O Mundo das Partículas – Parte I

Talvez alguns de vós já se tenham deparado com “nomes” para partículas que não fazem a mínima ideia do que querem dizer, apenas sabem que deve ser algo pequeno, algo que só os cientistas compreendem, algo que parece ter tanto de real, quanto as histórias do tio patinhas.

Neste artigo irei tentar referir a maioria dos nomes que aparecem nesse complicado mundo, que apesar de na sua maioria ainda nos estar vendado, com o progresso da tecnologia vamos progressivamente explorando e conquistando. Serei sempre breve, para que o artigo não fique demasiado grande e enfadonho, ainda assim, irei fazendo ocasionalmente algumas observações pessoais. Caso não fiquem satisfeitos com alguma explicação, poderão pedir nos comentários para eu detalhar mais algum assunto.

O Átomo

Quando partimos em bocados um certo pedaço de um dado material, podemos questionar-nos: será que cada bocado é igualmente passível de ser quebrado em bocados mais pequenos? Será que estes bocados mantêm as mesmas propriedades físicas que o pedaço maior? Será que se pode repetir indefinidamente este processo de partir sempre em bocados de menores dimensões?

Em resposta à última pergunta, Demócrito, IV a.c., postulou a existência de uma unidade básica na matéria que não poderia ser fragmentada – o átomo (significa indivisível). Toda a matéria seria constituída por um dado conjunto de átomos, os quais poderiam apenas diferir em tamanho, forma e massa. Esta noção veio acabar com a aprazível ideia de que a matéria era constituída pelos quatro elementos da natureza: água, terra, ar e fogo.

Na verdade, a única parte que parece estar errada nesta ideia de átomo (à luz do que se sabe hoje), é que essas partículas indivisíveis diferem na verdade em muitos outros aspectos, contudo a ideia de partículas indivisíveis permaneceu até hoje, ainda que muitas das partículas indivisíveis do passado, já o não sejam actualmente. De um ponto de vista meramente filosófico, é uma pena que o conceito de átomo tenha ficado ligado aos elementos químicos, que serão referidos mais adiante, o que leva a parecer que Demócrito estava definitivamente errado, quando na verdade quem esteve errado foi o sujeito que mais tarde decidiu que o conceito de átomo iria ficar conotado com elemento químico e não com as partículas que constituíam esse átomo.

Foi preciso esperar mais de 2000 anos para que o conceito de átomo começasse a evoluir, deixando a esfera da Filosofia, para se tornar um conceito fundamental na Física. Dalton, no século XIX, volta a afirmar que toda a matéria é constituída por átomos, contudo, desta vez já são invocados alguns conceitos da Química – como seja a indestrutibilidade dos átomos, ou as reacções entre átomos (devido ao contributo de Lavoisier e outros).

Basta lembrar-nos da bomba atómica, para que logo nos apercebamos que a maioria das inovações impostas por Dalton na teoria atómica são incorrectas. Mas é bom compreender que eram erros necessários – na Ciência levantam-se hipóteses, testam-se e conclui-se. A conclusão poderá ser o simples rejeitar das hipóteses – não se trata de perda de tempo, mas sim de um mal necessário. Para se encontrar o caminho num labirinto é preciso percorrer caminhos errados para determinar qual o correcto.

Não me vou preocupar em explicar como evoluíram os modelos atómicos, apenas me vou restringir às partículas: pouco depois de Dalton ter proposto o seu modelo, Faraday descobriu que os fenómenos da electricidade faziam presumir a existência de uma nova partícula:

O Electrão

Mas só Thomson é que confirmou realmente a existência desta nova partícula. Esta era a partícula que fazia conduzir a electricidade, uma partícula com carga, uma partícula que veio-se a descobrir (Thomson também), estava presente em qualquer átomo. E eis que o “átomo” deixa de o ser…

E agora, se pensarmos um pouco: se o átomo é algo sem carga, e o electrão que faz parte do átomo tem carga negativa (convenção), é evidente que tem que lá estar alguma coisa para equilibrar a carga:

O Protão

Esta outra carga do átomo tem a particularidade de ser quase 2000 vezes mais pesada que a outra carga, este facto, aliado ao Electromagnetismo que postula a existência de uma força eléctrica com uma relação bastante semelhante à força gravítica (exceptuando o valor da constante, bem como o facto de haver repulsão eléctrica), vem dizer-nos que do mesmo modo que a Lua orbita a Terra, por a Terra ser muito mais pesada, do mesmo modo o electrão deve orbitar o protão, por este ser muito mais pesado.

Ainda que esta visualização não seja estritamente correcta (tendo em conta a Mecânica Quântica), permitiu a criação do Modelo Planetário do Átomo, que providenciou a explicação de muitos fenómenos físicos.

A história do átomo poderia parecer completa, mas 40 anos depois do protão, foi a vez de surgir:

O Neutrão

Foi descoberto por James Chadwick, e trata-se de uma partícula sem carga (daí ter demorado tanto tempo a ser detectada), contudo a sua presença no átomo é essencial para a estabilidade deste! A massa desta partícula é quase igual à do protão, e por isso o seu movimento está tão limitado quanto este. Assim, estas duas partículas (ou conjuntos delas) formam aquilo a que se chama o núcleo do átomo, sendo circundados por electrões.

Daqui para a frente, começam a surgir as implicações inevitáveis da Mecânica Quântica. Para não me alongar em demasia, vou restringir-me aos “factos”.

O Fotão

Com as contribuições de Planck e Einstein, a luz passa a ser definitivamente entendida como sendo um conjunto de partículas, mas também como uma onda – Carácter Dual da Luz e da Matéria.

Estas partículas são energia no “estado puro”, uma vez que não têm massa.

Os fotões não são apenas complexos na sua divergência em relação ao que estamos “habituados” a pensar como sendo partículas, na verdade divergem em algo bastante mais fundamental em relação a todas as partículas antes enunciadas. Os fotões são bosões, enquanto que os electrões, protões e neutrões são fermiões.

O Bosão

Os bosões são partículas de spin* inteiro e que por isso obedecem à estatística de Bose-Einstein. Ficaram na mesma? Nova tentativa: são partículas indistinguíveis, que não obedecem ao Princípio da Exclusão de Pauli. Este princípio afirma que não pode haver duas partículas descritas pela mesma função de onda. Na mesma? Se tivermos um sistema com vários níveis de energia (imaginem uma escada, em que as partículas que conseguem subir mais degraus são as mais energéticas), este princípio afirma que não podem haver duas partículas no mesmo degrau! Uma vez que existe o Princípio da Energia Mínima, as partículas irão distribuir-se pelos degraus de modo a que o todo corresponda à menor configuração de energia possível (no caso da escada seria simples: iria cada partícula ocupar o degrau mais baixo da escada que estivesse disponível, de modo a não haver degraus desocupados no meio, e ficassem livres os de cima – os de maior energia). Ora, como os bosões não obedecem ao princípio de Pauli, mas apenas ao de Energia Mínima, isso implica que todos os bosões ficam no degrau do fundo, no de menor energia. Como a todos os bosões corresponde a mesma energia e estão no “mesmo sítio”, isto implica que sejam partículas indistinguíveis, pois é irrelevante chamar partícula 1 a uma dada partícula, ou chamar-lhe 2 no momento seguinte, pois isso não terá qualquer consequência na análise do sistema. (Nota: o princípio da exclusão de Pauli aplica-se, na verdade, a estados quânticos e não a estados de energia, isto é, podem haver diferentes estados quânticos com diferentes energias, o contrário é que não é válido. Um estado quântico caracteriza não só a energia de uma partícula, mas também outras características, que talvez venha a referir num artigo futuro.)
*O termo “spin”, como ele próprio indica, foi conotado com a rotação das partículas, no entanto essa descrição já não é aceite. Digamos que do mesmo modo que o modelo orbital do átomo caiu para dar lugar a um modelo mais complexo e de certo modo mais abstracto, algo semelhante aconteceu com o spin. Para não entrar em pormenores, o spin é um “número quântico” (ou seja, caracteriza o estado “quântico” de uma partícula), e só pode tomar valores discretos (esta é uma das grandes diferenças entre a física clássica, onde as grandezas são normalmente contínuas, e a física quântica onde muitas delas só tomam valores discretos) – daí que não possa ser associado a rotação. Acrescento ainda que o spin está relacionado com as interacções magnéticas (campos magnéticos afectam esta grandeza).

O Fermião

Contrariamente aos bosões, os fermiões são partículas de spin semi-inteiro (múltiplos de 1/2), obedecem à estatística de Fermi-Dirac, obedecem ao Princípio da Exclusão de Pauli e, claro, também ao Princípio da Energia Mínima.

Como o artigo já vai longo, dou por concluída a exposição. Na “Parte II″ irei falar de hadrões, leptões, muões, etc..