Partículas elementares: os tijolos da criação de Deus

E formou o Senhor Deus o homem do pó da terra, e soprou em suas narinas o fôlego da vida; e o homem foi feito alma vivente.

Gênesis 2:7

O assunto de hoje vai no espectro de grandeza contrário ao que lemos na última coluna, que foi sobre cosmologia: partículas. Não é sobre partículas de poeira ou micropartículas poluentes; é algo muito menor. Na segunda coluna do CosmoTeo cheguei a comentar um pouco sobre partículas, mas aqui retomarei e farei uma expansão sobre o tema.

Antes, vamos ver quais são as partículas elementares:

(Apesar da fonte dessa imagem ser da Wikipedia, serve para nossos propósitos e não há erros consideráveis).

Essa imagem acima é a descrição das partículas elementares, ou seja, tudo o que conhecemos, no universo, são objetos que tem alguma combinação dessas partículas. Algumas curiosidades que você pode perguntar só de olhar: prótons e nêutrons não são partículas elementares (eles são composição de 3 quarks: 1 down + 2 up para o próton e 2 down + 1 up para o nêutron), elétron e fóton (partícula da luz e todas as radiações) são partículas elementares e o bóson de Higgs é aquela partícula que o LHC (Large Hadron Collider) descobriu e todo mundo estava chamando, erroneamente, de “partícula de Deus”.

Observe que há algumas classificações entre as partículas. Você pode ver que elas são divididas em férmions e bósons. Os férmions (quark up, quark charm, quark top, quark down, quark strange, quark bottom, elétron, múon, tau, neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau), fazendo uma analógica com uma casa, são as partículas tijolos. Já os bósons (glúon, fóton, bóson Z, bósons W+/W e Higgs) são as partículas cimento, ou seja, as que carregam força. Por exemplo, o fóton carrega a força eletromagnética. Lembre-se que no núcleo do átomo, há prótons (com carga positiva) e nêutrons (sem carga). Só que, cargas positivas se repelem e o que segura os prótons, de forma unida no núcleo do átomo sem arrebentá-lo, é o glúon (que carrega a força forte). Os decaimentos radiativos, como o conhecido carbono 14 (C-14) e o urânio, tem como responsáveis os carregadores da força fraca: bóson Z e bósons W+/W.

Já até comecei, acima, a mencionar outra classificação: quarks e léptons. Uma diferença entre eles é que os quarks jamais foram vistos sozinhos, ou seja, nunca foi detectado um quark (qualquer que seja) de forma isolada: sempre estão em grupos de 2 (dois quarks formam um méson), 3 (três quarks podem formar um próton ou um nêutron), 4 ou 5 (esses foram detectados no LHC, mas ao que tudo indica, não são construções naturais, que observamos normalmente). Já os léptons não sofrem influência da força forte (glúon) e podem viver fora do núcleo atômico.

Por último, os símbolos I, II e III significam as famílias ou gerações das partículas. Isso está relacionado a propriedades quânticas de cada conjunto de 4 partículas.

A história das partículas é antiga, remonta do final do séc. XIX e se mistura com a história do átomo. Na segunda coluna sobre física quântica cheguei a mencionar um pouquinho da história do átomo que está relacionado, de certa forma, com a descoberta de algumas partículas. Começamos com um núcleo positivo e algumas cargas, ao redor, negativas (modelo de Thomson). Depois, o modelo é refinado para um núcleo positivo (apenas prótons; nêutrons foram descobertos na década de 1930) com cargas negativas (elétrons) girando ao redor. Na minha época da escola (acredito que até hoje) estudei o modelo de Bohr:

Esse modelo, bem conhecido, mostra os prótons e os nêutrons no núcleo, sendo orbitado por camadas de elétrons (eletrosfera) por trajetórias circulares. Com o advento da mecânica quântica, do princípio de incerteza de Heisenberg e outros postulados, a teoria atômica nos mostra outra imagem para o átomo:

1 fm é 10-15 m ou 0,000000000000001 m. 1 Å é 10-10 m. 1 pm é 10-12 m. Veja mais em https://horadeberear.com.br/2020/05/26/distancia-e-grandiosidade-da-criacao/.
Fonte da imagem: https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_theory#/media/File:Helium_atom_QM.svg

Observe que a eletrosfera foi substituída de círculos bem definidos por uma nuvem que tem espessuras, ou seja, é mais densa em algumas regiões. O núcleo, onde ficam os prótons e os nêutrons, está meio desfocado. Tudo isso, essa nebulosidade tanto do núcleo quanto da eletrosfera, se dá pela impossibilidade de sabermos, com 100% de certeza, a posição E a velocidade das partículas.

Uma outra informação muito importante é que para cada partícula há uma antipartícula. A antipartícula é muito semelhante à sua companheira partícula com uma diferença: a carga elétrica é diferente. Por exemplo, a antipartícula do elétron é o pósitron: elétron é uma partícula com carga negativa e o pósitron, quase igual ao elétron, porém com carga positiva. Isso poderia nos dar tudo o que temos com as partículas, mas com antipartículas: antiátomos. Só que tem um pequeno detalhe: quando uma partícula encontra com a sua companheira antipartícula acontece aniquilação: as 2 (partícula e antipartícula) “desaparecem” e, no seu lugar, “surgem” fótons (radiação). Ou seja, o encontro de partícula e antipartícula é sempre catastrófico.

Parece que é muita informação (e é!). Não se preocupe, pois, partículas é uma área gigantesca da física. Temos a Física de Partículas e, como essa subárea ainda é muito grande, temos diversas subdivisões, como Física de Altas Energias (teórica e experimental). O que você precisa ter em mente, inclusive usaremos esses detalhes quando for falar sobre nascimento do universo (em cosmologia quântica): há 17 partículas elementares (que não tem estrutura interna) que são responsáveis por toda a construção do universo, desde o átomo mais simples (hidrogênio) até as maiores estruturas conhecidas do universo (galáxias e aglomerados de galáxias). Outras informações resumidas é a quantidade de forças fundamentais (4) e que para toda partícula há uma companheira antipartícula.

Claro que perguntas podem (e devem!) ser levantadas: por que 17 partículas elementares e não qualquer outro número? Por que 4 forças fundamentais (eletromagnética, forte, fraca e gravitacional) e não qualquer outra quantidade? Por que só 92 elementos químicos naturais (aqueles da tabela periódica) e não mais / menos? Por que matéria escura e energia escura não entram nesse contexto de partículas elementares? Por que existe universo ao invés de luz, já que, a princípio, a quantidade de matéria (partículas) e antimatéria (antipartículas) deveriam ser as mesmas (50% para cada)? A lista de perguntas pode ser imensa!

Veja que essas perguntas acima são todas começadas com por que. Em grande parte, as dúvidas em por que remetem a algo fora da ciência, tem uma conotação mais teleológica (sentido) ou até mesmo metafísica. Como cristãos, temos algumas pistas com relação a esse tipo de questão: quando se trata de motivo, sentido, vamos para as Escrituras, a Revelação Especial, e observamos o que Deus nos preparou: tudo é para a Sua glória. É obvio que nem tudo entenderemos o sentido ou a motivação de tais coisas serem / acontecerem assim. Por outro lado, quando queremos saber o como, os processos de tal coisa funcionar, vamos para a Natureza (Revelação Geral) e, através da ciência, conseguimos observar alguns processos e funcionamento. Só que essa divisão é puramente metodológica, didática ou para nós podermos entender o quadro geral através de pequenas peças: a realidade é uma só, construída de uma só forma e quem precisa entender partes ou ter alguma ideia do funcionamento, meio que turvo, somos nós e não o Criador.

Porque nele foram criadas todas as coisas que há nos céus e na terra, visíveis e invisíveis, sejam tronos, sejam dominações, sejam principados, sejam potestades. Tudo foi criado por ele e para ele.

Colossenses 1:16

Só isso?! Sim! Mas, ficou em dúvida, quer perguntar algo, deixar algum comentário ou sugerir algum tema, deixe abaixo! Ficarei feliz em te responder, seja nos comentários ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Alfa e Ômega: a busca pelo início e fim do universo, por Charles Seife, editora Roccomn. É um livro de 2007, está um pouquinho desatualizado com relação a dados (como bóson de Higgs e ondas gravitacionais), mas ainda é muito proveitoso e com uma didática muito boa;
  • Livro Cosmologia física: do micro ao macro cosmos e vice-versa, por Jorge Horvath, German Lugones, Marcelo porto, Sergio Scarano e Ramachrisna Teixeira, editora Livraria da Física. Outro livro muito bom, um pouquinho técnico, mas nada que não possa ser resolvido por si mesmo. Está um pouquinho desatualizado com relação a dados por ser de 2011, porém, altamente recomendado;
  • Prof. Alexandre Zabot, da UFSC, tem um curso gratuito de astrofísica geral excelente. Recomendo fortemente. Você assiste as aulas no YouTube, tem acesso ao material (slides, sites e alguns textos). Para todas as informações, links das aulas e materiais: https://astrofisica.ufsc.br/astrofisica-geral/;
  • Um texto, técnico e em inglês, sobre as gerações de quarks e léptons: https://www.slac.stanford.edu/cgi-bin/getdoc/slac-pub-1974.pdf;
  • Excelente artigo sobre partículas e em uma linguagem muito boa: http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/charme.pdf;
  • Um resumo muito bom sobre partículas: http://www.cbpf.br/~desafios/media/livro/Particulas_elementares.pdf.
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

Aglomerado de galáxias (cada pontinho não é uma estrela, é galáxia) Abell 2744
Fonte: https://spacetelescope.org/images/heic1111a/

1 comentários em “Partículas elementares: os tijolos da criação de Deus

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *