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Matéria e antimatéria


  Bioquímica

De acordo com as leis da fÝsica, partÝculas de matÚria e antimatÚria sÒo criadas aos pares. Acredita-se, dessa forma, que metade do universo seja composta de antimatÚria -- o que pressup§e a existÛncia, ainda nÒo comprovada, de galßxias de antimatÚria, que contÛm planetas de antimatÚria, talvez habitados por seres de antimatÚria.

MatÚria, do ponto de vista cientÝfico, Ú a substÔncia dos corpos fÝsicos, caracterizada principalmente por sua massa e carga elÚtrica. Segundo a concepþÒo cientÝfica moderna, a matÚria nÒo Ú contÝnua: os corpos sÒo formados por agrupamentos de molÚculas, e estas sÒo compostas de ßtomos, unidades bßsicas dos elementos quÝmicos. └s menores entidades isolßveis, constituintes de toda a matÚria do universo conhecido, dß-se o nome de partÝculas elementares. Hß diversos tipos de partÝculas elementares, classificadas de acordo com a massa e outras propriedades fÝsicas, como o momento angular (grandeza associada ao movimento de rotaþÒo). A cada tipo de partÝcula corresponde outro -- genericamente denominado antipartÝcula -- que tem a mesma massa e cuja carga elÚtrica e momento angular tÛm os mesmos valores numÚricos da partÝcula correspondente, porÚm com sinal oposto. Assim, as designaþ§es matÚria e antimatÚria sÒo um modo de descrever as partÝculas subat¶micas presentes no universo, e expressam a propriedade fÝsica conhecida como simetria.

Uma partÝcula nÒo pode se associar Ó antipartÝcula correspondente, pois suas propriedades simÚtricas se anulam e ambas, mutuamente aniquiladas, tÛm a massa convertida em energia. Como a antimatÚria Ú tÒo estßvel quanto a matÚria -- quando ambas nÒo estÒo em contato --, o ac·mulo e combinaþÒo de antipartÝculas, em teoria, pode formar antißtomos que produziriam, em conjunto, corpos de antimatÚria.


Teorias da antimatÚria

O conceito de matÚria foi objeto de especulaþÒo de filosofias antigas e geralmente aceito como realidade externa, manifesta nos objetos e capaz de ser percebida pelos sentidos. A estruturaþÒo e divisibilidade da matÚria, formulada pelo pensamento grego, originou duas posiþ§es opostas: o atomismo considerava os corpos materiais como agregados de partÝculas elementares, ou ßtomos (seu representante mßximo foi Dem¾crito de Abdera); e o aristotelismo entendia que os objetos sÒo simples e indivisÝveis, e estabelecia categorias de matÚria em funþÒo da pureza de sua origem e de seu processo de constituiþÒo. A ciÛncia europÚia medieval e renascentista aceitou a doutrina de Arist¾teles, neste como em muitos outros domÝnios do saber, e estudou os vßrios fen¶menos da natureza de uma perspectiva exclusivamente macrosc¾pica.

A noþÒo de matÚria sofreu uma revoluþÒo com as teorias cientÝficas mecanicistas e racionalistas do sÚculo XVII e culminou com os brilhantes trabalhos de Isaac Newton, que atribuÝa tanto Ó matÚria quanto Ó luz carßter corpuscular (isto Ú, ambas seriam formadas de corpos ou partÝculas mais elementares), o que reduzia o estudo dos sistemas fÝsicos Ó investigaþÒo do comportamento das partÝculas materiais que os comp§em. Mas a originalidade de sua teoria estava na distinþÒo feita entre quantidade de matÚria, ou massa (conceito que Newton definiu e descreveu exaustivamente), e peso, forþa resultante do produto da massa pela aceleraþÒo da gravidade. Essa interpretaþÒo faz parte da teoria da gravitaþÒo universal, que marcou a fÝsica, de modo determinante, nos sÚculos seguintes.

A hip¾tese newtoniana, que postulava apenas um tipo de matÚria caracterizada por sua massa, foi enriquecida com as descobertas sobre a natureza eletromagnÚtica dos corpos, realizadas no sÚculo XIX por cientistas cÚlebres como Michael Faraday e James Clerk Maxwell. De acordo com tais estudos, a matÚria apresentaria duas propriedades fundamentais: massa e carga elÚtrica. A teoria at¶mica, assim denominada em homenagem Ó doutrina filos¾fica de Dem¾crito, que a antecipou, f¶ra retomada, tambÚm durante o sÚculo XIX, por John Dalton, e comprovada empiricamente por vßrios pesquisadores. Essa teoria orientou a classificaþÒo dos diversos elementos numa tabela ordenada segundo a periodicidade de suas propriedades fÝsicas e quÝmicas.

No fim do sÚculo XIX, J. J. Thomson comprovou experimentalmente, pela primeira vez, a existÛncia dos elÚtrons -- partÝculas subat¶micas de carga elÚtrica negativa. Trabalhos posteriores, que buscavam encontrar outras partÝculas constituintes do ßtomo, resultaram na descoberta dos pr¾tons -- que tÛm massa bem maior que a dos elÚtrons e carga elÚtrica igual, porÚm positiva -- e dos nÛutrons, partÝculas de matÚria eletricamente neutra. Segundo a hip¾tese at¶mica, pr¾tons e nÛutrons formariam o n·cleo do ßtomo, ao redor do qual girariam, em equilÝbrio eletromagnÚtico, os elÚtrons. Assim, a teoria segundo a qual a matÚria se comp§e de unidades indivisÝveis levou a uma tentativa de encontrar partÝculas elementares mÝnimas, nÒo fracionßveis, de nÝvel subat¶mico. Nesse sentido, a mecÔnica quÔntica contribuiu com postulados fÝsicos e matemßticos complexos, cuja validade tambÚm deveria se aplicar Ós hip¾teses bßsicas da fÝsica relativista, que admitiam os conceitos de matÚria e energia como referentes a uma mesma realidade fÝsica.


Descoberta das antipartÝculas

Em suas pesquisas sobre os raios c¾smicos, o fÝsico americano Carl David Anderson descobriu, em 1932, a existÛncia de uma partÝcula elementar, denominada p¾sitron, de caracterÝsticas idÛnticas Ós do elÚtron, mas com carga elÚtrica oposta (de sinal positivo). Anderson tambÚm verificou que o p¾sitron, ao encontrar-se com um elÚtron, provocava um fen¶meno de aniquilaþÒo que transformava a massa de ambos em energia pura -- razÒo pela qual a nova partÝcula recebeu tambÚm o nome de antielÚtron.

Em 1955, os americanos Owen Chamberlain e Emilio SegrÞ verificaram a existÛncia do antipr¾ton, e desde entÒo a descoberta de novas partÝculas quase sempre foi acompanhada da detecþÒo das antipartÝculas correspondentes. A presenþa de partÝculas de antimatÚria nos feixes de radiaþÒo altamente energÚtica e nos processos de produþÒo de energia nuclear jß havia sido postulada teoricamente nos modelos matemßticos de Paul Dirac e Yukawa Hideki.

Uma equipe europÚia criou, em 1995, os primeiros ßtomos de antimatÚria. Submetendo antipr¾tons a jatos de xen¶nio no acelerador de partÝculas, os cientistas verificaram que, da colisÒo entre antipr¾tons e ßtomos de xen¶nio, geraram-se nove ßtomos de anti-hidrogÛnio, formado de um antipr¾ton e um p¾sitron. Os ßtomos existiram por quarenta bilionÚsimos de segundo, antes de serem aniquilados pela matÚria.


ClassificaþÒo das partÝculas e antipartÝculas

Em termos gerais, define-se uma partÝcula fundamental como aquela que nÒo se pode fracionar em partÝculas menores. Os ßtomos e os n·cleos at¶micos, portanto, nÒo sÒo unidades elementares, mas abrangem partÝculas que, nÒo necessariamente estßveis, decomp§em-se em outras partÝculas do mesmo tipo ou nÒo sofrem nenhuma desintegraþÒo demonstrßvel.

AtÚ 1930, eram conhecidos cinco tipos de partÝculas elementares: o elÚtron, unidade bßsica de carga elÚtrica negativa situada no envolt¾rio dos ßtomos e capaz de circular livremente nos corpos materiais e formar correntes elÚtricas e campos magnÚticos; o pr¾ton, de carga positiva, situado no n·cleo at¶mico; o nÛutron, outra partÝcula nuclear e eletricamente neutra; o f¾ton, que nÒo tem massa e representa o suporte material e ondulat¾rio da luz e da radiaþÒo eletromagnÚtica em geral; e o neutrino, que, sem carga e com massa nula quando em repouso, resulta do processo radioativo conhecido como desintegraþÒo beta.

A descoberta do p¾sitron abriu caminho para o conhecimento de vßrias antipartÝculas que, exceto quanto ao sinal (positivo ou negativo) da carga elÚtrica e do momento angular, sÒo iguais Ós partÝculas correspondentes sob todos os demais aspectos fÝsicos. A distinþÒo entre partÝcula e antipartÝcula, evidente nas unidades eletricamente carregadas, Ú mais problemßtica quanto ao nÛutron, neutrino, f¾ton, pÝon neutro e similares. Nesses casos, empregam-se critÚrios que levam em conta a orientaþÒo relativa dos campos magnÚticos que as partÝculas criam a sua volta.

Em funþÒo de sua massa, partÝcula e antipartÝcula sÒo tradicionalmente classificadas em: (1) f¾tons, que sÒo quantidades discretas (isto Ú, que variam descontinuamente) de radiaþÒo eletromagnÚtica; (2) lÚptons ou partÝculas leves, como o elÚtron, o neutrino eletr¶nico, o m·on e o tau, bem como suas respectivas antipartÝculas (p¾sitron, antineutrino etc.), que sÒo considerados indivisÝveis; (3) hßdrons, ou partÝculas pesadas, formados, segundo os postulados te¾ricos da fÝsica quÔntica, por unidades de massa e de carga chamadas quarks e antiquarks, de cujo ac·mulo e combinaþÒo sÒo produzidos os mÚsons -- partÝculas de massa intermedißria entre a do pr¾ton e a do elÚtron, como os pÝons e os kßons -- e bßrions-- partÝculas de massa equivalente ou maior que o nÛutron, que estÒo subdivididas em n·cleons (pr¾tons e nÛutrons) e hÝperons (partÝculas lambda, sigma, xi, omega e lambda-c).


Universo de antimatÚria

Ap¾s a comprovaþÒo experimental da existÛncia de antipartÝculas, confirmou-se a possibilidade de gerß-las, em laborat¾rio, junto com suas partÝculas associadas, por processos inversos ao da aniquilaþÒo radioativa e que envolvem altÝssimas energias. A produþÒo de antißtomos em laborat¾rios imp§e aos cientistas uma dificuldade bßsica: as antipartÝculas obtidas encontram muito rapidamente, no espaþo a sua volta, as partÝculas que lhe correspondem, e por isso se desintegram quase imediatamente.

Como nos fen¶menos radioativos que envolvem altas energias, produzem-se partÝculas e antipartÝculas, acredita-se que existam objetos antimateriais no espaþo sideral. Alguns astr¶nomos sugerem mesmo que parte da radioemissÒo captada do espaþo c¾smico provenha de estrelas ou galßxias de antimatÚria. De qualquer modo, esses corpos antimateriais nÒo passam de um exercÝcio de especulaþÒo, sem base para comprovaþÒo ou refutaþÒo definitiva.


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