Você não consegue “ver” o que acontece dentro de um átomo do mesmo jeito que observa um objeto no dia a dia. Para lidar com esse mundo microscópico, a física recorre a uma ferramenta matemática engenhosa: as partículas virtuais. Sem esse recurso, muita coisa do comportamento estranho das partículas subatômicas simplesmente ficaria sem explicação.
O mais curioso é que as contas feitas com partículas virtuais acertam com uma precisão tão impressionante - e com detalhes tão inesperados - que alguns cientistas acabam pensando: “talvez elas tenham que existir de verdade”.
Partículas virtuais não são reais - isso já está no próprio nome -, mas, se você quer entender como partículas reais interagem entre si, elas são inevitáveis. Elas são ferramentas essenciais para descrever três das forças da natureza: o eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca.
Partículas reais são “pacotes” de energia que podem ser “vistos” ou detectados por instrumentos adequados; é isso que as torna observáveis, ou reais.
Já as partículas virtuais, por outro lado, são uma ferramenta matemática sofisticada e não podem ser observadas. O físico Richard Feynman as introduziu para descrever as interações entre partículas reais.
Mas muitos físicos não se dão por satisfeitos com essa distinção tão rígida.
Embora os pesquisadores não consigam detectar essas partículas virtuais, como ferramentas de cálculo elas preveem muitos efeitos sutis que experimentos ultrassensíveis já confirmaram com espantosas 12 casas decimais.
Esse nível de precisão é como medir a distância entre o Polo Norte e o Polo Sul com uma exatidão melhor do que a largura de um único fio de cabelo.
Essa concordância extrema entre medições e cálculos faz das partículas virtuais uma das ideias mais testadas de toda a ciência. E empurra alguns físicos a perguntar: uma ferramenta matemática pode se tornar real?
A bookkeeping tool
Partículas virtuais são o recurso que os físicos usam para calcular como as forças funcionam no mundo microscópico das partículas subatômicas. As forças são reais porque podem ser medidas.
Mas, em vez de tentar calcular as forças de forma direta, os físicos usam um sistema de “contabilidade” no qual partículas virtuais de vida curtíssima carregam a força.
Além de deixarem as contas mais tratáveis, as partículas virtuais também resolvem um problema antigo da física: como uma força atua através do espaço vazio?
As partículas virtuais exploram a “nebulosidade” natural do mundo subatômico: se essas partículas efêmeras durarem pouco o bastante, elas também podem, por um instante, “pegar emprestada” energia do espaço vazio. A imprecisão no balanço de energia esconde esse pequeno descompasso temporário, o que permite que as partículas virtuais influenciem o mundo real.
Uma grande vantagem desse método é que as operações matemáticas que descrevem forças entre partículas podem ser representadas como diagramas. Eles costumam parecer desenhos simples, como bonecos de palito, de um pingue-pongue de partículas jogado com partículas virtuais.
Esses diagramas - chamados diagramas de Feynman - oferecem um ótimo apoio intuitivo, mas também dão às partículas virtuais uma aparência de realidade que pode enganar.
De forma notável, esse método de cálculo baseado em partículas virtuais produz algumas das previsões mais precisas de toda a ciência.
Reality check
Toda a matéria é feita de blocos básicos chamados átomos. Os átomos, por sua vez, são formados por pequenas partículas com carga positiva chamadas prótons, que ficam no núcleo, cercadas por partículas ainda menores com carga negativa chamadas elétrons.
Como professor de física e astronomia na Mississippi State University, eu realizo experimentos que muitas vezes dependem da ideia de que elétrons e prótons vistos em nossos instrumentos interagem trocando partículas virtuais.
Meus colegas e eu medimos recentemente o tamanho do próton com muita precisão, bombardeando átomos de hidrogênio com um feixe de elétrons. Essa medição assume que os elétrons conseguem “sentir” o próton no centro do átomo de hidrogênio por meio da troca de fótons virtuais: partículas de energia eletromagnética.
Os físicos usam partículas virtuais para calcular como dois elétrons se repelem, com precisão extraordinária. As forças envolvidas são representadas como o efeito acumulado de dois elétrons trocando fótons virtuais.
Quando duas placas metálicas são colocadas extremamente próximas uma da outra no vácuo, elas se atraem: isso é conhecido como efeito Casimir. Os físicos conseguem calcular com exatidão a força que puxa as placas uma em direção à outra usando a matemática de partículas virtuais.
Se as partículas virtuais estão realmente “lá” ou não, o fato é que a matemática prevê exatamente o que os pesquisadores observam no mundo real.
Outra previsão misteriosa feita com esse kit de ferramentas das partículas virtuais é a chamada radiação Hawking. Quando pares de partículas virtuais surgem na borda de buracos negros, às vezes a gravidade do buraco negro captura uma das parceiras enquanto a outra escapa.
Essa separação faz com que o buraco negro evapore lentamente. Embora a radiação Hawking ainda não tenha sido observada diretamente, pesquisadores a observaram recentemente de forma indireta.
Useful fiction
Vamos voltar à pergunta: uma ferramenta matemática pode se tornar real? Se você consegue prever perfeitamente tudo sobre uma força ao imaginar que ela é transportada por partículas virtuais, essas partículas passam a contar como reais? E o fato de serem “ficcionais” faz diferença?
Os físicos continuam divididos sobre isso. Alguns preferem “calar a boca e calcular” - uma das frases famosas de Feynman. Por enquanto, partículas virtuais são nossa melhor forma de descrever como as partículas se comportam. Mas pesquisadores vêm desenvolvendo métodos alternativos que não precisam delas.
Se der certo, essas abordagens podem fazer as partículas virtuais desaparecerem de vez. Dando certo ou não, o simples fato de existirem alternativas sugere que partículas virtuais talvez sejam uma ficção útil, e não uma verdade física. Isso também segue um padrão de revoluções anteriores na ciência - o exemplo do éter vem à mente.
Os físicos inventaram o éter como um meio pelo qual as ondas de luz viajariam. Experimentos batiam bem com cálculos que usavam essa ideia, mas eles não conseguiam detectá-lo. No fim, a teoria da relatividade de Einstein mostrou que ele não era necessário.
Partículas virtuais são um paradoxo marcante da física moderna. Elas não deveriam existir, e ainda assim são indispensáveis para calcular desde a força de ímãs até o comportamento de buracos negros.
Elas representam um dilema profundo: às vezes, as melhores pistas sobre a realidade chegam por meio de uma ilusão cuidadosamente construída. No fim, a confusão em torno das partículas virtuais pode ser apenas o preço de entender as forças fundamentais.
Dipangkar Dutta, Professor of Nuclear Physics, Mississippi State University
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.
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