Olhando dentro do átomo
A matéria é uma tapeçaria exuberante, tecida com uma variedade complexa de fios. Diversas variedades de partículas subatômicas se entrelaçam para fabricar o universo em que habitamos. Mas, há um século, as pessoas acreditavam que a matéria era tão simples que poderia ser construída com apenas dois tipos de fibras subatômicas – elétrons e prótons. Essa visão da matéria era um xadrez prático em vez de um brocado ornamentado.
Os físicos da década de 1920 achavam que tinham uma sólida compreensão do que constituía a matéria. Eles sabiam que os átomos continham elétrons em torno de um núcleo carregado positivamente. E eles sabiam que cada núcleo continha vários prótons, partículas com carga positiva identificadas em 1919. As combinações dessas duas partículas constituíam toda a matéria do universo, pensava-se. Isso vale para tudo o que já foi ou poderia ser, em todo o vasto e inexplorado cosmos e em casa na Terra.
O esquema era apelativamente organizado, mas varreu para debaixo do tapete uma variedade de indícios de que nem tudo estava bem na física. Duas descobertas em um ano revolucionário, 1932, forçariam os físicos a espiar por baixo do tapete. Primeiro, a descoberta do nêutron revelou novas maneiras de perscrutar o coração dos átomos e até mesmo dividi-los em dois. Então veio a notícia do pósitron – idêntico ao elétron, mas com carga oposta. Sua descoberta prenunciaria muitas outras surpresas por vir. Descobertas de partículas adicionais inauguraram uma nova estrutura para as partes fundamentais da matéria, agora conhecido como o modelo padrão.
C. D. ANDERSON, CORTESIA DE EMILIO SEGRÈ ARQUIVOS VISUAIS
E esse “annus mirabilis” – ano milagroso – colocaria os físicos em duas trilhas paralelas de exploração. Um floresceria na disciplina moderna da física de partículas. Após o aparecimento do pósitron, a descoberta de dezenas de partículas mais levaria a um novo insight: prótons e nêutrons não são elementares. Eles têm componentes ainda menores chamados quarks. A física de partículas examina as partes mais fundamentais da matéria – quarks, elétrons, pósitrons e semelhantes.
A outra pista levaria à física nuclear moderna, preocupada com o funcionamento dos corações dos átomos, como eles decaem, se transformam e reagem. As descobertas colocariam os cientistas em uma trajetória em direção a uma tecnologia mais devastadora: as armas nucleares. A bomba consolidaria a importância da ciência – e do jornalismo científico – aos olhos do público, diz o historiador nuclear Alex Wellerstein, do Stevens Institute of Technology em Hoboken, New Jersey. “A bomba atômica se torna a prova definitiva de que … na verdade, isso é uma mudança mundial. ”
Nas décadas que se seguiram, esses campos alterariam fundamentalmente o modo como a humanidade entendia e manipulava a matéria. Logo, os físicos estavam mais ocupados do que nunca. – Emily Conover
© CERN (CC BY-SA 4.0)
Adeus, duas partículas
Os físicos da década de 1920 adotaram um tipo particular de conservadorismo. Embutido profundamente em suas psiques estava uma relutância em declarar a existência de novas partículas. Os pesquisadores se apegaram ao status quo da matéria composta apenas por elétrons e prótons. É uma ideia que foi apelidada de “paradigma de duas partículas” e durou até cerca de 1930. Naquele período, diz o historiador da ciência Helge Kragh, da Universidade de Copenhagen, “Tenho certeza de que nem um único mainstream o físico teve a ideia de que pode haver mais de duas partículas. ” A absoluta simplicidade de duas partículas explicando tudo o que a generosidade da natureza poderia produzir era tão atraente para a sensibilidade dos físicos que eles acharam a ideia difícil de abandonar.
O paradigma impedia descrições teóricas do nêutron e do pósitron, duas partículas encontradas uma após a outra em 1932. E outra suposta nova partícula, o neutrino, proposta em 1930, também era considerada desagradável. “Propor a existência de outras partículas foi amplamente considerado imprudente e contrário ao espírito da navalha de Occam”, escreveu o biógrafo da ciência Graham Farmelo na Física Contemporânea em 2010.
Ainda assim, durante o início do século 20, os físicos estavam investigando diligentemente alguns enigmas da matéria que, após alguma hesitação, inevitavelmente levariam a novas partículas. Isso incluía perguntas sem resposta sobre os detalhes da decadência radioativa, as identidades e origens das partículas energéticas chamadas de raios cósmicos e por que os elementos químicos ocorrem em diferentes variedades chamadas isótopos, que têm propriedades químicas semelhantes, mas massas variadas.
IMAGENS DE HISTÓRIA DA CIÊNCIA / FOTO DE ALAMY STOCK
O físico britânico Ernest Rutherford, nascido na Nova Zelândia, parou pouco antes de postular uma partícula fundamentalmente nova em 1920. Ele percebeu que partículas neutras no núcleo poderiam explicar a existência de isótopos. Essas partículas passaram a ser conhecidas como “nêutrons”. Mas em vez de propor que os nêutrons eram fundamentalmente novos, ele pensou que eles eram compostos de prótons combinados em estreita proximidade com os elétrons para formar partículas neutras. Ele estava certo sobre o papel do nêutron, mas errado sobre sua identidade.
A ideia de Rutherford foi convincente, o físico britânico James Chadwick relatou em uma entrevista de 1969: “A única questão era como diabo alguém poderia obter evidências para isso.” A falta de carga elétrica do nêutron tornava-o um alvo particularmente astuto. Entre os trabalhos em outros projetos, Chadwick começou a caçar as partículas no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge, então liderado por Rutherford. Chadwick encontrou sua evidência em 1932 – relatando que a radiação misteriosa emitida quando o berílio foi bombardeado com núcleos de átomos de hélio poderia ser explicada por uma partícula sem carga e com uma massa semelhante à do próton. Em outras palavras, um nêutron. Chadwick não esperava o importante papel que sua descoberta desempenharia. “Temo que os nêutrons não sejam úteis para ninguém”, disse ele ao New York Times logo após sua descoberta.
Os físicos lutariam com a identidade do nêutron nos anos seguintes antes de aceitá-lo como uma partícula inteiramente nova, não o amálgama que Rutherford havia sugerido. Por um lado, um mash-up próton-elétron entrava em conflito com a jovem teoria da mecânica quântica, que caracteriza a física em pequenas escalas. O princípio da incerteza de Heisenberg – que afirma que se a localização de um objeto é bem conhecida, seu momento não pode ser – sugere que um elétron confinado dentro de um núcleo teria uma energia excessivamente grande. E os spins de certos núcleos, uma medida mecânica quântica do momento angular, da mesma forma sugeriam que o nêutron era uma partícula completa, assim como medições aprimoradas da massa da partícula.
Os físicos também resistiram ao pósitron, até que se tornou difícil de ignorar.
A detecção do pósitron em 1932 foi prenunciada pelo trabalho do físico teórico britânico Paul Dirac. Mas demorou um pouco para que os físicos percebessem o significado de seu trabalho. Em 1928, Dirac formulou uma equação que combinava a mecânica quântica e a teoria da relatividade especial, formulada por Albert Einstein em 1905, que descreve a física perto da velocidade da luz. Agora conhecida simplesmente como equação de Dirac, a expressão explicava o comportamento dos elétrons de uma forma que satisfazia ambas as teorias.
Mas a equação sugeria algo estranho: a existência de outro tipo de partícula, uma com carga elétrica oposta. A princípio, Dirac e outros físicos se agarraram à ideia de que essa partícula carregada poderia ser o próton. Mas as duas partículas deveriam ter a mesma massa, e os prótons são quase 2.000 vezes mais pesados que os elétrons. Em 1931, Dirac propôs uma nova partícula, com a mesma massa do elétron, mas com carga oposta.
Enquanto isso, o físico americano Carl Anderson da Caltech, independente do trabalho de Dirac, estava usando um dispositivo chamado câmara de nuvem para estudar partículas energéticas originadas no espaço, chamadas de raios cósmicos. Os raios cósmicos, descobertos em 1912, fascinaram os cientistas porque não entendiam totalmente o que eram as partículas ou como foram produzidas. Dentro da câmara de Anderson, gotículas de líquido condensaram ao longo dos caminhos de partículas carregadas energeticamente, um resultado das partículas ionizando as moléculas de gás à medida que avançavam. Os experimentos revelaram partículas carregadas positivamente com massas iguais às de um elétron. Logo, a conexão com a teoria de Dirac ficou clara.
Science News Letter, o predecessor do Science News, ajudou a nomear a partícula recém-descoberta. O editor Watson Davis propôs “pósitron” em um telegrama para Anderson, que havia considerado independentemente o apelido, de acordo com um artigo de 1933 da Science News Letter. Em uma entrevista de 1966, Anderson contou que refletiu sobre a sugestão de Davis durante um jogo de bridge e, finalmente, concordou com isso. Mas mais tarde ele se arrependeu da escolha, dizendo na entrevista: “Acho que é um nome muito ruim”.
NOTÍCIAS CIENTÍFICAS
A descoberta do pósitron, o parceiro da antimatéria do elétron, marcou o advento da pesquisa da antimatéria. E hoje, a existência da antimatéria ainda parece desconcertante. Cada objeto que podemos ver e tocar é feito de matéria, fazendo com que a antimatéria pareça totalmente estranha. A falta de relevância da antimatéria para a vida diária – e o uso liberal do termo em Star Trek – significa que muitos não-cientistas ainda a veem como material de ficção científica. Mas mesmo uma banana colocada em um balcão emite antimatéria várias vezes ao dia, cuspindo pósitrons periodicamente em decaimentos radioativos do potássio que contém.
Os físicos continuariam a descobrir muitas outras antipartículas – todas idênticas aos seus parceiros de matéria, exceto por uma carga elétrica oposta – incluindo o antipróton em 1955. O assunto ainda mantém os físicos acordados à noite. Os cientistas acham que o Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria, então os pesquisadores hoje estão estudando como a antimatéria se tornou rara.
Na década de 1930, a antimatéria foi um salto tão grande que a hesitação de Dirac em propor o pósitron era compreensível. O pósitron não apenas quebraria o paradigma das duas partículas, mas também sugeriria que os elétrons tinham imagens espelhadas sem nenhum papel aparente na formação dos átomos. Quando questionado, décadas depois, por que ele não previu o pósitron depois de formular sua equação pela primeira vez, Dirac respondeu: “pura covardia”.
As descobertas vieram na esteira de outra previsão de partículas, o neutrino. Postulada com relutância pelo físico austríaco Wolfgang Pauli em 1930, a partícula não tem carga elétrica e interage muito raramente, sugerindo que nunca seria detectada: “Eu fiz algo muito ruim hoje ao propor uma partícula que não pode ser detectada; é algo que nenhum teórico deveria fazer “, disse Pauli.
A previsão de Pauli foi o que ele chamou de “remédio desesperado”. Os pesquisadores que estudavam um tipo de decaimento radioativo conhecido como decaimento beta se depararam com um dilema que ameaçava minar os fundamentos da física. No decaimento beta, um átomo cospe um elétron e se converte em um elemento diferente. Um princípio físico central, conservação de energia, sugere que as partículas emitidas em decaimentos radioativos de átomos idênticos devem sempre transportar a mesma quantidade de energia. Mas os elétrons rebeldes tinham uma variedade de energias. Esse aparente descumprimento levou alguns físicos a propor a ideia radical de que a energia nem sempre era conservada.
Em uma carta a um grupo de físicos nucleares, ao qual Pauli se dirigiu com a famosa frase: “Queridas senhoras e senhores radioativos”, ele propôs que o elétron em decaimento beta fosse acompanhado por uma segunda partícula não detectada que carregaria um pouco de energia.
Em breve, o físico italiano Enrico Fermi popularizaria o nome “neutrino” para a partícula, italiano para “pequeno neutro”. Em 1934, ele apresentou uma teoria matemática baseada na existência da partícula que descreveu com sucesso o decaimento beta. No esquema de Fermi, o elétron e o neutrino foram liberados quando um nêutron se converteu em um próton no núcleo do átomo. Essa interpretação geral ainda permanece, embora os físicos de hoje agora se refiram à partícula como um antineutrino do elétron, porque três tipos de neutrinos e suas antipartículas são agora conhecidos. A explicação de Fermi reforçou a crença nos neutrinos, detectados conclusivamente em 1956.
Então, em meados da década de 1930, o paradigma das duas partículas estava fora de questão. A compreensão dos físicos havia avançado, mas sua visão austera da matéria teve que ser descartada. Essa mudança de mentalidade logo seria reforçada com ainda mais descobertas de partículas, e a imagem simples da natureza seria ainda mais demolida. – Emily Conover
Muitas, muitas partículas
Os físicos há muito reverenciam a elegância, esperando que a natureza em seu aspecto mais básico seja simples. Essa sensibilidade ficou evidente na insistência da década de 1920 de que o elétron e o próton constituíam toda a matéria. Mas depois que o impasse conceitual contra as novas partículas se desfez e os avanços tecnológicos abriram novas maneiras de explorar o reino subatômico, os físicos se viram afogando em uma enxurrada de novas partículas. Desenvolver uma explicação consumiria os físicos por décadas.
Nas décadas de 1950 e 60, novas partículas foram detectadas às dezenas, formando uma sopa de letrinhas de letras gregas: phi baryons, xi baryons, eta mesons e muitos, muitos mais. “Se eu pudesse me lembrar dos nomes de todas essas partículas, seria um botânico”, disse o físico Enrico Fermi. Muitas dessas partículas recém-descobertas eram variedades exóticas, formadas quando as partículas colidem em altas energias e não estão presentes dentro dos átomos.
Os físicos rapidamente se cansaram do dilúvio. Em 1955, o físico Willis Lamb, Jr. recontou um ditado da época, “o descobridor de uma nova partícula elementar costumava ser recompensado com um Prêmio Nobel, mas tal descoberta agora deve ser punida com uma multa de $ 10.000”.
No início, as partículas foram encontradas aos poucos, por meio do estudo de colisões naturais, produzidas a partir de partículas energéticas do espaço chamadas de raios cósmicos. Mas, em meados da década de 1950, os aceleradores de partículas aumentaram um nível. Com esta nova tecnologia, os físicos poderiam aumentar os feixes de partículas para altas velocidades, esmagando-os em alvos ou outros feixes de partículas, para ver o que poderia emergir dos esmagamentos.
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Na época, os cientistas não conseguiam explicar por que tantas partículas aparentemente fundamentais existiam, especialmente considerando que a matéria cotidiana requeria apenas prótons, nêutrons e elétrons. “Por volta de 1960, havia um sentimento generalizado de que havia muitas partículas e que devia haver alguma semelhança de família entre elas”, disse o historiador da ciência Helge Kragh, da Universidade de Copenhagen. Em breve, o conceito de quarks traria alguma ordem ao zoológico.
Como a Science News Letter relatou em 1964, “Um quark não é um animal saído de Alice no País das Maravilhas ou o som que um pato pode fazer”. Em vez disso, os quarks, propostos em 1964 e confirmados em experimentos na década seguinte, são partículas menores que, misturadas em diferentes combinações, constituem muitas das partículas antes consideradas fundamentais, incluindo prótons e nêutrons.
Trabalhos adicionais levaram os físicos a uma imagem coerente das partículas e forças fundamentais da natureza, chamada de modelo padrão. Trabalho de muitos físicos que operam de forma independente e em grupos, a estrutura consiste em 17 partículas, mais antipartículas parceiras. Incluídos na lista estão seis tipos de quarks e seis léptons. Os elétrons e seus parentes mais pesados, múons e taus, são léptons, assim como um trio de partículas leves chamadas neutrinos. Completando a tripulação estão os bósons, que, entre outros, incluem as partículas de luz chamadas fótons e o bóson de Higgs, que explica a origem da massa das partículas.
Todas as partículas padrão
O modelo padrão é a teoria das partículas e forças fundamentais da natureza. Inclui 12 partículas que constituem o mundo material: matéria, mostrada à esquerda deste diagrama, e seus parceiros de antimatéria. Outras quatro partículas (à direita) transmitem as forças da natureza e uma, o bóson de Higgs, resulta do processo pelo qual as partículas fundamentais ganham massa.
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O modelo padrão também é responsável por três das quatro forças fundamentais conhecidas: eletromagnetismo, a força nuclear fraca e a força nuclear forte. A força fraca governa certos decaimentos radioativos, e a força forte mantém os quarks juntos dentro das partículas. (Uma das forças mais familiares da natureza, a gravidade, ainda não foi incorporada à estrutura.)
Quatro décadas se passaram entre o estabelecimento do modelo padrão na década de 1970 e a detecção de todas as suas partículas. O esforço para encontrar cada uma das partículas exigiu uma sucessão de aceleradores de partículas cada vez maiores e mais energéticos, para liberar partículas mais exóticas e com massas maiores. Os aceleradores avançaram de alguns bilhões de elétron-volts em meados da década de 1950 para os trilhões de elétron-volts necessários para descobrir a partícula do modelo padrão final previsto, o bóson de Higgs, encontrado com o Large Hadron Collider no CERN perto de Genebra em 2012.
Os físicos freqüentemente descrevem o modelo padrão como uma das teorias mais bem-sucedidas já criadas, uma vez que previu corretamente uma ampla variedade de resultados experimentais. Mas, apesar dos sucessos, os físicos não conseguem explicar por que existem várias partículas e forças fundamentais.
“O modelo padrão é ótimo … mas deixa sem resposta um número enorme de perguntas e … na medida em que a teoria pode falar, diz:’Não posso responder a essas perguntas. Encontre algo melhor'”, disse o físico Sheldon Glashow em uma entrevista de 1998.
Os físicos têm procurado por “algo melhor” estudando adições ou modificações potenciais ao modelo padrão. Por exemplo, uma ideia chamada supersimetria ganhou força na década de 1970, propondo que cada partícula conhecida tinha um parceiro mais pesado. Entre outras características atraentes, a supersimetria, se existir, pode revelar que as três forças fundamentais do modelo padrão são, na verdade, aspectos diferentes de uma força unificada.
Mas até agora, não há evidências de supersimetria ou quaisquer outras modificações no modelo padrão. Aumentando a frustração está a clara evidência de que o modelo padrão não pode explicar tudo. Por exemplo, observações cósmicas sugerem que o universo contém um tipo de matéria não identificada, conhecida como matéria escura. Embora as evidências de sua existência tenham surgido em 1933, apenas um ano após a descoberta do nêutron, a matéria escura continua sendo um enigma duradouro, mostrando que os cientistas ainda precisam aprender mais sobre os fundamentos da matéria. Depois de décadas de pesquisas com detectores cada vez mais sensíveis, uma classe preferida de partículas hipotéticas de matéria escura, chamadas WIMPs, não apareceu. No entanto, ainda há esperança: uma nova geração de experimentos está começando, e as pesquisas por outro tipo proposto de partículas de matéria escura, chamadas axions, estão apenas começando.
Os físicos de partículas agora estão lutando para seguir em frente. Alguns estão pressionando por coletores ainda maiores, mas esses projetos podem ser proibitivamente caros. Caçadores de matéria escura e outros estão focados em realizar experimentos altamente precisos em busca de efeitos raros e sutis que podem sugerir uma nova teoria. E alguns estudam o estranho comportamento dos neutrinos, que podem revelar novos segredos sobre as diferenças entre a matéria, comum no universo, e a antimatéria, mais rara.
Uma dessas táticas, esperam os físicos, levará a uma teoria da matéria nova, mais simples e mais satisfatória. – Emily Conover
Liberando o átomo
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O decaimento radioativo sugere que os átomos mantêm estoques de energia trancados dentro de si, prontos para serem tomados. Embora a radioatividade tenha sido descoberta em 1896, essa energia permaneceu por muito tempo um recurso inexplorado. A descoberta do nêutron na década de 1930 seria a chave para desbloquear essa energia – para o bem e para o mal.
Abrindo uma melhor compreensão do núcleo, a descoberta do nêutron deu aos cientistas novas habilidades para dividir átomos em dois ou transformá-los em outros elementos. O desenvolvimento desse know-how nuclear levou a tecnologias úteis, como a energia nuclear, mas também a armas nucleares devastadoras.
Apenas um ano após o nêutron ser encontrado, o físico húngaro Leo Szilard imaginou o uso de nêutrons para dividir átomos e criar uma bomba. “De repente me ocorreu que se pudéssemos encontrar um elemento que é dividido por nêutrons e que emitisse dois nêutrons ao absorver um nêutron, tal elemento, se montado em massa suficientemente grande, poderia sustentar uma reação em cadeia nuclear , liberar energia em escala industrial e construir bombas atômicas “, lembrou posteriormente. Foi uma ideia incipiente, mas presciente.
Como os nêutrons não têm carga elétrica, eles podem penetrar no coração dos átomos. Em 1934, o físico Enrico Fermi e seus colegas começaram a bombardear dezenas de elementos diferentes com nêutrons, produzindo uma variedade de novos isótopos radioativos. Cada isótopo de um determinado elemento contém um número diferente de nêutrons em seu núcleo, com o resultado de que alguns isótopos podem ser radioativos enquanto outros são estáveis. Fermi foi inspirado por outra descoberta notável da época. Em 1934, os químicos franceses Frédéric e Irène Joliot-Curie relataram os primeiros isótopos radioativos criados artificialmente, produzidos pelo bombardeio de elementos com núcleos de hélio, chamados de partículas alfa. Agora, Fermi estava fazendo algo semelhante, mas com uma sonda mais penetrante.
Houve alguns erros científicos no caminho para a compreensão dos resultados de tais experimentos. Um dos principais objetivos era produzir elementos totalmente novos, além do último elemento conhecido na tabela periódica da época, o urânio. Depois de explodir urânio com nêutrons, Fermi e seus colegas relataram evidências de sucesso. Mas essa conclusão seria incorreta.
A química alemã Ida Noddack pressentiu que nem tudo estava certo com a interpretação de Fermi. Ela chegou perto da explicação correta para seus experimentos em um artigo de 1934, escrevendo: “Quando núcleos pesados são bombardeados por nêutrons, é concebível que o núcleo se quebre em vários fragmentos grandes”. Mas Noddack não deu continuidade à ideia. “Ela não forneceu nenhum tipo de cálculo de apoio e ninguém o levou muito a sério”, disse o físico Bruce Cameron Reed, do Alma College, em Michigan.
Na Alemanha, a física Lise Meitner e o químico Otto Hahn também começaram a bombardear o urânio com nêutrons. Mas Meitner, uma austríaca de ascendência judaica na cada vez mais hostil Alemanha nazista, foi forçada a fugir em julho de 1938. Ela tinha apenas uma hora e meia para fazer as malas. Hahn e um terceiro membro da equipe, o químico Fritz Strassmann, deram continuidade ao trabalho, correspondendo de longe com Meitner, que havia desembarcado na Suécia. Os resultados dos experimentos foram intrigantes no início, mas quando Hahn e Strassmann relataram a Meitner que o bário – um elemento muito mais leve do que o urânio – era um produto da reação, ficou claro o que estava acontecendo. O núcleo estava se dividindo.
Meitner e seu sobrinho, o físico Otto Frisch, trabalharam juntos para explicar o fenômeno, um processo que a dupla chamaria de “fissão”. Hahn recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1944 pela descoberta da fissão, mas Meitner nunca ganhou um Nobel, em uma decisão hoje amplamente considerada injusta. Meitner foi indicado ao prêmio de física ou química 48 vezes, a maioria após a descoberta da fissão. “Seus colegas na comunidade da física reconheceram que ela fez parte da descoberta”, diz a química Ruth Lewin Sime, do Sacramento City College, que escreveu muito sobre Meitner. “Isso incluía praticamente qualquer pessoa que fosse qualquer pessoa.”
FONTE DE CIÊNCIA
A notícia da descoberta logo se espalhou e, em 26 de janeiro de 1939, o renomado físico dinamarquês Niels Bohr anunciou publicamente em uma reunião científica que a fissão havia sido alcançada. As implicações potenciais foram imediatamente aparentes: a fissão poderia liberar a energia armazenada nos núcleos atômicos, resultando potencialmente em uma bomba. Uma história da Science News Letter descrevendo o anúncio tentou dissipar quaisquer preocupações que a descoberta pudesse levantar. O artigo, intitulado “Energia atômica liberada”, relatou que os cientistas “temem que o público fique preocupado com uma ‘revolução’ na civilização como resultado de suas pesquisas”, como “a possibilidade sugerida de que a energia atômica pode ser usada como alguns super-explosivos, ou como uma arma militar. ” Mas minimizar as implicações catastróficas não as impediu de acontecer.
A questão de saber se uma bomba poderia ser criada repousava, mais uma vez, nos nêutrons. Para que a fissão inicie uma explosão, seria necessário desencadear uma reação em cadeia. Isso significa que cada fissão liberaria nêutrons adicionais, que poderiam então induzir mais fissões e assim por diante. Os experimentos rapidamente revelaram que nêutrons suficientes foram liberados para tornar essa reação em cadeia viável.
Em outubro de 1939, logo após a Alemanha invadir a Polônia no início da Segunda Guerra Mundial, uma carta sinistra de Albert Einstein chegou ao presidente Franklin Delano Roosevelt. Composta a pedido de Szilard, a carta relatou: “é concebível … que bombas extremamente poderosas de um novo tipo possam ser construídas”. Pesquisadores americanos não estavam sozinhos em seu interesse pelo tópico: cientistas alemães, observou a carta, também estavam no caso.
Roosevelt respondeu criando um comitê para investigar. Esse passo seria o primeiro em direção ao esforço dos EUA para construir uma bomba atômica, o Projeto Manhattan.
Em 2 de dezembro de 1942, Enrico Fermi, que então havia imigrado para os Estados Unidos, e 48 colegas realizaram a primeira reação em cadeia nuclear controlada e autossustentável em um experimento com uma pilha de urânio e grafite na Universidade de Chicago. A Science News Letter mais tarde o chamaria de “uma classificação de evento com o primeiro acendimento pré-histórico de um incêndio pelo homem”. Enquanto os físicos comemoravam seu sucesso, a possibilidade de uma bomba atômica estava mais perto do que nunca. “Achei que esse dia ficaria como um dia negro na história da humanidade”, Szilard se lembra de ter contado a Fermi.
COMISSÃO DE ENERGIA ATÔMICA / ARQUIVO NACIONAL
O experimento foi uma etapa fundamental no Projeto Manhattan. E em 16 de julho de 1945, por volta das 5h30, os cientistas, liderados por J. Robert Oppenheimer, detonaram a primeira bomba atômica, no deserto do Novo México – o teste Trinity.
Foi uma visão impressionante, como o físico Isidor Isaac Rabi lembrou em seu livro de 1970, Science: The Center of Culture. “De repente, houve um enorme flash de luz, a luz mais forte que eu já vi ou que acho que alguém já viu. Ele explodiu; ele atacou; ele abriu caminho através de você. Foi uma visão que foi vista com mais do que os olhos. Foi visto que durou para sempre. Você gostaria que parasse; embora tenha durado cerca de dois segundos. Finalmente acabou, diminuindo, e olhamos em direção ao lugar onde a bomba estivera; havia uma enorme bola de fogo que crescia e crescia e rolava conforme crescia; subiu no ar, em flashes amarelos e em escarlate e verde. Parecia ameaçador. Parecia vir em direção a um. Uma coisa nova tinha acabado de nascer; um novo controle; uma nova compreensão do homem, que o homem adquiriu sobre a natureza. ”
O físico Kenneth Bainbridge disse de forma mais sucinta: “Agora somos todos filhos da puta”, disse ele a Oppenheimer instantes após o teste.
A construção da bomba foi motivada pelo medo de que a Alemanha a obtivesse primeiro. Mas descobriu-se que os alemães não estavam nem perto de produzir uma bomba quando a Alemanha se rendeu em maio de 1945. Em vez disso, as bombas dos Estados Unidos seriam usadas no Japão. Em 6 de agosto de 1945, os Estados Unidos lançaram uma bomba atômica em Hiroshima, seguida por outra em 9 de agosto em Nagasaki. Em resposta, o Japão se rendeu. Mais de 100.000 pessoas morreram como resultado dos dois ataques, e talvez até 210.000.
“Eu vi um clarão branco-azulado ofuscante da janela. Lembro-me de ter tido a sensação de flutuar no ar “, lembrou o sobrevivente Setsuko Thurlow em um discurso feito durante a entrega do Prêmio Nobel da Paz de 2017 para a Campanha Internacional para Abolir Armas Nucleares. Ela tinha 13 anos quando a bomba atingiu Hiroshima. “Assim, com uma bomba, minha amada cidade foi destruída. A maioria de seus residentes eram civis que foram incinerados, vaporizados, carbonizados. ”
A humanidade entrou em uma nova era, com novos perigos para a sobrevivência da civilização.
“Com a física nuclear, você tem algo que dentro de 10 anos “passa de uma área de pesquisa acadêmica arcana” para algo que irrompe no cenário mundial e muda completamente a relação entre ciência e sociedade”, diz Reed.
Em 1949, a União Soviética lançou sua primeira arma nuclear, dando início à rivalidade nuclear de décadas com os Estados Unidos que definiria a Guerra Fria. E então veio uma arma maior e mais perigosa: a bomba de hidrogênio. Enquanto as bombas atômicas são baseadas na fissão nuclear, as bombas H aproveitam a fusão nuclear, a fusão de núcleos atômicos, em conjunto com a fissão, resultando em explosões muito maiores. A primeira bomba H, detonada pelos Estados Unidos em 1952, era 1.000 vezes mais poderosa do que a bomba lançada em Hiroshima. Em menos de um ano, a União Soviética também testou uma bomba H. A bomba H foi chamada de “arma de genocídio” por cientistas que atuam em um comitê consultivo da Comissão de Energia Atômica dos EUA, que havia recomendado anteriormente contra o desenvolvimento da tecnologia.
O medo da devastação que resultaria de uma guerra nuclear total alimentou repetidas tentativas de conter os estoques e testes de armas nucleares. Desde a assinatura do Tratado de Proibição Total de Testes Nucleares em 1996, os Estados Unidos, a Rússia e muitos outros países têm mantido uma moratória de testes. No entanto, a Coreia do Norte testou uma arma nuclear em 2017.
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Ainda assim, os perigos das armas nucleares foram acompanhados por uma nova tecnologia promissora: a energia nuclear.
Em 1948, os cientistas demonstraram pela primeira vez que um reator nuclear poderia aproveitar a fissão para produzir eletricidade. O X-10 Graphite Reactor no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee, gerou vapor que acionou um motor, acendendo uma pequena lâmpada de Natal. Em 1951, o Experimental Breeder Reactor-I no Idaho National Laboratory, perto de Idaho Falls, produziu a primeira quantidade utilizável de eletricidade de um reator nuclear. As primeiras usinas nucleares comerciais do mundo começaram a funcionar em meados e no final dos anos 1950. Mas os desastres nucleares diminuíram o entusiasmo pela tecnologia, incluindo o acidente de Three Mile Island em 1979 na Pensilvânia e o desastre de Chernobyl em 1986 na Ucrânia, então parte da União Soviética. Em 2011, o desastre na usina de Fukushima Daiichi, no Japão, reacendeu as ardentes ansiedades nucleares da sociedade. Mas hoje, em uma era em que os efeitos da mudança climática estão se tornando alarmantes, a energia nuclear é atraente porque não emite gases de efeito estufa diretamente.
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E o domínio da humanidade sobre a matéria ainda não está completo. Por décadas, os cientistas sonharam com outro tipo de energia nuclear, baseada na fusão, o processo que alimenta o sol. Ao contrário da fissão, a energia de fusão não produziria resíduos nucleares de longa duração. Mas, até agora, o progresso tem sido lento. O experimento ITER está em planejamento desde a década de 1980. Uma vez construído no sul da França, o ITER visa, pela primeira vez, produzir mais energia a partir da fusão do que a gasta. O seu sucesso pode ajudar a determinar as perspectivas energéticas para os séculos futuros.
Da perspectiva de hoje, o ritmo alucinante de progresso na física nuclear e de partículas em menos de um século pode parecer inacreditável. O nêutron e o pósitron foram encontrados em laboratórios que são pequenos em comparação com os de hoje, e cada descoberta foi atribuída a um único físico, relativamente logo após as partículas terem sido propostas. E as descobertas deram início a desenvolvimentos frenéticos que pareciam acontecer um após o outro.
Agora, encontrar um novo elemento, descobrir uma nova partícula elementar ou criar um novo tipo de reator nuclear pode levar décadas, colaborações internacionais de milhares de cientistas e experimentos enormes e caros.
À medida que os físicos descobrem os truques para entender e controlar a natureza, ao que parece, o próximo nível de segredos torna-se cada vez mais difícil de expor. – Emily Conover
Publicado em 11/04/2021 14h22
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