Do que é feito as coisas? Dos átomos até os quarks e além.

Partículas elementares em uma câmera de bolhas

Segundo uma teoria grega, as coisas são feitas de átomos, que seriam as partículas indivisíveis da matéria. Até o final do século XIX, não eram muitos os cientistas que acreditavam nessa teoria atômica da matéria, porque não havia uma comprovação de tal hipótese. Hoje nós podemos afirmar com maior certeza que sim, que as coisas são feitas de átomos, ainda que os átomos não sejam as partículas mais indivisíveis da matéria. Porque átomos também são feitos de coisas, que são feitos de outras coisas, e essas outras coisas também podem ser feitas de outras coisas.

Na escola, costumamos aprender que a matéria é feita de átomos, e átomos são compostos de prótons, nêutrons e elétrons. É verdade. A existência de prótons e elétrons foi mostrada logo no início do século XX, e a existência dos nêutrons, no ano de 1932. Juntos, prótons, nêutrons e elétrons se combinam para formar os elementos que conhecemos, como hidrogênio, hélio, oxigênio, ferro, etc. Como prótons, nêutrons e elétrons pareciam indivisíveis, os físicos os chamavam de partículas elementares. Até aí estava tudo bem, e os físicos estavam felizes.

Muray Gell-Man
Murray Gell-Mann, o pai dos quarks.
Wikimedia Commons, GNU licence.

O “problema” foi que, a partir do final da década de quarenta, os físicos começaram a descobrir novas partículas “elementares”. Não apenas uma ou duas, mas dezenas delas, tantas que já era impossível acreditar que elas seriam, de fato, elementares. A ideia corrente era então que elas seriam compostas de outras partículas, ainda que ninguém soubesse quais. No início da década de 60, um físico norte-americano chamado Murray Gell-Mann apareceu com uma nova ideia de como interpretar todas essas partículas agora-não-tão-elementares-assim, e sua ideia era tão clara que era possível prever novas partículas não-tão-elementares-assim. Como a física é uma ciência experimental, a teoria de Gell-Mann podia ser testada. Se as partículas previstas fossem encontradas, ela estaria muito provavelmente certa. Se não fossem encontradas, ela seria descartada.

Como estou falando dele, você já deve imaginar. Gell-Mann acertou em cheio, e sua teoria parecia correta. Segundo ele, prótons, nêutrons e várias outras partículas até-então-elementares eram, na verdade, formadas por quarks. Desta forma os quarks sim é que seriam elementares. A união de três quarks forma um próton, por exemplo, e a união de outros três quarks forma um nêutron. Já um elétron se encontra em outra categoria, e seria realmente elementar.

Como a teoria de Gell-Mann previa a existência de oito partículas não-tão-elementares em uma forma simétrica, ele chamou essa teoria de o caminho das oito vias, em referência ao conceito budista do caminho das oito vias. Não que um tenha a ver com o outro, era apenas uma referência, já que Gell-Mann estava estudando o budismo na época. A partir de então, os quarks sim é que seriam consideradas as partículas elementares, juntamente com o elétron e algumas outras poucas partículas a qual falaremos em outra oportunidade.

O Grande acelerador de partículas, ou LHC.
O grande acelerador de hádrons, ou LHC. Onde atualmente são testadas as novas teorias acerca de partículas elementares.
Imagem de Maximilien Brice, CERN, CCA 3.0

Então, a matéria é composta de átomos, que são compostos de prótons, nêutrons e elétrons? Sim. E esses prótons e nêutrons são compostos de quarks, certo? Correto. E os quarks, são compostos de alguma outra coisa? Até onde sabemos, não. Mas… quarks, elétrons e algumas outras poucas partículas formam o que os físicos hoje chamam de “o modelo padrão da física de partículas”. É uma teoria que tem sido testada com muita precisão nos aceleradores de partículas, e aparentemente funciona muito bem. Mas… não explica tudo.

Há fenômenos físicos que não são explicáveis pelo modelo padrão da física de partículas. Um deles é a massa dos neutrinos, um outro tipo de partícula elementar. Outro fenômeno é a existência de matéria escura. Tais fenômenos indicam que talvez os quarks não sejam tão elementares assim, e uma famosa teoria diz que na verdade as partículas mais fundamentais da natureza não são partículas, porém… cordas! Pequeníssimas cordas vibrando e se movimentando quase na velocidade da luz, tão pequenas e tão rápidas que nunca poderemos observar tais cordas. Essa teoria, chamada de teoria de cordas, tem sido muito popular nos últimos anos, ainda que não tenha nenhuma verificação experimental. Até o momento, ela é apenas matematicamente muito bonita.

Então, do que é feito as coisas? Do que é feito esse celular ou computador, na qual agora você lê esse texto? Até o momento, podemos dizer: É feito de quarks e elétrons! Talvez em cinquenta anos a reposta seja outra. Talvez seja alguma coisa ainda completamente desconhecida por nós, de forma que os quarks eram completamente desconhecidos para um físico do século XIX. Simplesmente não sabemos. O que sabemos é que foi o conhecimento dessas partículas que nos possibilitou inventar computadores e celulares, e esse é um valor adicional da ciência. Nos fornece não apenas conhecimento, mas também tecnologia.


Imagem principal: Partículas elementares em uma câmera de bolhas, foto do governo americano, cerca de 1966. Domínio público.

Author: João Paulo Morais

Bacharel em Astronomia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro. Mestre e doutor em física pela Universidade Federal da Paraíba, com estágio de doutoramento na Jacobs University, Bremen.

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