Vivemos em um universo onde existe muita matéria e, em geral, não existe antimatéria. Dois de nossos leitores querem saber o que é antimatéria, e um físico lhes dá uma resposta a essa pergunta.
Antimatéria. Desta palavra respira-se livros e filmes fascinantes em que vilões chegam a explosivos de antimatéria ou naves espaciais que viajam com esse combustível.
Mas o que é essa substância - o que é, em essência, antimatéria?
Os leitores da Wiedenskub gostariam muito de saber isso. Eles leram alguns dos muitos artigos que publicamos sobre experimentos de físicos com antimatéria, mas gostariam de saber mais.
Em primeiro lugar, devemos esclarecer que a antimatéria dos físicos não deve ser confundida com aqueles anticorpos que conhecemos da biologia e da medicina. Os anticorpos (também chamados de imunoglobulinas) são compostos de proteínas especiais, parte da defesa do corpo contra doenças. Eles podem se ligar a moléculas estranhas e, assim, proteger o corpo de microorganismos e vírus.
Mas aqui não vamos falar sobre eles. Entramos em contato com um cientista do mundo da física: Nikolaj Zinner, professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Aarhus, terá o prazer de nos falar sobre a antimatéria.
Substância com carga oposta
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“Todas essas partículas que, como sabemos, estão na natureza, tudo em que nosso mundo consiste, existem em variantes com a carga oposta. Isso é antimatéria”, diz Nikolai Sinner.
“A antimatéria parece exatamente a mesma e tem a mesma massa da matéria comum, mas tem exatamente a carga oposta. Por exemplo, pósitrons carregados positivamente têm elétrons carregados negativamente. Os pósitrons são antipartículas de elétrons."
Portanto, não há nada de fundamentalmente incomum na antimatéria. É apenas uma substância com uma carga oposta em relação à substância no ambiente em que normalmente somos encontrados. Mas por que há tão pouco disso é apenas um mistério, e voltaremos a isso mais tarde.
“No dia a dia não encontramos a antimatéria, mas ela ocorre em muitas situações, por exemplo, durante o decaimento radioativo, sob a influência da radiação cósmica e em aceleradores. Simplesmente desaparece muito rapidamente novamente. Quando um pósitron encontra um elétron, o resultado é pura energia na forma de duas partículas de luz de alta energia - quanta.
Desaparece em um flash de luz
“Aqui está um elétron e um pósitron, eles têm cargas opostas, então se atraem. Eles podem ficar muito próximos um do outro e, quando isso acontece, eles se fundem e formam dois fótons. Esta é uma consequência das leis da natureza, - diz Nikolai Sinner. "A massa de duas partículas é convertida em energia na forma de duas partículas - quanta de radiação gama."
“Se você tivesse muita antimatéria e a deixasse entrar em contato com a matéria comum, você causaria uma reação muito poderosa. E vice-versa: a energia pode ser convertida em matéria e antimatéria, e isso acontece em aceleradores de partículas."
Usado em scanners médicos
É este fenômeno, quando o encontro da matéria e da antimatéria leva ao seu desaparecimento e à liberação de energia, é provavelmente a primeira coisa que fascina os autores de ficção científica.
Por exemplo, a antimatéria desempenha um papel importante em Anjos e Demônios de Dan Brown, e em Jornada nas Estrelas, as naves interestelares funcionam com antimatéria.
Mas no mundo real, a antimatéria tem uma aplicação mais pacífica.
A antimatéria na forma de pósitrons da decomposição de materiais radioativos é usada em hospitais em scanners de PET (tomografia por emissão de pósitrons), que podem tirar fotos de órgãos internos e detectar processos insalubres neles.
“Então a antimatéria não é tão mística. Esta é uma parte da natureza que gostamos de usar”, diz Nikolai Sinner.
Também nos expomos à antimatéria ao comer bananas. Eles contêm potássio, que é ligeiramente radioativo e libera pósitrons quando decai. A cada 75 minutos, uma banana emite um pósitron, que rapidamente colide com um elétron, e eles se transformam em dois fótons gama.
Mas tudo isso não é absolutamente perigoso. Para obter uma dose de radiação que corresponda ao que obtemos ao fazer um raio-X, teremos de consumir várias centenas de bananas.
Foi previsto antes mesmo da descoberta
Você pode entender melhor o que é a antimatéria se olhar a história de sua descoberta. Curiosamente, a existência de antimatéria foi prevista antes mesmo de ser descoberta.
Na década de 1920, descobriu-se que uma nova teoria chamada mecânica quântica era perfeita para descrever as menores partículas da matéria - átomos e partículas elementares. Mas não foi tão fácil combinar a mecânica quântica com a segunda grande teoria do século 20, a teoria da relatividade.
O jovem físico britânico Paul Dirac correu para resolver esse problema e conseguiu derivar uma equação que combina a mecânica quântica com a relatividade especial.
Com a ajuda dessa equação, tornou-se possível descrever o movimento de um elétron, mesmo que sua velocidade se aproximasse da velocidade da luz.
Mas a equação preparou uma surpresa. Ele tinha duas soluções, assim como a equação "x² = 4": x = 2 e x = -2 ". Ou seja, poderia descrever não só o elétron bem conhecido, mas também outra partícula - um elétron com energia negativa.
Descoberto na célula de Wilson
Então eles não sabiam nada sobre partículas com energia negativa, e Paul Dirac interpretou sua descoberta da seguinte maneira: pode haver uma partícula que é exatamente igual a um elétron, com exceção da carga oposta.
Se o elétron tem carga negativa, deve haver uma partícula correspondente com carga positiva. Segundo os cálculos, a mesma regra deve ser aplicada a todas as partículas elementares, ou seja, em geral, a todas as partículas que constituem o mundo.
E assim começou a caça ao anti-elétron. O físico americano Carl Anderson usou uma câmera de nevoeiro (também conhecida como câmera de Wilson) para detectar traços de partículas do espaço que têm a mesma massa de um elétron, mas com a carga oposta.
Foi assim que o antielétron de Dirac foi descoberto, que foi denominado pósitron - abreviação de "elétron positivo". A partir desse momento, passo a passo, novas antipartículas foram descobertas.
O universo era pura energia no início
Dirac sugeriu que estrelas distantes - talvez metade de tudo o que vemos no céu - podem ser compostas de antimatéria, não matéria. Isso decorre, por exemplo, de seu discurso, que proferiu ao receber o Prêmio Nobel de Física em 1933.
Mas hoje sabemos que tudo no universo consiste apenas em matéria, e não em antimatéria. E isso é realmente misterioso, porque no início da existência do universo deveria haver aproximadamente a mesma quantidade de ambos, explica Nikolai Sinner.
“Se começarmos a retroceder no desenvolvimento do universo, a energia se tornará cada vez mais. A densidade aumentará, a temperatura aumentará. Finalmente, tudo se transformará em energia pura - partículas portadoras de energia ou de força como os fótons. Este foi o início do universo, de acordo com nossas teorias cosmológicas mais comuns."
“E se avançarmos novamente deste ponto de referência, então em algum ponto a energia terá que começar a se converter em matéria. É perfeitamente possível criar matéria a partir de energia pura, mas neste caso você obtém tanta antimatéria quanto matéria. Esse é o problema - você esperaria a mesma quantidade de ambos."
“Deve haver alguma lei da natureza que seja responsável pelo fato de que hoje há mais matéria do que antimatéria. E nada mais pode ser dito sobre esse desequilíbrio. E assim essa assimetria poderia ser explicada."
Neutrinos ajudarão a resolver o enigma
A grande questão é onde, nas leis da natureza, se deve procurar a razão da vitória da matéria sobre a antimatéria. Os físicos estão tentando descobrir isso por meio de experimentos.
No Centro de Pesquisa CERN na Suíça, a antimatéria é produzida e aprisionada em campos magnéticos e, por meio de uma série de experimentos com anti-hidrogênio, os físicos estão tentando encontrar uma resposta para a questão de saber se matéria e antimatéria são imagens espelhadas uma da outra.
Talvez ainda haja uma pequena diferença entre eles, com exceção da carga, e essa diferença ajudará a explicar por que há tanta matéria no universo em relação à antimatéria.
Conseguiu criar antihélio
Como a antimatéria é muito rara e desaparece rapidamente ao encontrar uma substância, não há moléculas de antimatéria na natureza e apenas suas menores moléculas podem ser criadas.
Em 2011, cientistas americanos conseguiram criar o antihélio. Não havia átomos maiores.
Nós, da Wiedenskab, escrevemos muito sobre esses experimentos, que até agora demonstram que a antimatéria se comporta exatamente da mesma maneira que a matéria, conforme descrito, por exemplo, no artigo “Cientista de Aarhus realizou as medições de anti-hidrogênio mais precisas da história”. E, talvez, resolver esse enigma nos ajude a encontrar partículas elementares chamadas neutrinos. Escrevemos sobre isso no artigo "A experiência do gelo revelará o segredo da matéria".
“Podemos esperar encontrar a resposta no neutrino, porque já sabemos que ele tem um comportamento estranho. Existem muitas lacunas na física aqui, então seria sensato começar a cavar aqui”, diz Nikolai Sinner.
A antimatéria em si não é tão mística, mas os físicos ainda não descobriram por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo hoje. Eles estão trabalhando nesta questão.
Henrik Bendix
