OCTETO DOS ENTES FÍSICOS
O Vácuo, a Classe dos Fermion e os Mediadores das Seis Forças da Natureza
Luiz Sergio Coelho de Sampaio
Abril, 1998.
ee-001001.00[1](15/07/1999)
 



Parte I O processo de unificação das quatro forças da natureza desde a síntese eletrofraca encontra-se bloqueado. Para superar tal situação, propõe-se aqui a reformulação interpretativa geral do quadro destas forças: elas passam de quatro para seis pela simples incorporação da hipotética força de Higgs e da antiga força forte (força de Yukawa). Três serão consideradas simples e três compostas e os seis respectivos conjuntos de bosons mediadores, junto com o vácuo e a classe dos fermions, formam o octeto fundamental dos entes físicos. Esta reformulação deixa evidente a razão do fracasso da atual estratégia teórica, que deve ser doravante substituída por uma nova que tenha por objetivo preciso, não a unificação, mas a especificação da rede de interdeterminações das forças. Mostra-se também como a partir daí podem ser feitas inferências altamente prováveis acerca de um bom número de problemas cruciais da física atual.

  a) A Física está essencialmente determinada por seu desiderato [1] de reduzir toda a diversidade fenomênica do mundo a apenas três grandezas fundamentais - tempo (T), espaço (L) e matéria (M). Isto foi histórica e explicitamente posto pela mecânica newtoniana, que o fez, porém, tomando estas grandezas, cada uma a seu modo, como três absolutos: tempo absoluto, espaço absoluto e matéria absoluta.

  b) A própria idéia de múltiplos absolutos [2] constitui um evidente oximoro, uma contradição em termos, razão porque, a partir de então, a história da física confunde-se com a procura de caminhos que possibilitem a preservação/"desabsolutização" daquelas três grandezas, que se realiza através da explícita determinação do seu mútuo condicionamento. Isto vai se consubstanciar na formulação de "mecânicas alternativas" à newtoniana e, concomitantemente, pela estipulação de constantes que as caracterizam - primariamente, como valores de comprometimento mútuo das grandezas fundamentais e, então, por conseqüência, como constantes universais.

  c) Sendo em número de três as grandezas fundamentais, três serão, tomados dois a dois, os seus comprometimentos possíveis:

     T com L, já desvelado pela relatividade restrita como uma velocidade máxima c do translado de massas, energias e seus afeitos;
     M com T, já desvelado pela mecânica quântica como um spin mínimo h/4c2 [3].

Estes dois primeiros comprometimentos, articulados entre si, vieram constituir a eletrodinâmica quântica (QED), a mais bem sucedida das teorias até hoje produzidas com respeito à proximidade entre o calculado e medido.

     L com M, um comprometimento esperado, mas não consumado pela relatividade geral [4].

Este comprometimento pode bem ser representado por uma nova constante genericamente denominada cliname, cuja dimensão é dada por ML-1 [5].

Com isto, o conjunto de grandezas fundamentais passa necessariamente de três para seis, pois, o que perdem em autonomia T, L e M , é necessariamente ganho por LT-1, MT e ML-1.

  d) Do conjunto alargado das seis grandezas fundamentais, aquelas onde aparece M são denominadas grandezas dinâmicas fundamentais; são em número de três: massa m (de dimensão M), spin s (de dimensão MT) e cliname a (de dimensão ML-1). Delas derivariam as famílías das grandezas físicas (mecânicas), como também a variedade dos entes físicos (vácuo e partículas, tanto fermions, quanto bosons).

  e) As famílias são conjuntos de grandezas equivalentes, isto é, diferindo dimensionalmente apenas em potências da velocidade (LT-1) [6]. Assim, cada grandeza dinâmica fundamental gera sua particular família:

família M - massa m (M), quantidade de movimento p (M x LT-1= ML T-1) e
energia E (M x L2 T-2 = ML2 T-2);

família MT - spin s (MT), momento estático S (MT x LT-1= ML) e
momento angular J (MT x L2 T-2 = ML2 T-1);

família ML-1 - cliname a (ML-1), "variação de massa" A (ML-1 x LT-1 = MT-1) e
força F (ML-1 x L2 T-2 = ML2 T-1).

Dada a tridimensionalidade do espaço, teríamos ainda as duas "famílias aparentadas" a ML-1: primeiramente ML-2 , historicamente de escasso uso, e depois ML-3:

família ML-3 - densidade  (ML-3), intensidade de fluxo material j (ML-3 x LT-1 = ML-2T-1) e pressão P (ML-3 x L2 T-2 = ML-1 T-2).

As grandezas de uma família constituem modos equivalentes de cada uma das grandezas dinâmicas fundamentais. A equivalência einsteiniana massa/energia é apenas um caso particular desta disposição geral. A grandeza fundamental será denominada modo próprio - massa própria e spin (momento angular próprio/c2) são dois casos particulares desta disposição geral -; multiplicado este modo pela dimensão da velocidade, constitui-se o modo relativo; multiplicado pela dimensão quadrado da velocidade, constitui-se o modo global. Este último representa uma síntese natural dos dois modos anteriores, o que vai se traduzir em equações de um tipo bem característico das teorias físicas. Tem-se, por exemplo: E2 = p2c2 + + m°2c4 (relativo à grandeza dinâmica fundamental massa M); também P = j.v + v2 (relativo à grandeza dinâmica fundamental densidade ML-3). [7]

  f) Das três grandezas dinâmicas fundamentais - m (M), a (ML-1), e s (MT ) -, por uma simples combinatória, também derivam os entes físicos (vácuo e partículas, tanto bosons, como fermions. São elas: {ø}, {m}, {a}, {s}, {m, a}, {m, s}, {a, s} e {m, a, s}. Como mostra a tabela 1, a identificação dos correspondentes entes físicos é quase que imediata, afora pequenas exceções.
Temos aí apenas duas discrepâncias com a física estabelecida. O caso mais grave é do gráviton, que para nós é dotado apenas da grandeza cliname (a), não tendo portanto spin, e muito menos spin 2. Seria o caso perguntar: por que se tem uma partícula para cada combinação com duas estranhas exceções: de um lado, apenas dotado de spin, estariam duas forças (gravitacional e forte); de outro lado, dotada apenas de cliname, nenhuma?! A admissão de spin 2 para o gráviton é uma decorrência apenas formal da super-abundante complexidade das equações da relatividade geral, resultante do "forçamento" da massa para dentro da geometria. Um estudo mais acurado das equações da relatividade geral irá demonstrar a inconsistência de seja qual for o spin atribuído ao gráviton. O segundo caso é o do neutrino do elétron, que por não possuir massa [8], torna-se a única exceção entre os fermions; mas isto será adiante logicamente justificado.

As partículas caracterizadas por apenas uma grandeza são denominadas mediadores de forças simples e aquelas com a presença de duas grandezas, mediadores das forças compostas, todas, obviamente, classificadas como bosons. Teríamos, assim, como forças simples, na ordem da tabela 1, a de Higgs, a gravitacional e a forte (gluônica inter-quarks) [9] e como forças compostas complementares, respectivamente, a eletromagnética, a fraca e a de Yukawa (antiga força forte inter-nucleônica mediada por pions). O conjunto dos seis bosons mediadores das forças, o vácuo e a classe dos fermion formam o perfeito octeto dos entes físicos, como mostra a figura 1.

FIGURA 1 - O OCTETO DOS ENTES FÍSICOS


  h) Não é difícil concordar com que cada força simples precisa ser responsável pela estrutura interna do mediador da força composta correlata ou complementar. Sendo a força simples saturada, o mediador da correspondente força composta será destituído, dentre as três grandezas básicas, precisamente, daquela que lhe estrutura internamente. Por exemplo: a força gravitacional cujo mediador é o gráviton a tem como correlata a força fraca, cujos mediadores W+, W - e Z° possuem apenas duas grandezas características fundamentais, exatamente m e s. Isto, a propósito, implica que a curtíssimas distâncias as "linhas de força" radiais do campo gravitacional colapsem, vale dizer, convirjam todas para a partícula próxima, fazendo da gravitação, agora, uma força saturada e provocando um gigantesco aumento de sua intensidade que passa então a se aproximar às demais forças [10]. Se aceitarmos isto, teremos também aberto um caminho para a quantização da força gravitacional, tarefa que vem se mostrando até hoje de difícil consecução.

  i) As discrepâncias desta lista de forças com a física estabelecida são, a nosso juízo, de pequena monta e todas plenamente justificadas a nosso favor. A principal, refere-se ao número de forças, 4 para a física estabelecida e 6 para nós. Ora, como prover massa aos pesadíssimos bosons fracos?! A resposta já nos foi dada: através de um campo escalar, denominado campo de Higgs. Ele é mediado por um boson, como acontece com todas as forças, e seu atributo único é a massa (m). Não contabilizá-la então como uma autêntica força parece-nos um enorme contra-senso [11].
Quanto a manter a antiga força internucleônica ao lado da nova força forte gluônica interquarks, é óbvio que devemos fazê-lo porque a existência desta última não suprime a anterior inferida teoricamente por Yukawa em 1930, mediada pelos pions. A força forte gluônica nos daria uma explicação da estrutura interna de pions e nucleons (a propósito, uma evidência já disponível de que existem forças simples e complementares compostas), mas não faz com que o pion deixe de existir. Os nucleons nos núcleos dos átomos, prótons e nêutrons, continuam a trocar pions virtuais entre si. Desqualificar a velha força forte seria o mesmo que conceber os nucleons como dotados de intencionalidade epistolar, vale dizer, de trocarem gluons, mas antes envelopando-os dentro de pions! Este caso nada tem de similar àquele da descoberta do eletromagnetismo intra-atômico que veio dispensar a conjectura acerca da existência de forças específicas intra-moleculares. Somando tudo isto, as forças devem ser contadas como precisamente 6 e não 4, como está dito equivocadamente por toda parte. E ainda: não há porque nem como "unificá-las"!
Por fim, a designação grude entre parênteses ao lado do gluon é para alertar que o atual modelo dos quarks é ainda uma solução provisória. A força que ali visamos é, na verdade, intraquarks e não interquarks, o que implica que estes precisam ser vistos - em breve futuro isto se comprovará - como compostos de três "sub-quarks" mediados pelo grude, cuja característica essencial, entretanto, continua a ser a mesma do gluon, isto é, possuir apenas spin 1.

  j) O leitor facilmente constata que apenas as forças por nós denominadas compostas tiveram até hoje todos os seus mediadores empiricamente identificados - o fóton  , os bosons fracos W+, W- e Z°, os pions pi°, pi+ e pi - -, enquanto que, de outro lado, nenhum mediador simples o foi. Isto assim acontece pela simples razão de que as forças simples são de certo modo mais "elementares", mais profundas e, conseqüentemente, dotadas de mediadores de muito maior energia própria do que seus parceiros compostos.

  k) Que sentido poderíamos atribuir à expressão partículas primordiais? De um ponto de vista construtivista, seriam aquelas partículas capazes de por si só permitirem a construção de todas as demais partículas fundamentais. As partículas primordiais deveriam portanto, observar às seguintes três condições:

  1. Teriam que ser pelo menos duas, um fermion e um boson, caso contrário, não se poderia dar um processo construtivo;

  2. Deveriam repartir entre si as três variáveis dinâmicas m, a, e s, caso contrário estas não poderiam ter vindo ao mundo; por uma questão de simetria (ou de estética [12]), não deveria haver duplicidade de ocorrência;

  3. Como teste decisivo, tal construção precisaria ser, pelos conhecimentos atuais, exclusiva, "elegante" e empiricamente viável.

As 6 opções combinatórias possíveis estão ilustradas na figura 2. As opções com o boson possuindo a grandeza s precisam ser imediatamente descartados, porque seus spins teriam que ser zero ou inteiros, portanto incapazes de gerar fermions que possuam spins fracionários (opções III, IV e V). A grandeza m não pode participar do fermion primordial porque então seria impossível gerar partículas de massa zero como o neutrino do elétron, o gluon, o gráviton e o fóton (opções IV,V e VI). A propósito, é esta a justificativa lógica da exceção que constitui a existência de um fermion sem massa, anotada no item f anterior. Deste modo, resta-nos tão só as opções I e II. Deve-se considerar ainda que, se o boson primordial for caracterizado por duas grandezas dinâmicas fundamentais, será impossível a geração dos bosons simples, o que elimina as opções I, III e V. Assim, restar-nos apenas a opção II, em que o boson está dotado apenas da grandeza m e o fermion, das grandezas a e s. O primeiro, só pode ser a partícula de Higgs, o segundo, o neutrino do elétron, como mostrado na figura 2 [13].

FIGURA 2 - OPÇÕES FORMAIS PARA AS PARTÍCULAS PRIMORDIAIS



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