Do que é feito o universo?

Rodrigo Stenio
Essa é uma das questões mais complexas de se responder!

Com o advento das novas conquistas científicas conceituais e tecnológicas, hoje podemos através de muitas vertentes e experimentos, mostrar que quando olhamos para as estruturas mais básicas que compõem a nossa matéria, descobrimos outro universo de possibilidades e de características, propriedades e interações. Quando pensamos e falamos em matéria, devemos hoje saber que, um pequena parte do nosso cosmos é composto por matéria, como a conhecemos...hoje temos uma compreensão que ainda obviamente não é plena e resoluta, que a grande parte do cosmos, é composta por subpartículas que estamos apenas começando a compreender. O que antes era visto apenas como um vácuo negro, um vazio incomensurável, na verdade contém “energia”, “possibilidade”, existe algo no que considerávamos ser o “nada”.

Algumas correntes científicas da astrofísica de hoje, sugerem que o universo seja composto por 26% de matéria escura, 70% de energia escura e 4% de matéria como a conhecemos mais habitualmente.
Após a descoberta do núcleo do átomo em 1911, foi comprovada a existência de partículas sub atômicas. Desde aquela época, foram estabelecidas leis fundamentais da matéria-energia, que governam suas inter-relações, predizendo o comportamento das subpartículas. Isso levou os cientistas a criarem conceitos e teorias, além de estudos e experimentos que buscavam compreender a estrutura básica do universo. Muitas foram as correntes e vertentes de estudos dentro da física e hoje da nano física, a astrofísica. Uma das correntes mais interessantes e talvez controversa desses estudos, são da mecânica quântica da física, ou a forma que essas subpartículas interagem, ao ponto de inclusive subverter a energia em algo como uma onda, algo não material, ou algo como uma partícula, ou material. A abordagem através da física quântica, ou física das possibilidades, apresenta uma gama infinita de variações e teorias, aliada à astrofísica, vem demonstrando avanços significativos rumo há uma melhor compreensão do que há em nosso universo.

Um exemplo muito atual dos avanços científicos nessa área:

Investigadores do CERN (Organização Europeia de Pesquisa Nuclear) observaram pela primeira vez um fenómeno raro previsto pelo modelo mais consensual da física de partículas – o modelo-padrão. A seguir à observação do bosão de Higgs, registrou o decaimento do mesão BS em dois muões, é a descoberta mais importante do maior acelerador de partículas europeu (Large Hadron Collider, LHC).
Esta observação, além de se revelar muito importante na confirmação do modelo-padrão da física de partículas, foi também inédita do ponto de vista da cooperação entre duas equipas ligadas à colisão de partículas no LHC – o LHCb e o CMS -, conta Nuno Leonardo, um dos investigadores que participou nesta experiência.

Recuemos um pouco no tempo. Durante três anos, o acelerador de partículas fez correr dois feixes de protões (partículas que existem no núcleo dos átomos) em direções opostas ao longo da circunferência de 27 quilômetros. Os feixes foram forçados a colidir em quatro localizações específicas, nos locais onde se encontram milhares de detectores pertencentes às experiências ALICE, ATLAS, CMS and LHCb.

De cada vez que os protoões colidem podem formar novas partículas, que se podem manter por mais ou menos tempo ou decair e dar origem a partículas diferentes. Estas observações são registadas por cada uma das experiências: ATLAS e CMS mais dedicadas a estudar a generalidade dos fenômenos, ALICE para estudar iões pesados e LHCb com um foco específico em quarks b (bottom).

Quarks e antiquarks são a base de todos os tipos de mesões. Quando têm um antiquark b – a partícula oposta do quark b (com a mesma massa e carga contrária) – temos um mesão B, mas mesmo dentro destes a variedade é grande, varia com o tipo de quark. O mesão Bs tem um antiquark b e um quark s (strange) e o mesão B0 tem antiquark b e um quark d (down). E estes dois mesões são as estrelas do artigo que LHCb e CMS (Compact Muon Solenoid) já publicaram no meio acadêmico.

Cada experiência faz as próprias detecções, medições e análises de forma independente. E quando duas experiências chegam à mesma conclusão, a força dos resultados é ainda maior. Foi o que aconteceu com o bosão de Higgs. ATLAS e CMS tinham encontrado sinais da partícula, mas nenhum dos grupos conhecia os resultados do outro.

Quando cada grupo apresentou os resultados que tinha na mesma conferência de imprensa, em 2012, ficou confirmada a descoberta deste bosão. Era a única partícula fundamental do modelo-padrão que estava por descobrir. E a descoberta foi tão importante que valeu o prémio Nobel da Física em 2013 a dois dos físicos teóricos que a descreveram há 50 anos – Peter Higgs e François Englert. O terceiro físico a descrevê-la, Robert Brout, faleceu ainda antes da partícula ser detectada pelas equipas do CERN.
Os mesões Bs são partículas compostas que têm um comportamento fora do vulgar: “Oscilam entre partícula e antipartícula três biliões de vezes por segundo”, conta Nuno Leonardo, investigador do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP), em Lisboa, que coordena o grupo de física do quark b em CMS.

VÍDEO ILUSTRATIVO: 

O decaimento dos mesões Bs em dois muões (um muão e um antimuão) foi detectado por LHCb e CMS de forma independente e os resultados apresentados em julho de 2013, mas as observações não permitiam ter certezas. “Embora os resultados estivessem em excelente acordo, ambos ficavam aquém do nível de precisão estatística de 5 sigma [grau de confiança estatística] que é historicamente requerido para reivindicar uma observação”, explica o comunicado de imprensa do CERN.

A combinação dos dados das duas experiências e um ajuste no tipo de análise realizado pelas equipas permitiu realizar observações com 6,2 sigma para o decaimento dos mesões Bs, conta Nuno Leonardo. A detecção deste processo vem, por agora, confirmar o que estava previsto pelo modelo-padrão: um fenômeno extremamente raro com uma probabilidade de acontecer quatro vezes em cada mil milhões de decaimentos. “Do bilião de partículas com quarks b produzidas nas colisões, detectamos 100 que decaem em 2 muões”, conta o investigador. Adicionalmente, exclui alguns dos modelos mais recentes da física de partículas (nova física), como a super simetria, conclui.

Este resultado constitui um excelente exemplo da precisão que pode ser alcançada quando experiências combinam as suas medições”, disse em comunicado de imprensa Rolf Heuer, diretor-geral do CERN.

Para excluir o modelo-padrão como um modelo possível para o decaimento do mesões B em muões e antimuões era preciso observá-los com uma maior frequência do que a que está prevista. Esse é um dos motivos porque na segunda temporada de colisões no LHC, que está prevista ter início em junho de 2015, se vai aumentar a energia de 8 teraelectronvolt (TeV) da primeira temporada para 13 TeV. Quanto maior a energia, maior o número de colisões, logo maior a probabilidade de se encontrarem partículas novas ou fenómenos imprevistos.

A nova etapa do LHC poderá ajudar a perceber melhor o decaimento dos mesões B0. Por agora, a observação do decaimento deste mesão em muão e antimuão foi suficientemente frequente para ser estatisticamente significativa (3 sigma). Já discrepância de 2 sigma em relação ao modelo-padrão, na interpretação dos resultados, deixa a dúvida no ar. A discrepância (que equivale a 5% de probabilidade de flutuação) não permite dizer que este decaimento é incompatível com o modelo-padrão, mas deixa uma porta aberta para investigar este fenómeno.

Os resultados agora publicados resultam da partilha de dados e do trabalho conjunto de duas equipas – LHCb e CMS – que trabalham normalmente de forma independente numa forma de “cooperação competitiva” em que o desejo de serem os primeiro a revelar novas descobertas estimula o trabalho de investigação. Mas neste caso, como explica Nuno Leonardo, foi preciso encontrar o consenso entre os mais de 4.500 colaboradores das duas experiências.

“Havia um bom espírito de colaboração e uma grande motivação”, diz o investigador, justificados pela necessidade de ambos os grupos chegarem ao melhor resultado possível. “Havia um bom ambiente dentro do grupo de trabalho, mas a necessidade de consenso entre todos os investigadores torna os processos de decisão e aprovação mais lentos.”

Esse é apenas um exemplo de pesquisa que vem sendo realizada hoje. Sua relevância, obviamente pelo nível de infra-estrutura e coordenação, além de investimento e proporção, é extremamente relevante, mas existem dezenas outros colisores de partículas menores espalhados pelo globo e muita pesquisa sendo realizada.

Fundamentalmente a questão: “Do que é feito o universo?”, não apenas é extremamente pertinente, como está na vanguarda dos estudos mais atuais da física, astronomia, astrofísica e de forma complementar, da cosmologia.

Nessa pequena resenha, vou me ater à discorrer sobre a energia escura, a matéria escura e suas diferenças, além de uma pequena abordagem mais explicativa do que vem a ser os estudos sobre o prisma da física quântica.

Matéria escura e energia escura: o que é?

A matéria escura e a energia escura são soluções propostas para explicar alguns fenômenos gravitacionais, e, até onde sabemos, são coisas distintas.

Embora juntas respondam por mais de 95% do nosso universo, só sabemos de sua existência por meios indiretos, observando seus efeitos sobre o universo e tentando deduzir suas propriedades a partir deles.

Matéria escura

A matéria escura foi proposta nos anos 1930 por Fritz Zwicky para explicar a diferença entre a massa gravitacional e a massa luminosa de aglomerados de galáxias (Fritz Zwicky estava trabalhando com curvas de rotação de galáxias).
A massa gravitacional de um objeto é determinada pela medida da velocidade e raio da órbita de seus satélites, um processo igual à medição da massa do sol usando a velocidade e distância radial dos planetas.

A massa luminosa é determinada pela soma de toda luz e convertendo este número em uma estimativa de massa, baseado na nossa compreensão sobre como as estrelas brilham. Esta comparação de massa-para-luz indica que a energia na matéria luminosa contribui com menos de 1% da densidade média de energia do universo.

. Matéria escura protege galáxias

Certamente existe mais matéria nas galáxias que não emite luz, mas as evidências indicam que há um limite máximo para a matéria normal (aquela feita de átomos) presente no universo. Evidências vindo da medição da radiação cósmica de fundo, por exemplo, apontam que no máximo 5% da densidade de massa-energia do universo e 20% da massa dos aglomerados está na forma de átomos.

Mas do que é feita a matéria escura? Muitos físicos e astrônomos acham que a matéria escura é provavelmente uma nova partícula que ainda não foi detectada em aceleradores de partículas ou em raios cósmicos.

Para ser uma partícula de matéria escura, ela tem que ter bastante massa, provavelmente mais que um nêutron, e interagir muito fracamente com a matéria normal, de forma a dificilmente reagir produzindo luz.

. Anel de matéria escura é encontrado em grupo de galáxias

O protótipo do candidato é algo parecido com um neutrino, só que todos os tipos de neutrinos conhecidos são muito leves e muito raros para explicar a matéria escura.

E como a matéria escura afeta o universo? Aparentemente, ela é responsável pelas estruturas que vemos no universo, como galáxias e aglomerados; é ela que “segura” estes objetos imensos, não deixando que se desfaçam.

Como curiosidade, a proposta de uma matéria escura na década de 1930 por Fritz Zwicky não foi levada a sério porque o suíço tinha entrado em atrito com muitos colegas na comunidade astronômica. Em 1962, a astrônoma Vera Rubin fez a mesma descoberta, que novamente não foi levada à sério, desta vez porque ela era uma mulher. Ela persistiu e conseguiu atenção da comunidade em 1978, com um estudo profundo de 11 galáxias, inclusive a nossa.

Energia escura

A energia escura tem sua origem nos trabalhos para entender a expansão acelerada do universo. Basicamente, a teoria atual não consegue explicar essa aceleração. Uma das especulações é que a aceleração é consequência de uma nova forma de matéria, apelidada “energia escura”, que também não foi detectada até agora.

É chamada de “escura” porque deve interagir muito fracamente com a matéria, como a matéria escura, e é chamada de energia porque uma das coisas de que estamos certos é que ela contribui com cerca de 70% da energia total do universo. Se descobrirmos o que é, podemos então trocar o nome para algo menos misterioso.

Com o estabelecimento do modelo cosmológico do Big Bang, acreditava-se que a expansão inicial de 13,7 bilhões de anos atrás estaria diminuindo com o tempo, mas duas equipes de pesquisadores independentes descobriram em 1998 que a expansão estava acelerando.

. É confirmada a existência da energia escura

A aceleração é determinada pela medida dos tamanhos relativos do universo em diferentes eras. De uma forma específica, os astrônomos medem o redshift ou desvio para o vermelho do espectro e a distância da luminosidade de explosões estelares chamadas supernovas tipo 1a.

O tempo que a luz da supernova leva para chegar aos telescópios é descoberto examinando a distância da luminosidade, enquanto a mudança do tamanho do universo entre a explosão e a observação é determinada pelo desvio para o vermelho. Uma comparação destes tamanhos em uma sequência de tempo revela que o universo está crescendo cada vez mais rápido. Desde esta descoberta, os equipamentos ficaram mais sensíveis e os dados foram confirmados pela medição de outros fenômenos cosmológicos.

A teoria da relatividade prevê que a aceleração cósmica é determinada pela densidade média de energia e pressão de todas as formas de matéria e energia no universo. Só que as quantidades da matéria normal, da energia normal, e da matéria escura não respondem pela densidade de energia necessária para a aceleração – tem que ser outra coisa.

. 9 projetos milionários que pretendem desvendar os mistérios da energia escura

Uma das hipóteses mais aceitas é que o universo é preenchido por um mar de energia quântica de ponto zero, que exerce uma pressão negativa, como uma tensão, fazendo com que o espaço-tempo sofra uma repulsão gravitacional. É a chamada constante cosmológica, introduzida por Einsten em outro contexto (e referida por ele como seu maior erro).

E como a energia escura afeta o universo atualmente? Ela é responsável pela aceleração cósmica, e equipes internacionais de astrônomos estão trabalhando para refinar a medida desta aceleração. Dela depende o julgamento da constante cosmológica de Einstein, uma possível compreensão da teoria fundamental da natureza (gravidade quântica e o estado quântico do universo), e o destino do universo (Big Chill ou Big Rip?).

 Os feijões representam a matéria e energia escura no universo e as jujubas a matéria que podemos enxergar.


 Diferenças entre as duas

As duas, matéria escura e energia escura, possuem diferenças enormes. A matéria escura atrai e a energia escura repele, ou seja, a matéria escura é usada para explicar uma atração gravitacional maior que o esperado, enquanto a energia escura é usada para explicar uma atração gravitacional negativa.

Além disso, os efeitos da matéria escura se manifestam em uma escala de 10 megaparsecs (um megaparsec corresponde a 3,2 milhões de anos luz, aproximadamente) ou menor, enquanto que a energia escura parece que só se torna relevante em escala de 1.000 megaparsecs ou mais.

. Matemáticos incluem matéria e energia escuras nas equações de Einstein

Finalmente, é importante questionar se os fenômenos da matéria escura e da energia escura podem ter uma explicação gravitacional. Talvez as leis da gravidade sejam diferentes do que desenhou a teoria de Einstein. Esta é uma possibilidade, só que até hoje a teoria da relatividade não falhou em nenhum teste. Além disto, novas imagens de aglomerados revelaram um comportamento que é inconsistente com teorias gravitacionais alternativas, como a MOND – ou seja, a matéria escura está ali.

Nossas melhores mentes estão trabalhando no problema e nossa melhor tecnologia está examinando o cosmos, e, por enquanto, não há outra explicação para os efeitos que observamos: a matéria escura e a energia escura são reais. A composição do universo atual, até onde sabemos, é de 4,2% matéria normal, 24% matéria escura e 71,6% energia escura.

[en.Wikipedia 1 2, Nasa Ask an Astronomer, How Stuff Works, Nasa Astrophysics, Dummies, National Radio Astronomy Observatory, Scientific American, Space.com, WMAP’s Universe]
Bom, agora que revisamos os conceitos sobre a matéria escura e a energia escura, bem como seus estudos atuais e diferenças entre si, vamos ver os conceitos básicos, cientistas e definições sobre a física quântica?

O que é Física Quântica?

Física quântica é um ramo teórico da ciência que estuda todos os fenômenos que acontecem com as partículas atômicas e subatômicas, ou seja, que são iguais ou menores que os átomos, como os elétrons, os prótons, as moléculas e os fótons, por exemplo.

Todas essas micropartículas não podem ser estudadas sob a ótica da física clássica, pois não são influenciadas pelas leis que a compõe, como a gravidade, a lei da inércia, ação e reação e etc.

Ao contrário da física clássica, a física quântica é classificada como “não intuitiva”, isso significa que, neste ramo de estudo, determinadas coisas são verdadeiras mesmo quando aparentam não ser. Aliás, por ser considerada não intuitiva, a física quântica ficou conhecida como uma “falsa teoria”.

Também conhecida por mecânica quântica, essa teoria revolucionária da física moderna surgiu durante os primeiros anos do século XX, sendo o físico Max Planck (1858 – 1947) um dos pioneiros a desenvolver os seus princípios básicos, e que contrariam grande parte das leis fundamentais da física clássica. Planck foi o responsável, por exemplo, pela criação da “constante de Planck” (E = h.v).

No entanto, foi Albert Einstein, o criador da Teoria da Relatividade, que batizou a equação de Planck de quantum (palavra latina que significa “quantidade”) pela primeira vez. Quântico é uma referência ao evento físico da quantização, que consiste na alteração instantânea dos elétrons que contém um nível mínimo de energia para um superior, caso sejam aquecidos. Mesmo que a teoria da física quântica esteja focada nos fenômenos microscópicos, estes são refletidos em todos os aspectos macroscópicos, uma vez que todas as coisas no universo são feitas a partir de moléculas, átomos e demais partículas subatômicas.

Ao longo do século XX, vários cientistas e físicos contribuíram para o desenvolvimento da teoria física quântica, como: Werner Heisenberg (1901 – 1976), Louis de Broglie (1892 – 1987), Niels Bohr (1885 – 1962), Erwin Schrödinger (1887 – 1961), Max Born (1882 – 1970), John von Neumann (1903 – 1957), Richard Feynman (1918 – 1988), Wolfgang Pauli (1900 – 1958), entre outros.

A partir de então, a física quântica se tornou a teoria base de vários outros ramos da física e da química, como a física atômica, física nuclear, física molecular, química quântica, física de partículas e etc. Aliás, os princípios da física quântica também são aplicados em vários setores do conhecimento humano, revolucionando não apenas as Ciências Exatas, mas também correntes filosóficas.

A principal ligação entre a física quântica e os conceitos filosóficos e espirituais, de acordo com os defensores desta relação, está na condição de casualidade e incerteza desta teoria, que diz ser possível a existência de duas situações diferentes e simultâneas para determinado corpo subatômico.

Esse princípio foi observado na física quântica a partir da chamada "dualidade onda-partícula", ou seja, quando uma partícula se comporta ora como partícula e ora como uma onda, afirmação está totalmente anormal perante a física clássica.

Partindo desta ideia, por exemplo, surgem diversas hipóteses teóricas de estudo, como a “teoria dos vários mundos”, que diz ser possível a existência de diversas realidades alternativas para cada indivíduo.


Física quântica e a espiritualidade

Essa relação é polêmica, pois consiste no debate entre dois núcleos distintos, sendo um formado pelos que defendem a veracidade da influência quântica no plano espiritual, e outro que nega totalmente o uso da mecânica quântica como modo de explicar a espiritualidade.

Para os que defendem a existência de uma relação entre a física quântica e o espiritual, a força do pensamento humano poderia exercer um grande poder sobre a realidade individual de cada pessoa, sendo ela, com as corretas indicações, capaz de alterar o mundo ao seu redor.

Física quântica e o pensamento

Vários físicos de renome internacional relacionam os princípios da física quântica com as teorias sobre a consciência humana e o poder do pensamento como “construtor” da realidade.

Em suma, a mente humana teria uma capacidade profunda de influenciar na disposição das micropartículas atômicas ao redor das pessoas, do modo como elas se comportam e como elas constroem a realidade de cada indivíduo. Para os estudiosos que acreditam nesta ideia, as intenções das pessoas influenciariam a construção da realidade.