Toda a Física explicada em 14 Minutos

Olá, estás numa rocha a flutuar no espaço, rodeado por mais rochas, e gás, e um monte de nada, principalmente.

Oh, olha só, as rochas estão a girar à volta do gás.

Espera aí. O que é que se passa aqui?

Para entender, vamos ver um pouco de física.

Espera, eu disse um pouco?

Para descobrir que tipo de magia é esta, vamos ter de voltar no tempo.

Ok, não tão longe.

Para.

Sim, perfeito. Este é o tipo da gravidade, mas a maioria das pessoas chama-lhe Isaac Newton.

Uma coisa importante que ele disse é que força é igual a massa vezes aceleração.

Agora, o que é que todas estas palavras significam?

Força é um empurrão ou puxão em algo numa certa direção.

Massa diz-te quanto de algo existe e é também uma medida de inércia, mas vamos a isso mais tarde.

E aceleração é a derivada da velocidade em relação ao tempo, mas são demasiadas palavras grandes para o meu gosto, então vamos dizer que é a rapidez com que a tua velocidade está a mudar.

A principal conclusão é que se aplicares uma força a uma massa fixa, obténs uma quantidade previsível de aceleração.

Se souberes todas as forças a atuar numa bola de basquetebol no ar, podes prever com 100% de certeza se a bola vai para o cesto ou para o para-brisas do teu vizinho.

Uau, uma maçã acabou de cair na minha cabeça?

Sim, Newton, caiu.

Sim, isso deve ter acontecido por uma razão, disse Newton, ao descobrir que duas massas se atraem, fazendo a maçã cair.

Sim, até tu, por mais feio que te aches, atraes praticamente todo o universo, pelo menos um pouco.

Ei, podes pôr isso no papel?

Sim, disse Newton, que nos deu a Lei da Gravitação Universal.

Por outras palavras, o quanto dois corpos se atraem, dada a sua massa e distância vezes uma constante.

Maior massa, maior atração.

Maior distância, menor atração. Na verdade, uma atração muito menor.

Vês, à medida que a distância aumenta, a força diminui ao quadrado.

Isso, meus amigos, é a lei do inverso do quadrado.

A gravidade é também a razão pela qual os planetas do nosso sistema solar orbitam o sol. Eles obtiveram a sua velocidade inicial quando o sistema solar se formou a partir de gás em rotação.

E como não há nada no espaço para os impedir de se moverem, eles continuarão a mover-se.

Ei, essa é a primeira lei de Newton.

O sol é tão massivo que a força da gravidade continua a puxar os planetas para o sol, mas os planetas são rápidos o suficiente para essencialmente cair em direção ao sol, mas falhá-lo.

E isto continua para sempre, criando uma órbita redonda.

Na verdade, isso é uma espécie de mentira. A maioria das órbitas não é perfeitamente redonda, mas mais em forma de ovo, e a órbita de Plutão é apenas uma confusão completa.

Mas percebes a ideia.

Neste caso, a gravidade é o que chamamos de força centrípeta.

Uma coisa que muitas pessoas confundem é massa e peso, e não, não são a mesma coisa.

Massa diz-te quanto desta massa existe, e peso é a força da gravidade que a massa sentiria.

Para deixar as coisas claras, a tua massa seria a mesma na Terra e na Lua, mas o peso que sentirias é diferente porque a Lua tem uma atração gravitacional mais fraca.

O que significa uma força mais fraca a atuar na tua massa. Então, na verdade, não estás com excesso de peso, estás apenas no planeta errado.

Certo, chega de Newton, vamos partir algumas coisas.

Se alguma vez deixaste cair o teu telemóvel, pode ter ficado assim.

Que raio, chão? Porque é que fizeste isso? A resposta é energia.

Certo, a conservação de energia. Certo.

Sabes, a coisa que as crianças têm depois de comer gomas.

Mas um carro em movimento tem energia cinética.

Quando o carro para, assumindo que o carro não embate numa parede, para onde vai essa energia?

Quando se aciona os travões, há atrito entre os travões e as rodas, fazendo com que o carro abrande e criando calor como subproduto.

Esse calor é então dissipado para o ar circundante.

E isso faz com que as moléculas no ar se movam mais rapidamente. As coisas que se movem têm energia cinética.

Portanto, em última análise, a energia cinética é transferida do carro para o ar.

Com este conhecimento, podemos definir que a temperatura é apenas a energia cinética média dos átomos num sistema.

Vejam, todos os átomos, não apenas as moléculas no ar, agitam-se assim.

Quanto mais rápido se movem, mais quentes as coisas ficam.

Isso é temperatura.

Toda essa conversa sobre coisas quentes, acho que é hora de falarmos sobre termodinâmica.

Diz-nos que saltar para a lava é provavelmente uma má ideia, mas mais importante, a confusão absoluta que é a entropia.

Literalmente, diz-nos quanta desordem existe num sistema, indicando o número de estados possíveis em que um sistema pode estar.

Por exemplo,

Peguem num cubo de gelo, não, não esse. Sim, esse é perfeito. E ponham-no ao sol.

O sol vai obliterar o cubo de gelo e transformá-lo em água.

Olhando para a estrutura do gelo e da água, podemos ver que o gelo é mais ordenado do que a água, que simplesmente se espalha por todo o lado.

Além disso, a água pode parecer-se com isto, ou isto, ou até isto, mas o gelo terá sempre um aspeto um pouco assim.

No total, o sistema passou de baixa entropia para alta entropia, o que significa mais desordem e mais microestados possíveis.

Esta tendência aplica-se a tudo. O universo inteiro está num caminho imparável para uma entropia mais elevada.

É também a razão pela qual o tempo parece avançar apenas.

Praticamente, a entropia diz-nos que algumas formas de energia são mais úteis para realizar trabalho do que outras.

Deitem gasolina e o vosso carro vai mover-se, expelindo calor e gás.

Esse calor e gás são praticamente gasolina, apenas na forma de maior entropia.

E como podem imaginar, esta substância não vai realmente fazer o vosso carro mover-se e o gás não vai espontaneamente transformar-se de novo em gasolina líquida.

Significando que a forma de gasolina com menor entropia é mais útil para realizar trabalho.

Certo, mas se puserem água no congelador, não irá diminuir a entropia?

Sim, mas o frigorífico não é um sistema isolado e vai aquecer a sala mais do que vai arrefecer a água, aumentando a entropia total.

Querem ver alguma magia?

Uau, o que acabou de acontecer?

Alguns eletrões aparentemente moveram-se através de alguns fios e que haja luz.

O que está a acontecer aqui?

Os objetos têm algo sofisticado chamado carga.

Pode ser positiva ou negativa, ou se tiverem a mesma quantidade de ambas, um objeto é neutro.

Os eletrões têm uma única carga negativa. O fluxo de eletrões é chamado corrente elétrica.

Para a descrever, usamos três parâmetros: corrente, voltagem e resistência.

Corrente é a quantidade de eletrões que passa por um fio num determinado período de tempo.

Voltagem é o que empurra os eletrões para se moverem, mas, em termos simples, é uma diferença de potencial elétrico.

Então, podem imaginá-la como uma inclinação que vai de alto potencial para baixo potencial, onde o fluxo de corrente desce.

E a resistência é bastante autoexplicativa.

Esta é a lei de Coulomb.

Esperem um minuto, isto é apenas a lei da gravitação de Newton disfarçada.

Isto diz-nos que as cargas elétricas se atraem mutuamente de forma semelhante às massas.

Opostos querem aconchegar-se, enquanto cargas iguais literalmente não conseguiam pensar em algo mais nojento do que estarem juntas.

Estas quatro equações explicam praticamente todo o eletromagnetismo.

Mas não se assustem só porque parecem assustadoras. Quer dizer, sim, parecem, mas é mais simples do que parece à primeira vista.

A primeira afirma que se houver uma carga elétrica, haverá um campo elétrico ou este grande E a emergir dela.

Adicionem outra e terão um campo eletrostático.

Estas linhas dizem-nos em que direção uma partícula carregada sentiria uma força em qualquer ponto dado.

A segunda diz-nos o mesmo para campos magnéticos.

E embora as cargas elétricas sejam fixes e possam estar sozinhas, os polos magnéticos não.

São muito solitários, e haverá sempre um Polo Norte junto com um Polo Sul, e um único polo nunca pode estar sozinho.

Certo, agora é aqui que as coisas ficam um pouco estranhas.

Sabem como as cargas elétricas só atuam sobre outras cargas e os ímanes só afetam outros ímanes?

Bem, isso só é verdade se não estiverem em movimento.

A terceira e quarta equações de Maxwell dizem-nos que um íman em movimento cria um campo elétrico e uma carga em movimento ou campo elétrico cria um campo magnético.

Uma consequência disto é que a corrente pode aparentemente surgir do nada ao mover um íman perto de um condutor.

O íman em movimento cria um campo elétrico que faz com que os eletrões dentro do condutor enlouqueçam.

Isso é chamado indução.

Por outras palavras, os campos elétricos e magnéticos estão tão estreitamente ligados.

que são duas partes da mesma coisa maior.

Digamos que temos uma carga. Como não se move, tem um campo elétrico estático.

Se acelerarmos a carga, haverá um campo magnético à sua volta.

Esse campo magnético interage com o campo elétrico, que por sua vez altera o campo magnético, e isto é uma espécie de reação em cadeia que faz com que o campo eletromagnético irradie para o espaço como uma onda eletromagnética.

Dependendo da frequência, o olho humano consegue realmente ver isto. Chama-se luz.

mas a maior parte do espetro é invisível ao olho humano

e é usado para coisas como Bluetooth, carregamento sem fios e para confundir os símios humanos a pensar que a magia é real.

Ei, podemos voltar à água e olhar para aquelas moléculas?

Sim, aquelas. De que são feitas?

As moléculas são feitas de átomos. Os átomos são feitos de um núcleo e alguns eletrões.

O núcleo é feito de protões e neutrões, ambos feitos de quarks.

São estranhos, mas charmosos, de cima a baixo.

Ah, sim, há mais algumas coisas. Como, por exemplo, os irmãos com excesso de peso do eletrão.

Tudo isto, em conjunto, constitui o modelo padrão, que acreditamos serem as coisas mais pequenas do universo.

Pelo menos, essa é a desculpa que temos para não saber do que são feitos os quarks.

Curiosidade: Dependendo do número de protões no núcleo, obtêm-se elementos diferentes.

Dependendo do número de neutrões no núcleo, obtêm-se isótopos diferentes do mesmo elemento.

A maioria dos quais tem um pouco de excesso de peso e é muito instável, por isso desintegram-se em átomos mais pequenos.

Isso liberta radiação ionizante.

Facto não tão divertido: essa coisa vai matar-vos.

Se tiverem um grande grupo de átomos, podem prever quando metade deles se terá desintegrado.

Essa é a meia-vida.

Dependendo da instabilidade de um isótopo, ele sobreviverá por um determinado período de tempo.

Alguns não querem viver, alguns realmente não querem viver, mas alguns viverão muito mais tempo do que vocês provavelmente viverão.

Ah, sim, já mencionei que a luz é a coisa mais rápida do universo?

Para ser exato, 299.792.458 metros por segundo no vácuo.

Isso é muito rápido, disseram todos.

Além disso, a luz é uma onda, disseram todos.

Porquê? Se a dispararem através de duas fendas minúsculas, ela cria um padrão elegante devido à interferência, que é apenas uma característica das ondas.

Vejam, quando duas ondas se cruzam, elas podem somar-se ou anular-se mutuamente.

Estas lacunas são os pontos onde elas se anulam mutuamente.

Então, neste caso, a luz comporta-se como uma onda.

Nah, esqueçam isso, tudo o que sabem está errado, disse Albert Einstein, provavelmente a fumar crack depois de ouvir falar do efeito fotoelétrico e descobrir que a luz vem em pequenos pacotes chamados fotões.

Espero bem que isso não desvende uma área completamente nova da física.

De qualquer forma, disse ele, enquanto continuava a lançar casualmente uma bomba absoluta sobre todo o campo da física com a sua teoria da relatividade.

Ele assumiu que a velocidade da luz é constante porque resulta de duas outras constantes.

Ele também assumiu que as leis da física são as mesmas para todos, independentemente de estarem em movimento ou em repouso.

Agora pensem nisto, se duas pessoas acenderem uma lanterna, mas uma pessoa estiver parada enquanto a outra está num comboio em movimento, a pessoa parada não veria a luz da outra pessoa a ir mais rápido do que a velocidade da luz?

A realidade é que não, seria o mesmo que a sua própria lanterna.

Isso é impossível, exceto se o tempo passar mais devagar para essa pessoa da perspetiva desta pessoa.

Por outras palavras, se a velocidade da luz é constante, o tempo deve ser relativo.

Além disso, a gravidade não é realmente uma força, desculpe Newton, mas sim uma consequência da massa a curvar o espaço-tempo.

Einstein pensava que o universo é uma malha de espaço e tempo, e qualquer coisa com massa curva este tecido.

Além disso, todos os objetos movem-se livremente numa linha reta quando se movem pelo espaço.

A gravitação é simplesmente o resultado de objetos a seguir estas linhas curvas que lhes parecem retas.

Se tiverem dificuldade em entender isto, podem imaginar duas pessoas na Terra a caminhar em linhas retas paralelas.

Agora imaginem um na Costa Leste e outro na Costa Oeste dos EUA.

Se ambos caminharem para norte, eventualmente encontrar-se-ão no Polo Norte.

Devido à curvatura da Terra, eles acabaram no mesmo ponto, embora ambos tivessem caminhado em linha reta em relação a si próprios.

Ah, sim, a propósito, energia e massa são mais ou menos a mesma coisa, acrescentou ele.

O que explica porque é que as bombas atómicas são tão incrivelmente poderosas.

De acordo com esta fórmula, mesmo átomos minúsculos podem libertar uma quantidade gigantesca de energia, cedendo apenas uma fração da sua massa durante a fissão.

O que é fissão?

É a mesma coisa que Oppenheimer usou para fazer esta coisa explodir.

Vejam, há duas formas principais de obter energia a partir da alteração de núcleos: fissão e fusão.

A fissão visa dividir o núcleo de um átomo em dois ou mais núcleos mais pequenos, o que é mais frequentemente conseguido bombardeando o núcleo com neutrões.

A fusão é o oposto, onde se combinam dois núcleos mais pequenos para obter um maior.

A energia veio de algo que chamamos um defeito de massa.

o núcleo resultante é mais leve do que os núcleos iniciais.

Esta massa em falta foi o que se converteu em energia durante a fusão.

A fissão e a fusão são fixes, mas é preciso ter cuidado ou podemos simplesmente fazer explodir o planeta.

várias vezes...

Isso não aconteceu quase antes.

várias vezes.

Ei, lembram-se quando Einstein disse que a luz é uma partícula, ele descobriu acidentalmente um campo totalmente novo da física que ele pensava ser apenas uma grande farsa.

é LOUCO.

Mecânica quântica. Isto é louco.

Outro alemão chamado Max Planck disse: 'Sim, Einstein, tens razão. A luz vem em pequenos pacotes.'

Na verdade, toda a energia vem em pequenos pacotes.

ou quanta.

Queres saber onde está um eletrão dentro de um átomo? Está aqui.

E ali, e em todo o lado ao mesmo tempo, na verdade, isso é uma superposição.

Não está num estado, está em múltiplos estados ao mesmo tempo.

Pelo menos até o medires. Depois escolhe um lugar acolhedor para estar.

Schrödinger deu-nos uma equação que nos dá um modelo probabilístico de onde o podemos encontrar se o medirmos.

Podemos imaginar isto como uma nuvem, e quanto mais densa for, mais provável é que um eletrão esteja lá.

Mas ainda assim, onde exatamente irá parar depois de o medires é aleatório.

Falando em observar partículas, elas também são super sensíveis aos seus dados privados.

Vejam estas duas imagens de uma bola a voar.

Numa, podemos ver claramente onde está a bola, mas não em que direção se está a mover.

E na outra, podemos ver para onde se está a mover e aproximadamente a que velocidade, mas não onde está exatamente no momento.

Isso é essencialmente o princípio da incerteza de Heisenberg.

Nunca se pode saber a posição exata e a velocidade exata de uma partícula quântica ao mesmo tempo.

Ok, vamos recapitular. Uma coisa pequena pode ser uma partícula e uma onda ao mesmo tempo, e quando tentamos olhá-las, coisas estranhas acontecem.

Mas sabem que mais? Fica ainda mais estranho.

Pensem no experimento da dupla fenda.

Sabemos que um feixe de luz age como um monte de ondas e obtemos interferência.

Mas aqui está a coisa estranha. Mesmo que enviemos fotões individuais, depois de enviar um número suficiente deles e detetar onde eles acabam, obtemos interferência.

Tipo, como é que isso pode ser?

Bem, com o que é que uma única partícula interferiu?

Bem, pensamos que interferiu consigo mesma porque agiu como uma onda e passou pelas duas fendas ao mesmo tempo.

Isso é uma superposição!

Ok, bem, vamos apenas medir por qual fenda passa.

Ah, sim, isso não vai acontecer.

Assim que começamos a medir por qual fenda o fotão passa, ele deixa de agir como uma onda e o padrão de interferência desaparece.

Pois cada partícula escolhe apenas uma das fendas para passar.

Parece-me um bocado suspeito.

De qualquer forma, todo este conhecimento vai custar-vos uma subscrição e um 'gosto'.

Muito obrigado, e podem decidir se talvez queiram dar uma gorjeta com um comentário, talvez?

este vídeo custou-me a alma a fazer. não vejo o sol há duas semanas. ajuda