Como sabemos quão pequena é uma partícula elementar?
Quando dividimos algo em seus componentes mais fundamentais e indivisíveis, estamos realmente vendo algo que é relevante ou existe um tamanho mínimo finito?
Atenção! Esse é um texto traduzido publicado na Forbes e possui autoria do astrofísico Ethan Siegel. Confira a publicação original aqui.
Imagine que você queira saber do que é feita a matéria ao seu redor, em um nível fundamental. Você pode abordar o problema dividindo um pedaço dessa matéria em pedaços menores e depois dividindo esses pedaços em pedaços ainda menores, e assim por diante, até que você não possa mais dividi-los. Quando você atingir um limite, essa seria a melhor aproximação de “fundamental” que você é capaz de chegar.
Durante a maior parte do século 19, pensamos que os átomos eram fundamentais; a própria palavra grega, ἄτομος, significa literalmente “irrefutável”. Hoje, sabemos que os átomos podem ser divididos em núcleos e elétrons e, embora não possamos dividir o elétron, os núcleos podem ser divididos em prótons e nêutrons, que podem ser subdivididos em quarks e glúons. Muitos de nós se perguntam se algum dia poderão se dividir ainda mais e quão pequeno é seu tamanho.
A imagem que você vê acima é verdadeiramente notável: é uma imagem de átomos individuais, dispostos em uma configuração específica, tirada com uma técnica que não é tão diferente de uma fotografia antiga. A maneira como as fotos funcionam é que a luz de um determinado comprimento de onda ou conjunto de comprimentos de onda é enviada a um objeto, algumas dessas ondas de luz viajam sem impedimentos enquanto outras são refletidas e, medindo a luz não afetada ou refletida, você pode construir um imagem negativa ou positiva do seu objeto.
Tudo isso depende do fotógrafo tirar proveito de uma propriedade específica da luz: o fato de ela se comportar como uma onda. Todas as ondas têm um comprimento de onda ou uma escala característica de comprimento para elas. Contanto que o objeto que você está tentando imaginar seja maior que o comprimento de onda da onda de luz que você está usando, você poderá tirar uma imagem desse objeto.
Isso nos dá uma quantidade enorme de controle sobre como escolhemos olhar para um objeto em particular: precisamos escolher um comprimento de onda da imagem que nos dê uma resolução de alta qualidade do objeto que queremos, mas que não será um comprimento de onda tão curto que o ato de observá-lo a danifique ou a destrói. Afinal, a quantidade de energia de algo aumenta em comprimentos de onda cada vez menores.
Essas opções ajudam a explicar o:
- porque precisamos de antenas relativamente grandes para captar ondas de rádio, uma vez que o rádio transmitido tem um comprimento de onda longo e você precisa de uma antena de tamanho comparável para interagir com esse sinal,
- porque você tem orifícios na porta do forno de microondas, para que a luz de microondas de comprimento de onda seja refletida e permaneça dentro, mas a luz visível de comprimento de onda curta possa sair, permitindo que você veja o que está lá,
- e porque os pequenos grãos de poeira no espaço são ótimos para bloquear a luz de comprimento de onda curto (azul), são menos bons na luz de comprimento de onda mais longo (vermelho) e são absolutamente ruins para bloquear a luz de comprimento de onda mais longo (infravermelho).
Você pode supor que os fótons, ou quanta de luz, são realmente o caminho a seguir quando se trata de criar objetos de imagem em todas as escalas. Afinal, se você deseja construir uma imagem de algo, por que não usaria a luz?
O problema é que, durante a construção de uma imagem, a física não se importa se você é um fóton ou não. A única coisa que a física de importa é saber qual o seu comprimento de onda. Se você é um quantum de luz, esse será o comprimento de onda do seu fóton. Mas se você é uma partícula quântica diferente, como um elétron, ainda terá um comprimento de onda relacionado à sua energia: o seu comprimento de onda de De Broglie. Na realidade, se você optar por usar uma onda de luz ou uma onda de matéria é irrelevante. Tudo o que importa é o comprimento de onda. É assim que podemos investigar a matéria e determinar o tamanho de um objeto, em qualquer escala arbitrária que escolhermos.
Essa propriedade da matéria foi uma surpresa quando foi revelada pela primeira vez que os cientistas a estudaram ad nauseum [1], perplexos e chocados com o que viram. Se você disparasse um elétron através de uma fenda em uma barreira, ele apareceria em uma pequena pilha do outro lado. Se você cortar uma segunda fenda muito perto da primeira, não terá duas pilhas; em vez disso, você obteria um padrão de interferência. Era como se seus elétrons estivessem realmente se comportando como ondas.
As coisas ficaram ainda mais estranhas quando as pessoas tentaram controlar os elétrons, disparando-os um por vez contra essas duas fendas. Eles montaram experimentos para registrar onde os elétrons pousaram, um de cada vez, em uma tela atrás da fenda. À medida que você disparava mais elétrons, um após o outro, esse mesmo padrão de interferência começou a surgir. Não apenas os elétrons se comportavam como ondas, mas cada um agia como se pudesse interferir consigo mesmo. [2]
Quanto maior a energia que você pode fazer com que sua partícula atinja, menor o tamanho de uma estrutura que você pode examinar. Se você pode aumentar a energia de seus elétrons (ou fótons, prótons ou o que você tiver), menor será o comprimento de onda e melhor a resolução. Se você puder medir exatamente quando sua partícula não fundamental se separa, poderá determinar esse limite de energia e, portanto, seu tamanho.
Essa técnica nos permitiu determinar que:
- Os átomos não são indivisíveis, mas são feitos de elétrons e núcleos com um tamanho combinado de [aproximadamente] 1 Å, ou 10^–10 metros.
- Os núcleos atômicos podem ser divididos em prótons e nêutrons, cada um com um tamanho de [aproximadamente] 1 fm ou 10^-15 metros.
- E se você bombardeia elétrons, quarks ou glúons com partículas de alta energia, eles não mostram evidências de estrutura interna, até um tamanho de [aproximadamente] 10^-19 metros.
Hoje, acreditamos, com base em nossas medições, que cada uma das partículas do Modelo Padrão é fundamental, pelo menos até essa escala de 10^-19 metros .
Fundamental, acreditamos, deveria significar que a partícula é absolutamente indivisível: não pode ser dividida em entidades menores que a compõem. Em termos mais simples, não devemos ser capazes de abri-lo. De acordo com nossa melhor teoria da física de partículas, o Modelo Padrão, todas as partículas conhecidas:
- os seis tipos de quarks e seis antiquarks,
- os três léptons carregados e três antileptons,
- os três neutrinos e antineutrinos,
- os oito glúons,
- o fóton,
- os bósons W e Z,
- e o bóson de Higgs,
são esperadas que sejam indivisíveis, fundamentais e pontuais.
Mas eis o seguinte: não sabemos se isso é verdade. Claro, o Modelo Padrão diz que é assim que as coisas são, mas sabemos que o Modelo Padrão não nos dá a resposta final para tudo. De fato, sabemos que, em algum nível, o Modelo Padrão deve quebrar e estar errado, porque não leva em conta a gravidade, a matéria escura, a energia escura ou a preponderância da matéria (nem da antimatéria) no Universo.
Tem que haver algo mais lá fora na natureza do que isso. E talvez seja porque as partículas que pensamos serem fundamentais, pontuais e indivisíveis hoje, na verdade não são. Talvez, se formos a energias altas o suficiente e comprimentos de onda pequenos o suficiente, poderemos ver que em algum momento, entre nossas escalas de energia atuais e a escala de energia de Planck, há realmente mais no Universo do que atualmente conhecemos.
Quando se trata das partículas fundamentais da natureza, essa técnica de esmagar partículas é a melhor ferramenta que temos para investigá-las. O fato de nenhuma dessas partículas fundamentais ter se quebrado, mostrado uma estrutura interior ou ter nos dado uma dica de que elas têm um tamanho finito é a melhor evidência que temos, até o momento, em relação à sua natureza.
Mas os curiosos entre nós não ficarão simplesmente satisfeitos com os limites atuais que estabelecemos. Se tivéssemos parado nos átomos, nunca teríamos descoberto os segredos quânticos que estão dentro do átomo. Se tivéssemos parado com prótons e nêutrons, nunca teríamos descoberto a estrutura subjacente da matéria normal que preenche o Universo. E se pararmos por aqui, com o Modelo Padrão, quem sabe o que estaremos perdendo?
A ciência não é uma empresa incompleta, onde sabemos as respostas para um experimento e o executamos apenas para confirmar o que sabemos. A ciência é sobre descoberta. Trata-se de olhar para onde nunca vimos antes e descobrir o que está por trás desse véu de incerteza. Pode chegar o dia em que toda a humanidade analisará o que sabemos e a magnitude do que teríamos que construir para dar o próximo passo e dizer: “não há como fazer isso”, mas esse dia não é hoje.
Nós sabemos como ir para o próximo nível. Sabemos como ir para a próxima ordem de grandeza e o próximo dígito significativo em energia e tamanho. O universo que entendemos hoje é realmente tudo o que existe por aí? Não pode ser até descobrirmos o último segredo da natureza sobre o que é verdadeiramente fundamental, não podemos nos permitir interromper a pesquisa.
Notas do Tradutor
1. ad nauseam é uma expressão em língua latina que se refere à argumentação por repetição, que consiste em repetir insistentemente a mesma afirmação até o ponto de, metaforicamente, provocar náusea.
2. Aqui o Ethan faz referência ao experimento da fenda dupla. Recomendo dois vídeos: Fenda Dupla e a Física Quântica (4:46 min), do canal Universo Narrado; e o vídeo A Rebeldia dos Elétrons | Desmistificando a Física Quântica #01 (28:25 min), do maravilhoso Davi, do canal Primata Falante.
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