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A estranha família do átomo

No passado, era só ele. Depois, vieram os elétrons, prótons e nêutrons. Hoje, fala-se de misteriosas partículas como os quarks, léptons e bósons. Quanto mais se pesquisa a intimidade da matéria, mais surpresas aparecem

“Três quarks para Muster Mark”: a frase é do Finnegans wake, o último e praticamente ilegível livro do romancista irlandês James Joyce (1882-1941). Quark é o nome de um tipo de queijo, mas no livro o significado da expressão permanece obscuro. Graças ao humor do físico americano Murray Gell-Mann, no entanto, a palavra acabou entrando para o vocabulário científico. Gell-Mann havia percebido em 1964 que muita coisa do comportamento de partículas como os prótons e nêutrons, que formam os núcleos dos átomos, poderia ser explicada se elas fossem constituídas de partículas ainda menores. Como estas seriam três para cada próton ou nêutron, ele tomou emprestada a palavra de Joyce e as chamou quarks. Conscientes de que estavam entrando num mundo teórico muito diferente da realidade macroscópica com a qual se convive todos os dias, os físicos deram aos três quarks os nomes de up (para cima). down (para baixo) e strange (estranho). Logo. o elenco dos quarks foi ampliado de três para seis, com a inclusão do charm (charme), bottom (fundo) e top (topo). Esses nomes designam os seis “sabores” com que os quarks aparecem. Cada “sabor”, por sua vez, apresenta-se em três “cores” diferentes: vermelho, verde e azul. Esses sabores e cores, evidentemente, não têm nada a ver com as cores e sabores do mundo cotidiano. Indicam apenas propriedades atribuídas aos quarks pela teoria. Nenhum quark livre foi até agora encontrado nas experiências de laboratório. É que, caso existam de verdade, as forças que os mantêm agregados seriam tão poderosas que tornariam praticamente impossível arrancá-los dali. O que a ciência pode afirmar com razoável segurança é que, sejam formados por quarks ou não, partículas como os prótons e nêutrons devem possuir algum tipo de estrutura interna. Eles não são, juntamente com os elétrons a última fronteira da realidade, os tijolos básicos de que todo o Universo seria formado. Essas idéias são relativamente novas. Até o final do século XIX, o próprio átomo, cujo conceito fora herdado da antiga filosofia grega, ainda era pensado como indivisível. A descoberta do elétron pelo físico inglês Joseph Thomson, em 1897, junto com a descoberta da radiatividade pelo físico francês Henri Becquerel, em 1896, forçaram uma revisão radical da velha idéia. Verificou-se que os átomos de substâncias como o urânio emitiam diferentes tipos de radiação e se transformavam em substâncias completamente diferentes. Foram identificados três tipos de radiação, que receberam os nomes de alfa, beta e gama. Constatou-se que os raios alfa eram, na verdade, partículas positivamente carregadas — que hoje se sabe serem constituídas por dois prótons e dois nêutrons, como os núcleos dos átomos de hélio. Os raios beta são, por sua vez, elétrons de alta energia. E os raios gama, radiação eletromagnética semelhante a luz, mas de comprimento de onda muito menor. Ora, pensaram os físicos, por que não utilizar essas partículas de dimensões subatômicas emitidas pelas substâncias radiativas para inspecionar a constituição interna do próprio átomo? Foram idéias mais ou menos como essa que em 1911 levaram o físico inglês Ernest Rutherford a uma conclusão surpreendente: a maior parte do volume do átomo era, na realidade, ocupada pelo vazio; uma minúscula região no centro do átomo o núcleo, positivamente carregado, concentrava quase toda a massa atômica; em torno dele, como os planetas em redor do Sol, moviam-se os elétrons, de carga negativa; a atração elétrica entre as cargas opostas é que manteria os elétrons em suas órbitas, assim como a atração gravitacional mantém os planetas girando em volta do Sol. Para se ter uma idéia de como os átomos são pequenos, escreveu o físico austríaco-americano Fritjot Capra, imaginemos uma laranja que tenha o tamanho da Terra; os átomos da laranja teriam, então, o tamanho de cerejas. No entanto, mesmo num átomo do tamanho de uma cereja, o núcleo atômico continuaria invisível: para que se pudesse enxergá-lo, o átomo teria de ter não mais as dimensões de uma cereja, e sim da maior abóbada do mundo, a da catedral de São Pedro, em Roma. Num átomo de tal envergadura, o núcleo teria o tamanho de um grão de sal. Embora sua representação gráfica tenha permanecido como uma espécie de símbolo do átomo, o modelo planetário de Rutherford não perdurou. Seu principal defeito é que, de acordo com a teoria clássica da Eletrodinâmica, os elétrons em movimento deveriam emitir radiação eletromagnética e essa emissão ocorreria à custa da diminuição de sua energia de movimento, ou energia cinética. Movendo-se cada vez mais devagar, os elétrons seriam progressivamente atraídos pelos núcleos, até se chocar com eles. Mas isso simplesmente não ocorre. Esse foi apenas o primeiro de uma série de paradoxos que os átomos apresentaram aos homens interessados em compreendê-los. Os físicos porém, não se desesperaram e acabaram realizando uma revolução científica, com a criação, na década de 20, da Teoria Quântica.

O primeiro a ultrapassar as fronteiras do mundo atômico com as novas ferramentas quânticas foi Niels Bohr, em 1913. Ele montou um modelo para explicar o mais simples dos átomos, o do hidrogênio que tem apenas um próton no núcleo e um elétron girando ao redor dele. Nesse modelo há um número preciso de camadas, dispostas concentricamente em torno do núcleo, nas quais o elétron pode se mover sem emitir radiação. Essas camadas correspondem aos diferentes níveis de energia que podem ser assumidos pelo elétron. Como a energia tem uma natureza descontínua, cada camada é separada da seguinte por uma zona que não pode ser transitada pelo elétron. A Teoria Quântica concentrou-se de início no estudo da distribuição e do comportamento dos elétrons no interior do átomo. O núcleo atômico continuava um território obscuro. Deduziu-se que deveria haver em seu interior, além do próton, outro tipo de partículas de massa próxima à do próton, mas desprovida de carga elétrica. A existência do nêutron foi efetivamente confirmada em laboratório, em 1932. Como o núcleo podia manter, porém, sua coesão, sem se estilhaçar por força da repulsão elétrica entre os prótons? A atração gravitacional entre as partes do núcleo é insuficiente para contrabalançar a intensa rejeição elétrica entre as cargas de mesmo sinal. A hipótese de que o nêutron pudesse funcionar como uma espécie de cimento mostrou-se inconsistente. A solução de mais esse enigma apresentou-se com a descoberta da força nuclear forte. Essa força tem características estranhas. Como o nome indica, é de fato muito poderosa, mas só atua a distâncias extremamente pequenas — da ordem de duas a três vezes o diâmetro das próprias partículas nucleares. A essa distância ela é atrativa; a distâncias ainda menores torna-se fortemente repulsiva: desse modo, tanto impede que o núcleo estoure devido à repulsão elétrica, como que os prótons e nêutrons se esmaguem uns aos outros. Sob o efeito da força nuclear forte, a matéria existente no núcleo atômico apresenta-se incrivelmente compacta. Para se ter uma idéia, se todo o corpo humano fosse comprimido à densidade nuclear, não ocuparia mais espaço do que a cabeça de um alfinete. Uma concentração assim tão densa pode dar a impressão de que as partículas no interior do núcleo se encontram imobilizadas. Completamente falso: as partículas, quando confinadas a uma pequena região do espaço, tendem a um movimento frenético. Os elétrons, em seus orbitais, atingem a velocidade de 960 quilômetros por segundo; os prótons, confinados num volume muitíssimo menor, alcançam a estonteante velocidade de 64 mil quilômetros por segundo. Prótons e nêutrons, como se viu, seriam formados de partículas ainda menores. Nessa busca da fronteira final do átomo, uma das dificuldades está em que, ao contrário do que especulavam os antigos filósofos gregos — e ao contrário também do senso comum —, não se pode dividir e subdividir a matéria até chegar à menor fração possível. O método adotado nas modernas pesquisas consiste em acelerar as partículas subatômicas por meio de poderosíssimos campos eletromagnéticos e fazê-las estilhaçar de encontro a outras partículas. No entanto, os estilhaços resultantes da colisão não são menores do que as partículas originais. Isso porque grande parte da energia de movimento (ou energia cinética) adquirida pelas partículas no interior dos aceleradores transforma-se em massa quando elas se chocam. Esse fenômeno de conversão de energia em massa e de massa em energia foi previsto na Teoria da Relatividade de Einstein. O resultado é que, fazendo as partículas colidir, é possível dividir indefinidamente a matéria — mas jamais se chega a pedaços menores. Pela natureza das partículas resultantes do choque, porém é possível saber muita coisa sobre a estrutura das partículas originais. A teoria dos quarks foi montada com base nesse tipo de investigação. Os quarks não podiam ser encontrados diretamente, mas os prótons e nêutrons se comportavam nas experiências como se fossem constituídos por três quarks cada. Para toda uma corrente da Física, os quarks poderiam ser alguns dos tão procurados tijolos básicos do Universo. Só que, no caso, não um tipo único de tijolo, mas uma família deles — pois os quarks se apresentariam em seis tipos diferentes. As partículas formadas pelos quarks são aquelas entre as quais atua a força nuclear forte — ou, para usar um vocabulário mais moderno, aquelas que participam da interação forte. Elas são conhecidas coletivamente como hádrons. Assim como os prótons e os nêutrons, os hádrons possuem três quarks cada um — os bárions. Outros, mais leves, formados por um quark e um antiquark, são chamados mésons. Ao lado dos quarks, haveria outra família de tijolos básicos, também integrada por seis indivíduos. São os léptons, dos quais o mais conhecido é o velho e bom elétron. Ao contrário dos hádrons, os léptons não participam da interação forte, mas de outro tipo de interação, que recebeu o nome de fraca. Forte, fraca, eletromagnética e gravitacional: são estas as quatro forças conhecidas no Universo. O fato de serem agora chamadas interações se deve à descoberta de que resultam, na verdade, de uma troca de partículas entre as partículas: os prótons e nêutrons permaneceriam tão fortemente aglutinados no núcleo atômico porque estariam constantemente trocando partículas entre si. A partícula que trocam, responsável pela interação forte, recebeu apropriadamente o nome de glúon, derivado do inglês glue, que quer dizer cola. Partículas como os glúons, ou os fótons (responsáveis pela interação eletromagnética), formariam uma terceira e última família de tijolos elementares, a dos bósons, também em número de seis. Quarks, léptons e bósons — três famílias de seis elementos cada, comporiam o simétrico elenco com o qual todo o drama do Universo seria encenado. O modelo é tentador, mas os físicos são uma platéia exigente e inquieta. Eles se perguntam se os quarks seriam partículas realmente elementares, isto é, unidades mínimas desprovidas de estrutura interna. O fato de se manterem tão fortemente aglutinados no interior dos hádrons indica que, entre eles, devem agir forças extremamente poderosas. Ora, as forças são trocas de partículas. Nesse caso, se trocam partículas entre si, os quarks devem apresentar algum tipo de estrutura; portanto, seriam constituídos de componentes ainda menores. A coisa parece não ter fim. Para uma corrente minoritária, mas importante da Física, essas e outras dificuldades não decorrem de uma perfídia da realidade, mas de uma atitude equivocada do cientista diante dessa mesma realidade. Segundo essa linha, a idéia de um Cosmo constituído de componentes fundamentais isolados deveria ser definitivamente superada. Em lugar de um gigantesco conjunto de minúsculas bolinhas de gude com existência autônoma, existiria uma grande teia de acontecimentos relacionados entre si. Nenhuma das propriedades de qualquer parte dessa teia seria fundamental; todas decorreriam das propriedades das outras partes; as interrelações entre essas diversas partes é que determinariam a estrutura da teia como um todo. Para esses físicos, os paradoxos do modelo quark deixariam a ciência numa situação muito parecida com a dos tempos heróicos do desenvolvimento da teoria atômica, quando os impasses das concepções clássicas levaram à criação da Mecânica Quântica. Uma nova revolução científica, de alcance talvez ainda maior, estaria em gestação.

O empurra-empurra nuclear

Os núcleos dos átomos se mantêm estruturados graças à forca nuclear forte. Se ela deixasse de existir, os núcleos explodiriam devido à repulsão eletromagnética entre os prótons. Quando estes estão a uma distância equivalente ao diâmetro do núcleo (10-3 cm), a força nuclear de atração entre eles é 40 vezes maior do que a força de repulsão eletromagnética. Basta que a distância aumente quatro vezes, porém, para que as duas forças se equilibrem. Se aumentar 100 vezes, a repulsão eletromagnética ficará 1 milhão de vezes maior do que a atração exercida pela força nuclear.

Bons tempos aqueles

A idéia era simples e parecia consistente: se a matéria podia ser dividida em pedaços cada vez menores, devia haver um ponto em que se chegasse à mínima fração possível. Foi assim que os antigos filósofos gregos conceberam os átomo (indivisíveis). A doutrina deve ter-se originado por volta do século V a.C. e seus principais representantes foram Leucipo e Demócrito. Do primeiro quase nada se sabe. O segundo, discípulo daquele, nasceu na Trácia, em torno do ano 460 a.C. Dono de uma curiosidade enciclopédica, realizou observações nos terrenos da Zoologia e da Botânica e escreveu vários tratados, dos quais só restaram fragmentos. Além de indivisíveis, os átomos de Demócrito eram também invisíveis, devido a sua pequena massa, e só se distinguiam uns dos outros por seu tamanho e por sua forma. As diferentes formas é que davam às diversas substâncias suas propriedades. Os líquidos, por exemplo, deviam sua fluidez ao fato de serem constituídos por átomos esféricos, que deslizavam perfeitamente uns sobre os outros. O atomismo foi das primeiras tentativas de descobrir uma explicação racional para a multiplicidade de seres da natureza. Abandonada durante a Idade Média cristã, a idéia foi preservada, no mundo muçulmano. O poeta místico persa do século XIII Djalal ud-Din Rumi chegou a afirmar que os átomos eram divisíveis — 700 anos antes da moderna Física. O século XVII assistiu a uma retomada do interesse pelos átomos; o principal representante do atomismo dessa época foi Pierre Gassendi ( 1592-1655), professor no Collège Royal, de Paris. Ele procurou sintetizar a filosofia dos antigos gregos com o cristianismo. No século XIX, a partir das teorias sobre gases do inglês John Dalton e do italiano Amedeo Avogadro, o atomismo deixou o limbo da Filosofia para entrar no terreno da ciência.

Para saber mais:

Átomos à vista

(SUPER número 2, ano 3)

O charme dos átomos no espelho

(SUPER número 12, ano 5)

Nanotecnologia no coração da matéria

(SUPER número 5, ano 6)

O pulo do gato

(SUPER número 8, ano 10)