• Começa Com Um Estrondo

Como toda a física existe dentro de um único átomo

Quando a maioria de nós imagina um átomo, pensamos em um pequeno núcleo feito de prótons e nêutrons orbitado por um ou mais elétrons. Vemos esses elétrons como pontos enquanto orbitam rapidamente o núcleo. Esta imagem é baseada em uma interpretação semelhante a partículas da mecânica quântica, que é insuficiente para descrever átomos em circunstâncias normais. (GETTY IMAGENS)

Usar átomos para sondar o Universo revela o Modelo Padrão completo.

Se você quiser descobrir os segredos do Universo por si mesmo, tudo o que você precisa fazer é interrogar o Universo até que ele revele as respostas de uma maneira que você possa compreendê-las. Quando quaisquer dois quanta de energia interagem - independentemente de serem partículas ou antipartículas, massivas ou sem massa, férmions ou bósons, etc. - o resultado dessa interação tem o potencial de informá-lo sobre as leis e regras subjacentes que o sistema possui. obedecer. Se soubéssemos todos os resultados possíveis de qualquer interação, incluindo quais eram suas probabilidades relativas, então e só então alegaríamos ter alguma compreensão do que estava acontecendo.

Surpreendentemente, tudo o que sabemos sobre o Universo pode, de alguma forma, ser rastreado até a mais humilde de todas as entidades que conhecemos: um átomo. Um átomo continua sendo a menor unidade de matéria que conhecemos que ainda mantém as características únicas do mundo macroscópico, como propriedades físicas e químicas. E, no entanto, é uma entidade fundamentalmente quântica, com seus próprios níveis de energia, propriedades e leis de conservação. Além disso, mesmo o átomo humilde se acopla a todas as quatro forças fundamentais conhecidas. De uma maneira muito real, toda a física está em exibição, mesmo dentro de um único átomo. Aqui está o que eles podem nos dizer sobre o Universo.

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, mas entendemos o Universo desde grandes escalas cósmicas até minúsculas e subatômicas. Existem cerca de 1⁰²⁸ átomos que compõem cada corpo humano, no total. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)

Aqui na Terra, existem aproximadamente 90 elementos que ocorrem naturalmente: remanescentes dos processos cósmicos que os criaram. Um elemento é fundamentalmente um átomo, com um núcleo atômico feito de prótons e (possivelmente) nêutrons e orbitado por um número de elétrons igual ao número de prótons. Cada elemento tem seu próprio conjunto exclusivo de propriedades, incluindo:

• dureza,
• Cor,
• pontos de fusão e ebulição,
• densidade (quanta massa ocupou um determinado volume),
• condutividade (com que facilidade seus elétrons são transportados quando uma tensão é aplicada),
• eletronegatividade (quão forte seu núcleo atômico mantém os elétrons quando ligado a outros átomos),
• energia de ionização (quanta energia é necessária para arrancar um elétron),

e muitos outros. O que é notável sobre os átomos é que há apenas uma propriedade que define que tipo de átomo você tem (e, portanto, quais são essas propriedades): o número de prótons no núcleo.

Dada a diversidade de átomos lá fora e as regras quânticas que governam os elétrons – partículas idênticas – que orbitam o núcleo, não é hipérbole afirmar que tudo sob o Sol é realmente feito, de uma forma ou de outra, de átomos. .

As configurações atômicas e moleculares vêm em um número quase infinito de combinações possíveis, mas as combinações específicas encontradas em qualquer material determinam suas propriedades. Embora os diamantes sejam classicamente vistos como o material mais duro encontrado na Terra, eles não são o material mais forte em geral nem mesmo o material natural mais forte. Existem, atualmente, seis tipos de materiais que são conhecidos por serem mais fortes, embora esse número deva aumentar com o passar do tempo. (MAX PIXEL)

Cada átomo, com seu número único de prótons em seu núcleo, formará um conjunto único de ligações com outros átomos, permitindo um conjunto praticamente ilimitado de possibilidades para os tipos de moléculas, íons, sais e estruturas maiores que ele pode formar. Principalmente por meio da interação eletromagnética, as partículas subatômicas que compõem os átomos exercerão forças umas sobre as outras, levando – com tempo suficiente – às estruturas macroscópicas que observamos não apenas na Terra, mas em todo o Universo.

Em sua essência, no entanto, todos os átomos têm a propriedade de serem massivos em comum uns com os outros. Quanto mais prótons e nêutrons no núcleo atômico, mais massivo é o seu átomo. Mesmo que sejam entidades quânticas, com um átomo individual medindo não mais que um único ångström de diâmetro, não há limite para o alcance da força gravitacional. Qualquer objeto com energia – incluindo a energia de repouso que dá às partículas suas massas – curvará o tecido do espaço-tempo de acordo com a teoria da Relatividade Geral de Einstein. Não importa quão pequena seja a massa, ou quão pequenas sejam as escalas de distância com as quais trabalhamos, a curvatura do espaço induzida por qualquer número de átomos, seja ~10⁵⁷ (como em uma estrela), ~10²⁸ (como em um ser humano), ou apenas um (como em um átomo de hélio), ocorrerá exatamente como predizem as regras da Relatividade Geral.

Em vez de uma grade tridimensional vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas 'retas' se tornem curvas por uma quantidade específica. A curvatura do espaço devido aos efeitos gravitacionais da Terra é uma visualização da gravitação, e é uma maneira fundamental pela qual a Relatividade Geral difere da Relatividade Especial. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)

Os átomos também são compostos de partículas eletricamente carregadas. Os prótons possuem uma carga elétrica positiva inerente a eles; os nêutrons são eletricamente neutros em geral; elétrons têm uma carga igual e oposta ao próton. Todos os prótons e nêutrons estão unidos em um núcleo atômico com apenas um femtômetro (~10^-15 m) de diâmetro, enquanto os elétrons orbitam em uma nuvem que é cerca de 100.000 vezes maior em tamanho. Cada elétron ocupa seu próprio nível de energia único, e os elétrons só podem fazer a transição entre essas energias discretas; nenhuma outra transição é permitida.

Isso é notável de duas maneiras diferentes. Por um lado, quando um átomo se aproxima de outro átomo (ou grupo de átomos), eles podem interagir. Em um nível quântico, suas funções de onda podem se sobrepor, permitindo que os átomos se unam em moléculas, íons e sais, com essas estruturas ligadas tendo suas próprias formas e configurações únicas para suas nuvens de elétrons. Correspondentemente, eles também têm seus próprios níveis de energia únicos, que absorvem e emitem fótons (partículas de luz) apenas de um determinado conjunto de comprimentos de onda.

As transições de elétrons no átomo de hidrogênio, juntamente com os comprimentos de onda dos fótons resultantes, mostram o efeito da energia de ligação e a relação entre o elétron e o próton na física quântica. A transição mais forte do hidrogênio é Lyman-alpha (n=2 para n=1), mas sua segunda mais forte é visível: Balmer-alpha (n=3 para n=2). (USUÁRIOS DO WIKIMEDIA COMMONS SZDORI E ORANGEDOG)

Essas transições de elétrons dentro de um átomo ou grupo de átomos são únicas: particulares ao átomo ou à configuração de um grupo de múltiplos átomos. Quando você detecta um conjunto de linhas espectrais de um átomo ou molécula – não importa se são linhas de emissão ou absorção – elas revelam imediatamente que tipo de átomo ou molécula você está olhando. As transições internas dos elétrons fornecem um conjunto único de níveis de energia, e as transições desses elétrons revelam inequivocamente que tipo e configuração de átomo(s) você tem.

De qualquer lugar do Universo, átomos e moléculas obedecem a essas mesmas regras: as leis da eletrodinâmica clássica e quântica, que governam todas as partículas carregadas do Universo. Mesmo dentro do próprio núcleo atômico, que é composto internamente de quarks (carregados) e glúons (não carregados), as forças eletromagnéticas entre essas partículas carregadas são tremendamente importantes. Essa estrutura interna explica por que o momento magnético de um próton é quase três vezes a magnitude do momento magnético do elétron (mas de sinal oposto), enquanto o nêutron tem um momento magnético quase duas vezes maior que o do elétron, mas o mesmo sinal.

O nível de energia mais baixo (1S) do hidrogênio, no canto superior esquerdo, tem uma densa nuvem de probabilidade de elétrons. Níveis de energia mais altos têm nuvens semelhantes, mas com configurações muito mais complicadas. Para o primeiro estado excitado, existem duas configurações independentes: o estado 2S e o estado 2P, que possuem diferentes níveis de energia devido a um efeito muito sutil. (VISUALIZANDO TODAS AS COISAS CIÊNCIA / FLICKR)

Embora a força elétrica tenha um alcance muito longo – o mesmo alcance infinito da gravitação, na verdade – o fato de a matéria atômica ser eletricamente neutra como um todo desempenha um papel tremendamente importante na compreensão de como o Universo que experimentamos se comporta. A força eletromagnética é fantasticamente grande, pois dois prótons se repelem com uma força que é ~10³⁶ vezes maior que sua atração gravitacional!

Mas como há tantos átomos que compõem os objetos macroscópicos aos quais estamos acostumados, e os próprios átomos são eletricamente neutros em geral, só notamos quando:

• algo tem uma carga líquida, como um eletroscópio carregado,
• quando as cargas fluem de um local para outro, como durante um relâmpago,
• ou quando as cargas se separam, criando um potencial elétrico, como em uma bateria.

Um dos exemplos mais simples e divertidos disso vem de esfregar um balão inflado em sua camisa e, em seguida, tentar colar o balão no cabelo ou na parede. Isso funciona apenas porque a transferência ou redistribuição de um pequeno número de elétrons pode fazer com que os efeitos de uma carga elétrica líquida superem completamente a força da gravidade; esses forças de van der Waals são forças intermoleculares, e mesmo objetos que permanecem neutros em geral podem exercer forças eletromagnéticas que – em distâncias curtas – podem superar o poder da gravidade.

Quando dois materiais diferentes, como tecido e plástico, são esfregados, a carga pode ser transferida de um para o outro, criando uma carga líquida em ambos os objetos. Nesse caso, a criança está carregada e os efeitos da eletricidade estática podem ser observados em seu cabelo (e no cabelo de sua sombra). (KEN BOSMA/FLICKR)

Tanto no nível clássico quanto no quântico, um átomo codifica uma tremenda quantidade de informações sobre as interações eletromagnéticas no Universo, enquanto a Relatividade Geral clássica (não quântica) é completamente suficiente para explicar todas as interações atômicas e subatômicas que já observamos e medimos . Se nos aventurarmos ainda mais dentro do átomo, porém, para o interior dos prótons e nêutrons dentro do núcleo atômico, podemos revelar a natureza e as propriedades das forças fundamentais restantes: as forças nucleares forte e fraca.

Ao se aventurar em escalas de ~femtômetros, você começará a notar os efeitos da força nuclear forte. Ele aparece primeiro entre os diferentes nucleons: os prótons e nêutrons que compõem cada núcleo. No geral, há uma força elétrica que repele (já que dois prótons têm cargas elétricas semelhantes) ou é zero (já que os nêutrons não têm carga líquida) entre os diferentes núcleos. Mas em distâncias muito curtas, há uma força ainda mais forte que a força eletromagnética: a força nuclear forte, que ocorre entre os quarks por meio da troca de glúons. Estruturas ligadas de pares quark-antiquark – conhecidas como mésons – podem ser trocadas entre diferentes prótons e nêutrons, unindo-os em um núcleo e, se a configuração estiver correta, superando a força eletromagnética repulsiva.

Prótons e nêutrons individuais podem ser entidades incolores, mas os quarks dentro deles são coloridos. Os glúons podem não apenas ser trocados entre os glúons individuais dentro de um próton ou nêutron, mas em combinações entre prótons e nêutrons, levando à ligação nuclear. No entanto, cada troca deve obedecer ao conjunto completo de regras quânticas. (WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH)

No fundo desses núcleos atômicos, no entanto, há uma manifestação diferente da força forte: os quarks individuais dentro deles estão continuamente trocando glúons. Além das cargas gravitacionais (de massa) e das cargas eletromagnéticas (elétricas) que a matéria possui, há também um tipo de carga específica para os quarks e glúons: uma carga de cor. Em vez de ser sempre positivo e atraente (como a gravidade) ou negativo e positivo, onde cargas semelhantes se repelem e os opostos se atraem (como o eletromagnetismo), existem três cores independentes - vermelho, verde e azul - e três anticores. A única combinação permitida é incolor, onde todas as três cores (ou anticolors) combinadas, ou uma combinação líquida de cor-anticolor incolor são permitidas.

A troca de glúons, particularmente quando os quarks se afastam (e a força fica mais forte), é o que mantém esses prótons e nêutrons individuais juntos. Quanto maior a energia com que você esmaga algo nessas partículas subatômicas, mais quarks (e antiquarks) e glúons você pode efetivamente ver: é como se o interior do próton estivesse cheio de um mar de partículas, e quanto mais forte você colide com elas, mais pegajosos eles se comportam. À medida que vamos para as profundezas mais profundas e energéticas que já sondamos, não vemos limite para a densidade dessas partículas subatômicas dentro de cada núcleo atômico.

Um próton não é apenas três quarks e glúons, mas um mar de partículas densas e antipartículas em seu interior. Quanto mais precisamente olharmos para um próton e quanto maiores forem as energias com as quais realizamos experimentos de espalhamento inelástico profundo, mais subestrutura encontramos dentro do próprio próton. Parece não haver limite para a densidade de partículas no interior. (COLABORAÇÃO JIM PIVARSKI / FERMILAB / CMS)

Mas nem todo átomo vai durar para sempre nessa configuração estável. Muitos átomos são instáveis ​​contra o decaimento radioativo, o que significa que eventualmente eles cuspirão uma partícula (ou um conjunto de partículas), mudando fundamentalmente o tipo de átomo que são. O tipo mais comum de decaimento radioativo é o decaimento alfa, onde um átomo instável cospe um núcleo de hélio com dois prótons e dois nêutrons, que depende da força forte. Mas o segundo tipo mais comum é o decaimento beta, onde um átomo cospe um elétron e um neutrino antielétron, e um dos nêutrons no núcleo se transforma em um próton no processo.

Isso requer outra força nova: a força nuclear fraca. Essa força depende de um tipo totalmente novo de carga: carga fraca, que em si é uma combinação de hipercarga fraca e isospin fraco . A carga fraca provou ser tremendamente difícil de medir, uma vez que a força fraca é milhões de vezes menor que a força forte ou a força eletromagnética até chegar a escalas de distância extraordinariamente pequenas, como 0,1% do diâmetro de um próton. Com o átomo certo, um que é instável contra o decaimento beta, a interação fraca pode ser vista, o que significa que todas as quatro forças fundamentais podem ser testadas simplesmente olhando para um átomo.

Ilustração esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico maciço. O decaimento beta é um decaimento que prossegue através das interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, elétron e um neutrino anti-elétron. Antes que o neutrino fosse conhecido ou detectado, parecia que tanto a energia quanto o momento não eram conservados nos decaimentos beta. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Isso também implica algo notável: se houver alguma partícula no Universo, mesmo que ainda não descobrimos, que interaja por meio de qualquer uma dessas quatro forças fundamentais, ela também interagirá com átomos. Detectamos muitas partículas, incluindo todos os diferentes tipos de neutrinos e antineutrinos, por meio de suas interações com as partículas encontradas dentro do átomo humilde. Mesmo que seja a mesma coisa que nos compõe, também é, de maneira fundamental, nossa maior janela para a verdadeira natureza da matéria.

Quanto mais dentro dos blocos de construção da matéria olharmos, melhor entenderemos a própria natureza do próprio Universo. De como esses vários quanta se unem para formar o Universo que observamos e medimos às regras subjacentes que cada partícula e antipartícula obedece, é apenas interrogando o Universo que temos que podemos aprender sobre ele. Enquanto a ciência e a tecnologia que somos capazes de construir for capaz de investigá-la mais a fundo, seria uma pena desistir da busca simplesmente porque uma nova descoberta que quebra paradigmas não é garantida. A única garantia de que podemos ter certeza é que, se não olharmos mais profundamente, não encontraremos nada.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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