A PARTÍCULA que decide quando o UNIVERSO ACABA

Um dia tudo o que nós conhecemos 
vai deixar de existir. Hoje o nosso universo é 
extremamente complexo e brilhante. Estrelas nascem e morrem. Planetas surgem e desaparecem. Buracos negros consomem matéria sem parar. Mas todo esse caos tem uma data de validade. Nós avançamos muito o nosso 
entendimento do futuro do universo e hoje nós temos uma boa 
ideia de como ser respondida. E ela mora no coração dos átomos, as 
peças que constroem toda a matéria. Você está olhando para o enigma agora. É essa 
partícula que decide quando o universo acaba. Mas vamos do começo. No final dos anos 1800 e início de 1900, 
os físicos estavam em uma corrida contra o tempo para investigar as propriedades da matéria os átomos que hoje você pode perguntar na rua e quase todo mundo vai saber o que são 
mal tinham sua existência confirmada Naquela época ainda era comum pensar em 
átomos como partículas sólidas e indivisíveis conceitualmente muito 
parecidas com bolas de sinuca mas perto da virada do século XX, 
J.J. Thomson descobriu a existência da primeira partícula subatômica, 
que recebeu o nome de elétron. Ou seja, o átomo não era mais tão simples assim. Foi mais ou menos nessa época que vários 
dos experimentos mais icônicos da história da física foram realizados, mas um deles 
é o mais importante para o vídeo de hoje. Vamos supor que você seja um 
físico no começo dos anos 1900. A comunidade acadêmica ainda acredita que 
o núcleo dos átomos é sólido e indivisível. Mas você suspeita que não? O que você faria? Foi mais ou menos essa a motivação 
que levou um físico chamado Ernest Rutherford a desenvolver o seguinte experimento. Partículas alfa eram jogadas em átomos de 
diversos gases e, caso a suspeita deles estivesse correta e fosse possível dividir um 
núcleo de átomos, alguma mudança nos átomos dos gases deveria ser observada. E de fato, foi isso que aconteceu. Rutherford sem querer observou a primeira 
reação nuclear artificial da história. E mais, ele usou nitrogênio como gás, que 
depois de ser atingido pela partícula alfa virou um átomo de oxigênio mais um próton. 
O que isso significa é que Rutherford não só comprovou que o núcleo atômico 
também é formado por partes menores, como também descobriu qual é uma dessas partes, que é justamente o próton. Mas o que ele não sabia nessa 
época, é que ele também tinha descoberto a partícula que 
decide quando o universo acaba. Os prótons estão em toda parte. Você é feito de 
átomos, e os átomos têm prótons nos seus núcleos. Mas até os prótons são formados por outras 
coisas ainda mais fundamentais, que nós chamamos de quarks. O próton é formado por três quarks, e até 
onde nós sabemos, eles são a coisa mais fundamental que existe no universo. Ou seja, diferente de todo o resto da 
matéria, quarks não são feitos de nada. Eles só são quarks. Mas como nós sabemos disso? Talvez você já tenha ouvido 
falar em decaimento radioativo. Mas caso não tenha, essa ideia é 
crucial para entendermos desde a estrutura da matéria até o fim do universo. Decaimento significa diminuição ou 
perda. Então, no mundo da física, o decaimento de partículas se 
refere a elas perderem algo. Beleza, mas o que exatamente uma 
partícula perde quando decai? No decaimento radioativo, a partícula 
original que sofreu o decaimento some. E no lugar dela aparecem partícula 
original ou estão relacionadas com as partículas que formam a original. Um bom exemplo é o decaimento 
alfa, que eu citei agora há pouco. Ele acontece quando núcleos 
atômicos muito grandes, como por exemplo o do urânio, se tornam instáveis. E aí, para recuperar a estabilidade, 
eles emitem um pedaço de si mesmos. Esse pedaço é feito de dois prótons e 
dois nêutrons, que é um átomo de hélio. Essa é a partícula alfa. É como se 
o urânio estivesse quebrando aos poucos. E a partir daqui nós podemos ter um 
efeito em cascata, porque até os prótons e nêutrons que compõem esses núcleos podem decair. E uma maneira disso acontecer é através do decaimento beta mais do nêutron. Quando ele 
acontece, um nêutron se transforma em um próton, emitindo um elétron e uma partícula chamada 
antineutrino no processo. O que isso tudo quer dizer é que até as partículas que 
formam os átomos podem mudar com o tempo. E o que essas mudanças revelam é que existe alguma 
coisa dentro dessas partículas que pode mudar. Em outras palavras, existe algo ainda menor do que 
prótons e nêutrons que formam essas partículas. Esses são os quarks. A maior parte das partículas que nós conhecemos 
são compostas de quarks, e elas recebem até um nome especial, barion. Um exemplo de barion que já apareceu aqui 
nesse vídeo é o nêutron, que possui três quarks, dois do tipo down e um do tipo up. Os prótons também são barions, compostos 
de dois quarks up e um quark down. E aqui aparece uma das primeiras 
espécies de hierarquia. Partículas compostas podem se desfazer 
em partículas mais fundamentais. E esses decaimentos não 
ocorrem de forma aleatória. Eles seguem regras fundamentais da física 
conhecidas como leis de conservação. Um exemplo famoso dessas leis é 
a lei da conservação de energia, que garante que a energia total antes e 
depois de um decaimento permanece constante. Já a conservação do momento linear assegura que 
o movimento total do sistema vai ser mantido, enquanto a conservação da carga elétrica 
impede que cargas surjam ou desapareçam do nada. E por fim, a conservação do número bariônico, 
que é uma quantidade conservada associada às partículas compostas por três 
quarks, como prótons e nêutrons. Cada bárion recebe valor mais 
um e cada antibárion menos um. Essa conservação impede que bárions 
simplesmente desapareçam sem deixar rastros. A soma total do número de bárions tem que ser a 
mesma antes e depois do decaimento radioativo. É essa lei que força nêutrons a 
decaírem em prótons, por exemplo. Um nêutron não poderia virar um conjunto 
de elétrons e antielétrons de carga total neutra, porque isso violaria a 
conservação do número de barions. As leis da conservação garantem que, mesmo 
durante transformações aparentemente caóticas, certas propriedades fundamentais 
do sistema permaneçam constantes. E quem dita essas regras é o 
modelo padrão de partículas. A teoria que descreve com enorme precisão as partículas fundamentais e as 
forças que agem entre elas. Mas sabe quem pode não obedecer 
todas essas regras de decaimento? Ele mesmo! O próton. Até onde nós sabemos, o próton é estável. O que isso significa na prática é que um 
próton sozinho no universo nunca decai. Até onde nós sabemos, alguns dos prótons que estão no seu corpo nesse momento foram 
formados no começo do universo. Prótons são imortais. E só pra ser mais preciso, porque eu sei 
que vai ter gente que vai comentar isso, prótons dentro de núcleos 
atômicos podem virar nêutrons. Mas isso é mais uma mudança do núcleo atômico 
como um todo do que a de um próton individual. Prótons sozinhos parecem imunes ao 
decaimento, e é justamente essa imunidade que decide quando o universo acaba. A pulga atrás da orelha sobre 
o possível decaimento do próton apareceu em 1967, quando o físico soviético 
Andrei Sakharov propôs uma ideia ousada. E se, assim como outras partículas, 
o próton também pudesse decair? Na teoria, esse decaimento aconteceria 
em etapas, exatamente como os outros. O próton, que é uma partícula composta 
por três quarks, poderia ficar instável em certas condições, carregando energia o 
suficiente para se transformar em partículas mais leves. Até aí, parece natural. Se tantas partículas conhecidas são 
instáveis, por que o próton seria diferente? A resposta é que nem tudo 
no universo é tão simples. Não existe nenhuma forma de um próton 
solitário decair e conservar carga, número bariônico ou energia ao mesmo tempo. Ou seja, dentro do modelo padrão da física, 
o decaimento espontâneo do próton não deveria acontecer. Ele é proibido. Mas mesmo assim, alguns físicos gostariam que o 
próton decaísse, porque o modelo padrão, apesar de extremamente 
bem-sucedido, não responde tudo. Ele não explica, por exemplo, a gravidade. E isso é bem grave. Não, essa piada não, já é terceiro 
vídeo que eu faço essa piada. Mas ao mesmo tempo, ele é tão bom que 
é difícil de achar limites do modelo padrão pra começar a desenvolver teorias melhores. Se o próton decair, isso seria um 
excelente ponto de partida para uma nova teoria física ainda 
melhor que o modelo padrão. E uma das alternativas, que são as 
chamadas teorias da grande unificação, prevém o decaimento do próton. Como o nome diz, essas teorias juntam a 
gravidade com as três forças do modelo padrão. E o próton decair seria uma excelente evidência 
a favor dessas teorias de grande unificação. E mais do que isso, se o próton decair, 
o universo vai acabar antes do esperado. Mas você vem e trabalha a segunda, né? Até então, vários experimentos da física buscaram 
pelo decaimento do próton, sem nenhum sucesso. Mas todas essas falhas indicam 
que, se o próton decair, o seu tempo médio de vida é de 10 bilhões 
de trilhões de trilhões de anos. 10 elevado a 34. Ou seja, quando o universo tiver essa 
idade, os prótons vão começar a decair. Não todos de uma vez, mas aos poucos, 
de uma forma quase imperceptível. Uma instabilidade fundamental no coração da 
matéria, se desfazendo partícula por partícula. Mas e aí, o que aconteceria com o universo, 
com as estrelas, e com tudo que nós conhecemos? Para responder essa pergunta, vamos imaginar 
duas situações com duas estrelas diferentes. A primeira é uma nã branca, o 
resto de uma estrela como o Sol, agora sustentada pelo fato de que existe um limite 
do quanto nós podemos comprimir elétrons juntos. Sim, isso existe. Esse tipo de 
estrela não faz mais fusão nuclear. O seu brilho vem apenas do calor residual, 
que lentamente vai se dissipando pelo espaço. Mas dentro delas, os núcleos atômicos, que até então estavam estáveis, começam a se 
desintegrar conforme os prótons vão decaindo. E esse processo libera partículas de alta energia. E como essas estrelas são extremamente 
densas, essas partículas podem levar até 100 mil anos pra conseguir escapar do 
interior da anã branca na forma de luz. E mesmo quando isso acontecer, o 
brilho causado pelo decaimento dos prótons é extremamente fraco, 
comparável a uma lâmpada da sua casa. E com esse último sopro, a estrela perde a energia que precisava 
pra se sustentar e continuar brilhando. Ela colapsa para uma bola de ferro fria 
e escura. Mas como o ferro é formado também por nêutrons e prótons, que também vão 
decair, a estrela lentamente vai desaparecendo. Se os prótons não decaírem, essas 
estrelas são muito estáveis. Em teoria, elas poderiam durar pra 
sempre no seu último estágio de vida. Mas caso os prótons decaiam, algo 
parecido vai acontecer com os outros habitantes finais do universo, 
que são as estrelas de nêutrons. As estrelas de nêutrons carregam a massa de um sol inteiro e uma esfera de 
poucos quilômetros de diâmetro. Imaginem pegar toda a massa do sol e compactar numa esfera mais ou menos do 
tamanho de Balneário Camboriú. É bem denso. também tem uma 
densidade limite. Estrelas de nêutrons são basicamente uma 
estrela de matéria nuclear. De fato, o material mais denso do universo. Tirando o buraco negro, mas 
buraco negro não conta, né? Tipo, eles estremam em tudo. Mas mesmo aqui, parte da estrutura 
ainda é feita de prótons e elétrons. E os prótons vão decair. a 
estrela perde a gravidade e se expande. Os nêutrons compactados que 
sustentam a estrutura perdem coesão, e aí eles se tornam instáveis 
dentro dessa estrela. Nêutrons decaem em prótons, 
que por sua vez, também decaem. E assim como as anãs brancas, as estrelas de nêutrons também se apagam e 
evaporam através do deca que o próton decai, o final do universo é um vazio 
de radiação de baixa energia, com algumas bolas de ferro ainda 
evaporando pelo decaimento do próton, e buracos negros evaporando por radiação, Hawking. Mesmo os buracos negros vão 
deixar de existir em algum ponto, e se os prótons decaixa 
energia, no qual nada acontece. Minha vida aos domingos. Mas… E se os prótons forem eternos? No sentido de não decaírem? A física do nosso tempo ainda 
não pode responder com certeza. Talvez em algum momento, os experimentos que buscam sinais do decaimento do 
próton revelem algo inesperado. Mas se os prótons realmente forem 
imortais, o destino do universo muda. A matéria, em teoria, poderia durar muito tempo. As estrelas, ainda que não 
morram por decaimento do próton, vão continuar a morrer por 
exaustão de combustível. A fusão nuclear que alimenta 
as estrelas se tornaria um cemitério congelado de anãs brancas e 
estrelas de nêutrons já sem energia. Restos de ferro e matéria nuclear 
apagados passaria a ser o único resto de matéria depois do fim 
dos buracos negros e galáxias. Mesmo em um universo onde a matéria 
persáxias distantes, estrelas congeladas no tempo e planetas abandonados, cada um orbitando 
sua estrela morta em um silêncio profundo e irreversível. Mas mesmo nesse silêncio quase 
eterno, tem uma coisa acontecendo. Essas bolas de ferro não são perfeitas. 
E a cada milhões ou bilhões de anos, alguns poucos átomos de ferro caem alguns 
centímetros mais pra dentro do resto estelar. E aos poucos, cada um desses restos 
está aumentando sua densidade, e sem nada pra impedir que 
isso continue acontecendo, as últimas estrelas de ferro 
do universo vão virar buracos negros em um colapso estelar em câmera lenta. Esse colapso final em buracos negros demora 
na ordem de 10 elevado a 10 elevado a 70 anos. Isso é o número 1 seguido de 70 zeros. 
E aí você faz 10 elevado a esse número. Isso é uma quantidade inimaginável de 
tempo. E depois desse colapso acontecer, ainda é necessário que esses buracos negros no fim do universo evaporem antes 
que o universo acabe de vez. Ou seja, se o próton não decair, ainda faltam 
10 elevado a 10 elevado a 100 anos até o final do universo pra valer. E se esse dia chegar, nós estaremos no ponto 
no qual tudo que resta é radiação de baixa energia. Nada mais poderia acontecer no nosso universo. Ele estaria imerso em uma 
espécie de morte térmica, em que temperatura, energia e a vida 
se dissipam de forma irreversível. Mas mesmo nesse cenário, uma 
última coisa aconteceria. Uma última transformação de natureza cósmica. O aumento da entropia seria a 
verdadeira marca da morte do universo. E essa morte não seria uma 
destruição cataclísmica. Ela não seria uma explosão de caos ou violência. Ela seria uma morte bem silenciosa. No fim das contas, o universo 
talvez não termine com um grito. E sim, com um sussurro. Uma partícula que parecia 
eterna pode um dia desaparecer, levando com ela tudo que nós conhecemos. Talvez 
a gente nunca possa observar um próton decaindo. Talvez o próton nem decaia. Mas só o fato de que isso pode acontecer já 
muda completamente a nossa visão do tempo, da existência e até do nosso lugar nisso tudo. A física às vezes não responde todas as perguntas. Mas tudo bem, porque ela nos ensina a fazer as perguntas certas. E quando 
nós olhamos para o próton, que é essa partícula tão pequena, 
mas tão cheia de significado, nós entendemos que até o menor detalhe pode carregar o destino de 
todo o universo dentro dele. Muito obrigado. E até a próxima.