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Conceitos de Física moderna - 3
Força e Matéria

Valdir Aguilera

O que é matéria? O que é força? Perguntas estimulantes, mas que não vamos, nem podemos, responder. Não temos condições intelectuais para enfrentar tais perguntas. Mas temos nossa inteligência para mostrar-nos o limitado poder e alcance de nossa compreensão e, assim, podemos ser mais modestos em nossas pretensões. O que não significa que devemos renunciar à pesquisa e à busca de conhecimento, pois isso implicaria em sufocar nosso irrequieto espírito, que tem uma fome insaciável de conhecimento.

Limitar nossas ambições intelectuais àquilo que podemos enfrentar é uma postura realista e inteligente. Lembremos uma passagem, divertida até, na vida do famoso teólogo Tomás de Aquino. Quando lhe perguntaram o que fazia Deus antes de criar o Universo, calmamente ele respondeu:

– Fazia o inferno, para enviar para lá pessoas que fazem tal tipo de pergunta.

Se não apreciamos o inferno, é melhor escolher cuidadosamente as nossas perguntas.

Não temos condições de conceituar o que sejam, em sua essência, Força e Matéria, mas podemos classificá-las de acordo com suas manifestações no plano físico. Comecemos com a seguinte convenção: indicaremos por Matéria e por Força, com letras maiúsculas, os dois princípios básicos que constituem o Universo, de acordo com a Doutrina racionalista cristã. Esses dois princípios se manifestam no plano físico, respectivamente, como matéria e força, com letras minúsculas. Assim, usaremos iniciais minúsculas para indicar esses elementos que a ciência descreve e classifica.

Força e Matéria permeiam todos os planos astrais – o Universo; força e matéria são manifestações, ou realizações, da Força e da Matéria no plano físico – o universo, que é constituído de nebulosas, galáxias, quasares, buracos negros e brancos, sóis, planetas etc.

Temos ouvido e lido críticas à chamada "ciência oficial". Não vamos nos alongar neste assunto. Contudo, ninguém pode negar que o pouco que sabemos, com segurança, do plano físico nos foi brindado pela "ciência oficial". Na maior parte deste trabalho, estaremos nos utilizando de conhecimentos "oficiais". Quem sente ojeriza pela "ciência oficial" é convidado a rever sua atitude, lembrando que todo conhecimento que a humanidade acumulou em milênios tem sua origem em planos superiores.

A matéria

Observa-se nos corpos físicos uma hierarquia de estruturas. Eles são formados por átomos e moléculas; as moléculas são formadas por átomos; os átomos são formados por elétrons e um núcleo (núcleo atômico); os núcleos são formados (essencialmente) por prótons e nêutrons; os prótons e os nêutrons são formados por partículas hipotéticas designadas por quarks.

Organiza-se, assim, a matéria em estruturas cada vez menores: moléculas, átomos, núcleos atômicos, prótons, nêutrons, quarks. E estes, os quarks, teriam também uma estrutura? Ainda não sabemos.

Um elétron não tem estrutura, não é formado por partículas ainda menores; ele é um membro da família das partículas elementares.

A esse tipo de matéria que constitui os corpos chamaremos de matéria organizada, para diferenciar da matéria quintessenciada. Esta matéria, quintessenciada, é a matéria-prima de que são formadas todas as partículas que se organizam naquelas estruturas. Não devemos confundir matéria quintessenciada com plasma. Em física e química, plasma é essencialmente um gás altamente ionizado, isto é, formado por átomos aos quais faltam um ou mais elétrons. Plasma é, portanto, matéria organizada, enquanto que a matéria quintessenciada não o é.

Além das partículas que nomeamos acima, há dezenas e dezenas de outras. A algumas delas (os mésons, por exemplo) conseguimos atribuir uma tarefa, mas não sabemos para que serve a maior parte das demais. Todas, porém, – incluindo as que nomeamos acima –, têm propriedades conhecidas e se organizam em famílias bem estabelecidas por uma teoria matemática, a Teoria de Representações de Grupos Unitários. A proposta da existência dos quarks é uma conseqüência dessa teoria. Eis aqui um exemplo de uma matemática abstrata prevendo a existência de partículas reais (há outros exemplos).

Um atributo intrínseco da matéria é a inércia. O que se entende por inércia? Vamos tentar ilustrar o conceito com as seguintes considerações: se um corpo estiver parado, ele não consegue se mover por si mesmo; se estiver em movimento, não consegue mudar a qualidade desse movimento – por exemplo, mudar a direção do movimento ou eliminá-lo encaminhando-se para o repouso. Em ambos os casos é necessária uma intervenção externa como, por exemplo, uma força atuando diretamente nele, ou uma transferência de energia por meio de colisões.

Em termos clássicos, na chamada física newtoniana, à inércia se atribui uma quantidade numérica identificada como a massa do corpo. A massa seria, então, uma medida da quantidade de matéria presente num corpo. A Teoria da Relatividade de Einstein deu um novo enfoque para o assunto: a massa de um corpo depende do seu movimento. Aos olhos de Einstein, portanto da Física moderna, massa não é uma medida da quantidade de matéria presente num corpo. Aprofundar nesse tema requereria distanciarmo-nos do tópico central. Os interessados podem recorrer às obras listadas na bibliografia, ao final deste texto.

Não devemos confundir (como é bastante comum) massa com peso. São coisas diferentes. Imagine uma bola de chumbo. Ela tem uma certa massa e um certo peso. Essa mesma bola no espaço sideral continua tendo a mesma massa mas sem peso algum.

Finalizamos esta seção com a afirmação de que a matéria é inerte, não pode modificar por si mesma as condições em que se encontra. Por outro lado, não existe no universo matéria "parada". Toda ela se encontra em movimento, de um tipo ou de outro. Onde há matéria, há uma força atuando, como nos ensina o Racionalismo Cristão. E essa constatação nos remete à discussão do conceito de força.

A força

No mundo físico, força é o elemento ativo que provoca, direta ou indiretamente, todos os fenômenos. Se um corpo se desloca, há uma força por trás provocando o deslocamento; se algo vibra, há uma força responsável pela vibração; se duas partículas se mantêm unidas, isso acontece porque há uma força de atração entre elas, se se repelem, há uma força de repulsão entre elas.

A ação da força pode produzir energia. Esta, por sua vez, pode ser a causa de algum fenômeno. Suponhamos, por exemplo, dois carros, um parado e outro em movimento. O motorista perde o controle do carro e este colide com aquele que estava parado, deslocando-o do lugar onde estava. Qual a força que provocou esse deslocamento? Numa descrição macroscópica, isto é, vendo o acontecimento como um todo, a causa do deslocamento é a energia transferida – pela colisão – do carro em movimento para o que estava parado.

"Bem, – alguns podem pensar –, além de força e matéria, no universo também há energia." Isso é verdade. Contudo, embora a energia possa provocar fenômenos, ela própria é um efeito, um efeito da ação de uma força. Portanto, a causa primeira é ainda uma força. Na origem, na fonte, de qualquer energia, vamos encontrar uma força.

A evolução da Força

Ao contrário da Matéria, que não evolui, mas apenas se transforma e se combina em estados diversos sob a ação de Forças, estas estão em constante evolução.

– O que é "evolução"? Eis uma pergunta legítima, e instigante. A resposta não é trivial, se quisermos penetrar em toda a profundidade do seu significado. Evolução da Força é um conceito com o qual a Física não se preocupa. E é um erro sério que os físicos cometem!

Podemos, porém, socorrer-nos da Física para dar os primeiros passos no caminho que nos levará à compreensão (ainda que elementar) do significado da evolução (da Força). É o que faremos a seguir.

Classificação das forças

Observamos no universo uma ampla e rica variedade de forças, desde as mais insignificantes até as poderosíssimas que causam as explosões descomunais que dão origem às estrelas chamadas supernovas. Todas essas forças, porém, podem ser descritas em termos de apenas quatro tipos de interações, isto é, de processos entre partículas. Essas interações, que também dão nome às forças associadas, são as seguintes:

1. interação forte (força forte, responsável, por exemplo, pela existência do núcleo atômico, isto é, pela coesão dos prótons e nêutrons);

2. interação eletromagnética (força eletromagnética, responsável, por exemplo, pela existência do átomo, unindo elétrons ao redor do núcleo);

3. interação fraca (força fraca, responsável, por exemplo, pela desintegração do núcleo atômico, transformando um nêutron num próton, mais um elétron, mais alguma coisa);

4. interação gravitacional (força gravitacional, responsável, por exemplo, pelo nosso peso e pela existência do sistema solar).

A ordem em que foram apresentadas indica, também, a intensidade da força associada a cada tipo de interação. Assim, a força forte é a mais intensa de todas, seguida da força eletromagnética, que é mais intensa do que a força fraca, que é, por sua vez, mais intensa do que a força gravitacional. Esta é a menos intensa de todas.

É esse quadro que nos abre perspectivas para uma busca da trajetória evolutiva da Força. É nele que devemos procurar, e onde acreditamos que será encontrado, o entendimento que esperamos obter sobre o conceito de evolução da Força no plano físico, isto é, da força.

Que caminho devemos trilhar para entender os passos evolutivos da Força no plano físico? O livro básico Racionalismo Cristão nos dá uma importante pista. No capítulo "Força e Matéria", podemos ler: "A Força, utilizando-se da Matéria, começa a sua evolução na estrutura do átomo, passando, depois, a uma nova ordem de ação construtiva, na composição das moléculas." A palavra-chave nessa informação é "estrutura", e não "átomo".

A seguir, teceremos uma série de considerações e especulações.

Vimos no segundo artigo desta série que o átomo tem uma estrutura, isto é, é formado por partes. Essas partes constituintes do átomo são o núcleo atômico e os elétrons. Para a Força construir um átomo, ela precisa primeiramente construir um núcleo. Sem esse núcleo não há como agrupar elétrons em sua volta e formar um átomo.

Seguindo com nosso raciocínio, inspirado no mencionado livro, devemos lembrar que o núcleo atômico também tem uma estrutura; ele é formado por partes e essas partes constituintes do núcleo atômico são os prótons e os nêutrons.

A Força, portanto, deve primeiramente atuar entre prótons e nêutrons, unindo-os para poder formar o núcleo atômico e, depois, um átomo. Examinando o quadro acima de classificação das forças, notamos que a força que atua entre prótons e nêutrons (força forte) é mais intensa do que a que atua entre o núcleo atômico e os elétrons para formar um átomo (força eletromagnética).

Podemos, então, suspeitar que é na composição do núcleo atômico que a Força dá seus primeiros passos para construir um átomo. Construído o núcleo, a Força já terá condições para atrair elétrons. E isso é feito por meio de uma força de menor intensidade, a força eletromagnética. Nessa altura, a Força já apresenta dois atributos, pelo menos, que se manifestam no plano físico como uma força forte e uma força eletromagnética.

Contudo, este ainda não é o fim da história. Temos de nos aprofundar um pouco mais nesse mundo extremamente microscópico.

A Física moderna nos ensina que os prótons e os nêutrons, por sua vez, também têm uma estrutura; são formados de partes ainda menores, os quarks. Portanto, para formar prótons e nêutrons, que serão usados para constituir o núcleo atômico, a Força tem de atuar sobre os quarks. A força que atua sobre os quarks também é uma força forte.

Essas considerações levam-nos a formular a seguinte pergunta: – Por sua vez, teriam os quarks também uma estrutura? Ainda não sabemos, mas sabemos que há seis tipos de quarks. Já é alguma coisa.

Esta análise exigiu de nós uma penetração nos recônditos mais íntimos do átomo. Seria aí que a Força começa sua evolução no plano físico, na sua expressão como força forte? Aparentemente sim, não temos outra opção. Pelo menos até agora, com os conhecimentos atuais da Física.

Desta forma, a Força começaria atuando nos quarks unindo-os para a formação de prótons e nêutrons. Já formados, a Força usaria os prótons e nêutrons para construir o núcleo atômico e a ele juntar elétrons para finalmente formar o átomo, e com estes as moléculas, e assim por diante, enriquecendo seus atributos ao atuar em estruturas cada vez mais complexas, até atingir a complexidade de um corpo humano.

O leitor que a estas alturas ainda não sentiu sono, pode perguntar: – E a força fraca? Qual o papel dela?

A força fraca tem uma íntima relação com a força eletromagnética. Na verdade, estas duas forças, a fraca e a eletromagnética, são manifestações diferentes de uma mesma força, a força eletrofraca, uma descoberta relativamente recente (1968). Essa força está presente num dos processos de desintegração do núcleo atômico. Quando dizemos desintegração, não queremos dizer desagregação, desmantelamento do núcleo atômico, mas, sim, uma espécie de transformação do núcleo. Um exemplo de desintegração do núcleo atômico é a transformação (decaimento) de um nêutron em um próton, mais um elétron, mais outras coisas. Esse processo é chamado de desintegração beta. O núcleo atômico que passa por esse processo perde um nêutron e ganha um próton.

Antimatéria

A antimatéria é tida como um tipo de matéria que, ao entrar em contato com a matéria comum, provoca a destruição de ambas, produzindo uma quantidade enorme de energia. Essa energia se manifesta por radiações diversas e pode produzir vários tipos de partículas.

A antimatéria é constituída de antiátomos. Os antiátomos são constituídos de antielétrons (pósitrons), antiprótons e antinêutrons. Os antiprótons e os antinêutrons são formados por antiquarks. Em laboratório já se conseguiu construir um átomo formado de um antielétron e um antipróton. É um átomo de anti-hidrogênio.

Não se tem conhecimento de nenhuma galáxia, ou astro, feito de antimatéria. Se existir, ainda não sabemos como detectar tais objetos uma vez que a luz (e outras radiações eletromagnéticas) que eles eventualmente emitirem é de mesma natureza da luz emitida pela matéria comum. Por exemplo: A luz que nos chegar de uma estrela de antimatéria (se existir) é indiferenciável da luz que nos chega de uma estrela comum. Assim, como diferenciá-los?!

Além disso, as forças que atuam sobre os constituintes da antimatéria são as mesmas que atuam sobre a matéria. Não existem antiforças atuando sobre a antimatéria.

Toda partícula conhecida, experimental e teoricamente, tem sua correspondente antipartícula. Uma partícula e sua antipartícula têm a mesma massa mas carga elétrica e momento magnético opostos. É interessante notar que num mesmo processo, partículas e antipartículas podem estar envolvidas. Por exemplo, na desintegração beta (V. acima), temos inicialmente um nêutron que decai num próton, mais um elétron mais um antineutrino. Assim, pode-se suspeitar de uma íntima relação entre matéria e antimatéria. Certamente, ambas são manifestações da Matéria no plano físico.

Mecanismos de ação das forças

Suponhamos duas partículas que se mantêm unidas pela ação de atração de uma força. Como essa força atua, qual o mecanismo por trás? A Física propõe um modelo baseado num processo que envolve a troca de algum tipo de partículas, chamadas partículas portadoras da força. O tratamento original matemático deste modelo, aplicado à força que mantém prótons e nêutrons confinados no núcleo atômico, levou à previsão da existência de uma partícula que foi chamada de méson. Foi nosso César Lattes quem detectou experimentalmente por primeira vez um méson. (Aqui temos mais um exemplo de como uma matemática abstrata pode prever algo que tem realidade física!)

Vamos tentar ilustrar esse mecanismo de troca com um exemplo simples. Imagine um extraterrestre que se aproxima da Terra em sua nave espacial. A uma boa altura, detectam dois seres humanos jogando tênis. Como estão muito distantes, não vêem a bolinha. O que observam é que os dois terráqueos se aproximam e se distanciam com certa freqüência. Um dos ETs conclui que há uma força atuando entre os dois humanos. Esta força é tal que atrai os dois, mas não permite que se aproximem demais, pois, se se aproximarem, serão repelidos. Já um outro ET explica como atua essa força: os dois humanos estão trocando entre si alguma partícula. É essa partícula que é a portadora da força que os mantém unidos numa certa vizinhança.

Vimos que há apenas quatro tipos de força. Dentro do modelo de trocas que apresentamos, as partículas portadoras dessas forças são:

Glúon (força forte); fóton (força eletromagnética); bósons W e Z (força fraca); e gráviton (força gravitacional).

Informações mais detalhadas podem ser obtidas consultando-se a bibliografia.

Um "mecanismo" diferente explica a força gravitacional como um resultado da curvatura do espaço-tempo causada pela presença de massa. Essa curvatura do espaço-tempo foi comprovada experimentalmente em dimensões astronômicas. A base teórica é a Teoria da Relatividade Geral (mais adequadamente, a Teoria da Gravitação) de Einstein. Como seria essa curvatura no mundo interatômico? Para responder essa pergunta (e outras mais) seria necessário desenvolver uma teoria que combinasse a teoria de Einstein com a Mecânica Quântica. Ninguém conseguir fazer isso até agora. Nem mesmo o gênio de Einstein!

Conclusão

O Universo é composto de Força e Matéria. No plano físico, a Matéria é a matéria-prima utilizada na organização da matéria e da antimatéria; e a Força se expressa em forças que se enquadram em quatro classes: força forte, força eletromagnética, força fraca e força gravitacional.

Nos dias atuais, os elementos mais primitivos da matéria (os menores tijolinhos) conhecidos são os quarks e os léptons (ainda não citados por nós). Os léptons conhecidos e classificados são os elétrons, os múons e os táons.

A antimatéria é constituída das antipartículas correspondentes: os antiquarks, os antielétrons (pósitrons), os antimúons e os antitáons.

As forças que atuam sobre a matéria são as mesmas que atuam sobre a antimatéria.

Há inúmeras outras partículas cujo papel na natureza ainda é desconhecido. Elas não participam da formação de matéria (ou antimatéria) organizada (átomos e antiátomos, por exemplo). Esse quadro nos mostra que ainda temos muito que aprender sobre a matéria. O que dizer, então, sobre a Matéria?

Enquanto a única propriedade da Matéria é a inércia, a Força evolui começando sua trajetória no plano físico, percorrendo as quatro classes de forças. Aparentemente, principia como uma força forte.

Depois de se manifestar no plano físico – organizando a matéria em estruturas cada vez mais complexas de corpos dos três reinos da natureza e, assim, adquirindo mais e mais atributos, até atingir o grau evolutivo em que passa a se chamar de espírito –, a Força continua sua evolução em planos astrais, onde a matéria não é organizada como aqui e já não é tão grosseira e densa. A percepção do que ocorre então está fora do nosso alcance. Talvez nem possamos apreender esse conhecimento enquanto estivermos envoltos nas vibrações perturbativas próprias do plano físico. Serão conhecimentos que vamos adquirir em escolas de nível superior a este nosso restrito e limitado mundo-escola.

Bibliografia

KANE, Gordon L. Modern elementary particle physics. Philadelphia, PA: Perseus Books, 1987. ISBN 0201117495. (Para quem quiser se aprofundar nos estudos. Requer conhecimentos matemáticos especializados.)

RACIONALISMO Cristão. 43a ed. Rio de Janeiro: Centro Redentor, 2004.

RUSSELL, Bertrand. ABC da Relatividade. Rio de Janeiro: Zahar Editores, 1963. (Sem matemática)

TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2001. (Nível de graduação)

Agosto 2006

 

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