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O charme dos átomos no espelho

A natureza faz curiosa distinção entre um fenômeno e sua imagem refletida - essa descoberta levou à teoria que soma, num só pacote de equações, a energia elétrica, magnética e nuclear.

Flávio Dieguez

Este ano será lembrado por alguns dos maiores físicos vivos como um momento de satisfação pelo encerramento de um trabalho de gigantes. E não é para menos, pois em 1991 se obtiveram as provas de que é possível compreender, como um único fenômeno, duas formas aparentemente muito diversas de energia: a nuclear e a elétrica. Foi preciso meio século de trabalho e o esforço de quase uma centena de cientistas, entre os mais criativos da profissão, para que tal identidade viesse à tona. Em retrospectiva, é difícil decidir o que mais delicia e ilumina o espírito — se são as paisagens inéditas descortinadas no mundo físico, ou as próprias personagens que as desbravaram.

Até com a vida se pagou tributo a essa vasta empreitada — em 1965, um anônimo técnico morreu no campus da Universidade Harvard, Estados Unidos, durante a explosão de um detector de partículas nucleares. Causado por um vazamento de hidrogênio líquido, empregado para resfriar o detector e tão reativo quanto dinamite, o choque ateou fogo e despedaçou o prédio de concreto onde os cientistas trabalhavam até as 4 da madrugada. A experiência ficou arruinada e dois membros da equipe do físico Francis Pipkin ficaram feridos. Mesmo assim, ele publicou os resultados obtidos até então, que continham a primeira evidência direta de que a teoria vigente da eletricidade e do magnetismo — chamada eletrodinâmica quântica — não representava corretamente os fenômenos físicos em condições de energia muito alta.

O motivo, como se comprovaria na década seguinte, era uma propriedade fundamental da matéria, a paridade, como veio a ser chamada. Relacionada à carga elétrica, ela impõe uma curiosa restrição aos materiais: como os vampiros, eles não podem se ver no espelho. Na prática, isso tem um significado que será difícil acreditar, se não fosse um fato fartamente comprovado — em última instância, é essa regra que põe em movimento a caldeira nuclear do Sol, e assim, por extensão, alimenta a vida na Terra. Para dar uma idéia de como funciona a paridade, o físico sino-americano Tsung-Dao Lee, um dos primeiros a investigar essa regra básica da natureza, sugere uma provocativa comparação entre dois carros comuns, idênticos, em todos os aspectos.

A única diferença é que um carro deve ser a imagem refletida do outro, de modo que o primeiro tenha o volante do lado direito e o acelerador à esquerda do motorista, e o segundo, o volante do lado esquerdo e o acelerador à direita. A chave de ignição, igualmente, poderia girar no sentido dos ponteiros do relógio, em um dos carros, e no sentido oposto, no outro. Por meio dessa armadilha intelectual, Lee explica o que acontece na realidade. “O senso comum diz que os dois carros devem se mover da mesma maneira. Mas eles podem se mover com velocidades totalmente diferentes, e até mesmo em direções opostas.” Nunca se vira tal preconceito em qualquer fenômeno natural; e, como parece claro, não é em carros comuns que ele se revela.

Para isso é preciso concentrar quantidades realmente grandes de energia — tal como acontece no interior do Sol, onde os carros se decompõem em átomos e estes se desmancham em partículas nucleares, como elétrons, prótons e nêutrons. Mas então se notam minúsculos desvios no movimento dessas partículas: ou seja, as familiares correntes elétricas e ímãs não funcionam inteiramente de acordo com as equações tradicionais da teoria eletromagnética. E o resultado dessas pequenas rebeldias da eletricidade e do magnetismo é aquilo que se aprendeu a chamar de reações nucleares. Lee e outro sino-americano, Frank Young, foram os primeiros a mostrar como se poderia atribuir valor numérico à paridade, somar seus efeitos aos da carga elétrica e assim escrever as equações de uma teoria mais ampla. Inquirido recentemente sobre o período em que esses fenômenos começaram a ser pesquisados, o teórico de origem holandesa Abraham Pais rejuvenesceu. “Era uma confusão maravilhosa; estávamos numa esquina do Universo, certos de que havia algo importante logo adiante.”

E não se tratava apenas de novas leis naturais. Igualmente sorrateiros, manifestando-se apenas onde e quando a concentração de energia era bastante alta, saltavam à vista muitas outras partículas. Elas surgiram, antes de mais nada, do céu, na trilha dos raios cósmicos—vindos não se sabe de onde, esses jatos de matéria em altíssima velocidade chocam-se com os átomos do alto da atmosfera e produzem chuveiros de corpos exóticos. Os primeiros detectados, nos idos da década de 40, receberam o apelido de “elétrons verdes”, pois tinham uma unidade de carga elétrica negativa, como os elétrons encontrados nos fios ou nos átomos, girando em torno dos prótons. Hoje, os elétrons verdes chamam-se múons. Ao mesmo tempo começaram a aparecer prótons nunca vistos, as partículas “estranhas”. Eram idênticas às partículas comuns, exceto por serem mais pesadas, sinal de que continham mais energia. Nessa época, estava claro que os átomos químicos não eram verdadeiros átomos, ou seja, unidades indivisíveis da matéria.

Logo se descobriu que também o próton podia ser dividido em três novos átomos. Eram os quarks, cuja busca mobilizou uma hoste de teóricos no mundo todo. O israelense Yuval Ne’eman, aos 15 anos já precisava dividir seu talento excepcional entre a ciência e a Haganah, organização de guerrilha empenhada em criar o Estado de Israel, na Palestina. Para realizar esse sonho, em 1948, Ne’eman lutou como coronel do exército ao lado do general Moshe Dayan, seu amigo e futuro ministro da Defesa. Mais tarde, Dayan permitiu que Ne’eman deixasse a chefia do serviço secreto para estudar na Inglaterra: seria adido militar e faria Física nas horas vagas.

Outro caçador de quarks, Soichi Sakata, era herdeiro de uma rica escola de Física teórica que floresceu no Japão após a Primeira Guerra. No inicio dos anos 60, Sakata liderou um grupo que dizia aplicar a dialética marxista na análise interna do próton, do nêutron e diversas outras partículas compostas por quarks. Seja como for, a proposta definitiva viria do americano Murray GellMan, um dos mais criativos teóricos do século. Bem-humorado, ele conta que desde o inicio a nova teoria lhe pareceu absurda, e por isso escolheu para os quarks um nome esdrúxulo. “A coisa toda não passou de piada, uma reação contra a pretensiosa linguagem científica.”

Um motivo de apreensão é que até então se imaginava que as cargas do próton (+1) ou do elétron (-1) não podiam ser divididas em partes, mas as cargas das novas partículas são uma fração. Para se montar um próton, por exemplo, juntam-se dois quarks de carga igual a dois terços, chamados “para cima”, e um de carga menos um terço, designado “para baixo”. A soma dá a carga efetiva do próton, mais um. Já a carga zero dos nêutrons se obtém com dois quarks para baixo e um para cima. Uma novidade nesse esquema é que o movimento dos quarks não segue apenas os ditames da paridade e da carga elétrica: eles obedecem ainda às leis da “cor”, termo que nada tem a ver com a cor vulgar.

Cor representa uma nova propriedade da matéria e um segundo tipo de energia ou força nuclear, qualificada de “forte” para diferenciá-la da força “fraca”, que havia levado à descoberta da paridade. Com esses dois quarks—mais o elétron e seu parceiro neutrino, o mais leve de todos os tijolos da matéria—, se constróem todas as substâncias conhecidas. No entanto, o esquema original de Gell-Man incluía mais um quark: denominado “estranho” e de carga igual a menos um terço, ele era necessário para explicar as pesadas partículas descobertas nos raios cósmicos. E já então se desconfiava que o quark estranho tinha um parceiro de carga mais dois terços, batizado de “charme” pelo americano Sheldon Glashow.

Este ano, finalmente, se comprovou que existe apenas mais um par de quarks, o “fundo” e o “topo”, bem mais pesados do que o estranho e o charme. O topo ainda não foi observado, mas não se pode mais duvidar que exista. Não se sabe por quê, mas é certo que a matéria existe na forma de três famílias diferentes e cada uma delas contém átomos de peso diferente. Nos últimos meses, relata o físico Frank Close, do Laboratório Rutherford Appleton, Inglaterra, terminaram os experimentos finais necessários para comprovar a teoria que descreve todos os fenômenos eletromagnéticos e nucleares—a cromodinâmica quântica. Os testes mostram que todas as partículas básicas se comportam exatamente da maneira prescrita pela teoria, certamente uma das sete maravilhas do pensamento moderno.

Para saber mais:

A estranha família do átomo

(SUPER número 3, ano 2)

Depois do quark top, para onde vai a Física?

(SUPER número 7, ano 8)