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Ciência de fronteira: como o estudo limite da física pode mudar as nossas vidas?
Matéria Escura
07 out 2020 | Por Vitor Cavalari (vitor.cavalari@usp.br)

No campo do abstrato, cruzar uma fronteira pode ser ultrapassar um limite ou alcançar o mais alto grau de algo. Uma definição possível seria que a ciência de fronteira é o conjunto de vertentes científicas que exploram assuntos limites sobre a vida e os elementos da natureza. Assim, a ciência de fronteira se propõe a alcançar um resultado inédito, uma outra forma de ver um objeto de pesquisa, que pode revelar algo inesperado. 

Esse termo não é algo novo, na verdade, o conceito já tem sido explorado há muito tempo pela ficção científica. Se você já assistiu a algum filme ou série sobre clonagem, viagem espacial, buracos negros, ou tantos outros mistérios da ciência, com certeza você está familiarizado com essa ideia. Na série Fringe (em português ‘Fronteiras’), criada por J.J. Abrams, esse é o nome da divisão especial de investigação do FBI destinada para tratar de casos que vão além do conhecimento policial. Cientistas e investigadores trabalham em conjunto para desvendar esses mistérios.

Um dos trunfos de Fringe é mostrar como diferentes áreas da ciência se relacionam. Isso é exemplificado já na abertura da série, que mescla diferentes conceitos científicos em um mesmo contexto.  

Psicocinesia, teletransporte, nanotecnologia, inteligência artificial, precognição e matéria escura são os temas abordados na abertura de 'Fringe'. [Imagem: Reprodução/ YouTube]

Psicocinesia, teletransporte, nanotecnologia, inteligência artificial, precognição e
matéria escura são os temas abordados na abertura de ‘Fringe’. [Imagem: Reprodução/ YouTube]

Embora alguns dos conceitos  pareçam distantes da realidade, como a psicocinesia, teletransporte e precognição; os outros, como a inteligência artificial, a nanotecnologia e a matéria escura são reais e atualmente estão sendo estudados. Hoje, já temos inteligência artificial nos celulares e em outros eletrônicos e a nanotecnologia já é usada, por exemplo, em secadores e em filtros solares. Por outro lado, a matéria escura é a que se destaca dentro desses conceitos: apesar de ser estudada na vida real, ela é ainda considerada um dos mistérios atuais da física. 

 

O que é a matéria escura?

A matéria escura existe além da ficção científica, é uma nuvem que circunda a maioria das galáxias e acrescenta gravidade a elas, explicando a diferença na velocidade orbital de estrelas distantes. Recebe esse nome devido à incapacidade de emitir ou absorver luz. Para o Prof. Dr. Laerte Sodré do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP), essa definição não é suficiente. Para ele, a matéria escura não interage com a luz, tampouco eletromagneticamente com outros astros. 

Dessa forma, a matéria escura está presente no universo, mas devido à sua natureza, ela forma halos, que são regiões específicas no universo, de maior densidade e com presença de matéria escura. A matéria bariônica, que é a matéria comum, aquela que constitui as coisas que conhecemos, está no centro desses halos de matéria escura. “Nessa perspectiva, a matéria escura seria constituída por um ou mais tipos de partículas. Se essas partículas teriam ou não uma outra forma de interação, isso não se sabe” explica Sodré.

Por outro lado, o Prof. Dr. Dimiter Hadjimichef do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) diz que para entender melhor sobre matéria escura, primeiro é preciso saber seu contexto. Na física, existe o Modelo Padrão, que descreve tudo o que conhecemos sobre a estrutura da matéria de uma forma organizada. O Modelo Padrão é muito abrangente e aborda tudo que já foi pesquisado em física, entretanto, ainda não é capaz de explicar a matéria escura. Por fugir das explicações atuais, ela é candidata para teoria da “Física Além do Modelo Padrão”.

 

A matéria escura e seu mistério

Hadjimichef também diz, que de acordo com o modelo Lambda-CDM, que representa o modelo de concordância da teoria do “Big Bang” que explica os fenômenos cósmicos, a idade do Universo é de 13.7 milhões e o conteúdo de matéria e energia do Universo atualmente consiste em 4,6% de matéria comum; 24% matéria escura fria e 71,4% de energia escura que acelera a expansão do universo. 

Portanto, a matéria comum, que está presente no nosso mundo, tem a menor porcentagem no universo, enquanto a matéria escura fria e a energia escura correspondem à maior parte. Isso é o que mais intriga os cientistas. Para Sodré, não existe uma relação entre energia e matéria escura e a última seria um tipo de partícula, enquanto a primeira, não. Tampouco há uma relação entre matéria escura e antimatéria, ainda não foi observada nenhuma característica que as relacione, apesar de seus nomes parecidos. Ainda não há um consenso entre os pesquisadores e o mistério sobre os conceitos é o que faz desse assunto tão fascinante.

Há, ainda, outra teoria, elucidada por Hadjimichef, de que a matéria escura poderia ser formada por mini buracos negros, quando formadas em energias muito altas no ambiente de grande densidade do Big Bang. Até o presente momento, nada foi detectado nas pesquisas feitas no Grande Colisor de Hádrons (LHC), no entanto este resultado negativo ainda não exclui a possibilidade e as pesquisas continuam. 

 

E a antimatéria nisso tudo?

Nas palavras do Prof. Claudio Lenz, doutor pelo Massachussets Institute of Technology (MIT), professor no Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) e pesquisador da  Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN), a antimatéria é um dos grandes mistérios atuais da física, junto com  a matéria escura, a energia escura e os neutrinos. Ele levanta os questionamentos: Por que o universo é feito de matéria? Por que a antimatéria desaparece em tudo isso? 

 

O que é antimatéria?

A antimatéria é o reverso da matéria. Ela é composta por antipartículas que compartilham as mesmas características de seu inverso, mas com carga elétrica oposta. A matéria e a antimatéria, quando se encontram, aniquilam-se porque matéria, massa e energia são interligadas. Imagine que matéria e antimatéria são compostas respectivamente por partículas e antipartículas, sempre aos pares e acompanhadas de massa e energia. Porém, elas não suportam a presença de sua oposta, só uma delas pode existir. Portanto, quando esses pares de reversos encontram-se, uma explosão acontece. Em outras palavras, matéria e massa aniquilam-se e a energia liberada foi o que restou daquela ligação citada acima. 

 

A pesquisa da antimatéria

O Prof. Lenz nos explica melhor sobre esse assunto e desvenda um pouco desse mistério. Em entrevista ao Laboratório, ele comenta que a pesquisa com antimatéria foi consequência de seu doutorado. “Os meus resultados no MIT foram o que me levaram a me juntar com um pessoal (no CERN) para estudar o anti-hidrogênio, numa época em que o anti-hidrogênio não existia.” O CERN é o maior complexo de aceleradores de partículas e centro de pesquisa do mundo. 

Lenz descreve seu experimento e diz que para aprisionar a antimatéria é preciso manter o antiátomo em ultra-alto vácuo, que é uma espécie de campo magnético. O motivo de toda essa cautela é evitar que a antimatéria encontre matéria. Com o antiátomo preso, os pesquisadores conseguem ter mais precisão na medida e observar melhor sua estrutura em comparação com a matéria comum. “Hoje, a nossa pesquisa, com 12 algarismos significativos é a mais precisa no estudo da antimatéria, batendo o recorde de todas as outras medidas já existentes” conta Lenz.

Acelerador de partículas para a pesquisa de antimatéria. [Imagem: Maximilien Brice/ CERN]

Acelerador de partículas para a pesquisa de antimatéria. [Imagem: Maximilien Brice/ CERN]

 

Antimatéria e seu mistério

No universo, as leis da física afirmam que foi criada praticamente a mesma quantidade de matéria e antimatéria. No entanto, não há evidência de sequer uma estrela feita de antimatéria — todas as galáxias, todas as estrelas, são de matéria. De acordo  o professor Lenz, a física não sabe o que é 95% da  composição do universo, que chamamos de matéria e energia escura, e a pesquisa pode influenciar muito a nossa compreensão sobre isso.

 

Antimatéria na ficção

Em Fringe, o cientista Walter Bishop (John Noble) cria uma bomba de antimatéria para ser usada como arma contra uma grande corporação. Na ficção de Dan Brown, o livro Anjos e Demônios conta sobre um cientista do CERN que consegue encontrar uma técnica de produzir grandes quantidades de antimatéria e armazená-las para produzir uma bomba. A ficção científica consegue abordar conceitos complexos de forma lúdica, mas de uma maneira um tanto simplificada. Lenz diz que uma bomba de antimatéria seria possível na vida real, caso existisse uma forma eficaz de aprisionar uma grande quantidade da mesma. Ao contrário do carvão ou do urânio, não existe uma mina de antimatéria. Consequentemente, para usá-la na Terra, é necessário produzi-la em um acelerador como é feito no CERN. 

Contudo, de acordo com Lenz, com o que o CERN produz de antimatéria em seus 60 anos de funcionamento, seria possível gerar uma fonte de calor para fazer um chá, para 30 convidados, por exemplo. “Para você ter noção, uma garrafinha magnética de meio quilo com antimatéria, se ela fosse aberta repentinamente ou jogada em algum lugar, a energia liberada equivaleria, instantaneamente, às doze turbinas de Itaipu pelo ano inteiro.” 

 

Antimatéria e possíveis usos 

Ainda, a antimatéria já pode ser vista na vida real e ela é usada na medicina, em um exame para detectar câncer que se chama Positron Emission Tomography (PET SCAN), tomografia por emissão de pósitrons, em português.  É um dos exames mais caros do mundo, porque além de antimatéria, usa pequenos cristais sensíveis a luz que captam raios gama que são liberados na aniquilação entre elétrons e antielétrons. Lenz explica que “o pósitron nada mais é que o antielétron, que é antimatéria, como ele possui uma carga menor é mais fácil produzi-lo. É o exame mais sensível para saber se uma pessoa tem metástase”. 

Outro uso possível seria como uma ótima fonte de energia. “A NASA considera a antimatéria como fonte de energia para uma viagem de ida e volta para o sistema solar”, afirma Lenz. Mais avanços como esse podem ser muito benéficos para sociedade e para o desenvolvimento da ciência como um todo.

 

A física e a revolução

Por fim, muitos questionamentos ainda permanecem. A matéria escura, apesar dos estudos conduzidos, continua um mistério, a antimatéria consegue ser aprisionada, mas não completamente domada. A natureza da energia escura ainda não foi descoberta. A física admite uma revolução no pensamento que podem mudar completamente a percepção da vida. 

 

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