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Antimatéria | Conceito, descoberta e aplicações da antimatéria

A descoberta a antimatéria remonta-se nos últimos 20  anos, desde que grandes físicos renomados estão interessados em entender a natureza intima da matéria. A Mecânica Quântica, era a ferramenta (até então) mais apropriada para isso. Edwin Schrödinger já havia descoberto a equação mestra da Mecânica Quântica: a equação de Schrödinger. O “barco” andava a todo vapor. Mas, como tudo na ciência, não é tão simples e nem tão fácil quanto parece. A equação de Schrödinger é uma equação não relativística. Ou seja, ela se aplica muito bem para o estudo de partículas em velocidades pequenas com relação à velocidade da luz, c. Mas para partículas com velocidades próximas a c (aproximadamente 300.000 km/s), a equação começava a falhar e muitos físicos teóricos já tinham percebido isso, pois numa linguagem mais técnica a equação de Schrödinger é variante a uma transformação de Lorentz, o que mostra o seu caráter não relativístico.

A matéria e a Antimatéria

Então, na tentativa de elaborar uma equação que equivalesse à de Schrödinger para o caso relativístico, surgiram várias ideias e também vários problemas.  Em 1928, o Paul Dirac elaborou uma equação que leva seu nome, a sua forma mais geral  que pode ser escrita como:

\left(\alpha_0 mc^2\,+\,\sum_1\,^3\,\alpha_j\,p_j \,c\,\right) \psi (\vec{x}, t) = i\,\hbar\,\frac{\partial \psi}{\partial t}\,(\vec{x}, t)

Onde m é a massa de repouso da partícula, c é a velocidade da luz,  p é o operador momentum linear,  i é a unidade imaginária, \hbar é a constante de Planck sobre 2 \pi e os \alpha são operadores lineares relativísticos. A equação de Dirac descreve qualquer objeto que tem spin ½ (elétrons, quarks, etc.)

Esta equação é considerada definitiva, no aspecto de que ela por si só é completa, não sendo necessário se acrescentar mais nada para que ela descreva o fenômeno proposto. Inclusive, outras propriedades do mundo quântico, até então obscuros, se tornam naturais na equação de Dirac, como o conceito de spin, por exemplo. Mas aí volta aquela questão: não é tão simples quanto parece!

A equação de Dirac admite duas soluções compatíveis, e ambas igualmente coerentes do ponto de vista matemático: uma para energias positivas e outra para energias negativas. As soluções de energias positivas eram muito bem-vindas, pois era exatamente isso que Dirac e os outros cientistas desejavam. Mas e as de energias negativas? Elas não poderiam simplesmente serem jogadas fora, sem nenhuma explicação. Então o próprio Dirac, tentou uma explicação para isso.

O Mar de Dirac

Segundo a explicação de Dirac, havia um imenso mar de partículas, todas de energias negativas, onde todos os possíveis níveis de energia estariam ocupados.  Então, um elétron ou uma partícula de energia positiva (observe que o relevante é a energia, não a carga) não poderia entrar neste mar, por conta do Princípio da exclusão de Pauli. Mas o processo inverso seria permitido, sendo que nem todos os estados possíveis estariam ocupados fora do mar. E, quando este elétron saía do interior do mar de Dirac, ele deixava um buraco, exatamente com as mesmas características do próprio elétron que lá estavam. Claro que esta ideia é um tanto “viajante” até para os padrões da Física. Primeiro, onde estava fisicamente este mar, que não era perceptível até então? Segundo, este mar deveria ter uma quantidade infinita de partículas e também uma densidade infinita. E infinitos incomodam bastante na Física.  Dirac chegou a dizer que este buraco deixado pelo elétron daria origem a um próton. Então ver claramente que nem o próprio Dirac tinha uma noção exata do que seria essa energia negativa. Pois um próton tem massa quase 2000 vezes maior que o elétron. E o anti-elétron, seja lá o que fosse, deveria ter a mesma massa, o mesmo spin e, em módulo, a mesma carga do  elétron. Mudando apenas o sinal de sua carga.

O Pósitron

Em 1932, Carl David Anderson descobriu experimentalmente o pósitron. O pósitron é o anti-elétron previsto pela equação de Dirac. E assim como previsto pela matemática, ele tem exatamente as mesmas propriedades do elétron, mas com a carga elétrica oposta. Pois o elétron tem carga negativa e o pósitron tem carga positiva. Essa descoberta rendeu a Anderson o Prêmio Nobel de Física de 1936. E o pósitron não é a única partícula de antimatéria conhecida. Na verdade, para a maioria das partículas há o seu par simétrico. Por exemplo, o antipróton é a antipartícula do próton. Assim como no caso do pósitron, ele é idêntico ao próton, diferindo apenas por ter a carga de sinal positivo, enquanto que o próton tem carga de sinal positivo. O antipróton foi descoberto em 1955 por Emílio Segre e Owen Chamberlain. Com um anti elétron e um anti próton, pode-se construir o anti hidrogênio. E de fato isso foi produzido no CERN em 1995.

Curiosidades e futuro da antimatéria

  • A antimatéria pode ser usada como uma fonte de energia? Atualmente não. Pois a sua produção é extremamente cara. Para se produzir uma dezena de anti hidrogênio se gastou centenas de milhões de dólares.
  • Qual o motivo da assimetria entre matéria e antimatéria? As quebras de simetrias são bastante comuns na natureza. Por exemplo, não há nenhum motivo para que não haja um monopólo magnético, assim como há um monopólo elétrico. Isso daria simetria às equações de Maxwell. Mas até o momento nunca foi observado nenhum monopólo magnético. E essas quebras de simetrias são pontos centrais da física de altas energias e da física de partículas. E a resposta para a pergunta inicial não pode ser dada no presente momento. Na verdade, essa é uma das grande questões da Física deste século. Pois ainda não se conhece com exatidão o processo que ocorreu logo após ao big-bang (explosão que deu origem ao universo), muito menos menos ainda os instantes anteriores ao big-bang. Mas sabe-se que esta quebra de simetria entre a matéria e a antimatéria ocorreu num período posterior ao big-bang. Mas, se não houvesse essa quebra de simetria, o universo não seria como conhecemos.

Matéria e antimatéria se atraem ou se repelem?

Se atraem, mas nem sempre. Pois o que diferencia os dois é exatamente terem as cargas trocadas. Mas após essa atração, haverá o contato entre elas e o fenômeno conhecido como aniquilação, que é quando as duas (matéria e antimatéria) se transformam em energia eletromagnética (onda eletromagnética). Por isso que essa quebra de simetria foi importante para formar o universo como é observado. Pois se houvesse a mesma quantidade de matéria e de antimatéria, ambas se aniquilariam e hoje o universo seria formado apenas de radiação.

Maior e mais complexa antimatéria já criada

Há poucos anos atrás cientistas americanos divulgaram a maior e mais complexa antimatéria já criada. São 18 núcleos de anti-hélio – cada um com dois antiprótons e dois antinêutrons.

Existe antimatéria sem carga elétrica?

Sim, existe. Assim como existe a matéria eletricamente neutra, existe a antimatéria eletricamente neutra. O antinêutrons é um exemplo disto.

O que diferencia o nêutron do antinêutron?

Antes de qualquer coisa é necessário entender que o nêutron não é uma partícula elementar. Ou seja, ele é formado de outras partículas menores. Neste caso de quarks. E, os quarks tem algumas propriedades quânticas que são bastantes estranhas e até incompreensíveis numa visão puramente clássica: cores, sabores, cargas elétricas fracionárias, estranhezas, etc. (Isso será discutido numa outra oportunidade). E os quarks também são classificados de acordo com essas propriedades. No caso do nêutron, ele é formado por três quarks: um up e dois down. E o antinêutron é formado pelos mesmos antiquarks: um “anti-up” e dois “anti down”. Neste caso então, o nêutrons e o antinêutron não se atraem, pois são eletricamente neutros.

Conclusão

O caminho para o conhecimento é longo e tortuoso. E a natureza intima da matéria é algo que a humanidade há muito tempo deseja entender, mas só de algumas décadas pra cá é que tem as ferramentas matemáticas e tecnológicas para isso. E a descoberta da antimatéria é uma dessas grandes descobertas. Não se sabe muito bem todo o seu potencial e devido à custos financeiros ainda há pouco ou quase nada o que se possa fazer de concreto com este novo conhecimento. Mas, a civilização é assim mesmo. Foi só depois de mais de 2000 anos após as primeiras observações de propriedades elétricas da matéria que a eletricidade passou a ser utilizada em larga escala, e, hoje é quase impossível se imaginar o mundo sem esta tecnologia. Como hoje as coisas acontecem muito mais depressa talvez não leve 2000 anos para a humanidade aprender a aplicar a antimatéria em alguma tecnologia, hoje, inimaginável. Mas o caminho já está aberto. Já se sabe da sua existência e já se entende algumas propriedades mais básicas e elementares. Agora é só questão de tempo.

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Escrito por Maroívo Caldeira

Professor de Física do Estado da Bahia, Formação Acadêmica em Física, Mestrando e Pesquisador pela Universidade Federal da Bahia.

3 Comentários

  1. Gilberto Pinto de Souza

    Eu não pedi antimatéria na física,eu pedi antimatéria na química.Eu a descobri a 26 anos atrás,mas é antimatéria química,agora quero ver se alguém conseguiu encontrá-la. Por-ilsso pedi a fórmula antimatéria.

  2. İhsan Altuğ

    Anti maddeyi insanlar uzaklarda arıyor. Ama anti madde hemen her yerde. Anti madde atomun içinde çekirdekte yer alıyor. Atom ile ilgili kuramlar yanlış. Anti madde çekirdekte yer alır. Etrafında ışıktan bir milyar kat daha hızlı dönen takyon izolasyon görevi görürken. Anti madde etrafında ayrıca proton ve nötronlar da bir yörünge dahilinde dönerler. Atoma dinamik yapısını katan da bu döngüdür. Olayı bir devri daim gibi düşünün. Şayet bu izolasyonu sağlayan takyonu ber taraf ederseniz. anti madde reaksiyona girer ve enerji elde edersiniz. Güneş bile bu esasa göre çalışır. Güneşte bulunan hidrojen gazı yapı itibarı ile basit ve reaksiyona girmesi en kolay elementtir.

  3. Ricardo da Mata

    Parabéns pelo belo texto!

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Conceito, descoberta e aplicações da antimatéria, abordando conceitos de Física Quântica Relativística, Partículas Elementares, Schrödinger e Mar de Dirac