01 - o que é matéria e de que ele é feita

Srgio Ricardo Muniz

1O QUE MATRIA E DE QUE ELA FEITA?

Licenciatura em cincias USP/ Univesp

Estru

tura

da

Mat

ria

1.1 Introduo1.2 Do micro ao macromundo1.3 Matria e suas modalidades

1.3.1 Massa e matria1.3.2 Matria comum

1.3.2.1 Antimatria1.3.2.2 Partculas elementares1.3.2.3 O modelo padro1.3.2.4 Bariognese e nucleossntese primordial

1.3.3 Matria e energia escuras1.3.3.1 Matria escura1.3.3.2 Energia escura1.3.3.3 Modelos alternativos

1.3.4 Perspectivas futuras

O material desta disciplina foi produzido pelo Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (CEPA) do Instituto de Fsica da Universidade de So Paulo (USP) para o projeto Licenciatura em Cincias (USP/Univesp).

Crditos

Coordenao de Produo: Beatriz Borges Casaro.

Reviso de Texto: Marcia Azevedo Coelho, Marina Keiko Tokumaru e Paulo Barroso.

Design Instrucional: Fernanda Diniz Junqueira Franco, Gezilda Balbino Pereira, Juliana Moraes Marques Giordano, Michelle Carvalho e Vani Kenski.

Projeto Grfico e Diagramao: Daniella de Romero Pecora, Leandro de Oliveira, Priscila Pesce Lopes de Oliveira e Rafael de Queiroz Oliveira.

Ilustrao: Alexandre Rocha, Aline Antunes, Benson Chin, Camila Torrano, Celso Roberto Loureno, Joo Costa, Lidia Yoshino, Mauricio Rheinlander Klein e Thiago A. M. S.

Fotografia: Jairo Gonalves.

3Estrutura da Matria

Licenciatura em Cincias USP/Univesp Mdulo 1

1.1 IntroduoAo longo da histria, o ser humano sempre

tentou entender a natureza de todas as coisas ao seu

redor. Uma busca constante, presente em todas as

culturas e civilizaes, tem sido entender a origem e

as leis bsicas que regem o Universo.

A cincia a forma mais sistemtica e bem-sucedida

de explorar o desconhecido e desvendar seus mistrios.

A fsica a mais fundamental das cincias naturais e busca

justamente compreender a essncia (natureza) de todas

as coisas (que os filsofos gregos chamavam de Physis, de

onde deriva a palavra fsica) e as leis bsicas da natureza.

Esse caminho busca descobrir os blocos fundamentais

a partir dos quais todo o Universo constitudo, bem

como entender as interaes e transformaes associadas s mais diversas condies, de modo a ser

capaz de prever o seu comportamento futuro.

A questo acerca da constituio do mundo fsico conduz-nos ideia da elementaridade,

das substncias bsicas e daquilo que denominamos interaes (ou foras) fundamentais. Nesta

disciplina, ao longo das prximas semanas, iremos abordar algumas dessas questes, fazendo

uma viagem atravs de importantes conceitos a respeito da constituio da matria, desde a

fsica clssica (desenvolvida at o final do sculo XIX) at algumas das mais modernas desco-

bertas e teorias da fsica contempornea.

Nesta breve e interessante viagem, exploraremos alguns limites extremos da natureza, desde

a estrutura mais elementar da matria (entendendo como suas propriedades bsicas do origem

a tudo que temos nossa volta) at como esses conhecimentos nos permitem manipular e criar

novos materiais com importantes aplicaes tecnolgicas e biomdicas.

Em outras palavras, entenderemos no s de que so feitas todas as coisas, mas tambm

como o conhecimento cientfico (particularmente o da estrutura da matria) essencial para o

desenvolvimento tecnolgico, econmico, social e o modo de vida moderno.

Figura 1.1: Galxia e Universo. / Fonte: Hubblesite.org

41 O que matria e de que ela feita?


1.2 Do micro ao macromundo bem provvel que voc j tenha ouvido falar da existncia de tomos

e molculas, que so os blocos bsicos que formam a matria ao nosso

redor. De fato, nos dias atuais, ningum mais questiona a existncia dos

tomos e podemos at v-los diretamente usando instrumentos (micros-

cpios) especiais. Isso nem sempre foi assim, e h pouco mais de um sculo

ainda havia muito debate a respeito da sua existncia real, pois os recursos

da poca no permitiam detect-los de forma direta.

Alguns cientistas importantes acreditavam que o conceito de tomo

era meramente uma construo hipottica conveniente, mas no neces-

sariamente real, e talvez at desnecessria. Naquela poca, no se tinha

ainda a menor ideia da sua estrutura interna e de seus constituintes.

Na verdade, o conhecimento do mundo microscpico, fundamental

para entender completamente a estrutura interna da matria (a ponto

de podermos manipul-la a nosso favor), foi construdo aos poucos, ao

longo de vrios sculos, a partir de observaes empricas e interpre-

taes cuidadosas dos fenmenos estudados no mundo macroscpico.

Porm, foi s no sculo XX que passamos a compreender profundamente a estrutura interna do

tomo, com o desenvolvimento das chamadas teorias qunticas. Ainda assim, essa busca comeou

a partir da observao do mundo macroscpico. Por exemplo, a busca para entender o movimento

dos corpos (celestes ou no) levou o homem a descobrir as leis do universo mecnico, e assim

entender as regras bsicas do movimento. Esse primeiro passo foi muito importante, sobretudo,

porque as observaes sistemticas e a verificao dessas primeiras conjecturas levaram ao

estabelecimento da cincia moderna atravs da consolidao do mtodo cientfico.

O conhecimento e a tecnologia atual permitem-nos hoje no apenas ver, mas tambm

manipular e controlar com preciso escalas de tamanhos cada vez menores (escala atmica).

Contudo, muito importante entender que um dos grandes valores da cincia justamente

tornar-nos capazes de inferir e compreender fenmenos que ocorrem em escalas de tamanho

(e energia) muito distantes daquelas que os nossos sentidos fsicos permitem observar ou

sentir diretamente. Em outras palavras, a cincia permite-nos entender mesmo aquilo que

no podemos ver, ouvir ou tocar diretamente.

Figura 1.2: A partir dos menores objetos compomos os maiores.



A fsica, como cincia, lida e explora os limites mais extremos do Universo, desde a escala

microscpica (e muito alm daquilo que somos capazes de observar com os instrumentos atuais)

at a escala csmica das estrelas e galxias. Uma consequncia surpreendente e fascinante da

compreenso dos fenmenos nessas vrias escalas a de que um conjunto pequeno de conceitos

e princpios fundamentais (como a conservao de energia, por exemplo), parece ser vlido em

praticamente todas as escalas, permitindo-nos explicar e sintetizar tudo que conhecemos at

hoje, desde que, claro, o assunto possa ser investigado cientificamente (permita realizar expe-

rimentos). A esse conjunto de princpios fundamentais, que sintetizam a compreenso de tudo,

comumente damos o nome de Leis da Natureza ou Leis da Fsica. Nesta disciplina, faremos uma

incurso para explorar e entender alguns desses conceitos e princpios fundamentais, em vrias

escalas e condies diferentes.

1.3 Matria e suas modalidades 1.3.1 Massa e matria

O conceito de matria est intimamente ligado ao conceito de massa e, de modo geral, pelo

menos no contexto da fsica clssica, comum adot-los como se fossem quase sinnimos. Assim,

uma forma usual, porm limitada, de definir a matria : matria tudo que tem massa e ocupa

lugar no espao. Esta perspectiva sugere a viso de que a massa uma medida da quantidade de

matria enquanto o volume seria uma medida da quantidade de espao ocupado por ela.

Embora essa definio faa sentido na fsica clssica, ela requer cuidados diante das teorias mais modernas, que contemplam a existncia de diferentes modalidades de matria no Universo.

O conceito clssico de massa passou a ter uma expresso quantitativa bem clara a partir

dos estudos de Isaac Newton, no sculo XVII. A proposio das chamadas Leis de Newton,

que formaram a base da mecnica clssica, d massa um papel importante. De fato, podemos

utilizar as expresses de Newton como uma forma de quantificar (medir) a massa de um corpo.

Na mecnica de Newton h, a rigor, dois tipos distintos de massa: a massa inercial (presente na

segunda lei: F = ma) e a massa gravitacional (expressa na lei da gravitao: F = Gm1m2/r2).



Apesar de relacionadas, essas massas tm significados diferentes. No primeiro caso, a massa uma

medida da inrcia do corpo, expressando a constante de proporcionalidade entre a fora aplicada e

a acelerao resultante, enquanto no segundo caso a massa o atributo (propriedade) do corpo que

causa a fora (interao) gravitacional. Historicamente, porm, elas foram assumidas serem iguais

at que a fsica moderna (particularmente a teoria da relatividade), j no incio do sculo XX, viesse

esclarecer definitivamente essa questo. Entretanto, na prtica, para velocidades no relativsticas

(muito abaixo da velocidade da luz), o valor numrico de ambas continua sendo o mesmo.

Na fsica moderna, a teoria da relatividade especial de Albert Einstein, proposta em 1905,

mostra-nos que h uma interrelao entre massa e energia, na forma da famosa expresso

E = mc 2, que expressa o fato de que elas (massa e energia) so equivalentes, como duas faces da mesma moeda, podendo ser convertida uma na outra. Alm disso, a teoria quntica, que ser abordada

mais adiante nesta disciplina, estabelece que a matria exibe um comportamento dual, podendo

comportar-se simultaneamente como onda (no localizada de forma absoluta no espao) e partcula.

Outro exemplo de uma situao que requer cuidado o das partculas que no tm

massa, como o fton e o glon e talvez o neutrino (partculas que sero discutidas logo mais).

Neste caso, a associao entre massa e matria parece ser especialmente problemtica, pois tais

partculas no seriam consideradas matria, o que contra-intuitivo ao prprio conceito clssico

de partcula. Mas, na verdade, como veremos mais adiante, o fton e o glon geralmente no

so considerados formas de matria, mas meramente mediadores de determinadas interaes

(fora) fundamentais da natureza. Alm disso, experimentos recentes parecem indicar que o

neutrino, que , de fato, uma partcula de matria, parecer ter uma massa muito pequena, mas

no nula. Assim, na prtica, uma das caractersticas fundamentais da matria ser dotada de

massa e produzir interao gravitacional. De fato, essa caracterstica que nos permite inferir a

existncia de um tipo de matria que preenche grande parte do universo, porm completa-

mente invisvel para ns, pois no interage com nenhuma forma de radiao eletromagntica

(como a luz). Essa matria chamada matria escura.

Assim, do ponto de vista de classificao geral, temos basicamente dois tipos de matrias no

universo: a matria ordinria comum (ou visvel), que inclui todas as partculas elementares

que ns conhecemos, inclusive a chamada antimatria (discutida mais adiante); e a matria

escura, que no sabemos bem o que , mas h evidncias indicando que provavelmente no

totalmente constituda dos mesmos elementos presentes na matria ordinria. Voltaremos a

discutir um pouco mais sobre isso depois. Por ora, vamos explorar e entender um pouco mais

sobre a matria que est nossa volta.



1.3.2 Matria comum

Como um primeiro exemplo, vamos considerar uma gota dgua (tamanho aproximado de

1 mm = 10 -3 m). primeira vista essa gota parece ser bastante homognea e contnua. Porm,

se olharmos com um instrumento especial que aumenta muito a capacidade da nossa viso,

veremos que a gota no to homognea como parece ser a princpio. Na escala atmica, em

dimenses da ordem de angstrom (1 = 10-10 m), poderemos perceber o surgimento das mol-

culas de gua, com regies claramente distintas e distribuies de cargas eltricas caractersticas

de cada tomo da estrutura que forma essa molcula.

Figura 1.3: Entendendo as ordens de grandezas.

Mesmo nessa escala, usando, por exemplo, um microscpio de fora atmica, pode-se ainda

ter a impresso de que cada tomo uma distribuio mais ou menos homognea, como se

fosse uma esfera rgida de matria. Mas se pudssemos continuar aumentando indefinidamente

a magnificao de um microscpio imaginrio, veramos que o tomo tambm no nada

homogneo, mas, sim, composto de elementos menores, com um enorme espao vazio entre

a regio mais externa (negativa) e a regio central (positiva).

Figura 1.4: Entendendo as escalas e ordens de grandezas / Fonte: Sergio Muniz.



Ao atravessar a eletrosfera, que onde esto as partculas negativas chamadas eltrons, percebe-se

que h uma regio central com uma distribuio de cargas positivas muito compacta (dez a cem mil

vezes menor que a camada eletrnica mais externa, que define o tamanho do tomo), e cuja atrao

eltrica mantm os eltrons ligados (orbitando) ao seu redor. isso que d estabilidade mecnica

e neutralidade de carga ao tomo. Esse caroo positivo o ncleo atmico (tamanho da ordem de

1 fm = 10-15 m), onde est concentrada praticamente toda a massa dos tomos. Um estudo detalhado

do ncleo mostra que ele tambm constitudo de dois elementos bsicos: os prtons, com carga

positiva, e os nutrons, que tm a mesma massa do prton, mas no tm carga eltrica.

Embora nenhum microscpio real nos permita atualmente ver (diretamente) a estrutura

interna do ncleo atmico, hoje ns sabemos que mesmo os minsculos ncleons (nome dado

aos constituintes do ncleo) tm estrutura interna e tambm no so caroos homogneos e

indivisveis. Na verdade, os prtons e os nutrons so compostos de partculas elementares

chamadas quarks, e estes, sim, at onde sabemos, so indivisveis. Assim como os quarks, o

eltron tambm uma partcula elementar indivisvel.

Seriam ento os eltrons e os quarks, finalmente, os blocos mais fundamentais da matria?

A resposta, na verdade, sim e no! Sim, essas so as partculas fundamentais que formam os

tomos e a matria que vemos ao nosso redor, mas essas no so as nicas partculas elementares.

Existem vrias outras, como veremos logo mais. Antes disso, porm, vamos brevemente falar

sobre outro conjunto de partculas subatmicas que d origem chamada antimatria, e que,

na nossa classificao geral, tambm faz parte da matria comum, embora (felizmente) no

tenhamos muitas delas ao nosso redor.

1.3.2.1 Antimatria

Ao adequar a formulao matemtica da recm-criada teoria quntica aos princpios exigidos

pela teoria da relatividade, Paul Dirac foi o primeiro a propor a existncia das chamadas antipar-

tculas: um conjunto de partculas praticamente idnticas quelas conhecidas na poca (1928),

porm, com carga eltrica trocada.



A teoria de Dirac previa, por exemplo, a existncia de um antieltron, tambm chamado de

psitron, que teria as mesmas propriedades do eltron, exceto pela carga eltrica, que positiva.

Da mesma forma, deveria existir um antiprton, com carga negativa, e at mesmo antitomos.

De fato, essas partculas foram observadas experimentalmente. A primeira delas foi o psitron,

observado por Carl Anderson em 1932, e outras o seguiram. Isso motivou a construo dos grandes

aceleradores de partculas (dispositivos usados para colidir partculas subatmicas com altas energias, na

tentativa de estudar seus fragmentos menores), o que, por sua vez, levou descoberta de um nmero

ainda maior de outras partculas e antipartculas. Uma das dificuldades de se observar essas partculas

est no fato de que matria e antimatria se aniquilam mutuamente (produzindo um fton - luz - de

alta energia, num processo chamado aniquilao de pares) se postas em contato. Alm disso, a maioria

das partculas elementares no estvel de forma isolada (fora do ncleo, onde as interaes nucleares

as estabilizam). Essas partculas, porm, podem ser observadas (produzidas e at aprisionadas por algum

tempo) nos laboratrios dos grandes aceleradores de partculas. Algumas dessas partculas (de menor

energia) so produzidas na atmosfera ou no interior da matria, em nmero bem reduzido, devido a

raios csmicos. Essa foi justamente a forma pela qual o psitron foi observado pela primeira vez.

A rea da fsica que estuda essas partculas e suas interaes a fsica de partculas e a teoria

mais completa para explicar as interaes que do ordem a esse aparente caos de partculas

elementares o chamado Modelo Padro.

Aceleradores e a Fsica de Altas EnergiasNos aceleradores de partculas, os fsicos buscam explorar escalas de tamanhos cada vez menores. Nesses experimentos, a ideia bsica acelerar uma dada partcula at energias bem maiores do que a energia de ligao das subpartculas que a compem. Ao observar o produto (fragmentos) da coliso, os cientistas determinam os componentes menores das partculas subatmicas. assim que podemos dizer que uma partcula elementar (indi-visvel) ou no. Quanto menor a partcula, maior a energia necessria para quebr-la, e, por isso, a fsica de partculas tambm conhecida como fsica de altas energias.

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1.3.2.2 Partculas elementares

Com os resultados obtidos nos aceleradores e o desenvolvimento da fsica nuclear e de

partculas, j a partir da dcada de 60 do sculo XX, sabe-se que todas as foras da natureza

podem ser divididas em apenas quatro tipos de interaes fundamentais. Essas interaes so,

em ordem decrescente de magnitude relativa, as interaes:

Nuclear forte; Eletromagntica; Nuclear fraca; Gravitacional.Os quatro tipos de interaes fundamentais nos oferecem uma forma conveniente de

classificar as diferentes partculas. Algumas partculas participam de todas as interaes,

enquanto outras apenas de algumas.

De modo mais geral, toda matria que conhecemos (formada por tomos) composta, na

sua forma mais fundamental, por quarks e eltrons. Mas, do ponto de vista das interaes e

atributos fundamentais, conveniente dividir as partculas em algumas outras categorias, que

sero brevemente discutidas a seguir.

Bsons e frmions

Cada partcula possui um conjunto de atributos e propriedades prprias. Numa descrio

mais simples, podemos dizer que cada partcula (seja ela elementar ou composta) possui, pelo

menos, trs atributos fundamentais:

Massa; Carga; Spin.Desses, os dois primeiros so bem familiares, enquanto o terceiro uma propriedade intrin-

secamente quntica e sem um perfeito anlogo clssico. Por ora, basta dizer que o spin um

nmero, que pode ser inteiro ou semi-inteiro, que define as propriedades estatsticas da matria

em nvel microscpico. Essa caracterstica fundamental para o comportamento coletivo das

partculas na matria condensada (slidos e lquidos), como veremos mais adiante no curso.

11

Estrutura da Matria


Nessa perspectiva, as partculas podem ser classificadas em duas grandes categorias: bsons

e frmions. Os bsons so partculas cujo spin um nmero inteiro (s = {0; 1; 2...}, conjunto que inclui o zero). Os frmions, por sua vez, so partculas cujo spin um valor semi-inteiro

(s = {1/2, 3/2, 5/2...}). Deixaremos os detalhes dessa classificao para o futuro, dizendo apenas que, individualmente, as partculas que formam o tomo so frmions: eltron, prton, nutron;

enquanto o fton, por exemplo, um bson.

O comportamento da matria condensada em baixas temperaturas extremamente

dependente da sua estatstica quntica, isto , se as partculas compostas so bsons ou frmions.

Por exemplo, todas as propriedades qumicas dos tomos e a estrutura da tabela peridica dos

elementos esto ligadas s propriedades estatsticas do eltron, e ao fato de ele ser um frmion

(sujeito ao princpio de excluso de Pauli). Voltaremos a discutir isso mais adiante neste curso, e

tambm no curso de qumica no prximo semestre.

Quarks e lptons

Existem seis tipos de quarks: up, down, strange, charm, top e bottom. Eles no so observveis dire-

tamente de forma isolada, mas tm um conjunto de atributos que os fazem formar agrupamentos

compostos de dois ou trs quarks, chamados de hdrons. Os hdrons so observveis diretamente.

Os hdrons so partculas compostas que participam da interao forte, alm das outras trs

interaes fundamentais. Existem dois tipos de hdrons: os brions e os msons. Os msons so

compostos por dois quarks e so bsons (spin inteiro). Os brions so formados por trs quarks

e tm spin semi-inteiro, sendo, portanto, frmions. Os ncleons (prton e nutron) so brions.

O eltron faz parte de um grupo de partculas elementares chamadas lptons. Os lptons

so partculas que participam das interaes fracas, gravitacionais e eletromagnticas, mas no

das interaes fortes. Exemplos de lptons so os eltrons, mons e neutrinos, todos mais

Os tomos so constitudos, em primeira aproximao, de eltrons, prtons e nutrons, e a composio (soma) do nmero final dessa partcula pode fazer com que o spin total do tomo seja um nmero inteiro ou semi-inteiro. Portanto, depen-dendo do nmero de massa, os tomos podem ser bsons ou frmions. Assim, por exemplo, o tomo de 3He um frmion enquanto o de 4He um bson.

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leves que o prton. A palavra lpton, que significa partcula leve, deriva desse fato, embora

o tau (descoberto mais tarde, em 1975) seja mais pesado que o prton. Assim como os quarks,

os lptons formam um conjunto de seis partculas elementares (eltron, mon, tau, e seus

respectivos neutrinos), que no parecem ter estrutura interna. Cada uma dessas partculas tem

a respectiva antipartcula, tambm considerada elementar.

Figura 1.5

Quarks Hdrons

Lptons: eltron (e -), mon (), tau () e neutrinos (ve, v, v)

Bsons mediadores: ftons (y ), glon (g), grviton, W e Z 0

Msons:

Brions:

quark + antiquark (bsons),Exemplo: mson pi (pi)

3 quarks (frmions),Exemplos: prton (p+), nutron (n)

u, d, cb, t, s

Alm dos lptons e quarks (todos frmions), h outro pequeno grupo de partculas media-

doras das interaes fundamentais, que so bsons. Fazem parte do grupo de bsons mediadores

o fton, o glon, os bsons W (W + e W -) e Z 0, e possivelmente o grviton (ainda no observado experimentalmente). Esses trs conjuntos de partculas (6 quarks, 6 lptons e os bsons media-

dores), juntamente com suas respectivas antipartculas, formam a base das partculas elementares

da natureza, isto , a estrutura elementar da matria.

A matria comum composta por tomos formados por ncleons (prtons e nutrons), que so hdrons (brions), constitudos por quarks e eltrons. Os brions formam estruturas que podem ser estveis como os ncleons do ncleo atmico. Por isso, uma forma mais geral de classificar a matria composta de quarks a chamada matria barinica. Uma estrela de nutrons, por exemplo, uma forma de matria barinica no composta por tomos.

Os msons, por sua vez, desempenham o papel de mediadores da interao nuclear (respon-

svel pela atrao entre o prton e o nutron) e so instveis quando isolados, eventualmente

decaindo aps certo tempo de vida. Os lptons, por sua vez, existem apenas como partculas

isoladas e no parecem formar estruturas compostas estveis (no se conhece nenhuma estru-

tura mantida apenas com a interao fraca).

13

Estrutura da Matria


1.3.2.3 O modelo padro

O Modelo Padro a teoria fsica que descreve as

interaes entre lptons e quarks. Nesse modelo, alm

dessas partculas elementares fundamentais, existem

algumas partculas especiais, que so bsons media-

dores das interaes fundamentais, como o fton e

o glon, por exemplo.

Nesta introduo, no possvel discutir todos os

detalhes envolvidos nesta teoria, que rene algumas

das mais avanadas teorias qunticas a respeito da estrutura da matria (a saber: teoria eletro-

fraca, que une as interaes fraca e eletromagntica (eletrodinmica quntica), e a cromodin-

mica quntica, que descreve a interao nuclear forte), todas muito alm dos objetivos deste

curso. Mas podemos tentar resumir, de forma qualitativa, alguns dos seus principais resultados.

Basicamente, a teoria diz que uma partcula s experimenta uma dada interao (fora) se possuir

a carga associada quela interao. Assim, a interao eletromagntica envolve cargas eltricas,

enquanto a interao forte se d atravs das cargas de cor (da o nome cromodinmica) e a

interao fraca, atravs das chamadas cargas de sabor.

Na linguagem das teorias qunticas de campo, da qual o Modelo Padro um exemplo, as

interaes entre as partculas so sempre mediadas por partculas portadoras, que so tipicamente

bsons. Assim, por exemplo, os ftons so os mediadores da interao eletromagntica, os glons,

da interao forte e os bsons W e Z 0, da interao fraca.O Modelo Padro resume as trs interaes fundamentais numa nica teoria, de forma

bastante elegante e simtrica. Note, porm, que a interao gravitacional no descrita neste

modelo. Por isso, existe um grande esforo, j h algumas dcadas, tentando unificar todas as

interaes fundamentais da natureza numa nica teoria unificada. Essa teoria unificada tem o

grande desafio de unificar a gravitao (na forma da teoria da Relatividade Geral, de Einstein)

e as teorias qunticas da matria, o que tem sido bastante difcil. Embora essa grande teoria

unificada ainda no exista de forma completa, h um bom nmero de propostas tericas que

almejam fazer isso, mas todas elas ainda precisam de verificao experimental. Muitos experi-

mentos atuais procuram esclarecer essas questes nos grandes aceleradores de partculas, dete-

tores de ondas gravitacionais e outros. Alguns desses resultados j

esto surgindo dos experimentos nos grandes aceleradores de

partculas, como o LHC (Large Hadron Collider) no CERN1.

1 O CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear) um laboratrio internacional, prximo a Genebra, na Sua, onde est o maior acelerador de partculas construdo pelo homem.

Figura 1.5: Partculas elementares do Modelo Padro.

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1.3.2.4 Bariognese e nucleossntese primordial

A teoria mais aceita sobre a origem da matria no Universo a de que a gnese das

partculas elementares ocorreu h cerca de 15 bilhes de anos, num fenmeno chamado

de Big Bang, onde toda a energia primordial do universo estava concentrada num nico

ponto (singularidade), a partir do qual toda a matria e o prprio Universo (inicialmente

na forma de energia e radiao) surgiram e se expandiram rapidamente, dando origem ao

espao-tempo que forma o universo observado hoje.

Por causa dessa rpida expanso inicial, um erro comum dizer que o Big Bang foi uma

grande exploso. Na verdade, tecnicamente no foi propriamente uma exploso que deu

origem ao universo, mas para entendermos bem isso so necessrios conceitos e detalhes, que

esto alm do nosso escopo neste momento. Alguns desses pontos sero discutidos mais adiante,

no tpico de cosmologia, ao final deste semestre.

Para o que nos diz respeito neste momento, basta saber que, nos primeiros instantes aps o Big Bang,

a energia e a temperatura eram altssimas e a matria usual, com tomos e seus constituintes, ainda

no existia (a temperatura e a energia dos ftons que preenchiam esse universo inicial eram muito

maiores do que a energia de ligao dos tomos e partculas que formam os ncleons). Foi s com

a rpida expanso inicial, e o resfriamento que se seguiu, que as energias de interao entre quarks

comearam a formar os brions, como os ncleons (prton e nutron). Esse primeiro instante do

universo primordial chamado bariognese, devido formao dos brions.

Nesse primeiro estgio do Universo, pequenas flutuaes locais levaram a uma quebra da simetria

entre as partculas elementares, fazendo com que houvesse uma pequena prevalncia da forma de

matria usual, ao invs da antimatria. Esse pequeno desbalano inicial permitiu a sobrevivncia

desse excesso de matria, enquanto a antimatria formada inicialmente no Big Bang se aniquilava

mutuamente com a maior parte da matria criada at aquele momento. Acredita-se que foi isso que

permitiu a prevalncia da matria sobre a antimatria, como observado hoje.

Em algumas das teorias qunticas da gravitao, a massa seria a carga associada interao gravitacional, que intermediada pelo grviton (partcula mediadora ainda no observada experimentalmente). Acredita-se que, na prxima dcada, vrios experimentos (alguns em andamento) vo ser capazes de nos ajudar a esclarecer alguns desses pontos e a entender mais a respeito da estrutura mais fundamental da matria.

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Estrutura da Matria


A partir de cerca de um segundo de existncia, a temperatura e a densidade do universo j teriam

baixado o suficiente para a formao dos primeiros ncleos atmicos e a matria do Universo estaria

em forma de plasma (matria ionizada) e radiao. A partir desse ponto, os ncleos de deutrio

comeam a ser suficientemente estveis (no desintegrados por ftons de alta energia ainda presentes)

para sustentar a cadeia de reaes termonucleares que deu origem aos primeiros ncleos mais pesados.

Nos instantes seguintes, durante aproximadamente os primeiros cinco minutos do Universo, as reaes

de fuso nuclear formaram os ncleos mais pesados, como os tomos de hlio e ltio, at o momento

em que a temperatura e a densidade no fossem mais suficientes para sustent-las.

importante notar, porm, que tudo isso ocorreu numa escala de tempo muito rpida

e no permitiu que fossem formados todos os elementos qumicos da tabela peridica.

Nesses primeiros minutos de formao da matria, a que chamamos nucleossntese primordial,

teriam sido formados apenas os tomos de hidrognio, hlio, ltio, berlio e boro. Os elementos

mais pesados (inclusive o carbono, que fundamental para a matria orgnica) foram formados

posteriormente (muito tempo depois) no ciclo de vida das primeiras estrelas e, sobretudo, nas

exploses de supernovas. Isso tambm ser discutido com mais detalhes em cosmologia.

1.3.3 Matria e energia escuras

Como vimos, a massa parece ser o atributo que define a matria, e numa verso simpli-

ficada poderamos dizer que matria tudo aquilo que tem massa e produz interao gravi-

tacional. Alm disso, mencionamos tambm que, com base nos modelos cosmolgicos atuais

para explicar os efeitos gravitacionais observados no universo, infere-se a necessidade de haver

uma grande quantidade de matria (com massa e interao gravitacional atrativa), que no

observada em nenhuma faixa espectral (radiao eletromagntica) conhecida, e que por isso

chamada de matria escura. Esses modelos cosmolgicos, juntamente com resultados mais

recentes sobre a expanso do universo, tambm sugerem que deve haver uma outra forma de

interao gravitacional, de efeito repulsivo. Isso deu origem, nas ltimas dcadas, ao conceito de

energia escura (em analogia ao conceito de matria escura, proposto antes).

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1.3.3.1 Matria escura

No se sabe exatamente qual a constituio da matria escura, mas existem evidncias que

sugerem que ela no deve ser composta de matria barinica, e seria possivelmente composta

de partculas subatmicas desconhecidas. Alguns modelos tericos (ainda sem comprovao

experimental) propem que talvez a matria escura seja composta por neutrinos, ou ainda

outras formas exticas de matria no barinica como xions ou partculas supersimtricas

(ambas ainda no observadas). O que se sabe que a matria escura corresponde a mais de

80% da matria (interao gravitacional atrativa) do Universo. Outra forma de expressar isso

dizer que a matria visvel corresponde a apenas cerca de 20% da massa necessria para explicar

as observaes gravitacionais vistas no Universo. E isso no tem nada a ver com os chamados

Buracos Negros (objetos astronmicos que sero discutidos no curso de Estrelas, Galxias e

Cosmologia), cuja quantidade prevista no seria suficiente para explicar toda a massa que falta.

A matria escura , portanto, uma designao geral e hipottica para essa quantidade de

matria que parece faltar no Universo. Se ela , de fato, uma forma extica de matria invi-

svel, ou apenas um pedao faltando nas teorias atuais, algo que a cincia dever desvendar,

com a ajuda de novos dados experimentais. assim que a cincia evolui.

1.3.3.2 Energia escura

A energia escura foi proposta como uma forma de explicar a observao de que a curvatura

do universo parece muito prxima de ser plana. Alm disso, dados recentes (1998) do telescpio

espacial Hubble mostram que a velocidade de expanso do universo parece ser acelerada, ao invs

de diminuir com o tempo, como era esperado. Isso significa que deve haver algo como uma

fora gravitacional repulsiva para contrapor a atrao gravitacional usual, produzida pela matria.

Os cientistas sabem muito pouco a respeito do que poderia causar isso (embora existam diversas

teorias), mas deram o nome de energia escura a esse tipo de interao gravitacional desconhecida.

O que se sabe que, para ter uma curvatura plana, deve haver um balano entre as interaes

gravitacionais atrativas (que contm a expanso) e a energia escura (que suspostamente causa

a acelerao da expanso do universo), e isso permite estimar com boa preciso as quantidades

de matria e energia escura.

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Estrutura da Matria


Alm disso, medidas independentes, baseadas em vrias fontes e comparadas aos melhores

modelos cosmolgicos, permitem determinar com boa preciso a composio de matria e

energia existente no universo hoje. Elas indicam que aproximadamente 70% do contedo

gravitacional do universo deva ser devido energia escura, cerca de 25% matria escura e

apenas menos de 5% seria devido matria usual (sendo cerca de 4% hidrognio e hlio!).

Esses nmeros so surpreendentes, pois mostram que tudo que observamos e conhecemos at

hoje corresponde a uma frao mnima do universo como um todo.

1.3.3.3 Modelos alternativos

Embora haja algumas evidncias e um consenso entre os especialistas a favor da existncia

da matria e energia escura, devemos lembrar que, at o momento, elas so inferidas apenas a

partir de observaes gravitacionais, na escala csmica (galxias), e ainda no foram observadas

diretamente em experimentos. Por isso, existem tambm algumas teorias alternativas, que tentam

explicar as anomalias gravitacionais observadas de outra forma. Entre elas esto as vrias teorias

de gravitao quntica (como as teorias de supersimetria, supercordas, teoria M etc.), que buscam

encontrar uma teoria unificada de todas as partculas e interaes fundamentais da natureza.

Se alguma dessas teorias ir sobreviver, ou se novas teorias iro surgir para substitu-las, s ir

depender dos resultados experimentais, alguns deles j em andamento.

1.3.4 Perspectivas futuras

H uma grande expectativa entre os cientistas de que, nesta prxima dcada, novos resultados

de observaes cosmolgicas, aliados aos resultados dos grandes aceleradores como o LHC, iro

esclarecer algumas dessas dvidas e nos ajudar a entender melhor o que so essas formas estranhas

de matria e energia gravitacional, ou se existem mesmo outras partculas (e, quem sabe, mais

dimenses) no universo, alm daquelas que j descobrimos e conhecemos at o momento.

At l, vamos seguir com nossa breve histria sobre a estrutura da matria (usual), concen-

trando-nos inicialmente na estrutura do tomo, entendendo melhor como formado esse bloco

fundamental da matria, a partir do qual possvel compreender e desenhar os materiais que

nos cercam, formados por molculas e estruturas organizadas. Esse o tema do prximo tpico.

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Leitura ComplementarAbdAllA, Maria Cristina Batoni. O discreto charme das partculas

elementares. So Paulo: Editora UNESP, 2006.HAwking, Stephen. O Universo Numa Casca de Noz. Traduo: Ivo

Korytowski. So Paulo: Mandarim, 2001.MArques. Gil da Costa. Fsica: tendncias e perspectivas. So Paulo:

Livraria da fsica, 2005.

01 - o que é matéria e de que ele é feita

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