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A Matéria está cheia de Vazio

Em nível subatômico, substancias aparentemente sólidas como a madeira, o aço ou as pedras contem um enorme espaço vazio. O Físico e escritor cientifico inglês Paul Davies, Neste artigo, nos conduz a uma fascinante viagem pelo interior da matéria e de seus mistérios ainda não perfeitamente decifrados pela ciência.

No século XVIII, George Berkeley, bispo de Cloyne, Irlanda, declarou ousadamente “A matéria não existe. O que percebemos como substancias sólida, por exemplo a madeira ou o ferro, apenas a impressão que Deus faz com que se produza em nosso cérebro.” Era preciso ser muito influente para se atrever a dizer isso naqueles tempos. Sua declaração teria passado despercebida se não tivesse recebido dura resposta de um tenaz adversário do bispo, p doutor Samuel Johnson, que bateu o pé fortemente em uma pedra e exclamou: “Essa é minha refutação”.
Qualquer pessoa em seu juízo perfeito, no século XVII, concordaria com o doutor Johnson. Mas a verdade é que, ainda hoje, neste final de século XX, é difícil, para não dizer impossível, definir o que é matéria. Os avanços da Física e da Química sugerem que ela tem muito menos substancias que parece. E quanto mais penetramos em sua estrutura microscópica, mais parece que essa substancia vai desaparecendo. A Natureza da matéria já havia preocupado os filósofos gregos, empenhados em entender a idéia que nela coexistem a consistência e a transformação. Pedras, flores, pessoas possuem identidades definidas, pois nelas existe algo que não muda com passar do tempo do tempo; mas existe algo que se transforma, pois se não fosse assim no mundo não acontecia nada.
Parmênides (540-470 a.C.) acreditava que uma modificação real é impossível: tudo que existe tem de ser duradouro. Heráclito (550-480 a.C.), ao contrario sustentava que tudo no mundo se encontrava em permanente transformação; nada tem consistência, a não ser a lei da variação. “Mesmo os objetos que aparentemente estão em repouso total, como o sol ou uma pedra, não são imutáveis” A saída foi encontrar por Demócrito (460-370 a.C.) com idéia de que toda matéria seria composta de pequeníssimas partículas, a que chamou átomos. Existiram em formas e tamanhos diversos e teriam a faculdade de unir-se entre si, para formar grandes objetos. Assim, as diferenças entre uma árvore e uma montanha, um chapéu ou um pedaço de carne, seriam explicadas por sua diferente composição atômica. Além disso, os átomos seriam moveis para permitir ás coisas mudar e variar de aspecto.

As partículas batiam no metal e ricocheteavam

Nessa teoria atômica duas afirmações se destacam:1) os átomos existem 2) eles podem se mover livremente no espaço. Deduz-se, pois, que há dois componentes essenciais no mundo: os átomos e o vazio. Durante 2 000 anos essa teoria atômica da matéria foi apenas uma idéia entre muitas outras. Só depois da descoberta da radioatividade e do elétron a comunidade científica adotou sem reservas a doutrina Demócrito, mas ainda não se tinha uma concepção clara de como seriam os átomos. Seriam partículas sólidas e indestrutíveis, como pensavam os gregos antigos, ou seriam, por sua vez, compostos de subpartículas? Se existiam os elétrons, era preciso aceitar que cada átomo continha partículas com carga elétrica positiva e negativa. Mas como estavam dispostas essas partículas? Foi um físico da Nova Zelândia, Ernest Rutherford, especialista em radioatividade, sobretudo na chamada desintegração alfa, que resolveu o enigma.
Nesse processo, um núcleo pesado de um átomo, por exemplo, de urânio, lança ao espaço, por centrifugação, uma partícula do tipo alfa – um núcleos de hélio – com carga positiva; Rutherford utilizou esses núcleos como munição para barbear umas lâminas metálicas muito finas e verificou que as partículas foram rebatizadas e se esparramaram em todas as direções. Ele havia imaginado que elas atravessariam a lâmina. Era como se uma granada de artilharia rebatesse ao encontrar um muro de papel. O físico deduziu que a estrutura da lâmina de metal havia centros onde se armazenava tal quantidade de massa que partículas alfa eram detidas e rechaçadas. Assim, imaginou que no núcleo atômico se com centrava quase toda a massa do átomo e que os elétrons, ao girar ao redor dele, Formavam um casca dura.
Esse modelo do átomo foi aceito prontamente, mas já nada tinha a ver com a idéia dos antigos gregos. Os átomos não são corpos duros, indestrutíveis e impenetráveis, mas sistemas compostos por muitas partículas. E mais curioso: no interior do átomo, o que mais existe é espaço vazio. Um átomo de carbono, por exemplo, ou seja, 10-8 centímetros. Mas seu núcleo tem apenas um trilionésima parte do centímetro – 10-12. Se o átomo fosse do tamanho de um campo de golfe, o núcleo teria aproximadamente o tamanho de um dos buracos.
Os elétrons não têm dimensão que possa ser medida. Movem-se em redemoinho num espaço vazio 1 trilhão de vezes maior que o volume do núcleo. Pode-se dizer, então, que só um trilionésima parte do átomo está cheia de matéria, Mas mesmo isso seria uma generosidade, pois o núcleo também não é um corpo sólido. A matéria nuclear tem uma densidade inimaginável: uma colher de café cheia dessa matéria pesaria 1 bilhão de toneladas! E apesar disso, sobra muito espaço vazio dentro do átomo. Como é possível? Nos anos 60, muitos físicos acreditavam que os prótons e nêutrons eram uma espécie de bolinhas cheias de matéria. Nos anos 70 outros físicos conseguiram bombardear o núcleo com projeteis; mas, em vez das partículas alfa de Rutherford, usaram elétrons acelerados quase à velocidade da luz, com a ajuda do gigantesco acelerador de partículas SLAC da Universidade Stanford, na Califórnia. Os resultados desse trabalho permitiram deduzir que os prótons e os nêutrons também não são corpos sólidos, mas são formados de diminutas partículas que, por sua vez, giram em círculos no interior do átomo. Entretanto, já se sabe que não existe um único núcleo central, pois cada átomo possui três concentrações de massas desse tipo. Esse corpos internos são chamados quarks. Que proporção do volume de um próton ou de um nêutron tem quarks? Não sabemos a resposta. Estima-se que um quark é menor que a bilionésima parte de um bilionésima parte de uma bilionésima parte de 1 centímetro. Se isso estiver certo, um próton será pelo menos 100 trilhões de vezes maior que um quark. Assim, a viagem ao interior da matéria mais se parece com um brinquedo das caixinhas chinesas: tão logo se descobre um partícula, suspeita-se que dentro haverá outra menor, e assim sucessivamente.

O elétron é um ponto que possui energia infinita

A base da primitiva teoria atômica era que toda a matéria do Universo estava composta de poucos blocos ou componentes básicos. Poderemos, então, estar seguros de que quarks, junto com os elétrons, formam o nível inferior? Ou será que eles também possuem em seu interior um grande espaço vazio e são formados por outras partes muito menores? Ou, para fazermos uma pergunta ainda mais interessante: não chegaremos nunca ao menor de todos? E se chegarmos, que tamanho terá ele? Talvez esta última questão jamais seja respondida.
Quando foram descobertos os elétrons, parecia lógico imagina-los como pequenas bolinhas sólidas cuja carga elétrica se distribuía uniformemente por todo seu volume. O elétron seria, portanto, indestrutível e rígido. Caso contrario, poderíamos comprimi-lo, achata-lo ou estica-lo se tivéssemos força suficiente.
Mas a idéias de uma rigidez total é muito problemática. Segundo a Teoria de Relatividade de Albert Einstein, nada na Física pode superar a velocidade da luz. Para encontrar uma saída para esse dilema, os físicos posteriores a Einstein propuseram que o elétron tivesse forma de ponto, de forma que sua carga e sua massa estivessem concentrados num local de dimensão volume zero. Conseqüência: a matéria, formada de inumeráveis partículas elementares desse tipo, seria essencialmente espaço vazio. A verdadeira substancia só poderia se encontrada em pontos individuais que, por sua vez, não ocupariam lugar algum.
Para todos os fins práticos, os físicos de partículas pressupõem que quarks e elétrons têm forma de ponto. As experiências feitas em laboratório não demonstrarão que eles possam ser maiores que a décima milésima parte de um trilionésima parte do centímetro. Isso equivale á milésima parte de um próton. Mas Jamais se poderá medir uma partícula com tamanho zero, logo nunca saremos capazes de demonstrar que existem partículas sem volume. E, no entanto, há dificuldade teórica que contradizem essa ultima suspeita. Uma delas tem a ver com os campos elétricos dos elétrons, dos quarks e de qualquer outra partícula. As cargas iguais se repelem e a repulsão é tanto maior quanto menor é o raio da esfera. Estando a carga elétrica distribuída uniformemente por toda a partícula, suas diversas partes deveriam repelir-se fortemente; portanto, a carga elétrica estaria sempre tentando arrebentar o elétron em mil pedaços. Disso se deduz que, para obter um elétron com forma de ponto, seria necessária uma energia infinita capaz de compensar uma repulsão infinitamente grande.

Cordas tão finas que seu volume pode ser zero

E agora surge uma outra realidade: a energia possui massa. Essa relação foi expressada por Einstein na conhecida formula E=mc². Por ela, um elétron com forma de ponto deveria ter uma massa infinitamente grande. Isso parece um absurdo e outros físicos sugerem outra teoria: e se as partículas elementares fossem fios ou cordas elásticas representadas em uma só dimensão, a longitudinal? Filamentos capazes de esticar como goma poderia vibrar. Essa teoria das cordas pretende relacionar entre si as diferentes partículas conhecidas.
Esses fios constituintes da matéria seriam como pequenos laços com diâmetro de um bilionésima parte de uma trilionésima parte de um trilionésima de 1 centímetro. Falando rigorosamente, um laço desse tipo seria unidimensional, ou seja, possui volume zero. Mas podemos imaginar que gira e oscila e que com esse movimento ocupa uma diminuta região tridimensional.
O volume dessa zona relativa solidez ou quantidade de matéria é tão reduzido que é difícil imagina-lo. Se supusermos que esse espaço representa a unidade base ocupada por uma das partículas fundamentais, descobriremos que em um átomo típico só uma bilionésima parte de um trilionésima parte de um trilionésima parte de um trilionésima parte de uma trilionésima parte de todo espaço está cheia de massa. Um valor insignificante, mas em todo caso um valor. E assim nos encontramos diante da possibilidade de calcular a porcentagem do espaço ocupado pela matéria universo. Essa matéria pesa cerca de 10 48 tonelada. O espaço ocupado por seu laços de cordas não é maior que um pequena fração de centímetros cúbicos, resultante daí que o espaço vazio no universo é descomunalmente grande.
Temos que nos conformar, portanto com a certeza de que quase tudo que consideramos matéria sólida é, na verdade, espaço vazio. Nesse caso, teria razão o Bispo Berkeley? E que dizer do doutor Johnson? Qualquer pessoa que bater o sapato contra uma pedra perceberá que ela é sólida. Qual será a razão disso?
A resposta foi dada pela nova geração de físicos que trabalham no campo da mecânica quântica e nos anos 20 formularam dois de seus princípios-chaves. O primeiro é o principio da indeterminação de Werner Heisenberg: não se pode fixar com exatidão, no espaço, a posição de uma partícula, como por exemplo, o elétron. Quando se calcula onde ele se encontraria, não se consegue um valor exato para o impulso do qual depende seu movimento. Assim, não conseguiríamos saber exatamente onde estará a partícula no momento seguinte; e vice e versa, pois se calculamos o impulso ficaremos sem conhecer o lugar onde ela se encontra naquele momento.

Nunca se sabe ao certo onde está o elétron

Pode-se dizer que o movimento do elétron ao redor do núcleo do átomo se compara à órbita de um planeta ao redor do Sol. A trajetória do elétron, porém, a não está definida com precisão, como a do planeta. A partícula parece esfumada e repartida por todo o átomo e assim, em principio, pode ser encontrada em qualquer parte dele, embora em cada caso com uma diferente probabilidade. Essa indeterminação proporciona ao elétron uma extensão espacial, embora seja apenas pontual. Ou, dito de outra forma, embora a partícula não tenha uma configuração espacial, a nuvem da probabilidade que lhe corresponde possui, certamente, uma extensão no espaço.
Segundo postulado chave da Física quântica, conhecido como proibição de Pauli ou principio da exclusão, e a obra do físico suíço Wolfgang Pauli (1900-1958). Dispõe que dois elétrons são capazes de adotar o mesmo estado quântico, o que é também aplicável aos prótons e quarks diversos. Uma das conseqüências praticas dessa Hipótese é que quando se tenta comprimir duas partículas uma contra a outra, de forma violenta, elas opõem resistência. Assim, na constituição dos átomos, os elétrons não podem invadir o coração atômico, mas devem permanecer amontoados e superpostos nos diferentes níveis de energia, ou estratos. Estes estão mais distantes do núcleo quanto mais energia possuem os elétrons que o ocupem. Esse ordenamento faz com que os átomos apresentem uma extensão espacial e que os mais pesados, com muitos componentes no núcleo e múltiplos elétrons, possuam. maior extensão que os átomos leves.
O principio da exclusão explica a estabilidade das estrelas que entraram em colapso. O Sol vai consumir todo seu combustível, dentro de alguns bilhões de anos. Seu calor interno diminuirá e não produzira mais pressão suficiente para suportar sua massa gigantesca. Então a gravitação se encarregará de fazer o astro-rei contrair-se, até se transformar numa estrela anã-branca. E por que uma estrela assim não pode ficar ainda menor? Porque os elétrons não podem se comprimir ainda mais. Mas, segundo a Teoria da Relatividade, é impossível a solidificação total; se uma estrela em vias de extinção possui massa suficiente, seus elétrons começam a mover-se cada vez mais rapidamente, até aproximar-se da velocidade da luz. Nestas condições, o principio da exclusão permite que os elétrons se aproximem mais uns dos outros e pode ser que a estrela se encolha até se tornar do tamanho de uma cidade.

É sólida, mas não ocupa espaço que se possa medir.

Aqui intervém um novo mecanismo de estabilização, que não diz respeito aos elétrons da periferia do átomo, mas aos nêutrons do seu núcleo. São eles, precisamente, não podem mais se comprimir. Disso resulta o nascimento de um corpo que os astrofísico chamam estrela nêutrons. Mas qual seria, afinal, a conclusão da nossa viagem ao interior da matéria? Ela não é apenas uma ilusão, como dizia o Bispo Berkeley, mas certo que a substancia real do cosmo não ocupa nenhum espaço mensurável. Apesar disso, os objetos ao nosso redor parecem sólidos líquidos ou gasosos, e podem ser prensados, aquecidos, diluídos, transformados ou tocados. Terá isso algo a ver com o fato de estar ou não afetivamente cheio o espaço que ocupam? Não. O que aparece da matéria e o que provoca esses fenômenos ao têm nada a ver entre si.