Essas quatro forças fundamentais da natureza controlam todas as interações na natureza

As quatro forças fundamentais estão por trás de cada interação no universo. Crédito da imagem: sakkmesterke / Shutterstock

Todas as forças que experimentamos todos os dias (e muitas que não percebemos que experimentamos todos os dias) podem ser reduzidas a apenas quatro forças fundamentais da natureza:

1. Gravidade
2. A força fraca
3. Eletromagnetismo
4. A força forte

Essas quatro forças fundamentais da natureza governam tudo o que acontece no universo.           

Forças fundamentais da natureza: gravidade

A gravidade é a atração entre dois objetos que possuem massa ou energia, seja ela derrubando uma pedra de uma ponte, um planeta orbitando uma estrela ou a lua causando marés oceânicas. A gravidade é provavelmente a mais intuitiva e familiar das quatro forças fundamentais da natureza, mas também é uma das mais difíceis de explicar.

Isaac Newton foi o primeiro a propor a ideia da gravidade, supostamente inspirada em uma maçã caindo de uma árvore. Ele descreveu a gravidade como uma atração literal entre dois objetos. Séculos depois, Albert Einstein sugeriu, por meio de sua teoria da relatividade geral, que a gravidade não é uma atração ou uma força. Em vez disso, é uma consequência da curvatura do espaço-tempo dos objetos. Um grande objeto funciona no espaço-tempo um pouco como uma grande bola colocada no meio de uma folha afeta aquele material, deformando-o e fazendo com que outros objetos menores na folha caiam em direção ao meio.

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Embora a gravidade mantenha planetas, estrelas, sistemas solares e até galáxias juntas, ela acaba sendo a mais fraca das forças fundamentais, especialmente nas escalas molecular e atômica. Pense desta forma: Quão difícil é levantar uma bola do chão? Ou levantar o pé? Ou pular? Todas essas ações estão neutralizando a gravidade de toda a Terra. E nos níveis molecular e atômico, a gravidade quase não tem efeito em relação às outras forças fundamentais.

Forças fundamentais da natureza: a força fraca

A força fraca, também chamada de interação nuclear fraca, é responsável pelo decaimento das partículas. Esta é a mudança literal de um tipo de partícula subatômica em outra. Assim, por exemplo, um neutrino que se espalha perto de um nêutron pode transformar o nêutron em um próton enquanto o neutrino se torna um elétron.

Os físicos descrevem essa interação por meio da troca de partículas portadoras de força chamadas bósons. Tipos específicos de bósons são responsáveis pela força fraca, força eletromagnética e força forte. Na força fraca, os bósons são partículas carregadas chamadas bósons W e Z. Quando partículas subatômicas como prótons, nêutrons e elétrons chegam a 10^-18 metros, ou 0,1% do diâmetro de um próton, entre si, elas podem trocar esses bósons. Como resultado, as partículas subatômicas decaem em novas partículas, de acordo com o site HyperPhysics da Georgia State University.

A força fraca é crítica para as reações de fusão nuclear que alimentam o Sol e produzem a energia necessária para a maioria das formas de vida aqui na Terra. É também por isso que os arqueólogos podem usar o carbono-14 para datar ossos antigos, madeira e outros artefatos antes vivos. O carbono-14 tem seis prótons e oito nêutrons; um desses nêutrons decai em próton para produzir nitrogênio-14, que tem sete prótons e sete nêutrons. Essa deterioração ocorre em uma taxa previsível, permitindo aos cientistas determinar a idade desses artefatos.

A força fraca é crítica para as reações de fusão nuclear que alimentam o Sol e produzem a energia necessária para a maioria das formas de vida aqui na Terra. Crédito da imagem: Shutterstock

Forças fundamentais da natureza: força eletromagnética

A força eletromagnética, também chamada de força de Lorentz, atua entre partículas carregadas, como elétrons com carga negativa e prótons com carga positiva. Cargas opostas se atraem, enquanto cargas semelhantes se repelem. Quanto maior a carga, maior a força. E assim como a gravidade, essa força pode ser sentida de uma distância infinita (embora a força seja muito, muito pequena nessa distância).

Como o próprio nome indica, a força eletromagnética consiste em duas partes: a força elétrica e a força magnética. No início, os físicos descreveram essas forças como separadas uma da outra, mas os pesquisadores mais tarde perceberam que as duas são componentes da mesma força. 

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O componente elétrico atua entre as partículas carregadas, estejam elas em movimento ou estacionárias, criando um campo pelo qual as cargas podem influenciar umas às outras. Mas, uma vez colocadas em movimento, essas partículas carregadas começam a exibir o segundo componente, a força magnética. As partículas criam um campo magnético ao seu redor conforme se movem. Portanto, quando os elétrons passam por um fio para carregar o computador ou telefone ou ligar a TV, por exemplo, o fio se torna magnético.

As forças eletromagnéticas são transferidas entre as partículas carregadas através da troca de bósons sem massa e portadores de força chamadas fótons, que também são os componentes das partículas da luz. Os fótons portadores de força que trocam entre partículas carregadas, no entanto, são uma manifestação diferente dos fótons. Eles são virtuais e indetectáveis, embora sejam tecnicamente as mesmas partículas da versão real e detectável, de acordo com a Universidade do Tennessee, Knoxville.

A força eletromagnética é responsável por alguns dos fenômenos mais comumente experimentados: atrito, elasticidade, a força normal e a força que mantém os sólidos juntos em uma determinada forma. É ainda responsável pela resistência de pássaros, aviões e até mesmo o Superman experimentam enquanto voam. Essas ações podem ocorrer devido a partículas carregadas (ou neutralizadas) interagindo umas com as outras. A força normal que mantém um livro em cima de uma mesa (em vez da gravidade puxando o livro para o chão), por exemplo, é uma consequência dos elétrons nos átomos da mesa repelindo elétrons nos átomos do livro. 

A força que mantém um livro em cima de uma mesa (em vez da gravidade puxar o livro para o chão), é uma consequência da força eletromagnética: os elétrons nos átomos da mesa repelem elétrons nos átomos do livro. Crédito da imagem: Shutterstock

Forças fundamentais da natureza: a força nuclear forte

A força nuclear forte, também chamada de interação nuclear forte, é a mais forte das quatro forças fundamentais da natureza. É 6 mil trilhões de trilhões de trilhões (são 39 zeros depois de 6!) Vezes mais forte do que a força da gravidade, de acordo com o site HyperPhysics. E isso porque ela une as partículas fundamentais da matéria para formar partículas maiores. Ela mantém juntos os quarks que formam os prótons e nêutrons, e parte da força forte que também mantém os prótons e nêutrons do núcleo de um átomo juntos.

Assim como a força fraca, a força forte opera apenas quando as partículas subatômicas estão extremamente próximas umas das outras. Elas devem estar em algum lugar dentro de 10^-15 metros uma da outra, ou aproximadamente dentro do diâmetro de um próton, de acordo com o site HyperPhysics. 

A força forte é estranha, porque, ao contrário de qualquer uma das outras forças fundamentais, ela fica mais fraca à medida que as partículas subatômicas se aproximam. Na verdade, atinge a força máxima quando as partículas estão mais distantes umas das outras, de acordo com o Fermilab. Uma vez dentro do alcance, bósons carregados sem massa, chamados de glúons, transmitem a força forte entre os quarks e os mantêm "colados" uns aos outros. Uma pequena fração da força forte chamada força forte residual atua entre prótons e nêutrons. Os prótons no núcleo se repelem por causa de sua carga semelhante, mas a força residual forte pode superar essa repulsão, de modo que as partículas permanecem ligadas no núcleo do átomo.

Natureza Unificadora

A questão pendente das quatro forças fundamentais é se elas são realmente manifestações de apenas uma única grande força do universo. Nesse caso, cada uma delas deve ser capaz de se fundir com as outras, e já há evidências de que podem. 

Os físicos Sheldon Glashow e Steven Weinberg da Harvard University com Abdus Salam do Imperial College London ganharam o Prêmio Nobel de Física em 1979 por unificar a força eletromagnética com a força fraca para formar o conceito de força eletrofraca. Físicos trabalhando para encontrar a assim chamada grande teoria unificada pretendem unir a força eletrofraca com a força forte para definir uma força eletronuclear, que os modelos previram, mas que os pesquisadores ainda não observaram. A peça final do quebra-cabeça exigiria então a unificação da gravidade com a força eletronuclear para desenvolver a chamada teoria de tudo, uma estrutura teórica que poderia explicar todo o universo.

Os físicos, no entanto, acharam muito difícil mesclar o mundo microscópico com o macroscópico. Em escalas grandes e especialmente astronômicas, a gravidade domina e é melhor descrita pela teoria da relatividade geral de Einstein. Mas em escalas moleculares, atômicas ou subatômicas, a mecânica quântica descreve melhor o mundo natural. E até agora, ninguém descobriu uma boa maneira de mesclar esses dois mundos.

Alguns físicos pensam que todas as quatro forças podem se fundir em uma única força unificada que governa o universo - uma teoria de campo unificado. Crédito da imagem: Shutterstock

Os físicos que estudam a gravidade quântica pretendem descrever a força em termos do mundo quântico, o que poderia ajudar na fusão. Fundamental para essa abordagem seria a descoberta dos grávitons, o bóson portador de força teórica da força gravitacional. A gravidade é a única força fundamental que os físicos podem atualmente descrever sem o uso de partículas portadoras de força. Mas como as descrições de todas as outras forças fundamentais requerem partículas portadoras de força, os cientistas esperam que os grávitons devam existir no nível subatômico, os pesquisadores simplesmente não encontraram essas partículas ainda.

Para complicar ainda mais a história, está o reino invisível da matéria escura e da energia escura, que constituem cerca de 95% do universo. Não está claro se a matéria escura e a energia consistem em uma única partícula ou em todo um conjunto de partículas com suas próprias forças e bósons mensageiros. 

A principal partícula mensageira de interesse atual é o fóton escuro teórico, que mediaria as interações entre o universo visível e o invisível. Se fótons escuros existissem, eles seriam a chave para detectar o mundo invisível da matéria escura e poderiam levar à descoberta de uma quinta força fundamental. Até agora, porém, não há evidência de que existam fótons escuros, e algumas pesquisas ofereceram fortes evidências de que essas partículas não existem. 

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Recursos adicionais:

• Assista a um vídeo sobre as forças fundamentais da natureza, da Khan Academy.
• Leia mais sobre a unificação das forças fundamentais no CERN.
• Leia mais sobre como funcionam as forças fundamentais no Modelo Padrão do CERN.

Referência:

REHM, Jeremy. The four fundamental forces of nature. Live Science, Nova York, 01, out. 2019. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/the-fundamental-forces-of-nature.html>. Acesso em: 02, mai. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.