Uma Hora de Mistérios Alucinantes Sobre o Átomo

Você já parou para pensar nos mistérios por trás dos átomos que compõem tudo ao nosso redor? De onde vem a energia que faz os elétrons girarem em torno do núcleo? Como foi que o primeiro átomo surgiu? Será que os átomos realmente se tocam? Dois átomos de oxigênio, por exemplo, são exatamente iguais. E será que um átomo tem cor? Por que os prótons que têm cargas positivas não se repelem dentro do núcleo? Se os átomos são quase todos feitos de espaço vazio, por que conseguimos tocar nas coisas? E por átomos se juntam para formar moléculas? O que acontece com seus átomos depois que você morre? Será que eles duram para sempre? Uma estrela de nêutron seria um átomo gigante? E se o universo inteiro for, na verdade, um átomo? Essas perguntas são fascinantes e hoje vamos mergulhar nelas para tentar entender melhor o universo em que vivemos, começando por uma das mais curiosas, de onde vem a energia dos elétrons que giram em torno do núcleo de um átomo? Quando a gente pensa num átomo, é comum imaginar um núcleo bem pequeno e denso no centro, cercado por elétrons que se movem rapidamente ao redor. Mas essa imagem levanta uma dúvida importante, como esses elétrons continuam girando sem perder energia e cair no núcleo? Esse enigma foi uma dor de cabeça real para os físicos no começo do século XX. Foi inclusive um dos gatilhos que levaram à criação da mecânica quântica. Na época, os cientistas já sabiam que os átomos tinham um núcleo carregado positivamente e que a maior parte da massa estava concentrada ali. Em volta, orbitavam elétrons bem menores e com carga negativa. Buscando entender melhor essa estrutura, os cientistas se inspiraram no modelo do sistema solar, o sol no centro com os planetas girando ao redor, mas logo perceberam que esse modelo tinha sérios problemas. Primeiro, partículas carregadas, como os elétrons, ao se moverem em curva, ou seja, acelerarem, devem emitir radiação eletromagnética. Isso significa que estariam constantemente perdendo energia. Se fosse assim, eles deveriam rapidamente espiralar em direção ao núcleo e colidir com ele. Mas sabemos que isso não acontece. Os átomos são estáveis e duram muito mais que frações de segundo. Além disso, os átomos emitem radiação apenas em frequências específicas e bem definidas. Se o modelo fosse parecido com o do sistema solar, a radiação emitida deveria ser contínua sem essas faixas discretas. A grande virada veio em 1913, quando o físico dinamarquês Neils Bore propôs um novo modelo para o átomo. Ele sugeriu que os elétrons só poderiam ocupar certas órbitas bem definidas, como degraus em uma escada, e que não poderiam existir entre esses níveis. Além disso, havia uma órbita mínima, a mais próxima possível do núcleo. Os elétrons não poderiam simplesmente cair para dentro dele. A ideia de Bor se baseava nos estudos do físico alemão Max Plunk, que alguns anos antes já havia proposto que a energia não é contínua, mas sim quantizada, ou seja, só pode ser absorvida ou emitida em pacotes específicos. Esses pacotes são determinados por uma constante fundamental da natureza, a constante de Plank. Boor aplicou esse conceito ao movimento dos elétrons. Ele afirmou que a menor órbita possível teria um momento angular igual exatamente a uma constante de planque. As outras órbitas possíveis seriam múltiplos inteiros deste valor, duas vezes, três vezes e assim por diante, mas nunca frações como 1,3 ou 2,6 vezes. Essa foi uma das primeiras grandes vitórias da mecânica quântica e só o começo de uma revolução no modo como enxergamos o universo. Para entender de verdade porque os elétrons ocupam órbitas específicas e possuem níveis de energia bem definidos, a gente precisa entrar de cabeça na mecânica quântica. Não tem jeito. É que os elétrons, assim como outras partículas de matéria, não se comportam apenas como bolinhas girando por aí. Eles também têm comportamento de onda. Isso mesmo. O elétron é ao mesmo tempo uma partícula e uma onda. E isso muda tudo. Em vez de imaginar o elétron como um mini planetinha girando ao redor do núcleo, como num sistema solar em miniatura, dá para pensar nele como uma onda que envolve o núcleo. E ondas que ficam presas num espaço limitado, como nesse caso, seguem regras bem específicas. Elas não podem ter qualquer comprimento de onda. Só são permitidas aquelas que encaixam perfeitamente no espaço, as chamadas ondas estacionárias. Quer um exemplo fácil de visualizar? Pensa numa corda de violão. Quando você prende as duas extremidades da corda e toca, só determinados comprimentos de onda vibram de forma harmônica e são esses que produzem as notas musicais. O mesmo vale para o elétron. Para que sua onda funcione ao redor do núcleo, ela precisa caber certinho naquele espaço. A primeira órbita possível é justamente aquela que permite a primeira onda estacionária do elétron. Com o tempo, os avanços da mecânica quântica foram refinando essa ideia, mas o ponto central continua valendo. O elétron não pode se aproximar indefinidamente do núcleo. As próprias regras da física quântica impedem isso. É como se ele tivesse um limite de aproximação natural e simplesmente não conseguisse passar dali. Mas existe também outra forma mais clássica de pensar nisso, que não depende da mecânica quântica. Nessa visão, a gente analisa a energia envolvida. Um elétron que orbita o núcleo está sendo constantemente puxado pela força elétrica do núcleo, que o atrai para mais perto. Ao mesmo tempo, ele tem energia cinética que o impulsiona para longe. Um átomo estável, portanto, é resultado de um equilíbrio delicado entre essas duas forças. Curiosamente, a energia total do elétron nesse estado, somando a energia cinética e a energia potencial, é negativa. Isso significa que o elétron está preso ao átomo. Para tirá-lo de lá, você precisa adicionar energia. É o mesmo raciocínio usado para explicar porque um planeta não escapa da gravidade do Sol. Ele também está ligado gravitacionalmente ao sistema e só sai dali se ganhar um empurrão energético considerável. Dá para imaginar esse processo como se o elétron estivesse caindo em direção ao núcleo, mas fosse impedido de chegar lá pelas leis da mecânica quântica. Ele fica preso, girando, orbitando, mas nunca colide com o núcleo. E isso é completamente permitido pela física, porque essa energia total negativa representa um sistema estável. É justamente o que mantém os átomos unidos e funcionais. Você, eu, o planeta inteiro e tudo que você vê ao seu redor, tudo é feito de átomos. E para te dar uma noção do quanto isso é gigantesco, estima-se que existam mais de 10 quadrilhões de vigintilhões de átomos no universo observável. Isso é o mesmo que o número um seguido de 78 zeros. Os átomos são estruturas minúsculas compostas por elétrons com carga negativa, prótons com carga positiva e nêutrons que são neutros. E esses, por sua vez, são feitos de partículas ainda menores, os quarks. Os quarks são divididos em seis categorias, os quarks up, down, charm, strange e os top e bottom. Mas de onde veio tudo isso? A resposta mais aceita pela ciência atualmente está na teoria do Big Bang, que explica a origem do universo. De acordo com ela, o universo começou com uma explosão colossal de energia concentrada que deu início ao tempo, ao espaço e eventualmente à matéria. Mas calma, a formação dos átomos não foi imediata nem simples. O processo foi muito mais complexo e cheio de etapas. Para entender como os átomos surgiram, a gente precisa olhar com atenção para os primeiros instantes do universo, aqueles segundos iniciais após o Big Bang, quando tudo era um caos de partículas e energia em temperaturas absurdamente altas. E é aí que começa uma das histórias mais impressionantes da ciência. Infelizmente, ainda não sabemos ao certo quando o universo começou e nem se ele realmente teve um começo. O nosso melhor modelo atual, conhecido como modelo padrão da cosmologia, nos permite retroceder bastante no tempo até momentos incrivelmente próximos do suposto início de tudo. Mas quando tentamos chegar no exato instante zero conhecido como t = 0, nos deparamos com um obstáculo teórico, a famosa singularidade. Segundo as equações, nesse momento, toda a matéria e energia do universo estariam comprimidas em um único ponto com densidade infinita. Mas convenhamos, infinito geralmente significa que a matemática está nos dizendo daqui para frente esse modelo não funciona mais. E de fato, a maioria dos físicos acredita que essa ideia da singularidade não descreve a realidade com precisão. Na prática, conseguimos voltar até cerca de 10 elevado a men3 segundos depois do início. Esse instante é conhecido como o tempo de Plunk. E antes disso, bom, a ciência ainda caminha no escuro. O problema é que para entender o que aconteceu nessa escala absurdamente pequena de tempo, precisamos de uma teoria que una duas áreas que ainda não se dão muito bem: a gravidade, que explica o funcionamento do universo em grande escala, e a mecânica quântica, que lida com o comportamento das partículas minúsculas. Essa união ainda é um desafio aberto na física, o que chamamos de gravidade quântica. A primeira fase do universo, chamada de época de Plank, aconteceu justamente nesse limite de 10 elevado a menos 43 segundos. Os cientistas acreditam que nesse período todas as forças fundamentais da natureza, a gravidade, o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte estavam unificadas em uma única força primordial. Quando tentamos montar uma linha do tempo do Big Bang, começamos antes da época de Plunk, ajustando o relógio teórico para zero. Mas vale lembrar, isso não é exatamente t = a 0, pois queremos evitar a tal singularidade. O que havia nesse ponto e antes dele, permanece um mistério completo. O primeiro evento sobre o qual temos alguma base teórica é o chamado período inflacionário, que começou por volta de 10 elevado a men- 36 segundos e durou até cerca de 10 elevado a -3 segundos após o Big Bang. Durante esse intervalo minúsculo, o universo passou por uma expansão absolutamente insana, tão rápida que ele cresceu de algo subatômico até algo com o tamanho aproximado de uma laranja. Sei que falando assim não parece nada impressionante, mas lembre-se, estamos falando de algo subatômico, ou seja, muito menor que um átomo. E isso em menos de uma fração de trilionésimo de segundo. Parece loucura, né? Mas é o que as evidências sugerem. E não, isso não viola a regra de que nada pode viajar mais rápido que a luz. Essa restrição vale para coisas que se movem dentro do espaço. No caso da inflação cósmica, quem está se expandindo é o próprio espaço. E ele pode sim crescer mais rápido que a luz, porque não está carregando informação nesse processo. Grande parte do que sabemos hoje sobre a origem do universo vem justamente do que aconteceu depois da inflação. Por isso, os cosmólogos preferem pensar no Big Bang, não como um ponto explosivo de origem, mas como um período de transição em que o universo ficou extremamente quente, denso e começou a se expandir rapidamente. Ou seja, o Big Bang descreve tudo o que aconteceu após o misterioso T = 0. A inflação, segundo os modelos atuais, durou do instante 10 elevado-36 segundos até cerca de 10 elevado-3 segundos. Mas ainda não sabemos de onde veio exatamente a energia que causou essa expansão tão rápida. E pior, a inflação foi tão eficaz que apagou qualquer vestígio do que havia antes dela. Tudo o que poderia nos contar essa história desapareceu. Já a partir de 10 elevado a menos 12 segundos, entramos em uma fase em que conseguimos estudar com muito mais confiança. Isso porque a partir desse ponto, os níveis de energia do universo são compatíveis com o que conseguimos simular hoje em aceleradores de partículas, como o LHC. Antes disso, entre 10 elevado-33 e 10 elevado-1 segundos, ainda estamos em território especulativo. Nesse intervalo, as quatro forças da natureza ainda não haviam se separado completamente. A gravidade, a força forte e a força eletrofaca, que unia o eletromagnetismo com a força fraca, ainda estavam em processo de separação. o universo se organizando pouco a pouco até formar o que conhecemos hoje. A origem exata das primeiras partículas fundamentais, aquelas sem massa logo após o surgimento do universo, ainda é um mistério para os cientistas. Porém, existem algumas hipóteses. Uma delas propõe que essas partículas surgiram diretamente da energia liberada no caos do Big Bang. Outra sugere que elas vieram do chamado campo inflacionário, que continha partículas hipotéticas chamadas inflatons. Quando esse campo perdeu energia, ele teria decaído e dado origem às partículas fundamentais que conhecemos hoje. Por volta de 10 elevado a men1 segundos após o Big Bang, a temperatura do universo já havia caído para cerca de 1 quadrilhão de graus. Foi nesse momento que teve início a chamada época dos quarks. Nesse estágio, as forças eletromagnética e a nuclear fraca começaram a se separar. Esse processo é conhecido como a quebra da simetria eletrofraca. É também aqui que entra em cena o famoso campo de Higs, que passa a ter um valor diferente de zero. Isso é crucial porque é a partir desse momento que as partículas fundamentais começam a ganhar massa, conforme previsto pelo modelo padrão da física. Ou seja, a partir daqui, os ingredientes essenciais para a formação dos átomos já estavam disponíveis no universo e ele ainda fervia a temperaturas absurdamente altas. Mesmo assim, ainda era cedo para a formação dos átomos em si. A temperatura era tão extrema que os quarks não conseguiam se unir para formar partículas maiores, como os radrons, grupo que inclui prótons e nêutrons. Mas à medida que o universo continuava se expandindo e esfriando, as coisas começaram a mudar. Cerca de 10 elevado a men5 segundos após o Big Bang, quando a temperatura caiu para cerca de 1 trilhão de graus, o plasma de quarques começou a se transformar em um gás de rádrons. Foi aí que os prótons, nêutrons e alguns mesons começaram a surgir, embora os mesons, por serem instáveis, logo decaíssem em partículas mais leves, como fótons e elétrons. Conforme a temperatura seguia caindo, partículas e antipartículas começaram a se aniquilar mutuamente. Esse processo gerava pares de partículas cada vez mais leves, como neutrinos e fótons. Mas havia um detalhe fundamental. Essa aniquilação não foi perfeitamente simétrica. Houve uma leve vantagem da matéria sobre a antimatéria, um pequeno excesso de quarks e elétrons que escaparam da destruição total. Foi essa a simetria sutil que salvou a matéria e permitiu a existência do universo como conhecemos. Esse processo culmina na chamada época dos leptons, que ocorre cerca de um segundo após o início do universo, quando a temperatura já caiu para aproximadamente 5 bilhões de graus. Durante essa fase, os leptons, como os elétrons e neutrinos, passam por seu próprio processo de aniquilação. Ao final, a maior parte das partículas de matéria já havia se transformado em fótons e neutrinos que continuam vagando pelo universo até hoje. Mas graças à aquela pequena assimetria entre matéria e antimatéria, uma fração de prótons, nêutrons e elétrons sobreviveu. E seriam justamente esses os tijolos básicos que formariam os primeiros átomos. Alguns minutos depois do Big Bang, começa uma das fases mais importantes da formação do universo, a nucleossíntese primordial, ou BBN, Big Bang Nucleossínteses. É nesse momento que os prótons e nêutrons, agora presentes em quantidades quase iguais, começam a se juntar para formar os primeiros núcleos atômicos. Mas os nêutrons livres são instáveis. Se não forem rapidamente capturados por outros adrons, eles se desintegram 15 minutos virando prótons. No início, como o universo ainda estava quente, havia equilíbrio entre a conversão de prótons em nêutrons e vice-versa. Mas com o resfriamento, os nêutrons começaram a decair mais rapidamente e só os que conseguiram se unir com prótons a tempo formaram núcleos estáveis. O resultado? O universo passou a conter aproximadamente 75% de núcleos de hidrogênio, um próton sozinho, e 25% de núcleos de hélio 4, formados por dois prótons e dois nêutrons. Pequenas quantidades de deutério, hélio3 e traços de lítio também foram formadas. Nesse ponto, o universo era composto por uma sopa de núcleos atômicos ionizados, ou seja, ainda sem elétrons ligados. Para formar átomos neutros e estáveis, os elétrons precisariam se juntar a esses núcleos. Mas havia um problema. O universo ainda estava quente demais. Sempre que um elétron tentava se ligar a um núcleo, a radiação ao redor era tão intensa que o separava imediatamente. O resultado? Um universo ainda opaco, onde a luz, no caso os fótons, não conseguia viajar livremente. Ela era constantemente absorvida e reemitida por elétrons e núcleos, como se estivesse tentando atravessar uma multidão densa e caótica. A chamada época dos fótons durou cerca de 380.000 anos após o Big Bang. Durante todo esse tempo, o universo era quente demais para que os elétrons conseguissem se unir de forma estável aos núcleos atômicos. Mas quando a temperatura caiu para aproximadamente 2726ºC, tudo mudou. Foi aí que os elétrons perderam energia suficiente para que a força eletromagnética pudesse finalmente prendê-los de forma estável aos núcleos, um processo conhecido como recombinação. Pela primeira vez, os átomos neutros começaram a se formar de verdade. E esse evento teve uma consequência espetacular. Os fótons, partículas da luz, que antes estavam aprisionados num universo caótico, colidindo o tempo todo com elétrons e prótons, finalmente ficaram livres para viajar. A partir desse momento, a luz pôde se espalhar pelo universo sem mais ser constantemente absorvida e reemitida. A névoa cósmica se dissipou. Se estivéssemos lá, seríamos capazes de ver essa luz. E o mais incrível, essa luz ainda está aí viajando pelo cosmos há bilhões de anos. Hoje a detectamos como a famosa radiação cósmica de fundo em microondas ou simplesmente CMB. Ela vem de todas as direções do espaço e é uma das evidências mais fortes da teoria do Big Bang. É como uma fotografia do universo quando ele tinha apenas 380.000 anos e nos ajuda a entender não só como os primeiros átomos se formaram, mas também como o próprio cosmos evoluiu. [Música] Essa pergunta parece simples, mas esconde uma resposta bem mais complexa do que a gente imagina. No nosso dia a dia, temos uma noção clara do que significa tocar, colocar uma xícara na mesa, pisar na grama, tocar outra pessoa. Em todas essas situações, entendemos que há um contato direto entre superfícies. A borda da xícara encosta na mesa, a sola do pé toca a grama e por aí vai. Mas quando a gente entra no mundo microscópico, essa lógica não funciona tão bem. Se pudéssemos dar um zoom até o nível atômico, veríamos algo bem diferente, um verdadeiro caos em miniatura. Átomos e moléculas estão em constante movimento, colidindo, vibrando, girando. É um cenário agitado, quase como uma dança caótica. E aqui vem o ponto chave. Os átomos não têm uma superfície definida. No centro de cada átomo existe um núcleo composto por prótons e nêutrons, e ao redor dele ficam os elétrons, mas não em órbitas fixas como planetas ao redor do Sol. Em vez disso, temos nuvens de probabilidade, regiões onde é mais provável encontrar um elétron. É a mecânica quântica que nos permite calcular essas regiões, mas não com precisão absoluta, apenas com probabilidades. Isso significa que os elétrons não estão presos a trajetórias exatas. Eles podem estar em vários lugares ao mesmo tempo em termos probabilísticos, o que faz com que o átomo não tenha uma borda sólida. Por isso, não existe um toque literal entre átomos, pelo menos não como o que experimentamos no mundo macroscópico. Mas então, os átomos nunca se tocam? Bem, depende do que você entende por tocar. Mesmo sem um contato físico direto, os átomos interagem o tempo todo e essa interação é mediada pela força eletromagnética, que surge da repulsão e atração entre cargas elétricas. Quando dois átomos se aproximam, os elétrons na camada externa de um átomo repelem os elétrons do outro, criando uma força de resistência. Essa repulsão é tão forte que impede que os átomos se penetrem. É por isso, por exemplo, que uma xícara não atravessa a mesa. Se você olhar bem de perto, no nível atômico, verá que os elétrons da xícara e da mesa estão muito próximos, mas não se encostam de fato. Ainda assim, a força entre eles é suficiente para manter a xícara apoiada, como se houvesse um contato firme. Nesse sentido, mesmo sem encostar fisicamente, os átomos estão em contato, estão influenciando uns aos outros, estão, de certo modo, tocando. No nosso cotidiano, quando dizemos que dois objetos estão se tocando, geralmente estamos nos referindo ao contato físico direto. Mas na verdade, o que está acontecendo lá no nível microscópico é uma interação eletromagnética entre os átomos desses objetos. E o mais interessante, no mundo atômico, tocar pode significar muito mais do que só se aproximar. Apesar de muitas vezes a força eletromagnética entre os átomos ser repulsiva, principalmente entre os elétrons de suas camadas externas, nem toda interação eletromagnética afasta. Existem situações em que essa força contribui para a atração entre átomos. Um exemplo clássico é a força de Verwalls, um tipo de atração fraca, mas suficiente para aproximar átomos e fazer com que eles se grudem temporariamente ou em certos casos formem moléculas. E aí sim, quando falamos de moléculas podemos dizer com certeza que os átomos estão em contato real. Eles compartilham elétrons, formam ligações químicas e passam a agir como uma unidade. Mas o toque atômico pode ir ainda mais longe. Mesmo os núcleos dos átomos, que são regiões superdensas, compostas por prótons e nêutrons, podem se fundir, embora isso seja extremamente difícil. Afinal, os prótons têm cargas positivas e naturalmente se repelem com força. A repulsão eletromagnética entre eles é tão intensa que é necessário um empurrão energético gigantesco para que dois núcleos cheguem perto o suficiente para se tocar. É aí que entra a mecânica quântica. Ela prevê que se dois átomos forem forçados a se aproximar por tempo suficiente e sob condições adequadas, existe uma pequena chance estatística, mas real. de que seus núcleos ultrapassem essa barreira de repulsão e se fundam. Esse fenômeno é conhecido como fusão nuclear. Quando isso acontece com átomos leves, como o hidrogênio, o resultado é a criação de um átomo maior e como bônus a liberação de uma quantidade enorme de energia. Esse é o segredo por trás da energia que alimenta as estrelas, incluindo o nosso sol. O calor e a luz que sentimos vem literalmente da fusão de núcleos atômicos. Pode parecer que sim. Afinal, se são do mesmo elemento, deveriam ser iguais, certo? Mas a resposta correta é não necessariamente. Dois átomos de um mesmo elemento podem ter diferenças sutis, principalmente quando a gente olha mais de perto para os estados em que seus elétrons se encontram. Por exemplo, imagine dois átomos de cobre. Em um deles, todos os elétrons estão em seus estados fundamentais, ou seja, nos níveis mais baixos de energia. No outro, um dos elétrons foi excitado. Ele absorveu energia e pulou para um nível mais alto. Esses dois átomos são do mesmo elemento, mas não se comportam da mesma maneira. O átomo com o elétron excitado pode emitir luz ao voltar para o estado original. Já o outro no estado fundamental permanece quieto. Essa diferença influencia diretamente na forma como os átomos interagem quimicamente. Por isso, os químicos sempre consideram os estados eletrônicos dos átomos ao prever ou estudar reações. Além disso, nem sempre um átomo tem exatamente o mesmo número de prótons e elétrons. Um átomo neutro, sim, mas se ele perder ou ganhar elétrons, torna-se um íon, on. que muda completamente seu comportamento químico. Mas vamos além. Mesmo que dois átomos estejam com os mesmos estados eletrônicos e sejam neutros, ainda assim podem ser diferentes. Um fator que influencia é o movimento. Um átomo em movimento rápido, como em uma substância no estado gasoso ou líquido, não consegue formar ligações estáveis tão facilmente quanto um átomo mais lento, como os que estão num estado sólido. A temperatura do ambiente, portanto, afeta diretamente o modo como os átomos se comportam e reagem. E se a gente padronizar tudo, dois átomos com os mesmos estados eletrônicos, a mesma velocidade de movimento e rotação seriam idênticos agora? Quase. Mas ainda falta um detalhe importante. O núcleo. O núcleo do átomo é composto por prótons e nêutrons. Todos os átomos de um mesmo elemento t o mesmo número de prótons, mas podem ter diferentes números de nêutrons. Esses primos do mesmo elemento são chamados de isótopos. Quimicamente, os isótopos se comportam de forma parecida. Eles fazem as mesmas ligações, participam das mesmas reações. Mas em processos nucleares, como decaimento radioativo ou fusão, o número de nêutrons faz toda a diferença. Portanto, mesmo quando dois átomos parecem idênticos por fora, eles podem guardar diferenças fundamentais por dentro. As reações nucleares mais comuns aqui na Terra variam bastante entre diferentes isótopos de um mesmo elemento. Alguns isótopos são estáveis e não sofrem alterações ao longo do tempo. Outros, no entanto, decaem rapidamente, transformando-se em outros elementos e liberando radiação nesse processo. Essa propriedade é o que torna possível, por exemplo, a famosa técnica de datação por carbono. Nesse método, a diferença entre dois isótopos do carbono, o carbono 12 e o carbono 14, é essencial. Se todos os átomos de carbono fossem exatamente iguais, esse tipo de datação simplesmente não funcionaria. Contar apenas o número total de átomos de carbono em uma amostra não revela sua idade. O segredo está em observar a proporção entre os isótopos. Com o tempo, o carbono 14 radioativo vai se transformando em nitrogênio, enquanto o carbono 12 permanece estável. Comparando essas quantidades, é possível estimar há quanto tempo o organismo que continha aquele carbono morreu. Mas e se dois átomos do mesmo elemento estiverem em estados idênticos? E se os elétrons estiverem no mesmo estado de excitação, os átomos se moverem e girarem na mesma velocidade, tiverem o mesmo número de nêutrons, eles seriam, enfim, completamente idênticos? A resposta ainda é não. Mesmo dentro do núcleo, há variações possíveis. Os prótons e nêutrons que formam o núcleo podem estar em diferentes estados excitados, assim como os elétrons. E mais, o núcleo como um todo pode vibrar e girar em diferentes velocidades. Isso significa que dois átomos de ouro, por exemplo, que parecem iguais em todos os aspectos externos, podem ter seus núcleos em estados internos diferentes, o que os faz reagir de forma distinta em processos nucleares. Resumindo, conseguir dois átomos perfeitamente idênticos em todos os aspectos possíveis é extremamente difícil. Na verdade, seria um feito tão impressionante que, provavelmente renderia um prêmio Nobel a quem o realizasse. [Música] Essa pergunta pode parecer simples, mas envolve uma boa dose de filosofia e ciência. A gente sabe que tudo ao nosso redor tem cor. A tela que você está olhando agora tem cor. as paredes, os objetos, as roupas, tudo parece colorido. E como tudo é feito de átomos, é natural pensar que os próprios átomos devem ter cor, certo? Mas será que tem mesmo? A primeira coisa que precisamos entender é que a cor não é uma propriedade intrínseca dos objetos. A cor, na verdade, é uma experiência criada pelo cérebro humano com base na forma como a luz interage com os objetos e atinge nossos olhos. Então, o que é a luz? A luz é feita de partículas chamadas fótons, mas esses fótons, curiosamente, também se comportam como ondas eletromagnéticas. Isso é o que chamamos de dualidade onda partícula. Cada uma dessas ondas tem uma frequência específica e dependendo dessa frequência ela pertence a uma faixa diferente do espectro eletromagnético. Esse espectro é imenso. Vai desde ondas de rádio com comprimentos de onda do tamanho de montanhas até os raios gama com comprimentos menores que os próprios átomos. Mas o olho humano só consegue enxergar uma faixa muito pequena desse espectro, a luz visível. Por que enxergamos justamente essa faixa? A resposta está na evolução. Os primeiros olhos surgiram em ambientes aquáticos e a luz visível é justamente a faixa que penetra melhor na água. Já a luz infravermelha e a ultravioleta são absorvidas ou dispersas facilmente pela água, o que as torna menos úteis para enxergar debaixo d’água. Assim, a natureza escolheu a luz visível como nosso canal de percepção. Mas isso também significa que se a vida tivesse surgido em outro tipo de ambiente, digamos, lagos de enxofre em um planeta orbitando uma estrela de nêutrons, talvez nossos olhos fossem ajustados para enxergar raios X ou alguma outra faixa exótica da luz. Portanto, a cor é relativa à percepção. Um átomo isolado não tem cor no sentido tradicional, porque ele é pequeno demais para refletir a luz de forma coerente, como objetos macroscópicos fazem. Mas quando muitos átomos se juntam, como num cristal, num líquido ou até na sua pele, aí sim eles interagem com a luz de modo a absorver, refletir e transmitir certas frequências, criando o que percebemos como cor. Agora que entendemos melhor o que é a luz e como percebemos as cores, surge uma nova pergunta: como a luz se forma e como ela nos revela as cores do mundo ao nosso redor? Vamos começar com o exemplo mais importante para a vida na Terra, o Sol. Como vimos, no núcleo do Sol, onde a pressão é absurdamente alta, ocorre a fusão nuclear. Nele, núcleos de hidrogênio se unem formando partículas alfa, ou seja, núcleos de hélio, e liberando radiação gama, que é extremamente energética. Mas essa radiação não sai do sol de forma direta. Na verdade, ela passa por uma verdadeira batalha para escapar. Ela ricocheteia por milhões de colisões com outros átomos, perdendo energia a cada encontro. Esse processo leva milhares, até centenas de milhares de anos. Só então, depois de tanta luta, essa luz finalmente escapa da superfície solar e chega até nós, transformada em luz visível, ultravioleta ou até infravermelha. Quando a luz solar atinge os objetos na Terra, ela pode ser absorvida ou refletida, dependendo do material. É isso que determina as cores que vemos. Por exemplo, uma camisa azul parece azul porque está refletindo a luz azul e absorvendo todas as outras cores. Já um material preto absorve praticamente toda a luz, por isso aquece mais sob o sol. O branco, por outro lado, reflete quase tudo e, por isso, se mantém mais frio. Esse fenômeno é conhecido como reflexão e absorção em massa. Quando a luz interage com vários átomos ao mesmo tempo, outros fatores entram em cena, como o espaçamento entre as moléculas ou como elas estão organizadas. Quer um exemplo visual disso? A neve e o gelo são feitos da mesma substância, água, mas a estrutura molecular da neve reflete a luz de forma difusa, fazendo com que ela pareça branca. Já o gelo, com sua organização mais compacta, permite que a luz passe com mais facilidade, tornando-o transparente. Outro caso fascinante, o carbono. Dependendo de como seus átomos são organizados, ele pode se tornar um diamante transparente ou um grafite escuro. A mesma substância, com propriedades ópticas completamente diferentes, tudo por causa da estrutura atômica. Então, os átomos têm cor? Quando falamos em cor, nos referimos a como a luz interage com a matéria em uma escala macroscópica, mas temos comprimentos de onda da luz que são maiores do que um átomo individual. Isso significa que um único átomo não reflete nem absorve luz da mesma forma que um objeto composto por bilhões deles. Portanto, do ponto de vista da reflexão em massa, um átomo isolado não tem cor, pelo menos não da forma como enxergamos no dia a dia, mas e a radiação térmica. Será que quando aquecemos um átomo ele emite luz visível? Ao aquecer uma substância, seus átomos começam a vibrar intensamente e colidir uns com os outros, liberando fótons. É por isso que um pedaço de ferro fica vermelho incandescente quando aquecido. Mas de novo, esse efeito só aparece quando temos vários átomos juntos. Um átomo isolado, mesmo aquecido, não emite cor visível perceptível ao olho humano. Por fim, temos um caso especial, a descarga de gás. Quando você passa a eletricidade por uma nuvem de átomos, os elétrons podem ficar excitados, ou seja, saltar para níveis de energia mais altos. Ao voltarem para seus estados normais, eles liberam fótons de energia específica. E aí sim, essa energia corresponde a comprimentos de onda específicos, ou seja, cores. Cada elemento químico libera um conjunto único de frequências de luz, o que chamamos de espectro de emissão. O hidrogênio, por exemplo, emite poucas cores, assim como o boro. Já o ferro emite bem mais, assim como o cobre e tantos outros. Essas impressões digitais são usadas pelos cientistas para identificar substâncias à distância, inclusive em estrelas. Em resumo, um átomo isolado não tem cor no sentido comum da palavra, mas cada elemento químico possui um espectro de emissão único, que pode sim ser associado a uma cor característica. A cor que percebemos no mundo real depende da interação coletiva de muitos átomos com a luz. Essa pergunta é ótima e a resposta envolve o funcionamento das quatro forças fundamentais da natureza. A gravidade que curva o tecido do espaço. Ela é a mais fraca, mas age em escalas grandes. A força eletromagnética age entre cargas elétricas. é 37 ordens de magnitude mais forte que a gravidade. A força nuclear fraca está por trás do decaimento radioativo. Força nuclear forte é a responsável por manter o núcleo atômico unido. Aqui está o ponto. Os prótons, todos com carga positiva, deveriam se repelir com muita força por causa do eletromagnetismo. Então, por que eles não são expulsos do núcleo? De acordo com a lei de Colomb, dois prótons, como os que existem no núcleo de um átomo de hélio, deveriam se repelir com uma força imensa, algo em torno de 90 news. Para efeito de comparação, isso seria como tentar manter dois ímãs super potentes colados pelos polos iguais. A tendência natural seria que eles se repelirem imediatamente, mas isso não acontece. Os prótons continuam firmemente presos no núcleo. O que impede essa separação é uma força ainda mais poderosa que o eletromagnetismo, a força nuclear forte. Ela é cerca de 100 vezes mais intensa que a força eletromagnética, mas só atua em escalas minúsculas do tamanho dos núcleos atômicos. É por isso que ela não é tão familiar. Raramente é ensinada nas escolas antes da universidade. Para entender como ela funciona, a gente precisa mergulhar num campo fascinante da física chamado cromodinâmica quântica ou QCD. É aqui que começamos a desvendar os mecanismos que mantém os prótons e nêutrons colados dentro dos núcleos, mesmo enfrentando uma repulsão elétrica tão forte. Tudo começa com os quarks, partículas fundamentais da matéria. Prótons e nêutrons são feitos de quarks. Um próton contém dois quarks up e um quark down. Um nêutron tem dois quarks down e um quark up. Esses quarks são mantidos juntos por partículas chamadas gluons, que são os condutores da força forte. Do mesmo modo que os fótons transmitem a força eletromagnética. Só que os gluons não trabalham com carga elétrica. Eles operam com algo chamado carga de cor. Um conceito que, apesar do nome, não tem nada a ver com cor no sentido visual. A carga de cor é uma propriedade quântica e os quarks vêm em três tipos: vermelho, verde e azul. Quando essas três cores se combinam, o resultado é uma carga neutra ou cor branca. Os gluons são responsáveis por manter esse equilíbrio. Eles interagem com os quarks e não deixam que se afastem demais. Quando isso acontece, a energia envolvida é tão grande que, em vez de separar um quark, o sistema cria um novo par quark antiquarque, uma nova partícula chamada Meson. Esse fenômeno é conhecido como confinamento de quarks e é por isso que quarks livres nunca foram observados na natureza. Eles estão sempre presos dentro de partículas maiores, como prótons, nêutrons ou mesons. Além de manter os quarques juntos dentro dos prótons e nêutrons, a força forte também atua em outro nível, entre os próprios núcleons, ou seja, entre prótons e nêutrons. Nessa escala, os mesons passam a ser os mensageiros da força nuclear forte, que age como uma espécie de supercola nuclear, impedindo que os prótons, mesmo com cargas iguais, se separem. Embora essa força entre os núcleons seja mais fraca que a força forte que age dentro dos próprios prótons e nêutrons, ela ainda é muito mais forte que a repulsão elétrica entre os prótons. Mas ela tem um alcance muito curto, atua apenas em distâncias equivalentes ao diâmetro de um próton. Por isso, núcleos atômicos muito grandes, como o do urânio se tornam instáveis. A força já não é suficiente para segurar todos os prótons juntos e o núcleo pode se desintegrar. Em resumo, os gluons mantêm os quarques unidos dentro dos prótons e nêutrons. Os mesons transmitem a força entre os prótons e nêutrons. A força nuclear forte é o que impede que os prótons se repelam e o núcleo se disfaça. E essa força é fundamental para a existência da matéria como a conhecemos. Essa pergunta é um clássico da física e a resposta é ao mesmo tempo contrainttuitiva e fascinante. Para começar, imagine o seguinte: se você aumentasse uma mesa em um bilhão de vezes, os átomos que a compõem teriam o tamanho de melões. Mesmo nessa escala absurda, os núcleos no centro dos átomos ainda seriam pequenos demais para enxergar e os elétrons estariam girando em torno do núcleo como pequenas névoas invisíveis mesmo com essa ampliação. Diante disso, você poderia perguntar: “Se os átomos são quase 100% espaço vazio, por que não conseguimos atravessá-los? Por meu dedo não atravessa a mesa? Por a luz não passa direto entre os átomos?” A resposta está nos elétrons. Muita coisa do que aprendemos sobre átomos na escola é, na verdade, uma simplificação necessária, mas longe da realidade completa. Um exemplo clássico que já citamos é a ideia de que os elétrons orbitam o núcleo de um átomo como planetas girando ao redor do Sol. Porém, isso não acontece assim. Uma forma melhor de imaginar os elétrons é como um enxame de abelhas ou de pássaros. Você não consegue rastrear o movimento exato de cada um, mas vê a forma coletiva do grupo, uma nuvem em movimento. Os elétrons não seguem órbitas fixas, eles estão em constante agitação, ocupando regiões chamadas orbitais, onde é mais provável encontrá-los. Mas essa dança não é aleatória. É uma coreografia precisa ditada por uma equação famosa na física desenvolvida por Ervin Schruddinger. Pense nos elétrons como dançarinos em uma dança de salão cósmica. Cada um segue um padrão específico. Alguns dançam devagar, como numa valsa. Outros se movem rápido, como num forró, mas sempre com regras muito bem definidas. E uma dessas regras é crucial. Dois elétrons não podem fazer o mesmo passo de dança dentro de um átomo. Esse princípio é conhecido como o princípio de exclusão de Pauli. Cada elétron deve ocupar um estado quântico exclusivo. Os elétrons não se cansam, mas mudar para um passo de dança mais energético exige energia. E quando eles descem para um padrão mais calmo, eles liberam essa energia, muitas vezes na forma de luz. Quando um feixe de luz atinge uma superfície, os elétrons absorvem parte dessa energia e mudam de passo. Logo em seguida, devolvem essa energia, emitindo nova luz. E é isso que gera os reflexos, as cores e até a opacidade de uma superfície. É por isso que a luz não atravessa uma mesa facilmente. Os elétrons estão ocupados absorvendo e devolvendo energia o tempo todo. Mas a luz não é a única coisa que interage com os elétrons. Quando você encosta o dedo na mesa, por exemplo, os elétrons dos seus átomos se aproximam dos elétrons dos átomos da mesa. E aqui começa um fenômeno quântico fascinante. Os elétrons dos seus dedos não podem ocupar os mesmos estados quânticos que os elétrons da mesa. Não há espaço para repetir a dança. Então, os elétrons recém-chegados precisam assumir posições mais energéticas, mais elevadas, e isso exige energia. Mas essa energia agora não vem da luz, vem do seu dedo. Empurrar átomos para tão perto exige energia, porque você está forçando os elétrons a subirem de nível e isso se torna energeticamente cada vez mais difícil. Quando tentamos fazer isso com todos os átomos da ponta do dedo contra os da mesa, a energia necessária se torna enorme, muito maior do que seus músculos podem fornecer. É por isso que você sente resistência e é isso que faz a mesa parecer sólida ao toque. O universo visível é feito de menos de 100 elementos naturais, como o hidrogênio, o oxigênio, o hélio, o ferro, entre outros. E mesmo assim, a diversidade de substâncias que existe é absolutamente surpreendente. De onde vem tanta variedade? Porque os átomos não gostam de viver sozinhos. Na maioria das vezes, eles se combinam com outros átomos por meio de ligações químicas, formando moléculas. E é justamente essa tendência de se agrupar que permite criar estruturas complexas, desde uma simples gota de água até uma proteína, um neurônio ou uma estrela inteira. Essas combinações geram propriedades novas. Um gás tóxico e um gás explosivo podem se unir para formar a água. Átomos de carbono, quando ligados de formas diferentes, dão origem a diamantes, grafite, combustíveis ou aos compostos orgânicos que formam o DNA da vida. Ou seja, com um conjunto limitado de blocos básicos, os átomos, a natureza consegue construir tudo. Montanhas, oceanos, computadores, planetas, seres humanos e tudo mais. Isso só é possível porque os átomos são capazes de se conectar e interagir de maneiras praticamente infinitas. O universo não é um lugar monótono e devemos isso à capacidade dos átomos de se unirem e formarem ligações químicas, criando uma enorme variedade de substâncias com propriedades completamente diferentes daquelas dos átomos individuais. E essa diversidade extraordinária só é possível graças a um ingrediente fundamental, a energia. É ela quem dita se quando e como os átomos vão se ligar. E tudo isso está enraizado nas regras da mecânica quântica. Quero um exemplo bem próximo. O ar que respiramos, ele não é feito de átomos soltos flutuando por aí. Pelo contrário, o oxigênio no ar está presente como U2, ou seja, duas unidades de oxigênio ligadas entre si. O mesmo vale para o nitrogênio, que aparece como N2. E a água que está em nosso corpo, nas nuvens e nos oceanos, é uma molécula de H2O. composta por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Mas por que os átomos se unem para formar moléculas? Porque tudo na natureza tende a buscar o estado de menor energia possível. Assim como uma bolinha no topo de uma colina naturalmente vai rolar para a parte mais baixa. Esse princípio também explica porque rios sempre fluem de áreas altas para áreas mais baixas. É a energia potencial sendo minimizada. Vamos voltar ao átomo mais simples de todos. O hidrogênio formado por um próton e um elétron. Sozinho ele já é estável, mas na natureza é muito mais comum encontrá-lo como HA2, ou seja, duas unidades de hidrogênio ligadas entre si, formando o gás hidrogênio. A mecânica quântica explica o porquê disso. Quando dois átomos de hidrogênio se aproximam, há uma dança sutil de forças acontecendo. Os elétrons de cada átomo, por serem negativamente carregados, naturalmente se repelem, mas ao mesmo tempo são atraídos pelos prótons do átomo vizinho. Esse jogo entre atração e repulsão cria uma situação em que há uma distância ideal entre os dois átomos, um ponto de equilíbrio onde a energia do sistema é a menor possível. Nesse ponto, os elétrons passam a ser compartilhados entre os dois núcleos e a molécula se forma. Esse tipo de ligação, onde os átomos dividem seus elétrons, recebe o nome de ligação covalente. E ela é comum não apenas no hidrogênio, mas em diversos elementos, como carbono, oxigênio, nitrogênio e muitos outros. Como sabemos que essas uniões são energeticamente favoráveis? Na física quântica, usamos uma ferramenta chamada Hamiltoniano, uma equação que representa toda a energia envolvida no sistema, a energia cinética dos elétrons e núcleos, a energia potencial de atração entre prótons e elétrons e a repulsão entre elétrons. Essa equação é inserida na famosa equação de Schrodinger, que ao ser resolvida nos dá os valores possíveis de energia para aquele sistema de dois átomos. A resposta, porém, raramente é um número exato. Normalmente usamos gráficos que mostram como a energia varia conforme os átomos se aproximam ou se afastam. Esses gráficos revelam algo curioso. À medida que os átomos vão se aproximando, a energia total desce até atingir um vale, um ponto mínimo. Esse ponto representa o estado mais estável e energeticamente favorável, o momento em que a ligação acontece. A partir daí, se você tentar aproximá-los ainda mais, a energia sobe de novo por causa da repulsão. É por isso que os átomos de hidrogênio tendem a se unir naturalmente. Eles preferem estar juntos nesse ponto ideal do que separados, porque assim o sistema como um todo gasta menos energia. Em resumo, os átomos se unem para formar moléculas porque isso os leva a um estado de menor energia. A mecânica quântica descreve esse comportamento com precisão, usando ferramentas como o hamiltoniano e a equação de Schrodinger. Esse equilíbrio de forças entre repulsões e atrações é o que dá origem às ligações covalentes, as mais comuns nas moléculas que formam a matéria e a vida. A estabilidade dos átomos e sua tendência natural de se ligar a outros está diretamente relacionada ao número de elétrons presentes em suas camadas ao redor do núcleo. Em especial, certos números de elétrons tornam os átomos extraordinariamente estáveis. 2, 10, 18, 36, 54 e 86. Esses números não são aleatórios. Eles correspondem ao número de elétrons dos chamados gases nobres, como o hélio, o neônio e o argônio. Elementos que são quimicamente inertes, ou seja, não se ligam com facilidade a outros átomos. Eles já estão satisfeitos com suas camadas de elétrons completamente preenchidas. É por isso que outros átomos, ao interagir tendem a compartilhar ou transferir elétrons, buscando alcançar essa mesma estabilidade. Eles querem, em resumo, completar sua camada de valência, a camada mais externa de elétrons, e fazem isso através de ligações covalentes, quando compartilham elétrons, ou ligações iônicas, quando um átomo doa e outro recebe elétrons. Claro, essa união não é simples. Há uma tensão constante entre forças atrativas e repulsivas. Os prótons nos núcleos se repelem entre si. As nuvens de elétrons também se repelem. Mas a atração entre elétrons e prótons pode, se bem equilibrada, vencer essas repulsões e permitir a ligação. As estrelas de nêutrons são uma das coisas mais bizarras e extremas do cosmos. A primeira vista, podem até parecer átomos gigantes com núcleos colossais. pedindo quilômetros, mas na verdade elas são muito mais intensas do que qualquer estrutura atômica comum. Tudo começa com o equilíbrio delicado de uma estrela. De um lado, a agravidade tentando colapsar a estrela para dentro. Do outro, há a pressão de radiação gerada pelas reações de fusão nuclear no centro, que empurra contra esse colapso. Enquanto o hidrogênio se funde em hélio e depois em elementos mais pesados, como carbono, oxigênio, silício e até ferro, a estrela se mantém estável. Mas o ferro é um ponto sem volta. Ele não gera mais energia ao se fundir. Quando o núcleo da estrela vira ferro, a fusão para e com ela desaparece a pressão que sustentava a estrela contra a gravidade. Se o núcleo da estrela for maior que cerca de 1,4 vezes a massa do Sol, nada mais pode segurá-lo. A parte externa do núcleo colapsa em alta velocidade, podendo atingir 70.000 km/ segundo em direção ao centro. Nesse momento, entram em ação as forças fundamentais da natureza, as mesmas que atuam dentro dos átomos. A repulsão entre os elétrons não é mais suficiente. Eles são forçados a se fundir com os prótons, formando nêutrons. O resultado é uma estrela feita quase inteiramente de nêutrons extremamente compactados. É como se o núcleo de um átomo tivesse sido ampliado para o tamanho de uma cidade com a densidade de um núcleo atômico mantida. Ao mesmo tempo, as camadas externas da estrela são violentamente expelidas para o espaço numa explosão colossal, a supernova. Agora estamos diante de um dos objetos mais extremos do cosmos, uma estrela de nêutrons. Imagine isso, uma massa entre uma e três vezes a do nosso Sol. Sim, o mesmo Sol que poderia engolir mais de 1 milhão de terras, comprimida em uma esfera com apenas 25 km de diâmetro. É como se pegássemos meio milhão de terras e as espremêssemos até caberem dentro de uma bola com 60 m². A densidade é simplesmente absurda. 1 cm c do material de uma estrela de nêutrons, o equivalente ao volume de um cubo de açúcar, teria a mesma massa que uma montanha inteira, cerca de 1 bilhão de toneladas, o que equivale à massa do Monte Evereste. É matéria tão compactada que beira o inconcebível. A gravidade na superfície de uma estrela dessas é colossal. Se você deixasse cair qualquer objeto a apenas 1 m de altura, ele atingiria a superfície em menos de 1 microssegundo, acelerando a mais de 7 milhões de quh, velocidade suficiente para dar quase 200 voltas na Terra em uma hora. E mesmo sendo tão densa, sua superfície é surpreendentemente lisa. As irregularidades não passam de 5 mm e ela é envolvida por uma atmosfera finíssima de plasma incandescente. Quanto à temperatura, a superfície chega a cerca de 1 milhão de graus, bem mais quente que os 5500º do nosso sol. E o que há dentro de uma estrela de nêutrons? A crosta dessa estrela é uma das estruturas mais sólidas conhecidas no universo. Provavelmente uma rede cristalina de núcleos de ferro mergulhada em um mar de elétrons. À medida que penetramos mais fundo, os prótons vão se convertendo em nêutrons devido à fusão com os elétrons sob enorme pressão. No centro, acredita-se que exista uma massa absurda de nêutrons indistinguíveis, empacotados quase como bolas de bilhar em um espaço minúsculo, só que feitos de matéria degenerada, exótica, e a temperaturas e pressões impensáveis. Ainda assim, o interior exato de uma estrela de nêutrons permanece um mistério. Algumas teorias sugerem que no centro pode existir uma forma ainda mais densa de matéria, o plasma de quarques e gluons. Um estado tão extremo que nem os próprios nêutrons aguentam e se desfazem em seus constituintes mais básicos. Esses estados da matéria só podem existir em condições limite que não conseguimos reproduzir nem nos laboratórios mais avançados da Terra. Seria então uma estrela de nêutrons um núcleo atômico gigante? De certa forma, sim. Uma estrela de nêutrons se assemelha a um núcleo atômico colossal, mas há uma diferença fundamental. Nos átomos comuns, os núcleos são mantidos juntos pela força forte. Nas estrelas de nêutrons, quem domina o jogo é a gravidade. Se isso já não fosse extremo o suficiente, vamos explorar alguns outros atributos. As estrelas de nêutrons podem girar a velocidades impressionantes. Estrelas recém formadas podem completar várias rotações por segundo. E se estiverem em sistemas binários próximas à outra estrela, elas podem acelerar ainda mais. O recorde atual pertence à PSRJ174824446 AD, que gira a uma velocidade equivalente a 252 milhões de km/h. Isso dá quase 43.000 1 rotações por minuto. Um verdadeiro peão cósmico. Essas estrelas super rotantes são conhecidas como polsars, pois emitem feixes intensos de rádio em intervalos regulares, como se fossem faróis espaciais girando. E se isso ainda não for suficiente, considere o campo magnético. O de uma estrela de nêutrons pode ser até 8 trilhões de vezes mais forte que o da Terra. Um magnetismo tão poderoso que distorce a trajetória de átomos inteiros. Algumas variantes ainda mais intensas chamadas magnetars, podem até rasgar moléculas à distância com sua força magnética. Essa pergunta pode parecer apenas uma especulação filosófica, mas também é uma provocação científica. O universo observável já é gigantesco, com cerca de 93 bilhões de anos luz de diâmetro, mas de acordo com modelos cosmológicos, ele pode ser apenas uma pequena fração de algo ainda maior. Estimativas sugerem que o universo total pode exceder 23 trilhões de anos luz de diâmetro, ou talvez até seja infinito. Mesmo assim, a maior parte do universo é vazia. Galáxias, estrelas, planetas e partículas constituem uma fração mínima do que existe. Isso lembra muito a estrutura de um átomo. Quase tudo é espaço vazio. É por isso que, de forma poética e especulativa, alguns físicos já se perguntaram: “E se o universo for de alguma forma análogo a um átomo? A matéria, tudo o que nos cerca e forma nosso corpo, planetas, estrelas e galáxias, é composta por uma quantidade inimaginável de átomos. E os átomos são tão pequenos que estão muito além da resolução dos microscópios mais potentes que já construímos. Ainda assim, mesmo sem enxergá-los diretamente, temos provas científicas sólidas de sua existência. Hoje sabemos que os átomos são formados por partículas subatômicas como prótons, nêutrons e elétrons. Indo ainda mais fundo, descobrimos que prótons e nêutrons, por sua vez, são formados por partículas ainda menores, os quarks. Mas algumas ideias vão além da física tradicional. Há teorias especulativas e provocativas, que sugerem que tudo o que conhecemos, inclusive os próprios seres humanos e o universo inteiro, poderia ser análogo a um átomo dentro de uma realidade muito maior. Uma dessas ideias curiosas é a teoria do único Elétron, proposta por John Willer e discutida por Richard Feman. Ela sugere que todos os elétrons do universo poderiam ser, na verdade, o mesmo elétron, viajando para a frente e para trás no tempo. Cada vez que o elétron vai para a frente, o percebemos como um elétron comum. Quando se move para trás no tempo, o vemos como um positron, a antipartícula do elétron. Essa dança quântica criaria a ilusão de muitos elétrons, quando na verdade haveria apenas um, percorrendo diferentes pontos do espaço-tempo. Essa teoria, embora não seja levada a sério do ponto de vista experimental, serve como um experimento mental poderoso, abrindo portas para conceitos mais sofisticados. Ideias mais robustas se aproximam da chamada teoria do multiverso, que propõe a existência de múltiplos ou até infinitos universos coexistindo. Dentro desse contexto, nosso universo inteiro poderia ser comparado a um único átomo dentro de um universo muito maior. Esse conceito tem sido explorado na ficção científica há décadas. universos contidos dentro de outros universos, átomos que guardam civilizações inteiras e realidades paralelas onde as escalas de grandeza são completamente relativas. Em um multiverso infinitamente amplo, poderíamos ser minúsculos, como partículas subatômicas dentro de um cosmos ainda mais vasto, imperceptível à nossa tecnologia ou imaginação. E se aceitarmos essa linha de raciocínio, talvez até cada átomo dentro de nós possa conter sua própria realidade, com suas próprias leis da física e dimensões. Neste caso, temos o micro e o macro. Mas onde termina um e começa o outro? Quando olhamos o universo em larga escala, vemos partículas ínfimas se organizando em padrões complexos. Átomos formam moléculas que formam células, que constróem organismos que habitam planetas, que orbitam estrelas que compõem galáxias. Essa sequência de estrutura dentro de estrutura nos leva a uma questão fascinante. Será que o próprio universo é só mais um nível dentro de uma hierarquia ainda maior? Hoje não podemos descartar essa possibilidade porque ainda não temos uma teoria de tudo, ou seja, uma estrutura única que unifique a física quântica, que rege o mundo do minúsculo, e a física clássica, que governa o universo em grande escala. A principal teoria sobre a origem do universo afirma que tudo começou com uma singularidade infinitamente densa, um ponto onde as leis conhecidas da física simplesmente colapsam. Essa singularidade então se expandiu no que chamamos de big bang, dando origem ao espaço, ao tempo, a matéria e a energia. É curioso pensar que naquele instante inicial tudo o que existe hoje estava compactado em algo menor que um átomo. No entanto, essa singularidade não era um átomo real. Ela não tinha elétrons nem prótons, mas sim o potencial bruto para gerar tudo o que veio depois, inclusive os próprios átomos. Entre as várias propostas para unificar a física, uma das mais ambiciosas e promissoras é a teoria das cordas. Segundo essa teoria, as partículas fundamentais não são pontos sem dimensão, mas sim cordas vibrantes minúsculas, como o comprimento de plank. Cada tipo de partícula, como o elétron, o fóton ou o quark, corresponderia a uma vibração específica dessas cordas. A teoria das cordas pretende explicar todas as forças da natureza: gravidade, eletromagnetismo, força forte e força fraca. O que a relatividade geral e a mecânica quântica ainda não conseguiram fazer, mas ela ainda enfrenta grandes desafios. Um dos principais é lidar com a chamada energia escura, essa força misteriosa que representa a maior parte do universo e que está acelerando sua expansão. A maioria dos modelos de cordas ainda não consegue explicar bem o papel dominante da energia escura em comparação à matéria observável. Algumas tentativas recentes foram feitas para incorporar a energia escura na teoria das cordas. Uma proposta interessante surgiu de pesquisadores da Universidade de Upsala, na Suécia. Eles sugerem uma variação da teoria das cordas, na qual o nosso universo não seria um espaço infinito e homogêneo, mas sim uma espécie de bolha em expansão constante, como se estivéssemos vivendo na casca de uma esfera cósmica. Dentro dessa bolha, toda a realidade que conhecemos, planetas, galáxias, átomos, seres humanos, seria apenas uma pequena fração de algo muito maior. E o mais curioso, fora dessa bolha poderiam existir outras dimensões desconhecidas, além de uma fonte externa e mais ampla de energia escura que estaria vazando para dentro do nosso universo, ajudando a explicar porque ele está se expandindo tão rapidamente. Se essa hipótese estiver correta, ela revolucionaria completamente nossa visão da realidade, colocando a existência humana como uma partícula minúscula dentro de uma estrutura incompreensivelmente maior. Um conceito desconcertante, sem dúvida. Mas é importante lembrar, essa ideia ainda é um experimento mental, uma forma criativa e provocativa de explorar os limites do nosso conhecimento. Mesmo que ela nunca se confirme, sua função é nos fazer pensar de maneira mais ampla sobre nosso lugar no cosmos. Afinal, ser pequeno diante da vastidão do universo não nos torna menos significativos. Essa é uma pergunta profunda e, ao mesmo tempo, uma curiosidade científica e filosófica. Desde que os seres humanos surgiram, mais de 100 bilhões de pessoas já morreram. Mas segundo a lei da conservação da matéria, nada do que compõe esses corpos desapareceu. A matéria não é destruída, nem criada do nada. Ela apenas se transforma. Ou seja, os átomos de todas essas pessoas ainda estão por aí. O corpo humano é composto por cerca de 60% de água, 20% de gordura, 15% de proteínas, 2% de carboidratos, 2% de sais minerais e 1% de outros elementos, como gases e vitaminas. A maior parte das moléculas do nosso corpo está na forma de água. E o que acontece com essa água quando morremos? Ela evapora ou se infiltra no solo, dependendo das condições do ambiente. Parte desse vapor entra na atmosfera, sobe, condensa-se nas nuvens e eventualmente cai novamente como chuva. Essa água da chuva pode entrar em rios, lagos, oceanos, reservatórios e por aí vai. A água é usada pelos nossos corpos para hidratação, regulação da temperatura, transporte de nutrientes, entre outras funções vitais. Plantas que utilizam a água na fotossíntese, o processo que transforma a água mais gás carbônico, mais luz solar em oxigênio e carboidratos. E aí o ciclo se completa. Você respira o oxigênio liberado pelas plantas, você come os carboidratos das frutas, verduras e vegetais. E ao metabolizá-los, você devolve a natureza dióxido de carbono e água, que serão usados pelas plantas novamente. Ou seja, você já está carregando átomos que um dia pertenceram a outras pessoas, a outros seres vivos, talvez até a estrelas antigas. E um dia seus próprios átomos farão parte de novas histórias, novos ciclos, novas formas de vida. Depois de entendermos o destino da água em nosso corpo após a morte, é hora de olhar para o que acontece com o restante, os tecidos moles compostos principalmente por carboidratos, gorduras e proteínas. Esses tecidos não desaparecem magicamente. Eles passam por um processo chamado decomposição, que conta com a ajuda de uma legião de aliados invisíveis, as bactérias. Estima-se que cerca de 100 trilhões de bactérias vivam em nosso corpo, a maioria delas no intestino, desde o nosso nascimento até o último suspiro. Enquanto estamos vivos, o nosso sistema imunológico mantém essas bactérias sob controle, mas quando ele para de funcionar, elas se libertam e começam a metabolizar os tecidos do corpo, ou seja, a nos consumir por dentro. O que essas bactérias fazem com o nosso corpo é na prática, uma queima lenta de matéria orgânica. Elas se alimentam de carboidratos, lipídios e proteínas para obter energia e se reproduzir. E assim como na combustão, os subprodutos são gases como água, dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio e amônia. Conforme o oxigênio vai acabando, entram em ação as bactérias anaeróbicas, que não precisam de oxigênio para continuar o metabolismo. Elas produzem gases como metano, sulfeto de hidrogênio e amônia. Estes gases acabam saindo do corpo e se misturando a atmosfera. Além dos gases, outras moléculas e átomos do corpo são absorvidos pelo solo, onde se transformam em nutrientes. Para cada quilograma de massa corporal seca, o corpo humano libera 32 g de nitrogênio, 10 g de fósforo, 4 g de potássio, 1 g de magnésio. Esses elementos são ingredientes essenciais para o crescimento das plantas. Ou seja, o local de um sepultamento pode se tornar um ponto de fertilização natural do solo, um presente silencioso para o ecossistema. E se o corpo for cremado, no caso da cremação, o processo é diferente, mas a essência permanece. A transformação da matéria. A alta temperatura do forno crematório faz com que a maioria dos átomos do corpo, como hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre, se transformem em gases que são liberados na atmosfera: vapor de água, dióxido de carbono, óxidos de nitrogênio e enxofre. O que sobra são as cinzas, geralmente pesando alguns quilos. Curiosamente, esse peso costuma ser aproximadamente igual ao peso que você tinha ao nascer. Um ciclo que se fecha de maneira quase simbólica. As cinzas humanas são compostas principalmente por fosfato e cálcio, elementos que formam a estrutura dos nossos ossos. Essas cinzas, com o tempo, se integram ao solo e seus átomos passam a fazer parte das plantas que crescem ali. Essas plantas, por sua vez, podem ser consumidas por animais ou por seres humanos. E assim, de forma indireta, fragmentos minúsculos de você podem acabar em um pão, em uma maçã ou até no hambúrguer. Você continua fazendo parte da teia da vida e, de certo modo, permanece presente neste planeta, alimentando novas formas de existência. Em resumo, após a morte, bactérias metabolizam os tecidos moles, liberando gases que entram na atmosfera. Parte do corpo vira nutriente para o solo, alimentando o crescimento de plantas. Mesmo através da cremação, os átomos retornam ao ciclo da natureza, com cinzas se tornando parte do ambiente. Com o tempo, partes de você podem acabar em outras pessoas, plantas e animais, completando o ciclo natural da matéria. Mesmo após todos os processos de decomposição, evaporação, combustão e integração com o solo, nem todos os átomos do seu corpo têm um destino tão simples e previsível. Existe uma exceção notável, alguns dos elementos radioativos presentes em você. Nosso corpo, por menor que pareça, carrega traços de elementos como potássio 40, tório e urânio, que são naturalmente radioativos. Eles não permanecem inertes para sempre. Com o tempo, sofrem decaimento radioativo espontâneo, o que significa que se transformam em outros elementos. Por exemplo, o potássio 40 pode eventualmente se transformar em cálcio. O tório e o urânio, mesmo em quantidades minúsculas, acabarão se tornando chumbo. E durante esse processo também são liberados átomos de hélio, conhecidos como partículas alfa. O hélio é um gás extremamente leve e aqui na Terra a gravidade não é suficiente para segurá-lo por muito tempo. Com o tempo, ele escapa para a alta atmosfera e depois para o espaço sideral. Alguns desses átomos de hélio podem ser capturados por corpos celestes mais massivos, como o Sol ou o planeta Júpiter. Outros seguirão seu caminho para além do sistema solar, atravessando o espaço profundo por milhões ou até bilhões de anos. Ou seja, algumas partículas que já fizeram parte do seu corpo podem literalmente viajar pelo universo até o fim dos tempos. Uma jornada cósmica sem destino certo, mas com um significado poético enorme. Vivendo aqui na Terra, onde o tempo parece seguir um ritmo previsível, sol nasce, sol, maré sobe, maré desce. É fácil imaginar que as coisas permanecem como estão. Mas se ampliarmos nossa perspectiva para o universo como um todo, vemos que nada permanece igual por muito tempo. Estrelas nascem, brilham, explodem. Milhões delas morrem e surgem todos os dias. Um dia, o nosso próprio sol também chegará ao fim. Ele se tornará uma gigante vermelha, crescerá até engolir os planetas mais próximos e, nesse processo, tornará a Terra inabitável. Depois, ao esgotar seu combustível, o sol perderá suas camadas externas e acabará como uma anã branca, uma estrela moribunda, fria e silenciosa. Nesse cenário cósmico de criação e destruição, surge uma pergunta fascinante. E os átomos, eles também morrem? Os átomos são os blocos básicos da matéria. Tudo o que existe é feito deles. Quando morremos, nosso corpo se desfaz, mas os átomos continuam inteiros. Eles não desaparecem, eles se reorganizam, entram em novas moléculas, em novos ciclos. Mas será que eles realmente duram para sempre? A resposta depende do tipo de átomo. Para entender, precisamos lembrar como um átomo é construído, um núcleo composto por prótons e nêutrons, envolto por uma nuvem de elétrons em equilíbrio com a carga positiva dos prótons. O número de prótons define o número atômico, ou seja, qual elemento químico estamos tratando. Se tem dois prótons, é hélio. Se tem seis, é carbono. Se tem 92, é urânio. Você já ouviu falar que os átomos são estáveis, mas isso nem sempre é verdade. Embora o número de nêutrons em um átomo geralmente se mantenha constante, às vezes ocorre um pequeno desequilíbrio e quando isso acontece, ele se torna instável. Para tentar recuperar o equilíbrio, o átomo começa a eliminar partículas subatômicas, como se estivesse tentando se reorganizar internamente. Um dos caminhos mais comuns é a emissão de um elétron, um processo que transforma a identidade do átomo criando um novo elemento. Esse fenômeno é chamado de decaimento radioativo. O decaimento radioativo é aleatório por natureza, ou seja, não é possível prever exatamente quando um átomo vai se desintegrar. Mas podemos analisar o comportamento de muitos átomos ao mesmo tempo e tirar conclusões estatísticas. A principal ferramenta para isso é a meia vida, o tempo que leva para que metade dos átomos de uma amostra tenha se desintegrado. A meia vida pode variar de frações de segundo, como no caso de elementos super pesados, até tempos tão longos que beiram o infinito. Um ótimo exemplo é o bismuto 209. Por muito tempo, os cientistas acreditaram que ele era completamente estável, mas descobriu-se que ele sofre decaimento alfa, um processo onde o núcleo emite uma partícula composta por dois prótons e dois nêutrons, um núcleo de hélio. No entanto, sua meia vida é tão absurdamente longa, mais de um bilhão de vezes maior que a idade do próprio universo, que para todos os efeitos práticos, ele é considerado eterno. Um exemplo fascinante de como a matéria pode parecer estática em escalas humanas, mas estar em transformação constante nas escalas cósmicas. E quanto aos prótons, eles duram para sempre? Essa é mais uma das grandes questões da física moderna. Os prótons, que formam o núcleo dos átomos juntamente com os nêutrons, são considerados extremamente estáveis. Mas será que eles nunca se decompõem? Alguns cientistas acreditam que não. Segundo uma hipótese chamada decaimento do próton, proposta dentro do modelo de unificação de George Glcial, os prótons poderiam eventualmente se transformar em um positron, a antipartícula do elétron, e um pion neutro. Este, por sua vez, decairia rapidamente em dois fótons de raios gama. Mas a meia vida estimada para esse processo é de 1,29 x 10 elevado 34 anos. um número tão grande que escapa da compreensão humana. Para efeito de comparação, o universo tem apenas cerca de 13,8 bilhões de anos, ou seja, 10 elevado a 10 anos. Estamos falando de uma escala de tempo trilhões de trilhões de vezes maior que a idade do cosmos. Até agora, nenhum experimento conseguiu detectar o decaimento de um próton, mas isso não significa que ele não possa ocorrer. A ciência está em busca dessa resposta. Grandes experimentos, como os conduzidos em instalações como o Supercamiokand no Japão ou o futuro Hyper Camiokand monitoram quantidades gigantescas de matéria por longos períodos na esperança de flagrar um único evento de decaimento. Se um dia confirmarmos que prótons de fato decaem, isso teria implicações profundas para a física e para a compreensão do destino final do universo. Ao longo dessa jornada, viajamos do infinitamente pequeno ao vastamente incompreensível. Dos átomos que formam cada célula do nosso corpo, as estrelas de nêutrons que desafiam as leis da física. Exploramos os mistérios que moldam tudo o que existe, inclusive nós mesmos. Vimos que os átomos não são apenas partículas, são histórias condensadas de energia, estrutura e transformação. Cada molécula de água que você bebe, cada célula do seu corpo, cada grão de poeira cósmica, todos carregam um passado ancestral que atravessa bilhões de anos. Um passado que começou na fornalha após o Big Bang e que de alguma forma continua em você. E ainda assim, apesar de todo o conhecimento que acumulamos, mal arranhamos a matéria. As teorias se multiplicam, os modelos tentam explicar, mas o universo continua maior, mais estranho e mais belo do que qualquer equação pode descrever. Talvez o verdadeiro milagre não seja apenas que existimos, mas que conseguimos olhar para o cosmos e fazer perguntas, que temos a curiosidade de entender, a humildade de não saber e a coragem de continuar explorando estrela por estrela, átomo por átomo. Obrigado por assistir. Se quiser continuar a explorar os mistérios do universo, confira nossos e-books exclusivos, perfeitos para quem quer mergulhar ainda mais fundo nessa jornada de conhecimento. O guia definitivo do sistema solar. Descubra imagens incríveis, curiosidades fascinantes e explicações acessíveis sobre os planetas, suas luas, o sol e a nossa amada terra. 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