“Ele é um ponto ou é um grão? Quando está debaixo de água, fica molhado? Ou será que a água o molha em vez disso? Ninguém sabe”. -Podem ser gigantes, “Homem-Partícula”
Nós aprendemos na escola que a matéria é feita de átomos e que os átomos são feitos de ingredientes mais pequenos: protões, neutrões e electrões. Os prótons e os neutrões são feitos de quarks, mas os electrões não são. Tanto quanto podemos dizer, os quarks e electrões são partículas fundamentais, não construídas a partir de nada mais pequeno.
É uma coisa dizer que tudo é feito de partículas, mas o que é uma partícula? E o que significa dizer que uma partícula é “fundamental”? De que são feitas as partículas, se não forem construídas a partir de unidades mais pequenas?
“No sentido mais lato, ‘partículas’ são coisas físicas que podemos contar”, diz Greg Gbur, escritor científico e físico da Universidade da Carolina do Norte em Charlotte. Não se pode ter metade de um quark ou um terço de um electrão. E todas as partículas de um determinado tipo são precisamente idênticas umas às outras: não vêm em várias cores ou têm pequenas placas de matrícula que as distinguem. Quaisquer dois electrões produzirão o mesmo resultado num detector, e é isso que os torna fundamentais: não vêm num pacote de variedades.
Não é apenas matéria: a luz também é feita de partículas chamadas fotões. Na maioria das vezes, os fotões individuais não são perceptíveis, mas os astronautas relatam ver flashes de luz mesmo com os olhos fechados, causados por um único fotão de raios gama que se move através do fluido no interior do globo ocular. As suas interacções com partículas no interior criam fótons de luz azul conhecidos como Cherenkov – suficientes para desencadear a retina, que pode “ver” um único fotão (embora muito mais sejam necessários para fazer uma imagem de qualquer coisa).
Campos de partículas para sempre
Não é essa a história completa, no entanto: Podemos ser capazes de contar partículas, mas elas podem ser criadas ou destruídas, e até mudar de tipo em algumas circunstâncias. Durante um tipo de reacção nuclear conhecido como decaimento beta, um núcleo cospe um electrão e uma partícula fundamental chamada antineutrino, enquanto um neutrón dentro do núcleo se transforma num próton. Se um electrão encontra um positron a baixas velocidades, aniquilam-se, deixando apenas raios gama; a altas velocidades, a colisão cria uma série de novas partículas.
Todos ouviram falar da famosa E=mc2 de Einstein. Parte do que isso significa é que fazer uma partícula requer energia proporcional à sua massa. Os neutrinos, que são de massa muito baixa, são fáceis de fazer; os electrões têm um limiar mais elevado, enquanto os bosões pesados de Higgs precisam de uma enorme quantidade de energia. Os fotões são mais fáceis de fazer, porque não têm massa ou carga eléctrica, por isso não há limiar de energia a ultrapassar.
Mas é preciso mais do que energia para fazer novas partículas. Pode-se criar fotões acelerando electrões através de um campo magnético, mas não se pode fazer neutrinos ou mais electrões dessa forma. A chave é como essas partículas interagem usando as três forças quânticas fundamentais da natureza: o electromagnetismo, a força fraca e a força forte. Contudo, essas forças são também descritas utilizando partículas na teoria quântica: o electromagnetismo é transportado por fotões, a força fraca é governada pelos bósons W e Z, e a força forte envolve os gluons.
Todas estas coisas são descritas em conjunto por uma ideia chamada “teoria quântica de campo”.
“A teoria de campo engloba a mecânica quântica, e a mecânica quântica engloba o resto da física”, diz Anthony Zee, físico do Instituto Kavli de Física Teórica e da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara. Zee, que escreveu vários livros sobre teoria de campo quântico tanto para cientistas como para não cientistas, admite: “Se pressionarmos um físico para dizer o que é um campo, eles dirão que um campo é o que quer que um campo faça”
Apesar da imprecisão do conceito, os campos descrevem tudo. Dois electrões aproximam-se um do outro e agitam o campo electromagnético, criando fotões como ondulações numa lagoa. Esses fótons afastam então os electrões.
Que ondas?
Ondas são a melhor metáfora para compreender partículas e campos. Os electrões, para além de serem partículas, são simultaneamente ondas no “campo de electrões”. Os quarks são ondas no “campo de quark” (e como existem seis tipos de quark, existem seis campos de quark), e assim por diante. Os fótons são como ondas de água: podem ser grandes ou pequenas, violentas ou quase imperceptíveis. Os campos que descrevem partículas de matéria são mais como ondas numa corda de guitarra. Se não se puxa a corda com força suficiente, não se obtém qualquer som: é necessária a energia limite correspondente a uma massa de electrões para fazer uma. No entanto, energia suficiente, e obtém a primeira harmónica, que é uma nota clara (para a corda) ou um electrão (para o campo).
Como resultado de todo este pensamento quântico, é muitas vezes inútil pensar nas partículas como sendo como pequenas bolas.
“Os fotões viajam livremente pelo espaço como uma onda”, diz Gbur, mesmo que possam ser contados como se fossem bolas.
A metáfora não é perfeita: Os campos para electrões, electromagnetismo e tudo o resto preenchem todo o espaço-tempo, em vez de serem como uma corda unidimensional ou a superfície bidimensional de um lago. Como diz Zee: “O que é acenar quando uma onda electromagnética atravessa o espaço? Nada está a acenar! Não é preciso haver água como com uma onda de água”.
E, claro, ainda estamos a perguntar: Se as partículas vêm de campos, serão esses mesmos campos fundamentais, ou será que há física mais profunda envolvida? Até que a teoria surja com algo melhor, a descrição de partículas de matéria e forças é algo com que podemos contar.