa e nos EUA e publicavam em revistas internacionais.

A década de 60 foi marcada pelo pico de novos grupos de investigação e sociedades científicas. Em 1960 foi fundada a Sociedad Chilena de Física, em 1964 a Comisión Chilena de Energia Nuclear e em 1967 a Comisión Nacional de Investigación Científica e Tecnológica. Ficou estabelecida a investigação científica em física teórica e experimental. A globalização e os programas de mobilidade actuais dificultam a distinção dos feitos chilenos mais recentes.

Sandra Fernandes,

A Física no Paquistão

País com menos de um século, o Paquistão ainda não teve muitas oportunidades de se manifestar no mundo da ciência, sendo, portanto, natural que os seus trabalhos na área da física sejam direccionados para tópicos modernos. Assim, neste país, a física divide-se, de um modo geral, em duas categorias: física teórica e física nuclear.

No âmbito da física teórica, há físicos paquistaneses de renome, com especial destaque para o laureado com o Nobel da Física em 1979, Abdus Salam (1926-1996), e o seu aluno Riazuddin (1930- ). Salam recebeu o Nobel pelo seu trabalho em Física das Partículas, em particular na unificação das forças electromagnética e nuclear fraca. Além dos trabalhos que o levaram ao Nobel, os seus feitos mais notáveis incluem o desenvolvimento do modelo Pati-Salam, o fotão magnético, o mesão vectorial, contribuições para a grande teoria da unificação e a simetria global. Juntamente com Riazuddim, Salam contribuiu ainda para a moderna teoria dos neutrinos e das estrelas de neutrões e buracos negros, além de ter modernizado a teoria quântica de campos. No ensino e promoção da ciência, Salam é lembrado como o fundador da matemática e física teórica no Paquistão, como conselheiro da ciência no seu país, tendo contribuído para o crescimento do mesmo na comunidade mundial da fisica. Por todos esses feitos ganhou numerosos prémios científicos a nível internacional. Em 1973, propôs à Comissão de Energia Atómica do Paquistão (PAEC) a fundação de uma academia anual com o objectivo de promover as actividades científcas do país, uma ideia que foi aceite de imediato. Isto levou à criação do International Nathiagali Summer College on Physics and Contemporary Needs (INSC), onde, todos os anos, desde 1976 para cá, cientistas de todo o mundo se reúnem. A primeira conferência anual do INSC foi sobre física nuclear e de partículas. Riazuddin é especialista em física nuclear e física de altas energias. É um dos pioneiros no programa paquistanês de pesquisa nuclear de dissuasão, sendo, por isso, conhecido como o Teller paquistanês. Trabalhou para o Centre for International Theoretical Physics (ICTP), outra criação de Salam, o PAEC, e a European Organization for Nuclear Research (CERN). Teve também um papel importante no ensino da física no Paquistão, sendo autor de 13 obras científicas em diversos tópicos da física, como física das partículas e mecânica quântica. Riazuddin fez pesquisas originais de alto nível em física teórica. Pertence ao quadro de governadores do Pakistan Institute of Engineering and Applied Sciences (PIEAS) desde 2004.

O desenvolvimento da física nuclear no Paquistão foi iniciado por Salam. Ele sabia a importância da tecnologia nuclear  tanto para obtenção de energia como para armamento, e foi um guru no desenvolvimento do programa de armas nucleares do seu país. Dirigiu e organizou a pesquisa científica inicial do Projecto Kahuta, o equivalente paquistanês ao Projecto Manhattan. Em 1965, ajudou à fundação do Pakistan Institute of Nuclear Science and Technology. No mesmo ano, persuadiu o presidente Ayub Khan, contra as intenções do governo, a estabelecer o primeiro reactor de energia nuclear comercial, perto de Karachi. Conhecido como Central de Energia Nuclear de Karachi (KANUPP), consistia num pequeno reactor CANDU de 137 MW. O director do projecto foi o engenheiro nuclear Parvez Butt, da PAEC. O KANUPP entrou em funcionamento a 1972, e, respeitando as normas de segurança da International Atomic Energy Agency (IAEA), opera em potência reduzida. Em 1969, o Commissariat a l'Energie Atomique (CEA), de França, e a British Nuclear Fuels (BNFL) celebraram contratos com a PAEC para fornecer plutónio e centrais de reprocessamento nuclear ao Paquistão. O trabalho nestes projectos só começou em 1972, e como resultado da operação Smiling Buddha, da Índia (um teste nuclear surpresa realizado em 1974), a BNFL cancelou os projectos com a PAEC. Em 1977, devido a pressão exercida pela Secretaria de Estado dos EUA, a CEA também cancelou os projectos com a PAEC. Sem a ajuda do Reino Unido e da França, os engenheiros da PAEC construíram engenhosamente a central de reprocessamento nuclear New Labs, e o reactor de plutónio Khushab Nuclear Complex. Em 1989, a China assinou um acordo com o Paquistão para colaborar na manutenção da central nuclear CHASNUPP-I de 300 MW, e, em 1990, tanto a França como a União Soviética acolheram um pedido do Paquistão com o mesmo objectivo. No entanto, após o embaixador americano no Paquistão ter mostrado o descontentamento do seu país com os referidos acordos, estes foram cancelados. Até 2000, a China expandiu o seu contrato com a APEC 2, estando actualmente a colaborar na construção das centrais CHASNUPP-III e CHASNUPP-IV.  A construção da CHASNUPP-II terminou em Abril de 2011.

Raimundo Martins

História da Física na Índia

As primeiras aplicações da filosofia natural na Índia  deram-se na medicina, na metalurgia, na tecnologia da construção (cimento e tintas) e na produção têxtil. Com estes avanços aumentou o interesse em descrever a os elementos básicos da matéria e as suas interacções. Eram estudados fenómenos naturais como marés, chuva, Sol, Lua, constelações, padrões do tempo e agricultura, sendo por exemplo mencionada na literatura a condensação da água dos mares e oceanos causada pelo calor do Sol e a consequente formação de nuvens e chuva.

A ciência na Índia antiga não foi tão afectada por tabus religiosos como noutros locais do mundo. No entanto, a proliferação de rituais e superstições constituiu como noutros sítios um entrave ao progresso científico. Este progresso foi afectado pela influência dos mestres religiosos: foi difícil admitir que os rituais não produziam os resultados esperados e que a observação racional do mundo era de algum modo necessária.

Do século VI a.C. já se encontram textos científicos que tentam ainda que de forma rudimentar catalogar as propriedades de vários tipos de plantas e de substâncias naturais. Há também, nesta altura, um esforço para classificar as observações feitas acerca dos fenómenos naturais e de formular teorias intuitivas sobre a composição da matéria e o seu comportamento.

Quando surgiram as ideias atómicas, por volta do ano 500 a.C., já todas as escolas de filosofia racional hindu, budista e jain tinham algo a dizer sobre a natureza das partículas elementares e sobre o conceito indivisível e indestrutível de átomo, afirmando que os átomos se combinavam tanto em pares como em trios. Pensava-se que a matéria era corpuscular, estando essa composição por trás das propriedades físicas observadas. Os Jains chegaram a postular que as combinações de átomos obedeciam a regras intrínsecas à sua natureza.

Estas teorias atómico-moleculares foram também utilizadas para explicar, embora especulativamente, as alterações químicas causadas pelo calor, tendo sido proposto que este afectava os agrupamentos moleculares causando alterações químicas. Havia mesmo duas teorias concorrentes sobre este processo.

Um conhecimento intuitivo da energia cinética aparece também nos textos de Prasastapada e de Nyaya-Vaisesikas, nos quais se acreditava que todos os átomos estavam em constante movimento.

Ate ao primeiro século da era cristã poucos avanços houve na óptica acreditando-se nessa altura, tal como na  Grécia, que olho era a fonte da luz. Foi então que Susruta postulou que a luz que que iluminava o nosso mundo era exterior a nós, tendo esta afirmação sido repetida no Aryabhatta, no século V.

Havia já nessa altura um antagonismo entre a teoria corpuscular e ondulatória (embora num nível muito rudimentar) estando os filósofos indianos divididos entre os Cakrapani, que sugeriam que a luz e o som eram como a água e se propagavam na forma de ondas, e os Mimamsakas, que acreditavam que a luz era formada por minúsculas partículas.

A astronomia começou por ser estudada com uma finalidade religiosa permitindo saber quando realizar certos rituais e sacrifícios e, embora as primeiras tentativas de descrever os diversos tipos de movimento tivessem sido feitas pelos Vaisesikas, foi apenas no século VII que Prasastapada  foi mais além, partindo do seu estudo do movimento planetário, que descrevia os movimentos linear, curvilíneo, rotacional e vibratório. No entanto, um ponto fraco dos tratados indianos da época era a falta de quantificação.

No século V Arabista mencionou explicitamente, pela primeira vez, que a Terra roda à volta do seu eixo, causando o que parece ser o movimento das estrelas para oeste. Afirmou ainda que o brilho da Lua era causado pela reflexão da luz solar e foi um dos primeiros a considerar que o dia tinha inicio à meia-noite.

Até ao século XX poucos avanços houve na ciência indiana. Mas na Índia surgiram nesse século grandes nomes da física como Satyendra Bose, cujos trabalhos sobre a teoria quântica no início dos anos 20 foram fundamentais para a formulação da estatística de Bose-Einstein e a teoria do condensado de bosões (o nome bosão surgiu precisamente em honra de Bose); Narinder Singh Kapany, que, com base no resultado de Tyndall de que a luz podia descrever uma trajectória curva dentro de um material, realizou experiências conducentes à invenção da fibra óptica; Chandrasekhara Raman e o seu sobrinho Subrahmanyan Chandrasekhar, ambos Prémios Nobeis da Física, o primeiro em 1930 pelos seus trabalhos sobre o espalhamento da luz e o efeito de Raman, e o segundo em 1983 pelos seus estudos teóricos sobre a estrutura e a evolução das estrelas.

Marco Gui Alves Pinto

Teoria de Cordas

Um dos maiores sonhos dos físicos, para muitos deles mesmo o maior, consiste em encontrar as quatro forças fundamentais unificadas (forças gravítica, electromagnética, nuclear fraca e nuclear forte). Tal unificação é muitas vezes denominada de Theory of Everything, TOE. Pretende-se em última análise unificar a relatividade geral e a mecânica quântica, já que as outras forças já se encontram unificadas. Uma das teorias concorrentes mais conhecidas é a Teoria de cordas.

As tentativas de chegar à TOE começaram ainda na primeira metade do século XX. Em 1919, o polaco Theodor Kaluza partiu das equações da relatividade geral e, desprezando as massas e expandindo o problema a cinco dimensões (quatro espaciais e uma temporal), unificou os campos gravitacional e electromagnético. Porém, para chegar a este resultado, teve de anular arbitrariamente a dependência da quinta dimensão durante a demonstração. Ora, se uma quinta dimensão não observável já levantava questões, o desaparecimento dela no decorrer da demonstração foi o argumento final que levou a que esta teoria fosse ignorada pela comunidade científica.

Em 1926, Oskar Klein resolveu o problema de Kaluza, propondo que uma das cinco dimensões se dobrava sobre si própria, deixando de poder ser observada, sendo o raio de curvatura da ordem dos 10^−35 m. Apesar de resolver certas questões em aberto (como a quantificação da carga), esta rectificação previa a existência de novas partículas de massas tão grandes (da ordem da massa de Planck), que estava excluída a sua criação e, por isso, a sua observação.

Na década de 40, as diferenças significativas entre os momentos magnéticos dos protões ou neutrões e dos electrões levantaram algumas dúvidas sobre o carácter pontual das partículas positiva e neutra do núcleo. Em 1943, Werner Heisenberg propõe que os protões e os neutrões sejam objectos extensos.

Numa época em que a mecânica quântica estava em plena expansão, estas ideias caíram em (quase) total esquecimento. Em 1968, Gabriele Veneziano observou um estranho fenómeno: grande parte das propriedades da força nuclear forte eram descritas pela função beta de Euler, uma fórmula, pouco conhecida, que tinha sido escrita pelo matemático Leonhard Euler, 200 anos antes. Tal descoberta chamou a atenção da comunidade científica, destacando-se três físicos (Yoichiro Nambu, Holger Nielsen e Leonard Susskind) que demonstraram que as partículas elementares, consideradas como cordas, objectos a uma dimensão, e não como pontos, eram perfeitamente descritas pela função beta de Euler. Nasceu assim a Teoria de Cordas.

No início da década de 70, várias experiências levaram a resultados bastante díspares das previsões efectuadas pela nova teoria. O principal problema surgiu em padrões vibracionais que eram previstos pela teoria, mas não observados experimentalmente. Este problema foi rapidamente resolvido, tendo-se verificado que estes padrões em excesso correspondiam aos gravitões, que já tinham sido teoricamente previstos. Porém, esta descoberta não foi devidamente aceite pela comunidade científica, surgindo grande discórdia entre os apoiantes da Teoria de Cordas e os defensores das teorias das partículas pontuais. Assim, mais uma vez, a teoria caiu no esquecimento.

Foi também no início da década de 70 que surgiu a ideia da supersimetria, segundo a qual há simetria entre bosões e fermiões. Esta ideia surgiu em dois contextos: na Teoria de Campos que descerve partículas pontuais e na Teoria de Cordas, em consequência da introdução dos fermiões. Surgiu aqui uma ponte entre duas teorias tidas então como opostas.

Em 1980, Michael Green e John Schwarz ligaram melhor a Teoria de Cordas e a Mecânica Quântica, demonstrando que a Teoria de Cordas abrange as quatro forças fundamentais e toda a matéria existente. Nasceu então a Teoria das Supercordas, que junta a Teoria das Cordas e a Supersimetria. Iniciou-se a 1.ª Revolução das Supercordas, tendo sido, entre 1984 e 1986, publicados centenas de trabalhos sobre este tema. Segundo a nova teoria, as partículas passaram a ser vistas como pequenas cordas a vibrar em vez de serem pontos. Foi nesta altura que a Teoria de Cordas passou a ser aceite por numerosos físicos como uma teoria capaz de fazer a grande unificação. O problema principal associado à Teoria de Cordas, que ainda hoje é a razão de algum do seu descrédito, é a necessidade de espaços a 10 dimensões para os fermiões e a 26 dimensões para os bosões.

Havendo uma ligação entre a Mecânica Quântica e a Teoria de Cordas, redobravam-se os esforços para reforçar a teoria, em particular ligando a Teoria das Cordas com a Teoria dos Quarks. Pensou-se que os quarks podiam ser as extremidades das cordas, surgindo assim uma possível razão para que os quarks não fossem observados isoladamente: tal como acontece nos ímanes, ao quebrar uma corda ter-se-iam duas cordas, com dois quarks cada nas extremidades.

Em 1994 iniciou-se a 2.ª Revolução das Supercordas (que durou até 1997), que foi desencadeada pela descoberta de Edward Witten de que as várias versões da Teoria das Supercordas consistiam afinal de diferentes limites de uma nova teoria a 11 dimensões, a Teoria M. Joseph Polchinski descobriu que esta teoria requer objectos com mais dimensões, os chamados D-branes, que abriram caminho para a construção de novos modelos cosmológicos.

Nos dias de hoje, posseguem intensivamente os estudos sobre este tema. Estão mais direccionados para a verificação experimental, para a procura e rectificação de falhas na simetria e para o aperfeiçoamento de alguns aspectos geométricos da teoria. Tendo em conta a rapidez com que estes estudos têm surgido, poderá estar para breve uma Teoria de Grande Unificação. A acreditar nalguns especialistas o século XXI  será o século da TOE.

Sandra Fernandes

Cromodinâmica Quântica

Nos anos 50 do século XX, a Física de partículas, com a invenção das câmaras de bolhas e de faíscas, descobriu um incrível número de novas partículas. Os investigadores acharam  que havia demasiadas partículas pesadas, os hadrões, para poderem ser todas elas fundamentais e começaram a agrupá-las, de acordo com as suas características. Em 1963, Murray Gell-Mann e George Zweig propuseram, com base numa ideia anterior de Shoichi Sakata, que as características visíveis dos hadrões se deviam a uma organização interna explicada pela existência de três "sabores" de partículas subatómicas, a que Gell-Mann chamou quarks, que constituiriam todos os hadrões.

O termo quark, sugerido por Gell-Mann e inspirado no romance Finnegans Wake de James Joyce, foi o que se tornou mais popular, em desfavor da proposta de Zweig de chamar ace a estas partículas. Os dois usaram combinações de quarks e antiquarks com os sabores up, down e strange para descrever os hadrões. Up e down de acordo com o seu isospin e strange porque este quark foi descoberto em partículas de raios cósmicas consideradas de início estranhas, devido ao seu tempo de vida particularmente longo. Mais tarde, o quark charm foi assim denominado pela fascinante simetria que conferiu ao domínio subnuclear e os quarks top e bottom, que tinham sido também designados truth e beauty, caindo depois estes termos em desuso, devem o nome ao facto de serem os parceiros lógicos dos up e down.

A partícula Omega- era composta por três quarks com spins paralelos, o que violava o princípio de exclusão de Pauli, uma vez que os quarks são fermiões. Os quarks precisariam então de um número quântico adicional. Em 1965, Moo-Young Han e Yoichiro Nambu, independentemente e ao mesmo tempo que Oscar Greenberg, propuseram que o barião    ++, também composto por três quarks up de spins paralelos, possuísse um grau de liberdade adicional de gauge baseado no grupo SU(3), a que mais tarde se chamou carga de cor. É por esta razão que a teoria que descreve a interacção forte se chama Cromodinâmica Quântica. Han e Nambu afirmaram que o mediador da interacção dos quarks era um octeto de bosões de gauge que denominaram gluões.

Segundo a Cromodinâmica Quântica, os quarks podem ser verdes, vermelhos ou azuis e os antiquarks possuem uma anticor análoga - a cor complementar à do respectivo quark. Essas cores são apenas uma forma de designação não estando associadas a verdadeiras cores. Para se formar um hadrão é necessário obter o branco, ou seja, uma partícula neutra constituída por um quark e um antiquark, um mesão, ou constituída por três quarks ou antiquarks de cores diferentes, que formam um barião ou antibarião.

Gell-Mann acreditava que os quarks eram uma construção matemática e não partículas reais, uma vez que não se conseguiram detectar quarks livres e seria de esperar que partículas elementares pudessem ser isoladas e separadas e, portanto, acreditava que a teoria quântica de campos não os conseguiria descrever adequadamente. Além disso, a teoria da matriz S, que era a utilizada, previa que o espaço-tempo se rompia se os quarks estivessem localizados. Richard Feynman, por outro lado, acreditava que os quarks, aos quais chamou partões por serem as partes dos hadrões, fossem objectos elementares numa teoria de campos, possuindo trajectórias e distribuições de momento linear e posição como quaisquer outras partículas e podendo ser descritos pela teoria quântica de campos. James Bjorken referiu que partões pontuais implicariam a existência dispersão inelástica profunda na colisão de electrões e protões. Este fenómeno foi confirmado nas experiências do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) em 1969, o que levou os físicos a abandonar definitivamente a teoria da matriz S.

David Gross, David Politzer e Frank Wilczek descobriram que a interacção forte tinha a propriedade da  "liberdade assimptótica", o que permitiu previsões precisas para os resultados de experiências de altas energias usando QCD num quadro perturbativo. O primeiro artigo sobre este tema, que foi publicado em 1973, valeu-lhes o Prémio Nobel da Física de 2004. À medida que as experiências se tornaram mais precisas, foram encontradas cada vez mais evidências da Cromodinâmica Quântica, como o gluão, num evento de três jactos, no Positron-Electron Tandem Ring Accelerator (PETRA), em 1979, e, finalmente, a verificação da teoria perturbativa da QCD no Large Electron-Positron Collider (LEP). Há, no entanto, alguns pontos por explicar nesta teoria, como a prova de que os quarks estão confinados aos hadrões e a investigação das fases da matéria de quarks-gluões, como o plasma de quarks-gluões. Esta teoria, que é uma parte essencial do Modelo Padrão, tem muitos resultados a seu favor. No limite das altas energias interagindo pouco os quarks e os gluões, a liberdade assimptótica é a propriedade que se destaca,  enquanto a longas distâncias é o confinamento que importa, sendo necessário fornecer uma energia infinita para separar os quarks.

Natacha Violante Gomes Leite

Referências:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Cromodinâmica_quântica
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_chromodynamics
http://en.wikipedia.org/wiki/Quark
http://en.wikipedia.org/wiki/S-matrix_theory
http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_inelastic_scattering
http://en.wikipedia.org/wiki/Eightfold_way_(physics)
http://en.wikipedia.org/wiki/Perturbative_QCD

A vida do LEP

A construção do LEP no CERN, perto de Genève, na Suíça. foi um projecto ambicioso, não apenas pela construção de um acelerador que excedia os padrões do seu tempo, tanto em tecnologia como em tamanho, e dos respectivos detectores, mas também pelos 27 km de túneis a cerca de 100 m de profundidade com quatro grandes cavernas para alojar os detectores.

A história do LEP começou no final dos anos 70, quando os físicos pertencentes aos estados-membros do CERN se juntaram para discutir o futuro a longo prazo da física das altas energias europeia. Um novo quadro de partículas e forças fundamentais emergia e o LEP era a máquina que o iria estudar.

 Existindo uma tradição de aceleradores de protões, a ideia de um colisionador electrões-positrões era inovadora no CERN, mas, como os resultados destas colisões são muito mais simples de analisar do que os das colisões protões-antiprotões, a proposta de criação do LEP foi finalmente aceite e formalmente aprovada em 1981. Os trabalhos de engenharia civil começaram a 13 de Setembro de 1983. Os presidentes dos dois países anfitriões do CERN, François Mitterrand da França e Pierre Aubert da Suíça, colocaram uma placa comemorativa da inauguração. Embora muitas das infra-estruturas necessárias do novo acelerador já estivessem prontas (tal como o complexo do acelerador para pré-acelerar os electrões e os positrões para injectar no LEP), eram necessária outras. A maior de todas era o túnel de 27 km para alojar a máquina, assim como os espaços experimentais e os edifícios a superfície. Também eram necessários os túneis de transferência a ligar o Super Proton Synchrotron ao LEP, assim como os edifícios do acelerador linear, e os anéis de armazenamento para criar e acumular electrões e positrões. Apesar da dimensão da obra, o progresso foi impressionante. No final de 1984, os edifícios para o acelerador linear e para o acumulador electrão-positrão estavam completos, e 10 dos 18 acessos aos subterrâneos tinham sido escavados.

Todos os ímanes tinham sido fabricados e estavam prontos para a instalação em finais de 1987. Os dipolos magnéticos inovadores eram feitos de placas de aço intervaladas com cimento. O LEP também tinha ímans quadrupolares de focagem, e ímanes sextupolares para corrigir o momento dos feixes de partículas. O conjunto completo de ímanes do LEP era constitutuído por 3368 dipolos, 816 quadrupolos, 504 sextupolos, e outros 700 ímans para pequenas correcções das órbitas dos feixes.

A 8 de Fevereiro de 1988 teminou a escavação do túnel: as duas pontas do anel de 27 km juntaram-se com apenas 1 cm de erro. Um feixe foi injectado nos primeiros 2,5 km do anel no final do mesmo ano, e a 14 de Julho de 1989 circulou o primeiro feixe por todo o anel. As colisões surgiram um mês depois, a 13 de Agosto, apenas 5 anos e 11 meses após a cerimónia de inauguração.

Durante o seu tempo de vida o LEP teve vários upgrades. Na altura em que foi encerrado, a sua energia era mais do dobro daquela com que tinha começado. Mesmo quando o LEP estava a ser planeado, criou-se um programa de pesquisa e desenvolvimento em cavidades aceleradoras supercondutoras para permitir ao acelerador atingir energias mais altas. Novas cavidades foram instaladas de 1996 a 1998 um total de 272 cavidades supercondutoras que forneciam energia suficiente para produzir colisões com a energia máxima de 189 GeV. As últimas 16 cavidades foram instaladas em 1999, aumentando a energia total para 192 GeV. Mesmo assim, os engenheiros do LEP decidiram aumentar as cavidades supercondutoras além do limite recomendado. Em Setembro de 1999 a energia das colisões era de 202 GeV, tendo permanecido neste valor até ao final desse mesmo ano. Então os físicos do CERN quebraram todas as barreiras para aumentar a energia do acelerador ao máximo, a fim de maximizar as hipóteses de uma nova descoberta. Oito cavidades de cobre mais antigas foram postas ao serviço e os limites das cavidades supercondutoras foram novamente incrementados. Apesar de estarem previstas colisões electrão-positrão de energias até 200 GeV, o LEP atingiu um valor final de 209 GeV, dando as experiências uma última hipótese para explorar território desconhecido, antes do seu encerramento no final de 2000.

Foram notáveis as descobertas em Física de Partículas efectuadas graças ao LEP. Membros de governos de todo o mundo juntaram-se no CERN a 9 de Outubro de 2000 para celebrar as realizações do LEP e os seus 11 anos de vida operacional. Dois meses mais tarde, os engenheiros começaram a desmontar a máquina para dar espaço ao Grande Colisionador de Hadrões, LHC, o novo acelerador que devia para levar a física a outros domínios.

Raimundo Martins