A Matéria - Na Perspectiva da Física

Como é habitual, faz-se nesta sessão da “Biosofia” um contraponto entre as concepções da Ciência Oculta e das Ciências Experimentais. Tratar-se-á, desta vez, do tema da Matéria.

Matéria é um conceito que para as ciências físicas (como, aliás, para o senso comum) designa “aquilo” de que são feitas as “coisas” que têm massa. Por sua vez, a grandeza massa é uma medida da quantidade de matéria (!) de que são feitas as “coisas materiais”.1

Questões de sempre
Existem, actualmente, duas concepções principais sobre o universo: uma considera-o como um imenso espaço finito, preenchido por matéria-energia em expansão a partir de uma “explosão” inicial 2, que teria ocorrido há cerca de 15 mil milhões de anos atrás; a outra pondera-o como um espaço infinito, onde continuamente se gera nova matéria, num dinamismo que lhe imprime movimento de expansão 3. Estas duas diferentes ideias são apoiadas por certos factos científicos relevantes mas também se ligam com visões metafísicas e filosóficas distintas, mostrando que as grandes questões sobre a causa última da existência do universo e da matéria continuam por responder.

Independentemente dessas hipóteses, a ciência entende o universo como um espaço essencialmente vazio 4, salpicado, aqui e ali, por densos aglomerados de matéria. Esses agregados apresentam tipos semelhantes de estruturas e subestruturas materiais (galáxias, sistemas solares, estrelas, etc.) e que são regidos pelas mesmas leis físicas que testamos, quer por observação directa, quer por via laboratorial, no planeta Terra e no Sistema Solar. Manifesta, assim, uma ordem implícita, simultaneamente estranha e muito, muito bela 5.

A aparência do estado
ÃL;€ escala típica da nossa visão, a matéria exibe, como sabemos, três estados físicos fundamentais - sólido, líquido e gasoso - embora existam também vários estados de características intermédias 6.

Para além dos 3 estados físicos, a matéria apresenta também diferentes estados eléctricos (de que nos apercebemos quando, por exemplo, apanhamos um choque na porta do carro), magnéticos (nem todos os metais se “agarram” à porta do frigorífico!) e ópticos (relacionados com a forma como se comportam quando neles incidem os raios luminosos). Porém, como estes estados estão directamente correlacionados com a constituição da matéria, sendo uma sua consequência, vamos circunscrever-nos aos estados físicos e à sua natureza constitutiva.

Ao longo dos últimos dois séculos de investigação, a física e a química demonstraram de modo convincente que o aspecto contínuo, coeso e estável que caracteriza os corpos materiais é apenas uma “ilusão” de óptica e se deve: primeiro, ao facto de os constituintes que formam a matéria - os átomos ou moléculas (agregados de átomos) - serem tão pequenos que não podem ser percebidos pelas nossas capacidades sensoriais; segundo, por esses constituintes existirem num número elevadíssimo dentro dos materiais (uma simples gota de água é feita aproximadamente de 3,000,000,000,000,000,000,000 moléculas de água; e cada molécula de água tem 2 átomos de hidrogénio e um de oxigénio!); finalmente, porque os átomos e moléculas que os constituem, embora em constante movimento, estão como que presos uns aos outros, ligados por forças (também invisíveis para nós) de natureza eléctrica.

Estabilidade e coexistência
A forma, o volume, a densidade e outras características dos materiais dependem especificamente dessas forças de interacção eléctrica entre os átomos ou moléculas que os constituem.

Nos sólidos, as forças fixam as partículas em arranjos regulares e compactos e os seus movimentos estão restringidos a pequenas vibrações e rotações em volta das posições fixas que ocupam. Isto explica a sua forma e volume definidos e, também, o facto de serem tão densos e tão pouco comprimíveis.

Num líquido, os átomos ou moléculas não estão tão fortemente ligados e podem deslizar uns pelos outros, realizando não só movimentos de vibração e rotação mas, também, pequenos movimentos de translação, sem, contudo, se poderem desligar completamente. É por isso que os líquidos podem fluir e tomar a forma dos vasos que os contêm mantendo o mesmo volume.

Nos gases, as partículas são praticamente independentes umas das outras pois as forças de atracção são muito fracas ou nulas, permitindo que se movam ao acaso, a grande velocidade. A 25oC, a sua velocidade média é de 1800 km/h! Chocam permanentemente umas com as outras e com as paredes do recipiente e são estes choques microscópicos que correspondem à grandeza pressão, que depois medimos com manómetros.

Como consequência da natureza descontínua da constituição da matéria, os diferentes estados físicos podem interpenetrar-se, sendo possível os estados menos densos existirem no “interior” dos mais densos: um líquido ou um gás pode existir no interior de um sólido, um gás no seio de um líquido, gases mais rarefeitos entre outros mais densos.

No interior do átomo
Os átomos não são todos iguais nem são uma massa compacta indivisível, como sabemos actualmente. Também eles são constituídos por partículas menores, altamente energéticas, executando movimentos de frequência vibratória tão elevada que se os conseguíssemos ver não distinguiríamos a trajectória da partícula que a executa. 7

Os átomos são constituídos por um núcleo positivo e por cargas negativas que gravitam à sua volta. O o de cargas positivas do núcleo (protões) dá ao átomo uma identidade particular. Se tem 1 protão trata-se de hidrogénio, se tem 6 trata-se de carbono, se tem 8 é oxigénio… Certos núcleos atómicos, ditos radioactivos, possuem a característica de se desintegrarem ao fim de certo tempo, alterando o seu número de protões, emitindo radiações muito energéticas e adquirindo, desse modo, outra “identidade”. Objectos estáveis como os nossos corpos são constituídos por átomos com “tempos de vida” muito longos e, portanto, naturalmente não-radioactivos.

As cargas negativas em volta do núcleo, os electrões, são as responsáveis pelas ligações de natureza eléctrica com os outros átomos e, portanto, pela coesão dos materiais. Percebe-se, assim, que o tipo de átomo e a intensidade da força da ligação de natureza eléctrica que ele estabelece com os outros átomos vão determinar as características do corpo que se constituiu com esse “pedaço” de matéria.

No interior do núcleo atómico
Estabelecendo uma escala de correspondência, diremos que se o núcleo do átomo mais pequeno que conhecemos, o de hidrogénio, fosse do diâmetro de uma maçã, o electrão estaria a 1 quilómetro de distância do núcleo! Além disso, como a massa do electrão é cerca de 1000 vezes menor que a do protão, concluímos que o átomo é fundamentalmente uma estrutura vazia, com cerca de 99,9% da sua massa concentrada no núcleo!

Sabe-se hoje que as próprias partículas constituintes dos núcleos atómicos - os protões e os neutrões (também massivas mas sem carga eléctrica) - são ainda constituídas por três partículas de natureza diferente, os quarks, fortemente ligados entre si.8 As partículas nucleares não são, portanto, compactas; são, também elas, constituídas por outras entidades menores e espaço vazio.

Entretanto, na última década, e embora ainda sem confirmação experimental, tem ganho um relevo e interesse particulares a chamada teoria das “supercordas”9, onde se pondera a hipótese de os quarks não serem ainda as mais pequenas entidades constitutivas da matéria. Segundo essa teoria, todas as partículas do universo seriam feitas de quantidades ínfimas de energia vibrante de determinada frequência (cordas), sendo as propriedades carga eléctrica, estado magnético, massa, etc., que as caracterizam, conferidas por diferentes padrões vibratórios.

É caso para perguntarmos: de que somos feitos, afinal?

Muito breves
Para além das partículas referidas até aqui, muitas outras (mais de uma centena!) têm sido descobertas. Elas são, em geral, muito pouco conhecidas por não participarem na construção da estrutura atómica da matéria. Algumas delas são tão inesperadas e injustificadas no quadro do conhecimento científico actual que, quando descobertas, suscitam comentários como o do físico Isidor Isaac Rabi quando soube da descoberta do muão10: “E este, quem o encomendou?”

No nosso universo existem também partículas de massa igual à do protão e à do electrão mas com carga eléctrica de sinal contrário, o anti-protão e o positrão, respectivamente, que se poderiam associar num anti-átomo, originando o que designaríamos por anti-matéria. O universo em que vivemos é material11, embora existam muitas outras partículas consideradas anti-matéria12 e até consigamos, em experiências laboratoriais e durante intervalos de tempo extremamente curtos, criar anti-átomos. Quando matéria e anti-matéria se encontram, aniquilam-se mutuamente, transmutando-se em energia.

Como sabemos, a ciência distingue matéria viva de matéria inerte, considerando que determinadas associações moleculares, muito ricas em átomos de carbono, azoto, hidrogénio e oxigénio, em certos ambientes ricos em água e em condições particulares de pressão e temperatura, desenvolvem uma especial complexidade e capacidade de auto-replicação, dando ulteriormente origem aos seres vivos. Contudo, ao nível da constituição material interna, atómica e sub-atómica, não há qualquer diferença na matéria e nas interacções existentes no seu seio, que permitam diferenciar um átomo presente numa estrela, mineral, planta, animal ou ser humano. A matéria, chamemos-lhe viva ou inerte, é constituída pelo mesmo tipo de partículas!

Novos Horizontes
Em 1905, Albert Einstein propôs a conhecida relação entre matéria e energia E = m.c2, onde m é a massa do corpo material e c é a velocidade da luz. Até então, eram consideradas outras relações entre matéria e energia como, por exemplo, E = mv2/2, correspondente à energia (cinética) que o corpo de massa m possui pelo facto de se deslocar com uma velocidade v. A relação de Einstein tem a particularidade de determinar a energia do corpo pelo simples facto de ele ter massa, sem necessidade de outra propriedade adicional. “Qualquer coisa” mesmo “aparentemente” sem nenhum outro atributo, por existir “materialmente”, já tem/é energia.
Pelos anos 20 do século passado, o físico francês Louis de Broglie formulou uma hipótese revolucionária (confirmada experimentalmente alguns anos mais tarde) ao prever que as partículas materiais deveriam apresentar um comportamento dual partícula-onda. Em certas condições, manifestam propriedades físicas localizadas no espaço, comportamento típico de uma partícula com uma dada massa, e, noutras, revelam propriedades características de perturbações ondulatórias distribuídas espacialmente (ondas).

Matéria? Ou, apenas, Materialidade?
Resumindo os aspectos mais relevantes, diremos, então: 1o) a matéria possui uma estrutura interna essencialmente “vazia”, ganhando plausibilidade crescente a hipótese de a sua constituição última estar assente em diferentes modos de energia vibrante; 2o) à escala quântica, a matéria parece comportar-se ora como onda ora como partícula, segundo o grau de menor ou maior confinamento espacial da sua natureza energética; e, 3o), qualquer valor de massa equivale sempre a um dado valor em energia.

No quadro do conhecimento científico actual, num entendimento abrangente dos fenómenos estudados e no limiar de novas descobertas sobre a natureza interna de todas as coisas, parece razoável perguntar: terá sentido ponderar o conceito matéria como uma entidade única, separada, com características independentes do resto? Ou será que tudo o que existe materialmente corresponde, apenas, a diferentes níveis de materialidade, de “condensação”, da mesma energia presente em todas as coisas?…

Liliana Ferreira
Licenciada em Física; Doutorada em Física da Radiação; Professora no Departamento de Física da Universidade de Coimbra; Investigadora na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

1 A grandeza massa é determinada indirectamente, a partir do movimento ou de outras características dos objectos materiais. Por exemplo, quando falamos dos nossos corpos utilizamos expressões do tipo “Ontem pesei-me. Estou com 70 kilos!”. Na verdade, o que medimos directamente é o nosso peso, ou seja, a força com que a Terra nos atrai (também por ser material) mas, como essa força de atracção é conhecida e proporcional à quantidade de matéria dos nossos corpos, as balanças “fazem logo as contas” e dão-nos o valor da massa.

2 Uma definição típica da teoria da Grande Explosão (Big Bang) diz que “todo o universo (toda a matéria e energia e mesmo as 4 dimensões de espaço e tempo), eclodiram de um estado de infinita ou quase infinita densidade, temperatura e pressão.

3 Fred Hoyle (1915-2001), um dos cientistas de maior renome a favor desta ideia, considera que a contínua criação de matéria (proveniente do campo de forças gerado pela própria matéria já existente - por ex., as estrelas que “morrem” vão disponibilizando o seu material para que novos agregados apareçam) asseguraria um futuro infinito para o universo, preservando todas as características que nele podemos observar “a grande escala”. Afirma que a teoria do Big Bang não é aceitável por considerar que a ideia da grande explosão é um processo irracional, que nunca poderá ser descrito em termos científicos (por não temos possibilidade de voltar ao instante inicial), ao contrário da teoria da criação contínua de matéria, que pode ser representada por equações matemáticas e cujas consequências podem ser testadas pela observação.

4 Por “essencialmente vazio” queremos dizer que existem partículas materiais mas que a sua densidade (o número de partículas por unidade de volume) é tão extraordinariamente baixa que não permitiria que os objectos materiais se mantivessem coesos.

5 Ver “Entre o Céu e a Terra”, Biosofia o10, “A Ordem e a Inteligência do Cosmos”

6 É o caso do gel, por exemplo, com propriedades entre o sólido e o líquido, ou do plasma (de que são feitas as estrelas) e que é semelhante a um gás a temperatura elevadíssima, ficando os núcleos atómicos positivos dissociados dos electrões negativos.

7 Por exemplo, se a partícula num movimento muitíssimo rápido descrevesse um 8 com a sua trajectória, veríamos apenas o 8 e nunca saberíamos em que ponto a partícula se encontraria num dado instante. Imaginemos algo semelhante a 3 dimensões.

8 Ver “Olhar da Ciência - O Código Genético do Universo”, Biosofia o 2.

9 Ver “Olhar da Ciência - O Universo das Cordas”, Biosofia o 12.

10 Muão - hoje considerado uma das partículas fundamentais do universo, é cerca de 9 vezes mais leve que um protão e encontra-se com carga positiva ou negativa. A radiação cósmica que permanentemente chega à Terra é rica em muões.

11 No entanto, as teorias cosmológicas actuais não sabem onde está cerca de 90% da matéria que calculam ter o universo. Essa quantidade desconhecida é designada por matéria negra.

12 Uma das interrogações que a Teoria do Big Bang levanta é precisamente o facto de não existir no universo, tal como a teoria faria prever, iguais quantidades de matéria e anti-matéria.

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