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.
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domingo, 16 de novembro de 1997
domingo, 9 de novembro de 1997
Em busca das partículas fundamentais da matéria
MARCELO GLEISER
especial para a Folha
Demócrito e Leucipo, filósofos gregos do século 5 a.C., sugeriram que tudo no mundo é feito de átomos. Embora o átomo dos gregos seja diferente do átomo moderno, a idéia de que a matéria é feita de entidades fundamentais, indivisíveis, sobreviveu até hoje, como uma das heranças culturais da Grécia Antiga, assustadora em sua intuição de como funciona o mundo.
O átomo moderno não é perfeitamente denso nem indivisível como o dos gregos. Sabemos que os átomos têm um núcleo, composto por prótons e nêutrons, por sua vez orbitado por elétrons. O átomo mais simples, o de hidrogênio, tem apenas um próton e um elétron, enquanto o de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons e pode ter 146 nêutrons!
Nas décadas de 30 a 50, os físicos estudaram processos envolvendo partículas em níveis de energia cada vez maiores. Basicamente, o método usado para estudar a composição fundamental da matéria é a força bruta. A idéia é colidir objetos a energias altíssimas em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas e ver o que acontece. Por exemplo, podemos provocar a colisão entre um próton e um núcleo de um átomo de ouro, observando o resultado da colisão em detectores de partículas, máquinas capazes de "fotografar" o que acontece durante e após a colisão.
O que foi descoberto com esses experimentos e com as observações de raios cósmicos _partículas vindas do espaço que ao colidirem com a atmosfera têm papel semelhante ao dos aceleradores de partículas_ surpreendeu os cientistas. Esses experimentos revelaram centenas de outras partículas "elementares", resultados da transformação entre energia e massa prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. A energia de movimento das partículas é transformada em matéria, em novas partículas, durante a colisão. É como se colidíssemos bolas de tênis e criássemos elefantes e caminhões como resultado!
A descoberta dessas centenas de partículas levou os físicos a questionar o próprio conceito de "partícula elementar". Afinal, centenas de tijolos fundamentais da matéria, não são lá muito fundamentais. Essa situação embaraçosa mudou nos anos 60, com a sugestão do físico americano Murray Gell-Mann de que essas partículas eram compostas por outras menores que ele chamou de "quarks", termo tirado de um texto de James Joyce.
A idéia é simples. Do mesmo modo que os vários átomos podem ser explicados por combinações de prótons, nêutrons e elétrons, essas várias partículas podem ser explicadas por combinações de apenas alguns quarks. Com isso, físicos chegaram a um novo tipo de classificação das partículas fundamentais da matéria: as que são compostas por quarks e as que não são compostas por eles. As partículas que não são compostas por quarks são chamadas de léptons, do grego leve. O elétron, por exemplo, é um lépton.
A distinção entre esses dois tipos de partículas é baseada na interação entre elas. Todas as partículas compostas por quarks interagem através da força nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo atômico. Como o núcleo é feito de prótons e nêutrons, e prótons sofrem uma repulsão elétrica, algo mais forte que essa repulsão tem de estar agindo. Essa "cola" nuclear é a força nuclear forte. Portanto, prótons e nêutrons são feitos por quarks, três para ser exato.
Hoje sabemos que existem seis quarks, todos observáveis em aceleradores de partículas. O mais pesado, o "top" quark, foi observado pela primeira vez ano passado no Fermilab, em um laboratório perto de Chicago. A esses seis quarks são adicionados seis léptons. Com isso, chegamos aos 12 tijolos fundamentais da matéria, versão atual. Mas o que acontecerá quando aumentarmos ainda mais as energias de nossos aceleradores?
especial para a Folha
Demócrito e Leucipo, filósofos gregos do século 5 a.C., sugeriram que tudo no mundo é feito de átomos. Embora o átomo dos gregos seja diferente do átomo moderno, a idéia de que a matéria é feita de entidades fundamentais, indivisíveis, sobreviveu até hoje, como uma das heranças culturais da Grécia Antiga, assustadora em sua intuição de como funciona o mundo.
O átomo moderno não é perfeitamente denso nem indivisível como o dos gregos. Sabemos que os átomos têm um núcleo, composto por prótons e nêutrons, por sua vez orbitado por elétrons. O átomo mais simples, o de hidrogênio, tem apenas um próton e um elétron, enquanto o de urânio tem 92 prótons e 92 elétrons e pode ter 146 nêutrons!
Nas décadas de 30 a 50, os físicos estudaram processos envolvendo partículas em níveis de energia cada vez maiores. Basicamente, o método usado para estudar a composição fundamental da matéria é a força bruta. A idéia é colidir objetos a energias altíssimas em máquinas conhecidas como aceleradores de partículas e ver o que acontece. Por exemplo, podemos provocar a colisão entre um próton e um núcleo de um átomo de ouro, observando o resultado da colisão em detectores de partículas, máquinas capazes de "fotografar" o que acontece durante e após a colisão.
O que foi descoberto com esses experimentos e com as observações de raios cósmicos _partículas vindas do espaço que ao colidirem com a atmosfera têm papel semelhante ao dos aceleradores de partículas_ surpreendeu os cientistas. Esses experimentos revelaram centenas de outras partículas "elementares", resultados da transformação entre energia e massa prevista pela teoria da relatividade especial de Einstein. A energia de movimento das partículas é transformada em matéria, em novas partículas, durante a colisão. É como se colidíssemos bolas de tênis e criássemos elefantes e caminhões como resultado!
A descoberta dessas centenas de partículas levou os físicos a questionar o próprio conceito de "partícula elementar". Afinal, centenas de tijolos fundamentais da matéria, não são lá muito fundamentais. Essa situação embaraçosa mudou nos anos 60, com a sugestão do físico americano Murray Gell-Mann de que essas partículas eram compostas por outras menores que ele chamou de "quarks", termo tirado de um texto de James Joyce.
A idéia é simples. Do mesmo modo que os vários átomos podem ser explicados por combinações de prótons, nêutrons e elétrons, essas várias partículas podem ser explicadas por combinações de apenas alguns quarks. Com isso, físicos chegaram a um novo tipo de classificação das partículas fundamentais da matéria: as que são compostas por quarks e as que não são compostas por eles. As partículas que não são compostas por quarks são chamadas de léptons, do grego leve. O elétron, por exemplo, é um lépton.
A distinção entre esses dois tipos de partículas é baseada na interação entre elas. Todas as partículas compostas por quarks interagem através da força nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo atômico. Como o núcleo é feito de prótons e nêutrons, e prótons sofrem uma repulsão elétrica, algo mais forte que essa repulsão tem de estar agindo. Essa "cola" nuclear é a força nuclear forte. Portanto, prótons e nêutrons são feitos por quarks, três para ser exato.
Hoje sabemos que existem seis quarks, todos observáveis em aceleradores de partículas. O mais pesado, o "top" quark, foi observado pela primeira vez ano passado no Fermilab, em um laboratório perto de Chicago. A esses seis quarks são adicionados seis léptons. Com isso, chegamos aos 12 tijolos fundamentais da matéria, versão atual. Mas o que acontecerá quando aumentarmos ainda mais as energias de nossos aceleradores?
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