• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Se a matéria é feita de partículas pontuais, por que tudo tem um tamanho?

A estrutura do próton, modelada junto com seus campos auxiliares, mostra como, embora seja feito de quarks e glúons pontuais, ele tem um tamanho finito e substancial que surge da interação das forças quânticas dentro dele. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

Tudo é feito de quarks, léptons, fótons e glúons, mas tudo vem com um tamanho finito e diferente de zero.

Há algo em sentar-se sozinho no escuro que lembra o quão grande o mundo realmente é e quão distantes estamos todos. As estrelas parecem estar tão próximas que você pode estender a mão e tocá-las. Mas você não pode. Às vezes as coisas parecem muito mais próximas do que são. – kami garcia

A grande ideia da teoria atômica é que, em algum nível menor e fundamental, a matéria que compõe tudo não pode mais ser dividida. Esses blocos de construção finais seriam literalmente ἄ-τομος, ou não cortáveis. À medida que descemos para escalas progressivamente menores, descobrimos que as moléculas são feitas de átomos, que são feitos de prótons, nêutrons e elétrons, e que prótons e nêutrons podem ser divididos em quarks e glúons. No entanto, embora quarks, glúons, elétrons e outros pareçam ser realmente pontuais, toda a matéria feita deles tem um tamanho real e finito. Por que é que? É isso que Brian Cobb quer saber:

Muitas fontes afirmam que os quarks são partículas puntiformes... então alguém poderia pensar que objetos compostos por eles – neste caso, nêutrons – também seriam pontos. Minha lógica é falha? Ou eles estariam ligados um ao outro de tal forma que fariam com que o nêutron resultante tivesse tamanho angular?

Vamos fazer uma jornada até as menores escalas e descobrir o que realmente está acontecendo.

Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Crédito da imagem: Equipe Magdalena Kowalska / CERN / ISOLDE.

Se dermos uma olhada na matéria, as coisas se comportam de maneira semelhante ao que esperamos que devam, no mundo macroscópico, até aproximadamente o tamanho das moléculas: escalas de nanômetros (10 a 9 metros). Em escalas menores do que isso, as regras quânticas que governam partículas individuais começam a se tornar importantes. Átomos únicos, com elétrons orbitando um núcleo, têm aproximadamente o tamanho de um Angstrom: 10 a 10 metros. O próprio núcleo atômico, formado por prótons e nêutrons, é 100.000 vezes menor que os átomos em que são encontrados: uma escala de 10 a 15 metros. Dentro de cada próton ou nêutron individual, residem quarks e glúons. Embora moléculas, átomos e núcleos tenham tamanhos associados a eles, as partículas fundamentais de que são feitos – quarks, glúons e elétrons – são realmente pontuais.

Os quarks, antiquarks e glúons do modelo padrão possuem uma carga de cor, além de todas as outras propriedades como massa e carga elétrica. Todas essas partículas, até onde podemos dizer, são realmente pontuais. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.

A maneira como determinamos se algo é pontual ou não é simplesmente colidir o que pudermos com ele nas energias mais altas possíveis e procurar evidências de que há uma estrutura composta dentro. No mundo quântico, as partículas não têm apenas um tamanho físico, elas também têm um comprimento de onda associado a elas, determinado por sua energia. Energia mais alta significa comprimento de onda menor, o que significa que podemos sondar estruturas menores e mais complexas. Os raios X têm energia suficiente para sondar a estrutura dos átomos, com imagens de difração de raios X e cristalografia lançando luz sobre a aparência das moléculas e as ligações individuais.

Um mapa de densidade eletrônica da estrutura da proteína, conforme determinado através da técnica de cristalografia de raios-X. Crédito da imagem: Imperial College London.

Em energias ainda mais altas, podemos obter uma resolução ainda melhor. Os aceleradores de partículas podiam não apenas explodir os núcleos atômicos, mas o espalhamento inelástico profundo revelou a estrutura interna do próton e do nêutron: os quarks e glúons contidos nele. É possível que, em algum momento no caminho, descubramos que algumas das partículas que atualmente consideramos fundamentais sejam, na verdade, feitas de entidades menores. No momento, porém, graças às energias alcançadas pelo LHC, sabemos que se quarks, glúons ou elétrons não são fundamentais, suas estruturas devem ser menores que 10–18 a 10–19 metros. Até onde sabemos, eles são realmente pontos.

O plasma quark-glúon do Universo primitivo. Embora frequentemente representemos partículas como quarks, glúons e elétrons como esferas tridimensionais, as melhores medidas que já fizemos mostram que elas são indistinguíveis das partículas pontuais. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

Então, como, então, as coisas são feitas deles maior do que pontos? É a interação de (até) três coisas:

1. Forças,
2. Propriedades da partícula,
3. e Energia.

Os quarks que conhecemos não têm apenas uma carga elétrica, mas também (como os glúons) têm uma carga de cor. Enquanto a carga elétrica pode ser positiva ou negativa, e enquanto cargas iguais se repelem enquanto as opostas se atraem, a força que surge das cargas coloridas – a força nuclear forte – é sempre atrativa. E funciona, acredite ou não, como uma mola.

A estrutura interna de um próton, com quarks, glúons e spin de quarks mostrados. A força nuclear age como uma mola, com força desprezível quando não esticada, mas grandes forças atrativas quando esticada a grandes distâncias. Crédito da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven.

Quando dois objetos carregados de cores estão próximos, a força entre eles cai para zero, como uma mola enrolada que não é esticada. Quando os quarks estão próximos, a força elétrica assume o controle, o que geralmente leva a uma repulsão mútua. Mas quando os objetos carregados de cores estão distantes, a força forte fica mais forte. Como uma mola esticada, ela trabalha para juntar os quarks novamente. Com base na magnitude das cargas de cor e na força da força forte, juntamente com as cargas elétricas de cada um dos quarks, é assim que chegamos ao tamanho do próton e do nêutron: onde as forças forte e eletromagnética se equilibram aproximadamente.

Os três quarks de valência de um próton contribuem para seu spin, mas também os glúons, quarks e antiquarks do mar e o momento angular orbital. A repulsão eletrostática e a força nuclear forte atrativa, em conjunto, são o que dão ao próton seu tamanho. Crédito da imagem: APS/Alan Stonebraker.

Em escalas um pouco maiores, a força forte mantém prótons e nêutrons juntos em um núcleo atômico, superando a repulsão eletrostática entre os prótons individuais. Esta força nuclear é um efeito residual da força nuclear forte, que só funciona em distâncias muito curtas. Como os prótons e nêutrons individuais são de cor neutra, a troca é mediada por partículas virtuais instáveis ​​conhecidas como píons, o que explica por que núcleos além de um certo tamanho se tornam instáveis; é muito difícil para os píons serem trocados em distâncias maiores. Somente no caso de estrelas de nêutrons a adição de energia de ligação gravitacional suprime a tendência do núcleo de se reorganizar em uma configuração mais estável.

Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas ainda há uma forte força residual entre eles. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Manishearth.

E na escala do próprio átomo, a chave é que a configuração de energia mais baixa de qualquer elétron ligado a um núcleo não é um estado de energia zero, mas na verdade é um estado de energia relativamente alta em comparação com a massa de repouso do elétron. Essa configuração quântica significa que o próprio elétron precisa se mover a velocidades muito altas dentro do átomo; mesmo que o núcleo e o elétron tenham cargas opostas, o elétron não simplesmente atingirá o núcleo e permanecerá no centro. Em vez disso, o elétron existe em uma configuração semelhante a uma nuvem, girando e girando ao redor do núcleo (e passando por ele) a uma distância quase um milhão de vezes maior que o tamanho do próprio núcleo.

Os níveis de energia e funções de onda de elétrons que correspondem a diferentes estados dentro de um átomo de hidrogênio, embora as configurações sejam extremamente semelhantes para todos os átomos. Os níveis de energia são quantizados em múltiplos da constante de Planck, mas os tamanhos dos orbitais e átomos são determinados pela energia do estado fundamental e pela massa do elétron. Crédito da imagem: PoorLeno do Wikimedia Commons.

Existem algumas advertências divertidas que nos permitem explorar como esses tamanhos mudam em condições extremas. Em planetas extremamente massivos, os próprios átomos começam a ser comprimidos devido a grandes forças gravitacionais, o que significa que você pode empacotar mais deles em um pequeno espaço. Júpiter, por exemplo, tem três vezes a massa de Saturno, mas é apenas cerca de 20% maior em tamanho. Se você substituir um elétron em um átomo de hidrogênio por um múon, uma partícula instável semelhante a um elétron que tem a mesma carga, mas 206 vezes a massa, o átomo de hidrogênio muônico terá apenas 1/206 do tamanho do hidrogênio normal. E um átomo de urânio é realmente maior em tamanho do que os prótons e nêutrons individuais seriam se você os reunisse, devido à natureza de longo alcance da repulsão eletrostática dos prótons, em comparação com a natureza de curto alcance do forte força.

Os planetas do Sistema Solar, mostrados na escala de seus tamanhos físicos, mostram um Saturno quase tão grande quanto Júpiter. No entanto, Júpiter é 3 vezes mais massivo, indicando que seus átomos são substancialmente comprimidos devido à pressão gravitacional. Crédito da imagem: NASA.

Ao ter diferentes forças em jogo de diferentes intensidades, você pode construir um próton, nêutron ou outro hádron de tamanho finito a partir de quarks pontuais. Ao combinar prótons e nêutrons, você pode construir núcleos de tamanhos maiores do que seus componentes individuais, unidos, dariam a você. E ligando elétrons ao núcleo, você pode construir uma estrutura muito maior, tudo devido ao fato de que a energia do ponto zero de um elétron ligado a um átomo é muito maior que zero. Para obter um Universo cheio de estruturas que ocupam uma quantidade finita de espaço e têm um tamanho diferente de zero, você não precisa de nada mais do que blocos de construção de dimensão zero e semelhantes a pontos. Forças, energia e as propriedades quânticas inerentes às próprias partículas são mais do que suficientes para fazer o trabalho.

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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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