sábado, 28 de julho de 2012

O Higgs, a massa e a ciência que prossegue

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 20/07/2012


No dia 4 de julho de 2012, foi divulgado pelo Cern, o Centro Europeu de Pesquisas Nucleares, a existência de uma partícula que pode ser o famoso bóson de Higgs, aquela que seria responsável pela massa de todas as partículas elementares. A existência de tal bóson foi prevista pelo físico britânico Peter Ware Higgs (1929-) em 1964.

Como manda a boa prática científica, não foi dito que a partícula descoberta é o bóson de Higgs, mas sim que existe uma grande probabilidade que seja. Os resultados obtidos têm uma precisão de 99,9%, ou seja, muito provavelmente a nova partícula detectada é o bóson de Higgs. Na verdade, não se detecta uma partícula nos enormes equipamentos do LHC (sigla para Grande Colisor de Hádrons), mas os ‘traços’ que elas deixam após trilhões de colisões.

A divulgação desse experimento foi extraordinária. Praticamente todos os veículos de comunicação apresentaram essa notícia, pois além de ser uma das descobertas científicas mais importante dos últimos anos, o apelido dado ao bóson de Higgs é, por si, só chamativo: “partícula de Deus”. Trata-se de uma alusão à onipresença divina; assim como Deus, essa partícula estaria presente em toda parte.

O apelido também está associado ao livro do físico Leon Lederman (1922-), ganhador do prêmio Nobel de Física em 1988 pelo seu trabalho com neutrinos (partículas que praticamente não têm massa). Lederman queria que seu livro se chamasse ‘A partícula maldita’ (The goddamn particle, no original), pela frustração diante da dificuldade de encontrá-la. Mas o editor trocou o título para A partícula de Deus, pois achou que o nome original poderia soar ofensivo. 

A descoberta de uma partícula fundamental com essa alcunha pode sugerir a muitas pessoas associações com a divindade, levando-as a imaginar que finalmente a ciência pode ter descoberto (ou refutado) a existência de Deus. Do meu ponto de vista, não cabe à ciência discutir aspectos religiosos, como também não cabe à religião discutir aspectos relacionados ao campo da ciência. São duas formas diferentes de compreender o mundo e o ser humano.

Se por um lado o bóson de Higgs não pode explicar a existência ou não de Deus, por outro, pode explicar a existência da massa. Mas o que é a massa? Por que os cientistas divulgam que essa partícula tem a massa de 125 (ou 126) GeV? Energia é uma unidade de massa?

Entendendo a massa

Em nosso cotidiano, a ideia de massa está normalmente associada à de peso. Nunca perguntamos para uma pessoa qual é a sua massa, mas, sim, o seu peso (que para muitos é uma pergunta indiscreta). Quando subimos em uma balança, ela nos informa que a nossa massa é “x” quilos (para alguns, como eu, muitos quilos!).

Peso é a força que a gravidade da Terra faz sobre os corpos próximos da superfície, sendo proporcional à aceleração da gravidade (g = 9,8 m/s2), que é o valor do campo gravitacional na superfície da Terra. Por isso, quem tem 100 kg de massa pesa 980 newtons (unidade correta para a força peso).

Por outro lado, todos já tivemos a experiência de empurrar um grande objeto ou sabemos o quanto é difícil frear um caminhão ou ônibus com várias toneladas. Quanto maior for a massa de um corpo, mais difícil será alterar o seu estado de movimento, ou seja, maior deverá ser a força aplicada.

Foi o físico inglês Isaac Newton (1642-1727) que propôs tanto as leis do movimento quanto a lei da gravidade, que explica a atração entre os corpos com massa. A primeira lei de Newton está associada à inércia do corpo, ou seja, à capacidade destes manterem o seu estado de movimento quando não há aplicação de nenhuma força.

A segunda lei de Newton mostra que a força exercida sobre um corpo é o produto entre massa e aceleração. Existe ainda a terceira lei de Newton, que diz que todo corpo que sofre a ação de uma força reage, mas em sentido contrário, com igual intensidade.

Podemos observar que tanto na gravidade quanto na dinâmica dos movimentos a massa é o fator determinante. Contudo, ela tem um papel diferente em cada situação. Na gravidade, a massa desempenha o papel de uma ‘carga gravitacional’, regulando a intensidade de uma força fundamental da natureza. No movimento, ela está relacionada com uma ‘resistência’ a se modificar o estado de movimento do corpo. Dessa forma, em princípio, existiriam dois tipos de massa: a massa gravitacional e a massa inercial, ambas com o mesmo valor. O próprio Newton percebeu esse fato, mas não conseguiu explicar o porquê disso.

Foi o físico alemão Albert Einstein (1879-1955) que respondeu essa questão, por volta do ano de 1907. Nessa época, ele trabalhava num escritório de patentes, em Berna, Suíça, e teve o insight que uma pessoa em queda livre não perceberia o seu próprio peso. A partir disso, ele propôs o ‘princípio da equivalência’, segundo o qual é impossível distinguir se um corpo está sob a ação de um campo gravitacional ou em movimento acelerado.

Com essa ideia, Einstein desenvolveu a teoria da relatividade geral em 1915, que explica os efeitos da gravidade e dos movimentos acelerados dos corpos. Einstein mostrou que a massa, ora se manifesta como ‘inércia’, ora como ‘gravidade’ (esse tema foi abordado anteriormente na coluna “o enigma do movimento”).

A relação entre massa e energia

Alguns anos antes, em 1905, Einstein propôs também a teoria da relatividade restrita, que, entre os diversos resultados, talvez um dos mais importantes foi mostrar a equivalência entre massa e energia, por meio da famosa equação E=mc2 (na qual m é a massa e c, a velocidade da luz). Esse resultado vem do fato de a velocidade da luz ser a velocidade limite do universo.

Quando tentamos transferir energia para um corpo se movendo com velocidade próxima à da luz, essa energia não se converte completamente em energia de movimento, mas aumenta a massa inercial do corpo, aumentando a dificuldade de se alterar o seu movimento, ou seja, de tirá-lo do estado de inércia. Por esse motivo, quando se fala na massa de uma partícula fundamental, como a do próton, se refere a sua massa de repouso. Para o próton, esse valor é 1,67x10-27 kg.

Sempre inacabada

A importância da descoberta experimental do bóson de Higgs é a validação do chamado Modelo Padrão, que previu a existência de dezenas de partículas fundamentais, como os quarks, que são as partículas que constituem os chamados hádrons (como os prótons e nêutrons).


Se os resultados do Cern forem validados, se confirmará a teoria que prevê os valores de massa das partículas elementares, como a do próton. Segundo o Modelo Padrão, proposto inicialmente pelo físico estadunidense Steven Weinberg (1933-), quando o universo se resfriou após o Big Bang, o campo de Higgs formou-se junto a partículas associadas, os bósons de Higgs, transferindo massa para outras partículas fundamentais.

Mas mesmo que a existência do bóson de Higgs seja confirmada, a física ainda não estará acabada. Existem muitas perguntas ainda a serem respondidas e novos desafios hão de surgir. Essa é a magia da ciência!

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos



A matéria em diferentes escalas

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
publicada em 22/06/2012


Em diversas oportunidades nesta coluna, falamos sobre planetas, estrelas e galáxias. Em outros momentos, também abordamos temas como átomos e moléculas, que, ao interagirem, dão forma a tudo que percebemos ao nosso redor. Também discutimos como o homem pode manipular tais estruturas fundamentais e produzir novos materiais que modificaram (e modificam) as nossas vidas.

Em um primeiro momento, podemos pensar que a vastidão do cosmos e complexidade dos átomos não estão conectadas. Afinal, as galáxias localizam-se a milhões ou até bilhões de anos-luz de distância (um ano-luz representa a distância que um raio de luz percorre durante um ano e equivale a aproximadamente 10 trilhões de quilômetros) e são necessários gigantescos telescópios para detectar a fraca luz que nos chega a partir desses objetos.

Por outro lado, as estruturas fundamentais da matéria são tão pequenas, da ordem de décimos de nanômetro (um nanômetro é um bilionésimo do metro), que somente são acessíveis com poderosos microscópios eletrônicos, que, mesmo assim, nos mostram apenas uma pequena parte de toda a sua complexidade.

Tanto as estrelas das galáxias quanto uma folha de árvore são feitas de átomos. Os átomos são basicamente constituídos de prótons (partículas com carga elétrica positiva) e de nêutrons (sem carga elétrica) – que formam o núcleo atômico – e de elétrons (partículas com carga elétrica negativa). Estes se mantêm presos ao núcleo atômico devido à atração elétrica entre suas cargas e as dos prótons (também chamada de atração coulombiana).

Simplicidade estelar

Os átomos que compõem as estrelas das galáxias, em sua maior parte, são os mais simples da natureza: o hidrogênio e o hélio. O hidrogênio tem apenas um próton em seu núcleo e o hélio, dois prótons e dois nêutrons. Devido às altas temperaturas em que eles se encontram no interior das estrelas, esses átomos estão completamente ionizados, ou seja, seus elétrons não estão mais ligados ao núcleo atômico e a matéria permanece em um estado particular que chamamos de plasma.

No núcleo de uma estrela, a temperatura atinge dezenas de milhões de graus Celsius. Nessa condição extrema, os núcleos de hidrogênio se movem com tanta velocidade – com altíssimas energias – que conseguem vencer a repulsão elétrica que existe quando duas cargas com o mesmo sinal se aproximam.
Quando eles se aproximam a uma distância da ordem de 10-15 metros, outra força fundamental da natureza entra em ação: a força nuclear forte. Essa força é a mais intensa que existe no universo (cerca de 100 vezes mais intensa que a força elétrica), porém o seu alcance é muito limitado (10-15 m).
Quando quatro átomos de hidrogênio colidem, ocorre a formação de um núcleo do átomo de hélio. 

Nesse processo, dois prótons (que são núcleos dos átomos de hidrogênio) se transformam em dois nêutrons e são emitidas duas partículas com a mesma massa do elétron, mas com carga elétrica positiva, às quais se denomina pósitron.

O núcleo do átomo de hélio e as partículas produzidas nesse processo têm massa menor do que a dos quatro prótons de hidrogênio iniciais. A diferença de massa é convertida em energia, como previsto pela equação de Einstein E=mc2, na qual m é a diferença de massa e c a velocidade da luz. Como c tem um valor muito grande, uma pequena quantidade de massa equivale a uma enorme quantidade de energia.

Uma estrela como o Sol transforma, a cada minuto, algo em torno de 36 bilhões de toneladas de hidrogênio em hélio, liberando uma energia equivalente à queima de 8×1020 (oito seguido por 20 zeros) litros de gasolina por minuto, ou mais de 10 milhões de vezes a energia derivada da produção anual de petróleo da Terra.

Esse processo continua ocorrendo em uma estrela durante bilhões de anos. O Sol, por exemplo, existe há mais de 5 bilhões de anos e continuará brilhando ainda por outros 5 bilhões. A transformação de núcleos atômicos também acontece em estrelas com mais massa que o Sol e forma átomos mais complexos, como o carbono, o oxigênio, entre outros.

Complexidade ao nosso redor

As condições em que vivemos no nosso planeta permitem que os átomos que estão ao nosso redor se combinem e formem estruturas mais complexas e estáveis, que chamamos de moléculas. Nesse caso, quem domina é a força de interação entre os elétrons, que possibilita a combinação de diferentes tipos de átomos.

Por exemplo: a molécula da água, que é composta por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O), tem uma estrutura molecular muito simples que lembra um ‘V’ aberto, com o átomo de oxigênio no seu vértice e os átomos de hidrogênio nas pontas. Essa estrutura ocorre devido à repulsão elétrica (chamada de repulsão coulombiana) existente entre esses átomos, que estão unidos por uma ligação química denominada covalente.

Tanto o hidrogênio como o oxigênio são átomos pequenos, que tornam a molécula da água leve. As moléculas de água se ligam entre si por meio de uma ligação química conhecida como ponte de hidrogênio. Se não fosse esse tipo de ligação, a água seria um gás em temperatura ambiente e ficaria líquida apenas em baixas temperaturas.

Combinações não tão simples entre átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio etc. permitem formar moléculas tão complexas como as de DNA (ácido desoxirribonucleico), que são a base da vida. Em certas condições, essas moléculas são capazes de se copiar e, assim, permitir o surgimento de estruturas ‘vivas’ tão complexas como nós.

Seja nas estrelas – tanto as próximas quanto as das distantes galáxias –, seja na Terra, as leis que regem a ‘química nuclear’ são as mesmas. A matéria, em suas diferentes formas, é constituída do mesmo modo em todos os lugares do universo. Apenas as transformações e combinações dos átomos são diferentes. E são as condições locais que permitem o surgimento dessa grande variedade de estruturas, desde microscópicas formas de vida até gigantescas estrelas.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos