• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: As menores partículas de todas são realmente fundamentais?

Ir para escalas de distância cada vez menores revela visões mais fundamentais da natureza, o que significa que, se pudermos entender e descrever as escalas menores, podemos construir nosso caminho para uma compreensão das maiores. (INSTITUTO PERÍMETRO)

Podemos ir a níveis cada vez mais profundos, encontrando quantidades mais fundamentais à medida que o fazemos. Mas existe uma quantidade verdadeiramente fundamental?

Do que o Universo, em um nível fundamental, é realmente feito? Existe um menor bloco de construção possível, ou conjunto de blocos de construção, do qual podemos construir tudo em todo o nosso Universo e também que nunca pode ser dividido em algo menor? É uma questão sobre a qual a ciência pode dizer muito, mas não necessariamente nos dá a resposta final e definitiva. É também a pergunta que Paul Riggs quer que analisemos nesta edição do Ask Ethan:

Existe evidência teórica ou experimental que estabeleça inequivocamente a existência de partículas fundamentais?

Sempre há espaço para incerteza na física, especialmente quando se trata de especular o que encontraremos no futuro. Mas se essa ambiguidade é razoável ou não, cabe a nós decidir.

Em 1860, um meteoro roçou a Terra e produziu uma exibição de luz espetacularmente luminosa. Essas visões naturais, juntamente com os fenômenos naturais aos quais estamos acostumados, podem levar uma mente lógica a tentar deduzir quais blocos de construção fundamentais podem sustentar toda a nossa realidade. (FREDERIC EDWIN CHURCH / JUDITH FILENBAUM HERNSTADT)

Se você quisesse saber do que é feito o Universo, como abordaria o problema? Milhares de anos atrás, a ideação imaginativa e a aplicação da lógica eram as melhores ferramentas que tínhamos. Sabíamos da matéria, mas não tínhamos como saber o que a compunha. Foi hipotetizado que havia alguns ingredientes fundamentais que poderiam ser combinados – de várias maneiras e sob diferentes condições – para criar tudo o que existe hoje.

Poderíamos demonstrar experimentalmente que a matéria, sólida, líquida ou gasosa, ocupava espaço. Poderíamos mostrar que ela possuía massa. Poderíamos combiná-lo em quantidades maiores ou dividi-lo em menores. É apenas essa última ideia, no entanto, de quebrar a matéria que podemos acessar em componentes menores, que levam à ideia do que realmente pode ser fundamental.

Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Ainda não se sabe se os blocos de construção são partículas verdadeiramente fundamentais e/ou pontuais. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)

Alguns pensavam que a matéria poderia ser feita de diferentes elementos, como fogo, terra, ar e água. Outros, como os monistas, pensavam que havia apenas um componente fundamental da realidade do qual todos os outros poderiam ser derivados e montados. Outros ainda, como os pitagóricos, opinaram que deve haver uma estrutura matemática geométrica que estabeleça as regras para a realidade obedecer, e a montagem dessas estruturas levou ao Universo que percebemos hoje.

Os cinco sólidos platônicos são as únicas cinco formas poligonais em três dimensões que são feitas de polígonos regulares 2D. Muitos dos primeiros cientistas equipararam esses cinco sólidos aos cinco elementos fundamentais. É uma boa ideia, mas não chega nem perto dos padrões da ciência moderna. (PÁGINA INGLÊS DA WIKIPÉDIA PARA SÓLIDOS PLATÔNICOS)

A ideia de que havia uma partícula verdadeiramente fundamental, porém, remonta a Demócrito de Abdera , cerca de 2400 anos atrás. Embora fosse apenas uma ideia, Demócrito sustentava que toda a matéria era feita de partículas indivisíveis que ele chamava de átomos (ἄτομος), significando incortáveis, que se combinavam em meio a um pano de fundo de espaço vazio. Embora suas ideias contivessem muitos outros detalhes irrelevantes e bizarros, a noção de partículas fundamentais persistiu.

Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas ainda há uma forte força residual entre eles. Toda a matéria conhecida no Universo pode ser dividida em átomos, que podem ser divididos em núcleos e elétrons, onde os núcleos podem ser divididos ainda mais. Talvez ainda não tenhamos atingido o limite de divisão ou a capacidade de cortar uma partícula em vários componentes. (WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH)

Pegue qualquer pedaço de matéria que você quiser e tente cortá-lo. Tente dividi-lo em um componente cada vez menor. Toda vez que você conseguir, tente cortá-lo novamente, até que você tenha que ir além da ideia de cortar para chegar à próxima camada. Objetos macroscópicos tornam-se microscópicos; compostos complexos tornam-se moléculas simples; moléculas tornam-se átomos; átomos tornam-se elétrons e núcleos atômicos; núcleos atômicos tornam-se prótons e nêutrons, que se dividem em quarks e glúons.

No menor nível imaginável, podemos reduzir tudo o que conhecemos em entidades fundamentais, indivisíveis, semelhantes a partículas: os quarks, léptons e bósons do Modelo Padrão.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. Essas partículas podem ser bem descritas pela física das teorias quânticas de campo subjacentes ao Modelo Padrão, mas ainda não se sabe se são fundamentais. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

No que diz respeito aos tamanhos físicos, temos as regras da física quântica para nos guiar. Cada quantum no Universo – uma estrutura com uma energia diferente de zero – pode ser descrito como contendo uma certa quantidade de energia. Como tudo o que existe pode ser descrito como de natureza semelhante a partículas e a ondas, você pode colocar limites e restrições em um tamanho físico para qualquer quanta.

Enquanto as moléculas podem ser bons descritores da realidade na escala nanométrica (10^-9 metros), e os átomos são bons em escalas Angstrom (10^-10 metros), os núcleos atômicos são ainda menores, com prótons e nêutrons individuais descendo para escalas de femtômetros (10^-15 metros). Mas para as partículas do Modelo Padrão, elas são ainda menores. Nas energias que sondamos, podemos dizer com segurança que todas as partículas conhecidas são pontuais e livres de estrutura até escalas de 10^-19 metros.

Um evento de Higgs candidato no detector ATLAS. Observe como mesmo com as assinaturas claras e os rastros transversais, há uma chuva de outras partículas; isso se deve ao fato de que os prótons são partículas compostas. Este é apenas o caso porque o Higgs dá massa aos constituintes fundamentais que compõem essas partículas. Em energias suficientemente altas, as partículas atualmente mais fundamentais conhecidas ainda podem se separar. (A COLABORAÇÃO ATLAS / CERN)

No melhor de nosso conhecimento experimental, estes são o que equiparamos a ser de natureza verdadeiramente fundamental. As partículas e antipartículas e bósons do Modelo Padrão parecem ser fundamentais, tanto do ponto de vista experimental quanto teórico. À medida que avançamos para energias de partículas cada vez mais altas, podemos sondar a estrutura da realidade em níveis ainda maiores.

O Grande Colisor de Hádrons oferece as melhores restrições até hoje, mas colisores futuros ou experimentos de raios cósmicos extremamente sensíveis podem nos levar muitas ordens de magnitude mais longe: para escalas de 10^-21 metros para os colisores terrestres mais energéticos e potencialmente até 10^-26 metros para os raios cósmicos de energia mais extrema.

Os objetos com os quais interagimos no Universo variam de escalas cósmicas muito grandes até cerca de 10^-19 metros, com o mais novo recorde estabelecido pelo LHC. Há um longo, longo caminho para baixo (em tamanho) e para cima (em energia) nas escalas que o Big Bang quente atinge, que é apenas um fator de ~ 1000 menor que a energia de Planck. Se as partículas do Modelo Padrão são compostas por natureza, sondas de energia mais altas podem revelar isso. (UNIVERSIDADE DE NOVA GALES DO SUL / ESCOLA DE FÍSICA)

Mesmo assim, porém, essas ideias apenas impõem limites ao que sabemos e podemos dizer. Eles nos dizem que se colidirmos uma partícula (ou antipartícula, ou fóton) com uma certa quantidade de energia para ela com outra partícula em repouso, a partícula que é atingida se comportará de maneira fundamentalmente pontual dentro dos limites de nossa experimentos, detectores e energias atingíveis. Esses experimentos estabelecem um limite empírico sobre o tamanho de uma partícula fundamental atualmente considerada fundamental, e são conhecidos coletivamente como experimentos de espalhamento inelástico profundo.

Quando você colide duas partículas quaisquer, você sonda a estrutura interna das partículas colidindo. Se um deles não é fundamental, mas sim uma partícula composta, esses experimentos podem revelar sua estrutura interna. Aqui, um experimento é projetado para medir o sinal de dispersão de matéria escura/núcleon. No entanto, existem muitas contribuições mundanas e de fundo que podem dar um resultado semelhante. Este sinal em particular aparecerá em detectores de germânio, xenônio líquido e argônio líquido. (VISÃO GERAL DA MATÉRIA ESCURA: PESQUISAS DE DETECÇÃO DIRETA E INDIRETA DE COLLIDER — QUEIROZ, FARINALDO S. ARXIV:1605.08788)

Mas isso significa que essas partículas são verdadeiramente fundamentais? De jeito nenhum. Eles poderiam ser:

• ainda mais divisíveis, o que significa que eles podem ser divididos em subcomponentes menores,
• ou podem ser ressonâncias umas das outras, onde os primos mais pesados ​​das partículas mais leves são estados excitados ou versões compostas das mais leves,
• ou essas partículas podem não ser partículas, mas sim partículas aparentes com uma estrutura subjacente mais profunda.

Essas ideias abundam em cenários como o technicolor (que é restrito desde a descoberta do bóson de Higgs, mas não descartado), mas são mais proeminentemente representados pela Teoria das Cordas.

Os diagramas de Feynman (topo) são baseados em partículas pontuais e suas interações. Convertê-los em seus análogos da teoria das cordas (abaixo) dá origem a superfícies que podem ter curvatura não trivial. Na teoria das cordas, todas as partículas são simplesmente diferentes modos de vibração de uma estrutura subjacente mais fundamental: as cordas. (FIS. HOJE 68, 11, 38 (2015))

Não há nenhuma lei imutável exigindo que tudo seja feito de partículas. A realidade baseada em partículas é uma ideia teórica que é apoiada e consistente com os experimentos, mas nossos experimentos são limitados em energia e no tipo de informação que eles podem nos dizer sobre a realidade fundamental. Em um cenário como a Teoria das Cordas, tudo o que chamamos de partícula fundamental hoje pode ser nada mais do que uma corda, vibrando ou girando em uma determinada frequência, tanto de natureza aberta (onde as duas extremidades estão soltas) quanto de natureza fechada (onde as duas extremidades estão ligadas uma à outra). Strings podem se romper, criando dois quanta onde um existia anteriormente, ou combinar, criando um único quantum a partir de dois pré-existentes.

Em um nível fundamental, não há exigência de que os componentes do nosso Universo sejam partículas de dimensão zero, semelhantes a pontos.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se o espaço (ou o tempo) em si é discreto ou contínuo ainda não está decidido, assim como a questão se a gravidade é quantizada ou se as partículas, como as conhecemos hoje, são fundamentais ou não. (LAC ACELERADOR LABORATÓRIO NACIONAL)

Existem muitos cenários em que os mistérios não descobertos do nosso Universo, como matéria escura e energia escura, não são feitos de partículas, mas são algum tipo de fluido ou propriedade do espaço. A natureza do espaço e do tempo em si ainda não é conhecida; eles podem ser fundamentalmente de natureza quântica ou não quântica; eles podem ser discretos (capazes de serem divididos em pedaços) ou contínuos.

As partículas que conhecemos hoje, que assumimos serem fundamentais hoje, podem ter um tamanho finito, diferente de zero em uma ou mais dimensões, ou podem ser realmente pontuais, potencialmente até o comprimento de Planck ou até mesmo , concebivelmente, menor.

Em vez de uma grade 3D vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas “retas” se tornem curvas por uma quantidade específica. Na Relatividade Geral, tratamos o espaço e o tempo como contínuos e as massas/partículas como discretas e fundamentais. Nenhum destes é necessariamente o caso. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)

A coisa mais importante que você deve tirar dessa questão – se partículas verdadeiramente fundamentais existem ou não – é que tudo o que sabemos na ciência é apenas provisório. Não há nada que conheçamos tão bem ou tão solidamente que seja imutável. Todo o nosso conhecimento científico é apenas a melhor aproximação da realidade que conseguimos construir no presente. As teorias que melhor descrevem nosso Universo podem explicar todos os fenômenos que podemos observar, podem fazer previsões novas, poderosas e testáveis, e podem até não ser contestadas por quaisquer alternativas que conhecemos no momento.

Mas isso não significa que eles estejam corretos em nenhum sentido absoluto. A ciência está sempre procurando coletar mais dados, explorar novos territórios e cenários e se revisar se surgir um conflito. As partículas que conhecemos parecem fundamentais hoje, mas isso não é garantia de que a natureza continuará a indicar a existência de partículas fundamentais quanto mais profundamente aprendermos a olhar.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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