Como a massa degradou a física

A física moderna nos ensina que a massa não é uma propriedade interna da matéria



Agora você está sentado e lendo este artigo. Talvez no papel, talvez em um e-book, em um tablet ou em um computador. Isso não importa. Qualquer que seja o dispositivo de leitura usado, você pode ter certeza de que consiste em algum tipo de substância: papel, plástico, pequenas coisas eletrônicas, placas de circuito impresso. Seja o que for, chamamos isso de matéria, matéria material. Ele tem força, ele tem massa.

Mas o que é a matéria? Imagine um cubo de gelo com uma costela de 2,7 cm de comprimento e segure-o na palma da sua mão. Está frio e um pouco escorregadio. Ele pesa pouco, mas ainda tem algum peso.

Vamos esclarecer a questão. Em que consiste um cubo de gelo? E a segunda questão importante: o que é responsável por sua massa?

Para entender em que consiste um cubo de gelo, precisamos recorrer ao conhecimento obtido pelos químicos. Segundo uma longa tradição fundada por alquimistas, esses cientistas distinguem entre elementos químicos individuais - hidrogênio, carbono, oxigênio. Estudos dos pesos relativos de tais elementos e a combinação de volumes de gás levaram John Dalton e Louis Gay-Lussac a concluir que vários elementos químicos consistem em átomos de diferentes pesos, combinados de acordo com as regras nas quais um número inteiro de átomos participa.



O mistério de combinar gases como hidrogênio e oxigênio para produzir água foi resolvido quando eles perceberam que hidrogênio e oxigênio são gases diatômicos, ou seja, H ₂ e O ₂ . E a água é uma substância composta que contém dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, H2O.

Isso responde parcialmente à nossa primeira pergunta. Nosso cubo de gelo consiste em moléculas de H2O organizadas periodicamente. Já podemos começar a responder à segunda pergunta. A lei de Avogadro postula que uma toupeira de uma substância química contém 6 × 10 ²³ “partículas” individuais. Podemos imaginar uma toupeira de uma substância como um peso molecular escalonado para uma quantidade comparável a um grama. Para o hidrogênio na forma de H2 _{, o} peso molecular relativo (ou peso molecular ) é 2, o que significa que cada átomo tem um peso atômico relativo de 1. Para o oxigênio, O2 _{tem um} peso molecular de 32, o que significa que cada átomo tem um peso atômico de 16 Portanto, o peso molecular da água de H2O é 2 × 1 + 16 = 18

Acontece que nosso cubo de gelo pesa cerca de 18 gramas, o que significa que é uma toupeira de água. De acordo com a lei de Avogadro, nesse caso, ele deve conter cerca de 6 × 10 ²³ moléculas de H2O. Isso parece dar uma resposta definitiva à nossa segunda pergunta. A massa de um cubo de gelo é obtida a partir da massa de átomos de hidrogênio e oxigênio contidos nas moléculas 6 × 10 ²³ H2O.

Mas nós, é claro, podemos ir além. J.J. Thomson , Ernest Rutherford , Niels Bohr e muitos outros físicos do início do século XX nos ensinaram que todos os átomos consistem em um núcleo central pesado rodeado por elétrons leves em suas órbitas. Aprendemos então que o núcleo central consiste em prótons e nêutrons. O número de prótons no núcleo determina a identidade química do elemento: o átomo de hidrogênio tem um próton e o átomo de oxigênio tem oito (isso é chamado de número atômico). Mas a massa ou peso total do núcleo é determinada pelo número total de prótons e nêutrons.

No hidrogênio, essa ainda é uma unidade (seu núcleo consiste em um próton - sem nêutrons). O isótopo de oxigênio mais comum - adivinhe? - 16 (oito prótons e oito nêutrons). Obviamente, não será coincidência que esses prótons e nêutrons sejam considerados exatamente os mesmos que a massa atômica mencionada.

Se ignorarmos os elétrons da luz, seremos tentados a dizer que a massa do cubo de gelo está contida em todos os prótons e nêutrons nos núcleos de seus átomos de hidrogênio e oxigênio. Cada molécula de H2O contribui com 10 prótons e 8 nêutrons, portanto, se o cubo contiver 6 × 10 ²³ moléculas, e podemos ignorar a pequena diferença de massa do próton e do nêutron, podemos concluir que o cubo contém 18 vezes mais partículas, ou seja, , 108 × 10 ²³ prótons e nêutrons.

Até agora, tudo bem. Mas ainda não terminamos. Agora sabemos que prótons e nêutrons não são partículas elementares. Eles são feitos de quarks. Um próton consiste em dois quarks superiores e um quark inferior, e um nêutron consiste em dois quarks inferiores e um superior [ na verdade, nem tanto / aprox. perev. ] E as interações de cores que unem quarks dentro de partículas maiores são realizadas por glúons sem massa.

Ok, então só precisamos continuar. Se considerarmos novamente as massas dos quarks superior e inferior aproximadamente iguais, simplesmente multiplicamos nosso número por três e transformamos 108 × 10 ²³ prótons e nêutrons em 324 × 10 ²³ quarks superior e inferior. E podemos concluir que é lá que toda a massa está contida. Hein?

Não. Nesse estágio, nossos preconceitos ingênuos associados aos átomos estão desmoronando. Podemos ver as massas dos quarks superior e inferior no site do Particle Data Group [ colaboração internacional de físicos compilando os resultados obtidos no estudo de partículas / aprox. perev. ] Os quarks superior e inferior são tão leves que suas massas não podem ser medidas com precisão; portanto, somente faixas são dadas lá. As figuras a seguir são dadas em MeV / s ² . Nessas unidades, a massa do quark superior é aproximadamente igual a 2,3, na faixa de 1,8 a 3,0. O quark mais baixo é mais pesado, 4,8, com um intervalo de 4,5 a 5,3. Compare essas massas com a massa do elétron nas mesmas unidades: 0,51.

E agora notícias chocantes. Nas mesmas unidades, MeV / s ² , a massa do próton é 938,3, a massa do nêutron é 939,6. Mas a combinação dos dois quark superior e um inferior dá-nos apenas 9,4, apenas 1% da massa do próton. A combinação de dois quark inferiores e um quark superior nos dá apenas 11,9, ou 1,3% da massa de nêutrons. E 99% da massa do próton e do nêutron desapareceram em algum lugar. O que deu errado?

Para responder a essa pergunta, você precisa entender com o que estamos lidando. Quarks não são partículas independentes do tipo que os gregos antigos ou filósofos mecânicos teriam imaginado. Estas são partículas de ondas quânticas; vibrações fundamentais ou flutuações de campos quânticos elementares. Os quarks superior e inferior são apenas várias vezes mais pesados ​​que o elétron, e demonstramos a natureza das ondas de partículas do elétron em inúmeras experiências de laboratório. Precisamos nos preparar para comportamentos estranhos, se não antinaturais.

E não vamos esquecer os glúons sem massa. E sobre a teoria especial da relatividade e E = mc ² . Ou sobre as massas " nuas " e "vestidas". E, no entanto, por último, mas não menos importante, não esqueceremos o papel do campo de Higgs como uma "fonte" da massa de todas as partículas elementares. Para entender o que está acontecendo dentro de um próton ou nêutron, precisamos recorrer à cromodinâmica quântica, à teoria quântica do campo de interação de cores dos quarks.



Quarks e glúons têm uma " carga de cor ". Mas o que é realmente? Não temos como saber disso. Sabemos que a cor é uma propriedade de quarks e glúons, que existem três tipos que os físicos decidiram chamar de vermelho, verde e azul. Mas, assim como ninguém jamais viu um quarteirão ou glúon isolado, então, por definição, ninguém nunca viu uma carga de cor nua. De fato, a cromodinâmica quântica (QCD) afirma que, se uma carga simples aparecesse, sua energia seria quase infinita. O aforismo de Aristóteles parecia "a natureza não tolera o vazio ". Hoje poderíamos dizer: "a natureza não tolera uma carga de cor nua".

Então, o que acontece se de alguma maneira conseguirmos criar um quark isolado com uma carga de cores em exibição? Sua energia excederá todos os limites, será suficiente para causar glúons virtuais a partir do espaço "vazio". Assim como um elétron se movendo por conta própria, o campo eletromagnético criado de forma independente coleta uma multidão de fótons virtuais que o acompanham, um quark nu coleta glúons virtuais que o acompanham. Mas, diferentemente dos fótons, os glúons transferem sua carga de cor e são capazes de reduzir a energia, mascarando uma carga de cor aberta. Imagine o seguinte: o quark nu fica muito envergonhado e rapidamente se veste com uma capa de glúons.

Mas isso não é suficiente. Essa energia é alta o suficiente não apenas para causar partículas virtuais (semelhantes a ruídos de fundo ou assobios), mas também partículas elementares reais. Nesta luta pelo direito de cobrir uma carga de cor nua, um antiquark aparece, acasalando-se com um quark nu e formando um méson. Portanto, um quark nunca é visto nunca sem um acompanhante.

Mas isso não é suficiente. Para cobrir totalmente a carga de cores, precisamos colocar o antiquark exatamente no mesmo local e exatamente ao mesmo tempo que o quark. O princípio da incerteza de Heisenberg proíbe a natureza de especificar a localização de um quark e um antiquark dessa maneira. Lembre-se de que uma medição precisa da posição leva a um momento infinito, e uma taxa exata de mudança de energia ao longo do tempo leva a energia infinita. A natureza não tem escolha senão comprometer-se. Ela não pode ocultar completamente a carga de cores, mas pode disfarçá-la com a ajuda de antiquark e glúons virtuais. Então a energia, pelo menos, diminui para um nível controlado.

A mesma coisa acontece dentro de prótons e nêutrons. Dentro das limitações impostas pelas partículas hospedeiras, três quarks são transportados relativamente livremente aqui e ali. Mas suas cargas coloridas também devem ser cobertas, ou pelo menos é necessário reduzir a energia das cargas nuas. Cada quark leva ao aparecimento de uma nevasca virtual de glúons virtuais correndo entre eles, juntamente com pares de quark-antiquark. Os físicos às vezes chamam os três quarks que compõem os quarks de " valência " de prótons ou nêutrons, pois dentro dessas partículas há energia suficiente para o aparecimento de um mar de pares de quarks e antiquark. Os quarks de valência não são os únicos quarks dentro dessas partículas.

Isso significa que a massa de prótons e nêutrons pode ser atribuída principalmente à energia dos glúons e ao mar de pares quark-antiquark causados ​​por um campo colorido.

Como sabemos disso? É preciso admitir que é realmente muito difícil realizar cálculos usando o QCD. A interação de cores é extremamente forte, e as energias de interação correspondentes são, portanto, muito altas. Lembre-se de que os glúons também têm uma carga de cores, então tudo interage com todo o resto. Quase tudo pode acontecer, e é bastante difícil levar em consideração todas as possíveis transformações de partículas virtuais e elementares.

Isso significa que, embora as equações QCD possam ser escritas de maneira relativamente simples, elas não podem ser resolvidas analiticamente, no papel. Além disso, o truque matemático da mão, usado com sucesso na eletrodinâmica quântica, não é mais aplicável - já que as energias de interação são tão altas que não podemos aplicar a renormalização . Os físicos não têm escolha senão resolver essas equações em um computador.

Grande progresso foi alcançado com a ajuda de uma versão "leve" do QCD [QCD-lite]. Ela considera apenas glúons sem massa, quarks superiores e inferiores, e sugere que os próprios quarks também sejam sem massa (ou seja, literalmente "leves"). Os cálculos realizados com tais aproximações deram à massa de prótons apenas 10% menos que a massa medida.

Vamos parar por um momento e pensar sobre isso. Uma versão simplificada do QCD, na qual queremos dizer que as partículas não têm massas, ainda fornece 90% da massa correta do próton. Acontece uma conclusão surpreendente. A maior parte da massa de prótons vem da energia das interações de seus quarks e glúons constituintes.

John Wheeler usou a frase “massa sem massa” para descrever os efeitos de superposições de ondas gravitacionais que podem concentrar e localizar energia para que um buraco negro apareça. Se isso acontecesse, significaria que o buraco negro - a manifestação definitiva da matéria superdensa - não foi criado a partir da matéria de uma estrela em colapso, mas das flutuações do espaço-tempo. O que Wheeler realmente queria dizer era que esse caso seria um exemplo de criação de um buraco negro (massa) a partir da energia gravitacional.

Mas a frase de Wheeler nos convém bem. Frank Wilcek , um dos criadores do QCD, o usou em conexão com uma discussão sobre os resultados dos cálculos leves do QCD. Se a maior parte da massa do próton e do nêutron provém da energia das interações que ocorrem dentro dessas partículas, isso realmente acaba sendo "massa sem massa", o que significa que temos em mãos o comportamento atribuído à massa, que não requer massa como propriedade. .

Parece familiar? Lembre-se que na adição frutífera de Einstein ao seu trabalho de 1905 sobre a teoria especial da relatividade, a equação que ele obteve realmente se parece com m = E / c ² . E essa é uma ótima idéia (não E = mc ² ). E Einstein, de fato, profeticamente, escreveu: “o peso corporal é uma medida de seu conteúdo energético” [Einstein, A. A inércia de um corpo depende de seu conteúdo energético? Annalen der Physik 18 (1905)]. Assim é. Em seu livro “A leveza do ser” [Wilczek, F. A leveza do ser, Basic Books, Nova York, NY (2008)], Wilczek escreveu:

Se a massa do corpo humano vem principalmente dos prótons e nêutrons contidos nele, então a resposta se tornou clara e final. A inércia deste corpo é precisa para 95% devido ao seu conteúdo energético.

Na fissão do núcleo de urânio-235, parte da energia dos campos coloridos contidos no interior dos prótons e nêutrons é liberada, com conseqüências potencialmente explosivas. Na cadeia próton-próton, que inclui a síntese de quatro prótons, a conversão de dois quarks superiores em dois quarks inferiores, formando dois nêutrons no processo, leva à liberação do excesso de energia de seus campos coloridos. Massa não se transforma em energia. A energia é transferida de um tipo de campo quântico para outro.

E o que nós ganhamos? Evidentemente, percorremos um longo caminho desde que os atomistas da Grécia antiga discutiram a natureza da matéria material 2500 anos atrás. Mas na maioria das vezes acreditávamos que a matéria é uma parte fundamental do nosso universo físico. Estávamos convencidos de que a energia está contida na matéria. E, embora a matéria possa ser reduzida a componentes microscópicos, por um longo tempo acreditamos que eles ainda seriam matéria e possuem uma qualidade tão básica quanto a massa.

A física moderna nos ensina algo completamente diferente, completamente contra-intuitivo. Pavimentando nosso caminho mais para dentro - colocando a matéria em átomos, átomos em partículas subatômicas, partículas subatômicas em campos e interações quânticas - perdemos completamente de vista a matéria. A matéria perdeu o contato. Perdeu sua superioridade e a massa tornou-se uma propriedade secundária, resultado de interações entre campos quânticos intangíveis. O que consideramos ser massa é o comportamento desses campos quânticos; não é uma propriedade pertencente a eles ou necessariamente inerente.

Apesar de nosso mundo estar cheio de coisas difíceis e pesadas, a energia dos campos quânticos domina a bola. A massa se torna apenas uma manifestação física dessa energia, e não vice-versa.

Conceitualmente, parece chocante, mas ao mesmo tempo extremamente atraente. A grande propriedade unificadora do Universo é a energia dos campos quânticos, e não os átomos rígidos e impenetráveis. Talvez este não seja exatamente o sonho que os filósofos possam realizar, mas ainda assim seja um sonho.

Jim Baggot é jornalista e escritor freelancer que lecionou química, trabalhou para a Shell e agora trabalha como consultor e treinador de negócios independente. Entre seus muitos livros estão: A História Científica da Criação, Higgs: A Invenção e a Descoberta da 'Partícula de Deus', História Quântica: Uma História de 40 Momentos “[Uma história quântica: uma história em 40 momentos] e“ Guia para a realidade de um iniciante].

Passagem adaptada do livro: “Massa: Em busca de entender a matéria dos átomos gregos aos campos quânticos” [Massa: A busca de entender a matéria dos átomos gregos aos campos quânticos].