Direto e reto: Sim, a antimatéria existe! Antes de começarmos, é bom destacar que essa é uma premissa já aceita na ciência. O que acontece é que não basta saber que a antimatéria existe: um dos maiores mistérios da física moderna é descobrir por que há mais matéria do que antimatéria no universo!
Foi assim… A conquista mais espetacular da ciência moderna foi a física quântica, mais especificamente essa equação aqui:
A equação acima é a forma dependente do tempo da equação de Schrödinger:
H(t): É o operador Hamiltoniano que representa a energia total do sistema, e pode depender do tempo.
∣ψ(t)⟩: É o estado quântico do sistema em um dado tempo t. O símbolo ∣⟩indica que este é um vetor de estado (também chamado de ket) no espaço de Hilbert.
i: É a unidade imaginária, que satisfaz i 2= −1
ℏ: É a constante de Planck reduzida, que é uma constante fundamental na mecânica quântica.
O ponto é que essa equação mudou profundamente o curso e a evolução da física, com impactos enormes na tecnologia, como o teu celular por exemplo, seu computador e muitas outras coisas.
E foi um salto mesmo! Se num ano a gente estava perdido quanto à descrição do átomo, no ano seguinte, em 1925, com a equação de Schrodinger conseguimos calcular as propriedades intrínsecas dos átomos, suas ligações, as moléculas!
Eu já te contei mais sobre o assunto neste artigo aqui.
Mas, por mais potente que seja, a equação de Schrödinger é incompleta! Ela só funciona para baixas velocidades. Ou seja, ela não é relativística!
Foi num artigo publicado em 1928 que o físico britânico Paul Dirac propôs sua equação de onda que obedece à relatividade especial do Einstein, misturando, em pé de igualdade, espaço e tempo. Sua equação bonita, elegante e compacta mostrava um universo espelhado de antimatéria.
Onde os termos descritos se dão da seguinte forma:
i : é a unidade imaginária
γμ : são as matrizes gama de Dirac, que satisfazem a álgebra de Clifford específica para a relatividade especial.
∂μ : representa a derivada parcial em relação às coordenadas espaço-temporais.
m é a massa de repouso da partícula.
ψ é o espinor de Dirac, um objeto matemático que descreve o estado quântico da partícula.
Nesta formulação, e é a carga elementar, que seria positiva para o pósitron e negativa para o elétron. As soluções da equação revelam as propriedades das antipartículas, como o pósitron, que têm a mesma massa e tempo de vida que suas contrapartes de matéria, mas com carga elétrica oposta.
A princípio, Dirac queria uma equação que pudesse descrever o comportamento quântico dos elétrons, que originalmente são partículas que estão em volta do núcleo dos átomos e possuem carga negativa. Mas ao juntar espaço e tempo, numa simetria quadridimensional, além de descrever as partículas que compõem os átomos de modo mais completo, ele também previu uma nova forma de matéria: a ANTIMATÉRIA, que obedece às mesmas leis da física da matéria, mas se mostra com cargas elétricas opostas.
Portanto, além de sua equação ter descrito com maestria os estados de um elétrons, ela previu teoricamente a existência do antielétron, isto é, partículas com as mesmas propriedades dos elétrons só que com carga positiva. A gente chama de pósitron.
Por exemplo, um pósitron é repelido por um próton, diferente de como acontece com um elétron que, ao contrário, é atraído. Isso acontece justamente porque tem carga positiva assim como o próton.
E o pósitron não é um próton! Isso porque a sua massa é igual a de um elétron!
E ao se encontrarem, elétron e antielétron, essas partículas explodem, se aniquilam, produzindo uma quantidade de energia.
A prova da existência real do antielétron foi feita por Carl Anderson, em 1932, a partir de seus experimentos com raios cósmicos. E foi só em 1965 que conseguimos produzir antimatéria pela primeira vez, no CERN, em Genebra, na Suíça.
Assimetria matéria e antimatéria
A matéria é a substância que compõe todo o universo, desde as estrelas e planetas até os seres vivos e os objetos inanimados. A antimatéria, por outro lado, é uma forma de matéria com características opostas à matéria convencional, como vimos.
A teoria da relatividade geral de Einstein sugere que, no início do universo, houve uma grande explosão, conhecida como Big Bang. Durante essa explosão, grandes quantidades de matéria e antimatéria foram criadas e, em teoria, deveriam ter se aniquilado mutuamente, deixando apenas uma pequena quantidade de matéria para compor o universo. No entanto, isso não aconteceu e ainda não se sabe ao certo por quê.
Uma hipótese é a possibilidade de existir uma desbalanceamento entre matéria e antimatéria, onde houve mais matéria do que antimatéria, o que permitiu que a matéria sobrevivesse e formasse o universo conhecido.
Outra hipótese é que existam diferenças sutis entre matéria e antimatéria, que permitiram que alguma antimatéria sobrevivesse e se transformasse em matéria.
Atualmente, a comunidade científica ainda busca entender essas questões e explicar a razão da sobrevivência da matéria no universo. Alguns experimentos realizados com colisões de partículas têm mostrado a existência de pequenas diferenças entre matéria e antimatéria, mas ainda não há uma explicação completa.
É importante destacar que a compreensão dessas questões pode ter implicações significativas para a física e para a tecnologia. A antimatéria, por exemplo, tem a capacidade de liberar grandes quantidades de energia e, portanto, pode ser usada como fonte de combustível para a viagem espacial ou para a produção de energia. Além disso, a compreensão da razão pela qual a matéria prevaleceu sobre a antimatéria ainda tem muito para avançar.
Depois da descoberta do antielétron, muitas outras antipartículas foram descobertas e detectadas, e até átomos de antimatéria. Mas um mistério ainda persiste: Hoje a gente sabe que toda partícula tem sua equivalente de antimatéria, mas há muito mais matéria comum do que antimatéria no Universo.
E sabe por que tem mais matéria do que antimatéria no universo?
Ninguém tem a menor ideia!
