“Ele é um ponto ou é um grão?
Quando ele está debaixo d’água, ele se molha?
Ou será que a água o deixa molhado ao invés disso?
Ninguém sabe. “
– Trecho da canção “Particle Man” – They Might Be Giants.
Aprendemos na escola que a matéria é feita de átomos e que átomos são feitos de ingredientes menores: prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons são feitos de quarks, mas os elétrons não são. Tanto quanto nós podemos dizer, os quarks e os elétrons são partículas fundamentais, não construídas com qualquer coisa menor.
Uma coisa é dizer tudo é feito de partículas, mas o que é uma partícula? E o que significa dizer que uma partícula é “fundamental”? Do que é feito as partículas, se elas não são construídas a partir de unidades menores?
“No sentido mais amplo,” partículas “são coisas físicas que podemos contar”, diz Greg Gbur, um escritor de ciência e físico da Universidade da Carolina do Norte em Charlotte. Você não pode ter metade de um quark ou um terço de um elétron. E todas as partículas de um determinado tipo são precisamente idênticas umas com as outras: elas não vêm em várias cores ou tem pequenas placas que as distinguem. Quaisquer dois elétrons irão produzir o mesmo resultado em um detector, e é isso que os torna fundamental: Eles não vêm em um pacote de variedade.
Não é só a matéria: A luz também é feita de partículas chamadas fótons. Na maioria das vezes, os fótons individuais não são visíveis, mas os astronautas relatam ver flashes de luz, mesmo com os olhos fechados, causados por um único fóton de raio gama em movimento através do fluido no interior do globo ocular. Suas interações com partículas dentro cria fótons de luz azul conhecidos como Radiação Cherenkov, que tem luz suficiente para desencadear a retina, e fazem com que os astronautas “veem” um único fóton (embora muito mais sejam necessários para fazer uma imagem de qualquer coisa).
Campos eternos de partículas
Isso não é toda a história, no entanto: Nós podemos ser capazes de contar as partículas, mas eles podem ser criadas ou destruídas, e até mesmo alterar seu tipo em algumas circunstâncias. Durante um tipo de reação nuclear conhecida como decaimento beta, um núcleo cospe um elétron e uma partícula fundamental chamado um antineutrino, enquanto um nêutron dentro do núcleo se transforma em um próton. Se um elétron encontra um pósitron em baixas velocidades, elas se aniquilam, deixando apenas os raios gama; em altas velocidades, a colisão cria uma enorme quantidade de novas partículas .
Todo mundo já ouviu falar da famosa equação de Einstein E = mc². Parte do que isso significa é que fazer uma partícula requer energia proporcional à sua massa. Neutrinos, que são muito baixos em massa, são fáceis de fazer; elétrons têm um limiar mais elevado, enquanto os pesados bósons de Higgs precisam de uma enorme quantidade de energia. Os fótons são mais fáceis para fazer, porque eles não têm massa ou carga elétrica, por isso não há limite de energia para superar.
Mas é preciso mais do que a energia para fazer novas partículas. Você pode criar fótons, acelerando elétrons através de um campo magnético, mas você não pode fazer neutrinos ou mais elétrons dessa maneira. A chave é como essas partículas interagem com as três forças fundamentais da natureza quântica: o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte. No entanto, essas forças são também descritas utilizando partículas na teoria quântica (partículas mediadoras): o eletromagnetismo é transportada por fótons, a força fraca é governada pelos bósons W e Z, e a força forte envolve os glúons.
Todas estas coisas são descritas em conjunto por uma ideia chamada “teoria quântica de campos.”
“Teoria do campo abrange a mecânica quântica e mecânica quântica engloba o resto da física”, diz Anthony Zee, um físico do Instituto Kavli de Física Teórica e da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. Zee, que escreveu vários livros sobre a teoria quântica de campos tanto para cientistas e não-cientistas, admite, “Se você pressionar um físico a dizer o que um campo é, ele vai dizer que um campo é tudo o que um campo faz.”
Apesar da imprecisão do conceito, campos descrevem tudo. Dois elétrons se aproximam uns dos outros e eles agitam o campo electromagnético, criando fótons como ondas em um lago. Esses fótons em seguida, empurram os elétrons separados.
E as ondas?
As ondas são a melhor metáfora para compreender partículas e campos. Elétrons, além de serem partículas, são, ao mesmo tempo ondas no “campo de elétrons.” Quarks são ondas no campo de “quark” (e uma vez que existem seis tipos de quarks, há seis campos de quarks), e assim por diante. Os fótons são como ondulações da água: eles podem ser grandes ou pequenos, violentos ou quase imperceptível. Os campos que descrevem partículas de matéria são mais como ondas em uma corda de guitarra. Se você não puxar a corda o suficiente, você não obter qualquer som: Você precisa a energia limiar correspondente a uma massa de elétrons para fazer um. energia suficiente e você começa a primeira harmônica, que é uma nota clara (para a corda) ou um elétron (para o campo).
Como resultado de todo esse pensamento quântico, muitas vezes é inútil pensar em partículas como sendo como pequenas bolas.
“Os fótons [e partículas de matéria] viajam livremente através do espaço como uma onda”, diz Gbur, embora eles possam ser contados como se fossem bolas.
Uma metáfora que pode ajudar: Os campos que contêm elétrons, eletromagnetismo e tudo mais, preenchem todo o espaço-tempo, em vez de ser como uma corda unidimensional ou superfície da lagoa bidimensional.
E, claro, nós ainda estamos nos inclinamos a perguntar: Se as partículas vêm de campos, são os campos fundamentais, ou há uma física mais profunda envolvida? Até o momento em que a teoria vier com algo melhor, a descrição das partículas de matéria e das forças é a única coisa que podemos confiar na física das partículas.
Traduzido adaptado de Symmetry Magazine