Anjos e demônios da ciência

No filme, os cientistas são inocentes e os cardeais são sábios

Como não podia deixar de ser, hoje escrevo sobre o filme "Anjos e Demônios", baseado no romance homônimo de Dan Brown.

Para os leitores que não tiveram a oportunidade de assistir ao filme ou ler o livro, a narrativa trata de um complô para assassinar a cúpula da Igreja Católica durante a escolha de um novo papa. Uma bomba extremamente poderosa foi escondida em algum lugar da famosa basílica de São Pedro, no Vaticano, e irá explodir, a menos que nosso herói, o professor de Harvard especialista na interpretação de símbolos Robert Langdon (Tom Hanks), consiga desvendar uma série de mistérios e pistas.

A bomba, e aqui entra o tema principal do filme, é um artefato que usa uma amostra de antimatéria criada pelos cientistas do Cern, o centro europeu de física de partículas, a casa do LHC, o gigantesco colisor de partículas que deverá entrar em funcionamento em alguns meses. O filme retrata o conflito entre os magistérios que supostamente disputam o domínio da sociedade: a religião e a ciência.

A cena inicial se passa no templo da ciência, onde os seus sacerdotes, os cientistas do Cern, preparam-se para acionar a maior máquina já construída na história. A bela física italiana Vittoria Vetra (Ayelet Zurer) e seu colega, um padre físico (vejam que essa união não é impossível), planejam isolar um pouco de antimatéria.

O ponto é que antimatéria é extremamente rara: o Universo é composto quase exclusivamente de matéria, os átomos formados de partículas elementares como elétrons e quarks (componentes dos prótons e nêutrons). Ainda bem. Partículas de matéria desintegram-se imediatamente quando entram em contato com partículas de antimatéria, transformando-se em raios gama, uma forma de radiação eletromagnética de altíssima energia. Se você apertasse a mão da sua antipessoa, o Brasil desapareceria em instantes.

A bomba que ameaça destruir o Vaticano é feita de antimatéria, roubada do experimento no Cern. No livro, fica claro que a intenção dos físicos é recriar o Big Bang, o momento da criação, transformando mistério em ciência. O padre físico quer provar que Deus existe; os cientistas, que a ciência explica até mesmo o mistério da criação sem a necessidade de interferências sobrenaturais. No meio tempo, a liderança da Igreja Católica pode desaparecer do mapa: o fim da religião pelas mãos da ciência.

Não vou contar o que acontece no filme, para não estragar a surpresa.

Mesmo que o enredo não faça muito sentido do ponto de vista científico, Dan Brown consegue trazer o conflito entre ciência e religião ao grande público, o que acho notável.

Infelizmente, no filme vemos uma tendência a manter estereótipos que me parecem injustos. Existe uma aura de inocência nos cientistas e de sapiência nos cardeais, como se cientistas fossem imaturos e irresponsáveis perante a autoridade moral da igreja.

O templo da ciência parece um brinquedo perante o majestoso templo da igreja. (E, em termos de beleza, não há mesmo o que comparar. Mas a questão aqui é a função de cada um.)
Mas o que define a sociedade moderna? Os "brinquedos" digitais da ciência ou a moral ancestral da religião?

A sabedoria e a moralidade não são província exclusiva da religião. Muitas pessoas sábias e altamente morais não são religiosas. Todos sabem que matar é errado (mesmo que as religiões se esqueçam disso com frequência), e a maioria sabe que devemos amar o nosso próximo. Os desafios que enfrentaremos ao longo deste século, do aquecimento global à crise de energia, serão resolvidos nos templos da ciência e não nos belos templos da religião.

Uma pista cósmica?

Caso a matéria escura exista e seja de fato diferente, uma nova janela se abre na física

A comunidade dos físicos e astrônomos anda bastante empolgada por estes dias. Na primeira semana de novembro, membros da colaboração internacional Pamela, um satélite europeu desenhado para buscar por antimatéria no espaço, finalmente anunciaram oficialmente que seus detectores acusavam um excesso de pósitrons, a antipartícula do elétron.

Esse excesso, segundo eles, podia ser devido à presença da misteriosa matéria escura, um tipo de matéria que é seis vezes mais abundante do que a matéria comum, mas cuja detecção direta ainda não foi feita. A composição da matéria escura, cuja existência no momento é inferida apenas através de sua ação gravitacional sobre a matéria comum, é um dos grandes enigmas da física moderna. Caso a matéria escura exista e seja de fato um tipo de matéria diferente dos elétrons e prótons dos quais somos feitos (a matéria bariônica), uma nova janela se abre na física de partículas e na astrofísica. O entusiasmo da comunidade é plenamente justificável.

Em 1928, o físico inglês Paul Dirac obteve uma equação unindo a teoria da relatividade especial de Einstein e a mecânica quântica, que descreve os átomos e os seus constituintes. Para a sua surpresa, e com a ajuda de J. Robert Oppenheimer, a equação previa que cada partícula de matéria -elétrons, nêutrons, prótons- tinha uma parceira de antimatéria com a mesma massa. A diferença mais importante entre matéria e antimatéria é a carga elétrica oposta: se o elétron é negativo, o pósitron é positivo. O antipróton é negativo. Já o antinêutron também tem carga zero, mas outras propriedades suas são invertidas.

É como se a realidade tivesse duas faces, cada uma de um lado de um espelho. Quando essas duas realidades se encontram, isto é, quando uma partícula de matéria encontra sua parceira de antimatéria, o resultado é dramático: as duas se desintegram em raios gama, a radiação eletromagnética mais energética que existe. Dan Brown, em seu best seller "Anjos e Demônios", usou essa desintegração como um novo tipo de bomba a ser usado por um grupo terrorista. O objetivo? Destruir o Vaticano, o papa e os seus cardeais.

A antimatéria é muito rara. Na Terra, ela é gerada artificialmente em aceleradores de partículas, máquinas que colidem partículas de matéria a velocidades próximas à da luz. Sua origem é conseqüência da famosa fórmula E=mc2, que afirma que existe energia na massa das partículas, ou seja, que energia pode virar massa e massa, energia. Na prática, essas transformações ocorrem de várias formas. Numa delas, um fóton, a partícula da luz e das outras formas de radiação eletromagnética, pode se desintegrar em um elétron e um pósitron. E vice-versa: um elétron e um pósitron, ao colidirem, podem se transformar em fótons de raios gama.

No espaço, raios cósmicos, em geral prótons vindos do Sol, ao se chocarem com as moléculas de nitrogênio e oxigênio da atmosfera, geram verdadeiros chuveiros de partículas, incluindo pósitrons. A surpresa do Pamela foi um excesso de pósitrons a energias muito altas. No momento, existem duas explicações. Uma mais empolgante, a outra mais mundana. A mais empolgante é que os pósitrons são gerados quando partículas de matéria escura, tal qual núcleos radioativos, desintegram-se espontaneamente ou quando colidem com outras partículas de matéria escura. A mais mundana é que os pósitrons vêm de um pulsar, uma estrela de nêutrons que gira rapidamente. Apenas mais dados poderão decidir. No meio-tempo, os físicos tecem seus modelos, tentando decifrar mais esse enigma.

Anjos e demônios

Antes do best-seller "O Código Da Vinci", o escritor americano Dan Brown publicou "Anjos e Demônios" que, com o sucesso do "Código", virou também um best-seller. Apesar de o "Código" estar na minha estante, confesso que ainda não o li. Mesmo assim, acabei entrando no mundo de grandes intrigas e sociedades secretas de Brown pela porta dos fundos.

O jornalista e editor Dan Burstein publicou um livro sobre o "Código", com ensaios de especialistas. Bem, o livro sobre o livro também virou um sucesso. Tanto que Burstein resolveu repetir a dose e está preparando um livro semelhante sobre "Anjos e Demônios". É aqui que eu entro; a pedido de Burstein, li o livro e estou respondendo às suas perguntas. Por que meu interesse em participar? Porque "Anjos e Demônios" trata da "guerra" entre ciência e religião, tema de extrema importância.

"Anjos e Demônios" é escrito em estilo irresistível e acessível. Você prefere não dormir só para ler mais um pouquinho. Ele trata de questões que passam pela cabeça de todos: a existência de Deus, a possibilidade de se ter fé em um Universo que parece ter profunda indiferença por nós, a reconciliação entre o científico e o espiritual. Só que o livro leva o conflito entre razão e fé à uma conflagração apocalíptica.

Quando se fala em "guerra" entre ciência e religião, o termo é usado de forma metafórica. O Vaticano ainda não bombardeou o Centro Europeu de Física de Altas Energias, o Cern. E o Cern também não tem planos de bombardear o Vaticano. Essa é a premissa do livro. A idéia é genial: um físico religioso acredita ter reproduzido o Big Bang em laboratório, tornando a gênese um evento científico. Sua intenção não era contestar a existência de Deus. Pelo contrário, o cientista queria provar que é possível se criar algo a partir do nada. Mas o feitiço virou contra o feiticeiro.

Claro, a ciência de Dan Brown está completamente furada: seu cientista colidiu dois feixes de partículas a energias altíssimas. Da colisão surgiram partículas de matéria e antimatéria -o oposto das partículas de matéria. Por exemplo, um elétron tem como antipartícula um pósitron, com mesma massa e carga elétrica oposta. No livro, a criação de antimatéria é tratada como um evento fantástico, surgindo milagrosamente do ponto da colisão entre os dois feixes, feito a criação de matéria no Big Bang, vinda do nada. Na realidade, esse tipo de fenômeno é observado diariamente em aceleradores de partículas espalhados pelo mundo. O que ocorre é expressão da fórmula E=mc2: a energia das partículas em colisão é transformada em matéria, pares de partículas e antipartículas que "surgem" do ponto de colisão. O Big Bang é uma outra história.

Sendo um livro de ficção, a ciência estar incorreta é menos importante do que a discussão da crise espiritual que assola o mundo. Em um certo ponto, a secretária do diretor do Cern, uma católica, exclama: "Será que os cientistas acham que quarks e mésons [partículas de matéria] inspiram o homem comum? Ou que equações podem substituir a necessidade de termos fé no divino?" Essa é a expectativa de muita gente, que o avanço da ciência implique na diminuição da fé. A ciência é vista como uma ameaça à religião: quanto mais aprendemos sobre a natureza, mais difícil é aceitar a existência de forças sobrenaturais.

Realmente, sob o ponto de vista científico, a idéia de que existem forças ou entidades sobrenaturais não faz sentido. Afinal, se algo ocorre e é observado, esse algo deixa de ser sobrenatural. Se é ou não explicado pela ciência é outro problema. Via de regra, a explicação vem, mais cedo ou mais tarde. Ou seja, a expressão "fenômeno sobrenatural" não faz sentido. Mas existe um dogmatismo muito grande, dos dois lados. O avanço da ciência deixou um vácuo espiritual que ela não pode preencher. Perdas emocionais, questões éticas ou morais não serão decididas por teoremas ou experimentos. Por outro lado, negar o avanço científico é uma postura absurda. Existem anjos e demônios dos dois lados.

A imperfeição criadora

Existe beleza na imperfeição. No século 18, por exemplo, a beleza de um rosto era realçada por um sinal preto no canto da boca, mesmo que fosse maquiagem. E isso tanto para homens quanto para mulheres. O leitor que teve a oportunidade de assistir ao filme Barry Lindon, de Stanley Kubrick (1975), deve lembrar do sinal no rosto de Marisa Berenson e no do mentor de Ryan O'Neal, o Chevalier de Balibari. A rigidez formal do filme reflete a rigidez da época; a visão de mundo do século 18 foi profundamente influenciada pelo racionalismo que vinha das teorias de Newton. Daí o interessante simbolismo do sinal preto na maquiagem do século 18: ele quebrava a simetria perfeita do rosto e do pensamento da época. E, com isso, realçava a ambos.

A descrição matemática da natureza é estruturada na perfeição das formas geométricas: árvores são aproximadas por cones, planetas por esferas, corpos por cilindros. Essa simplificação tem duas funções: por um lado, se levássemos em conta todos os detalhes de um objeto, seria muito difícil construir e resolver equações que descrevam seu comportamento. Por outro lado, esses detalhes, via de regra, não são necessários. Newton, Galileu e outros mostraram que é possível descrever o comportamento dos corpos sujeitos às mais diversas forças sem se deter a seus detalhes e imperfeições. Um exemplo é a Lua. Para estudarmos sua órbita, é irrelevante que saibamos os detalhes de suas crateras ou vales.


Mas a Lua não é uma esfera perfeita, e árvores não são cones. Os detalhes de um objeto o tornam único. Cada pinheiro, mesmo se aproximadamente cônico, tem imperfeições que traduzem a sua história: como e onde ele cresceu, se recebe muito sol, se o vento vem só de uma direção. Enfim, cada objeto que existe, animado ou inanimado, é produto de uma história que o torna único, mesmo que as suas propriedades gerais sejam compartilhadas por outros. As imperfeições levam à diferenciação.

Até o Universo é produto de imperfeições que o distinguem de outros universos possíveis. Imagine que, no início do tempo, existisse um multiverso, um megauniverso em que todos os possíveis universos coexistiam, cada qual com suas leis naturais, suas propriedades únicas, uma sopa de possibilidades, borbulhando aqui e ali diferentes cosmos. Alguns cresciam enquanto outros morriam, voltando ao nada. O nosso Universo é um experimento cósmico que deu certo, uma bolha que desde que começou a crescer, há 14 bilhões de anos, não parou mais. Por quê? O que o nosso Universo tem que o levou a se expandir, a ter matéria nas proporções certas para que a gravidade pudesse formar estruturas como galáxias e estrelas, a ter átomos de oxigênio e carbono que formaram moléculas complexas e a vida?

Em uma palavra: imperfeições. A existência de matéria só é possível porque na infância cósmica existia um pequeno excesso de matéria sobre antimatéria. Caso contrário, ambas se aniquilariam mutuamente e o Universo seria banhado em radiação e mais nada. Sem esse pequeno excesso, essa imperfeição no balanço de matéria cósmica, não estaríamos aqui. E, quando a matéria sobrepujou a antimatéria, a força da gravidade fez com que ela se aglomerasse em grandes nuvens quase esféricas. Quase, mas não perfeitamente. Pequenos nódulos mais densos, como caroços, começaram a se atrair mutuamente, tornando-se ainda mais densos. Deles nasceram as galáxias. E, junto com elas, as estrelas, de nódulos menores e ainda mais densos. Das estrelas vieram os planetas. E, em uma delas, uma entre centenas de bilhões de outras, um dos planetas gerou formas de vida. Inclusive uma que gosta de se lembrar de suas origens imperfeitas com sinais pretos no canto da boca.

Partículas ou cordas?

Marcelo Gleiser
especial para a Folha
A física das partículas, a parte da física que se dedica ao estudo desses tijolos fundamentais da matéria, é a herdeira histórica do atomismo grego, que data de cerca de 400 a.C. Segundo os atomistas, a matéria é composta por entidades indivisíveis e indestrutíveis, os átomos.
Todas as formas materiais na natureza podem ser descritas como combinações de átomos em posições diferentes, como num jogo Lego. O que entendemos hoje da estrutura fundamental da matéria é muito diferente dos átomos dos gregos. Átomos modernos não são indivisíveis, mas formados de prótons e nêutrons em seus núcleos, circundados por elétrons.

Mais ainda, essas partículas não são indestrutíveis, mas capazes de várias transformações e interações entre si. Demócrito jamais imaginaria que uma partícula de matéria pudesse se chocar com uma de antimatéria, ambas desintegrando-se em radiação eletromagnética, a conversão entre matéria e "energia" descrita pela famosa equação E=mc2. Mas o espírito das duas é o mesmo, a busca pelas entidades fundamentais da matéria, pelo que existe de mais íntimo por trás da realidade material que nos cerca.

Durante o século 20, grandes avanços teóricos e experimentais levaram a uma compreensão dessa realidade material a distâncias extremamente pequenas. Por exemplo, usando aceleradores de partículas extremamente sofisticados, hoje é possível investigar o que ocorre dentro de um próton, a um milésimo de trilionésimo de centímetro (10-15 cm).

Esse mundo é muito diferente do que vemos à nossa volta; as regras mudam, a física muda. Esse é o mundo do quantum, onde é impossível medir com precisão arbitrária a posição e a velocidade de uma partícula, ou mesmo a sua energia. A essas distâncias tudo flutua, nada pára quieto, como se a realidade material se transformasse em uma sopa em constante ebulição.
O que ferve é a energia do espaço vazio, cujo valor nunca chega a ser exatamente zero. Essas flutuações de energia levam, através da interconversão de energia em matéria descrita acima, à criação e destruição de partículas e antipartículas, como bolhas aparecendo e desaparecendo constantemente em um caldeirão de sopa. Essas são as chamadas partículas virtuais, de existência efêmera, as flutuações do vácuo quântico, literalmente da energia do espaço vazio, do nada.

Essa visão do nada quântico traz consigo um sério problema. Se tentarmos calcular a energia do espaço vazio, obteremos um resultado infinito. Ou seja, segundo a física quântica, o nada armazena uma quantidade infinita de energia. Como nós ainda estamos aqui, algo deve estar errado com essa descrição do nada.

Nos anos 70, foi proposto que as entidades fundamentais da matéria não são partículas pontuais, mas cordas, entidades unidimensionais tais como cordas de violão vistas a grande distância. Essas cordas não têm nada a ver com as usadas em instrumentos musicais, sendo tubos alongados de energia vibrando freneticamente, de dimensões muito, muito menores do que o interior do próton. Portanto, elas não são visíveis nem mesmo nos aceleradores de partículas mais poderosos que existem ou venham a existir. Para comprovar a sua existência serão necessárias provas indiretas, que vêm sendo avidamente procuradas por pesquisadores do mundo inteiro- por enquanto, sem sucesso.

Mesmo que ainda não observada, a idéia de que as entidades fundamentais da matéria sejam cordas tem muitos defensores. Uma das vantagens é justamente o problema da energia infinita do espaço vazio. Usando cordas ao invés de partículas, essas energias se tornam bem mais tratáveis. Especialmente quando uma nova simetria é invocada, a supersimetria, em que partículas de matéria e partículas que transmitem forças entre elas podem ser relacionadas entre si.

As "supercordas" não só amortizam a energia do nada como também prevêem que as quatro forças fundamentais da natureza, quando vistas a distâncias minúsculas, são uma só. Caso a teoria de supercordas esteja correta, não só a matéria como todas as forças vêm delas.

O Universo em transição

Durante o século 20, nossa concepção do Universo mudou profundamente. De um Universo estático, proposto por Einstein em 1917, passamos a um Universo em expansão, onde galáxias afastam-se umas das outras com velocidades proporcionais à sua distância. Quanto mais longe a galáxia, maior a sua velocidade de "recessão". Até 1924, não se sabia ao certo se a Via Láctea era a única galáxia ou se outras nebulosas visíveis com telescópios também o eram. Hoje sabemos que a Via Láctea é apenas uma entre centenas de bilhões de galáxias, cada uma com centenas de bilhões de estrelas. É extremamente difícil concebermos a grandiosidade do Universo a partir de nossa limitada percepção terrestre. Mas é justamente esse o objetivo da astronomia e da cosmologia.

Sabemos também que o Universo em que vivemos surgiu há cerca de 14 bilhões de anos. Não sabemos ao certo os detalhes dessa origem: nossas leis não se aplicam às condições brutais de temperatura e pressão que reinavam nos primeiros instantes de existência do cosmo. A verdade é que não é necessário que saibamos os detalhes do nascimento do Universo para descrevermos o que aconteceu durante a sua infância. Claro, nossa descrição seria mais completa se soubéssemos esses detalhes, e muitas das dúvidas que temos hoje seriam resolvidas. Porém, podemos perfeitamente deixar de lado a questão da origem e investigar o que ocorreu no Universo durante os seus primeiros momentos de existência. Os detalhes do parto são importantes, mas não são fundamentais.

Quando o astrofísico George Gamow propôs o modelo do Big Bang, durante a década de 1940, ele supôs que o Universo primordial fosse composto de uma sopa de partículas elementares, os tijolos fundamentais da matéria. Na época, esses tijolos consistiam de prótons, nêutrons, elétrons -as partículas que compõem os átomos-, mais os fótons -as partículas da radiação eletromagnética- e os neutrinos, partículas sem massa que participam de processos radioativos. O que Gamow não se perguntou foi de onde vinham essas partículas. Segundo as leis da mecânica quântica, a parte da física que estuda os átomos e as partículas subatômicas, cada partícula deveria ser acompanhada de sua antipartícula, que é essencialmente idêntica a ela, mas com carga elétrica oposta (além de outras propriedades menos importantes). O pósitron, a antipartícula do elétron, tem carga positiva; o antipróton, a antipartícula do próton, tem carga negativa.

O problema é que, segundo a mecânica quântica, partículas e antipartículas deveriam aparecer em pé de igualdade. Mas sabemos que isso não ocorre: quando partículas encontram suas antipartículas, ambas se desintegram em radiação. Nesse caso, não existiriam seres vivos se perguntando sobre a sua origem. Por que existe mais matéria do que antimatéria? Essa é uma das perguntas mais importantes da física moderna.

Uma das possibilidades é que as forças que regem as interações entre as partículas de matéria favoreçam a produção de matéria sobre a de antimatéria. Em particular, segundo as teorias atuais, duas delas, a força eletromagnética e a força nuclear fraca, comportam-se de forma semelhante em altas temperaturas. Ou seja, elas se comportam como uma única força, a força "eletrofraca". No Universo primordial, as altas temperaturas eram ideais para a unificação das duas forças. Com a expansão, a temperatura cai e as forças passam a se comportar de forma distinta. É nesse processo de separação da força eletrofraca nas forças fraca e eletromagnética que o excesso de matéria sobre antimatéria pode ocorrer.

Quando vapor d'água é resfriado rapidamente, vemos a condensação de gotas de água líquida. Imagine que, no Universo primordial, a força eletrofraca correspondesse à fase de vapor e as forças já separadas correspondessem à fase líquida. Com o resfriamento do Universo, bolhas da fase líquida aparecem no interior do vapor. No vapor, matéria e antimatéria coexistem, mas é possível criar mais matéria do que antimatéria. Dentro das bolhas isso já não é possível. A parede da bolha funciona como uma espécie de filtro, através do qual entra mais matéria do que antimatéria. Segundo as teorias atuais, esse excesso tornou possível a existência de galáxias, estrelas, planetas e gente, tudo isso herança de um Universo em transição.

Partículas violam a reversibilidade do tempo

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Imagine se você gravasse em vídeo as cenas de um amigo seu pulando um obstáculo. Quando, por brincadeira, você resolve passar o vídeo de trás para a frente, seus olhos mal podem acreditar no que vêem. A ordem dos fenômenos se repete exatamente de forma inversa à original.

Claro, se algum fenômeno desse tipo lhe ocorresse, você iria imediatamente atribuí-lo a uma força sobrenatural, que violaria as leis básicas da física. Esse tipo de fenômeno é chamado de violação da reversibilidade temporal, isto é, a história de trás para a frente é diferente da história original.

Felizmente, ao menos este colunista nunca presenciou tais fenômenos ocorrendo em escalas macroscópicas. Mas, no mundo das partículas subatômicas, fenômenos como esse não só podem acontecer como foram observados recentemente.

Em 12 de outubro, Dia da Criança no Brasil, um grupo de físicos trabalhando em um laboratório de física de altas energias, conhecido como Fermilab, perto de Chicago (EUA), anunciou a observação de violação da reversibilidade temporal em certas reações envolvendo partículas conhecidas como "kaons neutros". Resultados anteriores, de menor precisão, renderam o Prêmio Nobel de Física a James Cronin e a Val L. Fitch em 1980.

Para entendermos melhor a importância dessa descoberta, é bom lembrarmos que a matéria é feita de vários corpúsculos que chamamos de partículas elementares, como o elétron ou os quarks, que compõem os prótons e os nêutrons. Uma partícula é elementar quando ela não pode ser dividida em outras menores. Várias partículas são instáveis, ou seja, podem decair em outras. O nêutron, quando está livre do núcleo atômico, decai em alguns segundos. O próton, de acordo com as teorias atuais das partículas elementares, também pode decair, mas seu tempo de vida é extremamente grande, muito maior do que a idade do Universo.

Fora essas partículas mais conhecidas, centenas de outras são produzidas durante colisões sob altas energias em aceleradores como o do Fermilab. Basicamente, a enorme energia de movimento das partículas é transmutada em massa, ou seja, em novas partículas durante colisões. Essas partículas são como os fragmentos de uma explosão voando em todas as direções, sendo então estudadas por detectores de partículas. A maioria é instável e decai em frações infinitesimais de segundo. O kaon neutro é uma delas.

Os cientistas do Fermilab estudaram milhões de decaimentos do kaon, prestando atenção em um tipo especial, cujo decaimento resulta em dois pares de partículas, o elétron e sua antipartícula, o pósitron, e um píon com carga positiva e sua antipartícula com carga negativa. (A geração de matéria e antimatéria, ou partículas e suas antipartículas, é normal em física de altas energias. Apenas no mundo à nossa volta é que a antimatéria está ausente, um mistério intimamente ligado a essa descoberta.) O kaon neutro, sem carga elétrica, decai em dois pares de partículas cuja carga total é também zero, conforme dita a lei de conservação da carga elétrica.

Esse decaimento do kaon é extremamente raro, ocorrendo uma vez a cada 3 milhões de decaimentos. Mas o time do Fermilab conseguiu observar 1.800 decaimentos desse tipo. O resultado que choca os físicos é que 14% desses fenômenos violaram a reversibilidade temporal. O kaon decai como uma bomba: as quatro partículas voando em certas direções. Essas direções, quando invertidas como num filme passado de trás para frente, não correspondem ao previsto pela reversão temporal; as partículas aparecem "de cabeça para baixo". Essa assimetria está ligada a uma desigualdade que existe entre matéria e antimatéria. Como nós somos feitos de matéria, esse experimento poderá nos ajudar a desvendar um dos mistérios mais básicos da física, ligado à nossa própria origem.

A Lua e as flutuações energéticas em aceleradores

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Em 1911, numa tentativa de investigar a então misteriosa estrutura do átomo, Ernest Rutherford bombardeou uma lâmina de ouro com "partículas alfa". Na época, sabia-se que as partículas alfa tinham uma carga elétrica idêntica em valor, mas de sinal oposto, à carga de dois elétrons e que elas eram em torno de quatro vezes mais pesadas do que o gás hidrogênio, o elemento químico mais leve.

Com enorme surpresa, Rutherford descobriu que, embora a maioria das partículas atravessasse a lâmina de ouro, com pequenos desvios em suas trajetórias, algumas eram refletidas, como se tivessem sido ricocheteadas por uma parede muito rígida. Após analisar seus dados, Rutherford concluiu que os átomos de ouro (e todos os átomos) são compostos de um núcleo muito denso, que contém praticamente toda a massa do átomo.

Mais ainda, os átomos são praticamente "vazios". Os elétrons se encontram a distâncias muito maiores do que o diâmetro do núcleo. Se inflarmos um núcleo até o tamanho de uma bola de tênis, os elétrons estarão aproximadamente a 1 km de distância! Isso explica por que a maioria das partículas alfa atravessava os átomos de ouro sem maiores problemas, enquanto que algumas eram ricocheteadas após chocarem-se com os minúsculos, porém maciços, núcleos.
As descobertas de Rutherford deram início a uma nova era na exploração do mundo subatômico, com experimentos que também usavam bombardeamento de alvos pesados por partículas mais leves, ou mesmo a colisão de partículas com partículas. Tal como Rutherford, por meio dessas colisões podemos estudar a estrutura subatômica da matéria: quanto maior a energia da colisão, menores as distâncias que podemos observar.

Essas experiências são feitas em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas, versões modernas e muito mais potentes do bombardeamento de Rutherford. A maior delas está no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), em Genebra, na Suíça. O LEP (sigla em inglês para Grande Acelerador Elétron- Pósitron) se encontra dentro de um túnel circular 100 m abaixo do solo, com uma circunferência de 27 km. O acelerador em si é um tubo cercado de magnetos, onde elétrons e seus companheiros de antimatéria, os pósitrons, circulam em direções opostas.
Os elétrons e pósitrons são acelerados a cada volta, até atingirem velocidades próximas à velocidade da luz. Essa aceleração é obtida com eletrodos semelhantes a um tubo de televisor, também um miniacelerador. Controlados por computadores, 3.368 magnetos mantêm as partículas em órbitas circulares dentro do anel. Para termos idéia das velocidades atingidas, considere que uma caminhada em torno do anel tomaria umas sete horas, enquanto que, em apenas um segundo, os elétrons completam em torno de 11 mil voltas!

O controle das velocidades e trajetórias das partículas é tão eficiente que os mais estranhos efeitos podem causar uma variação nos dados experimentais. Um exemplo curioso ocorreu em 1992, quando físicos descobriram uma minúscula oscilação na energia das partículas, que aumentava 0,0001% duas vezes ao dia, retornando ao nível normal após uma hora. Após meses de mistério, descobriu-se que as variações de energia estavam em sincronia com as marés, causadas pela atração gravitacional combinada da Lua e do Sol.

O efeito de maré causa uma pequena distorção na crosta terrestre, que por sua vez produz uma variação de 1 milímetro na circunferência do acelerador. Essa variação de 1 milímetro, sobre os 27 km do túnel, era a responsável pela flutuação de energia!

Devido a esse efeito, os físicos do LEP têm de consultar os movimentos lunares para obter a altíssima precisão necessária em seus experimentos. De forma talvez surpreendente, a Lua também tem seu papel nas pesquisas que estudam os menores componentes da matéria.

Um passeio pelos "mistérios" da antimatéria

MARCELO GLEISER
especial para a Folha

Antimatéria é um assunto que sempre desperta um certo ar de mistério, de algo "do outro mundo". O próprio nome se dá mesmo a esse tipo de especulação. Afinal, "anti" quer dizer contrário, oposto ou conflitante. A antimatéria é muito menos misteriosa que sua reputação sugere. Mas isso não significa que ela seja menos fascinante.

Antimatéria não significa o oposto de matéria. Para entendermos o seu significado, devemos estudar a constituição da matéria no nível das partículas elementares.

Em meados dos anos 20, duas novas teorias sacudiam a física: a teoria da relatividade especial de Albert Einstein e a teoria quântica, de Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrõdinger e outros. Enquanto a relatividade especial descreve o movimento de objetos a velocidades próximas à da luz, a teoria quântica trata da física do muito pequeno, descrevendo processos que ocorrem em dimensões atômicas ou ainda menores.

Uma das questões na mente de alguns físicos da época era como casar as duas teorias, ou seja, como tratar movimentos muito rápidos que ocorrem a escalas atômicas. Por exemplo, elétrons orbitando o núcleo atômico podem assumir velocidades relativísticas, onde as correções da relatividade especial são importantes no estudo de seu movimento.

Em 1929, o físico inglês Paul Dirac obteve a primeira formulação relativística da mecânica quântica. Mas ao tentar resolver a equação do movimento de um elétron, Dirac se deparou com algo inesperado: fora o elétron, sua teoria parecia descrever o movimento de outra partícula!
Após algumas interpretações errôneas, Dirac e outros compreenderam que a outra solução era na verdade uma nova partícula, com massa idêntica ao elétron, mas com carga elétrica oposta. Como o elétron tem carga negativa, sua antipartícula ficou conhecida como pósitron. No resto, o pósitron é normal.

Em pouco tempo, ficou claro que todas partículas têm suas antipartículas. O próton, por exemplo, tem seu companheiro de carga negativa, o antipróton. A união da teoria quântica com a relatividade especial demanda a existência da antimatéria! Nos anos 30 e 40, as primeiras partículas de antimatéria foram detectadas no laboratório. Elas, portanto, não existem apenas no universo matemático dos físicos teóricos.

A relação entre matéria e antimatéria é bastante dramática. Quando uma partícula de matéria se choca com uma de antimatéria, elas se desintegram em radiação eletromagnética. Suas massas são convertidas em energia eletromagnética de acordo com a famosa fórmula E=mc2.
Essa energia é carregada pelas partículas que compõem o campo eletromagnético, conhecidas como fótons, cuja existência foi proposta por Einstein em 1905. Portanto, ao colidirem, partículas de matéria e antimatéria se desintegram em fótons.

Mas o contrário também pode ocorrer: fótons podem criar pares de partículas e antipartículas. Matéria, antimatéria e fótons são parceiros de uma constante dança subatômica de criação e destruição. Essa conversão entre matéria e energia é observada rotineiramente em aceleradores de partículas, capazes de colidi-las a altíssimas energias.

"Espere um momento!", exclama o leitor atento. "Se essa desintegração entre matéria e antimatéria realmente ocorre, onde foi parar toda essa antimatéria?" Ótima pergunta! Obviamente, se estamos aqui, sabemos que pelo menos a Terra é feita de matéria. A Lua também, pois vários astronautas pousaram lá sem se desintegrar. O mesmo vale para Marte. O Sistema Solar é dominado por matéria. Nossa galáxia também. Extrapola-se que o Universo seja praticamente só matéria. Mas a razão dessa imperfeição cósmica, a qual devemos nossa existência, vai ter que ficar para outra coluna.