Este artigo foi publicado originalmente em A conversa. A publicação contribuiu com o artigo para Space.com’s Vozes de especialistas: artigos de opinião e insights.
Uma ferramenta matemática inteligente conhecida como partículas virtuais desbloqueia o estranho e misterioso funcionamento interno das partículas subatômicas. O que acontece com essas partículas dentro dos átomos permaneceria inexplicável sem esta ferramenta. Os cálculos que utilizam partículas virtuais prevêem o comportamento bizarro das partículas subatômicas com uma precisão tão estranha que alguns cientistas pensam que “elas devem realmente existir”.
Partículas virtuais não são reais – isso está escrito em seu nome – mas se você quiser entender como as partículas reais interagem umas com as outras, elas são inevitáveis. São ferramentas essenciais para descrever três das forças encontradas na natureza: eletromagnetismoe o forte e nuclear fraco forças.
Partículas reais são pedaços de energia que podem ser “vistos” ou detectados por instrumentos apropriados; esse recurso é o que os torna observáveis ou reais. As partículas virtuais, por outro lado, são uma ferramenta matemática sofisticada e não podem ser vistas. Físico Richard Feynman os inventou para descrever as interações entre partículas reais.
Mas muitos físicos não estão convencidos por esta distinção simples. Embora os pesquisadores não consigam detectar essas partículas virtuais, como ferramentas de cálculo elas prever muitos efeitos sutis que experimentos ultrassensíveis confirmaram com impressionantes 12 casas decimais. Essa precisão é como medir a distância entre os pólos Norte e Sul melhor do que a largura de um único fio de cabelo.
Este nível de concordância entre medições e cálculos torna as partículas virtuais a ideia mais examinada na ciência. Isso força alguns físicos a perguntar: uma ferramenta matemática pode se tornar real?
Partículas virtuais são a ferramenta que os físicos usam para calcular como as forças funcionam no mundo subatômico microscópico. As forças são reais porque podem ser medidas.
Mas em vez de tentar calcular as forças diretamente, os físicos usam um sistema de contabilidade onde partículas virtuais de vida curta carregam a força. As partículas virtuais não apenas tornam os cálculos mais gerenciáveis, mas também resolvem um problema antigo da física: como uma força atua no espaço vazio?
Partículas virtuais exploram o imprecisão natural do mundo subatômicoonde se essas partículas efêmeras viverem brevemente o suficiente, elas também podem brevemente emprestar sua energia do espaço vazio. A nebulosidade do balanço energético esconde este breve desequilíbrioo que permite que as partículas virtuais influenciem o mundo real.
Uma grande vantagem desta ferramenta é que as operações matemáticas que descrevem as forças entre as partículas podem ser visualizadas como diagramas. Eles tendem a se parecer com desenhos animados de pingue-pongue jogados com partículas virtuais. Os diagramas – dublados Diagramas de Feynman – oferecem uma excelente estrutura intuitiva, mas também dão às partículas virtuais uma aura de realidade que engana.
Surpreendentemente, este método de cálculo baseado em partículas virtuais produz algumas das previsões mais precisas de toda a ciência.
Verificação da realidade
Toda matéria é feita de blocos de construção básicos chamados átomos. Os átomos, por sua vez, são feitos de pequenos partículas carregadas positivamente chamadas prótons encontrados em seu núcleo, cercados por ainda menores partículas carregadas negativamente chamadas elétrons.
Como professor de física e astronomia na Mississippi State Universityrealizo experimentos que muitas vezes se baseiam na ideia de que os elétrons e prótons vistos em nossos instrumentos interagem trocando partículas virtuais. Meus colegas e eu medimos recentemente o tamanho do próton muito precisamente, bombardeando átomos de hidrogênio com um feixe de elétrons. Esta medição assume que os elétrons podem “sentir” o próton no centro do átomo de hidrogênio através da troca de fótons virtuais: partículas de energia eletromagnética.
Os físicos usam partículas virtuais para calcular como dois elétrons se repelem, com extrema precisão. As forças envolvidas são representadas como o efeito acumulado dos dois elétrons trocando fótons virtuais.
Quando duas placas de metal são colocadas extremamente próximas uma da outra no vácuo, elas se atraem: isso é conhecido como Efeito Casimiro. Os físicos podem calcular com precisão a força que une as placas usando a matemática de partículas virtuais. Quer as partículas virtuais estejam realmente lá ou não, a matemática prevê exatamente o que os investigadores observam no mundo real.
Ainda outra previsão misteriosa feita usando o kit de ferramentas de partículas virtuais é a chamada Radiação Hawking. Quando pares de partículas virtuais surgem na borda do buracos negros, às vezes, a gravidade do buraco negro agarra um dos parceiros enquanto o outro escapa. Essa fenda faz com que o buraco negro evapore lentamente. Embora a radiação Hawking ainda não tenha sido observada diretamente, os pesquisadores recentemente observou indiretamente.
Ficção útil
Voltemos à questão: uma ferramenta matemática pode se tornar real? Se você pode prever perfeitamente tudo sobre uma força imaginando que ela é transportada por partículas virtuais, essas partículas podem ser qualificadas como reais? Seu status ficcional importa?
Os físicos permanecem divididos sobre essas questões. Alguns preferem “calar a boca e calcular” – uma das famosas piadas de Feynman. Por enquanto, as partículas virtuais são a nossa melhor maneira de descrever como as partículas se comportam. Mas os pesquisadores estão desenvolvendo métodos alternativos que não precisam deles de jeito nenhum.
Se forem bem-sucedidas, essas abordagens poderão fazer com que as partículas virtuais desapareçam para sempre. Bem sucedidos ou não, o facto de existirem alternativas sugere que as partículas virtuais podem ser uma ficção útil em vez de uma verdade física. Também se enquadra no padrão de revoluções anteriores na ciência – o exemplo do éter vem-me à mente. Os físicos inventaram o éter como um meio através do qual as ondas de luz viajavam. Os experimentos combinaram bem com os cálculos usando esta ferramenta, mas não conseguiram detectá-la. Eventualmente, a teoria da relatividade de Einstein mostrou que isso era desnecessário.
Partículas virtuais são um paradoxo impressionante da física moderna. Eles não deveriam existir, mas são indispensáveis para calcular tudo, desde a força dos ímãs até o comportamento dos buracos negros. Representam um dilema profundo: por vezes, as melhores percepções da realidade surgem através de ilusões cuidadosamente construídas. No final, a confusão em torno das partículas virtuais pode ser apenas o preço da compreensão das forças fundamentais.
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