Imagem: Na teoria quântica, os níveis de energia possíveis são discretos, o que significa que você pode contá-los um por um. Cada linha preta horizontal representa um nível de energia. Quanto mais alta a linha, mais alta é a energia. Os círculos vermelhos representam os elétrons que preenchem todos os níveis do Mar de Dirac.
Partícula subatômica ou radiação
Uma partícula subatômica é um componente da matéria menor que um átomo (1 ångström ou 0,1 nanômetro ou 10−10 metros).
Com E=mc2, os físicos perceberam que poderiam criar partículas transformando energia em matéria. Assim, ao acelerar os corpúsculos a uma velocidade próxima à da luz, eles foram capazes de transformar o movimento em partículas. A partir de então, os tijolos da realidade tornaram-se esplendor de extraordinária riqueza, não são mais um número finito de partículas, mas energia composta de partículas elementares ou interações.
E=mc2 não inclui momento, ou seja, energia cinética. A equação que inclui a energia cinética é E2=p2c2+m2c4 onde p é o momento.
Uma vez que elevamos ao quadrado a energia, no sentido matemático, existem duas soluções para esta equação. Uma solução positiva e uma solução negativa e ambas fazem o mesmo sentido.
Intuitivamente esta energia, E=√p2c2+m2c4 não faz sentido físico do que positivamente. Energia negativa não faz sentido, assim como massa negativa ou velocidade negativa.
No entanto, Paul Dirac (1902-1984) irá considerar as 2 soluções √ e -√ e, acima de tudo, leve a sério a solução negativa. Dirac entende que esses valores existem no domínio positivo, mas também no domínio negativo das energias.
Na física quântica, as energias são quantificadas, o que implica que apenas certos valores particulares da energia são possíveis.
Os sistemas físicos em geral se estabilizam minimizando sua energia e encontram seu equilíbrio nos estados fundamentais da matéria. Mas se existirem estados de energia negativa, o sistema deve se estabilizar nesses estados de energia mais baixa e, portanto, cair em estados de energia negativa e então desaparecer do mundo real !!!
Por que um elétron que está em um estado de energia positiva não cai em um estado de energia negativa?
Em 1925, Wolfgang Pauli (1900-1958) propôs um princípio segundo o qual elétrons pertencentes ao mesmo sistema não podem estar simultaneamente no mesmo estado quântico. Posteriormente, este princípio será generalizado para qualquer férmion ou partícula de spin meio-inteiro.
Em outras palavras, na mecânica quântica, 2 partículas não podem estar no mesmo estado quântico, no mesmo lugar ao mesmo tempo (princípio de exclusão de Pauli).
Em 1931, Dirac considerará que todos os estados de energia negativa são preenchidos até o infinito. Porque, se todos os níveis de energia negativa forem preenchidos, será impossível que outros elétrons caiam nos níveis de energia negativa, o que resolve o paradoxo. Portanto, há partículas nesses níveis de energia que são chamadas do Mar de Dirac.
A antimatéria, portanto, existe e será medida experimentalmente por Carl Anderson (1905-1991) em 1933, descobrindo o elétron positivo, ou pósitron, nos raios cósmicos.
N.B.: na mecânica quântica o estado de uma partícula caracteriza todo o conhecimento que está disponível se as medições são feitas nesta partícula. O estado da partícula, portanto, contém todas as informações disponíveis sobre a partícula. A partir desse estado, podemos calcular a probabilidade de encontrar tal e tal momento angular, tal energia, tal velocidade ou tal impulso.
Na verdade, deve ser entendido que o sistema está em um único estado quântico, mas que as medições podem dar vários resultados diferentes, cada resultado sendo associado à sua probabilidade de aparecer durante a medição.
Mas onde estão essas antipartículas?
Imagem: o pósitron ou a antipartícula do elétron.
O círculo vermelho representa o buraco deixado no mar infinito de Dirac pelo elétron que vai para o mundo real das energias positivas.
Um buraco no vácuo representa a ausência de um estado de energia negativa e carga negativa quando um elétron de energia positiva e carga positiva aparece no mundo real de energias positivas.
Um estado de energia negativa está vazio e um estado de energia positiva é preenchido. Um buraco é percebido como um pósitron de energia positiva.
As antipartículas estão por toda parte no vazio que nos rodeia e é possível comunicar-lhes uma certa quantidade de energia para que apareçam no mundo real das energias positivas. O vazio é um mar infinitamente profundo de níveis de energia ocupados.
As antipartículas não são as partículas de energia negativa (círculo vermelho), são os buracos (círculo vermelho) deixados na área das partículas de energia negativa quando uma partícula de energia negativa aparece no mundo real.
Dirac entende que esse buraco (antipartícula) tem uma energia que pode ser medida experimentalmente. Como a energia e a carga elétrica são conservadas, o anti-elétron deve ter uma carga mensurável oposta à do elétron. O que é notável é que essa previsão será verificada em 1933 por Carl Anderson, enquanto ele fazia pesquisas sobre os raios cósmicos.
Para produzir antimatéria, é necessária energia suficiente para cruzar a lacuna que vai das energias negativas às positivas. Na verdade, se atingirmos uma antipartícula virtual com energia suficiente igual a duas vezes a massa do elétron ao quadrado, criaremos uma partícula de energia positiva observável no mundo positivo real.
Uma partícula por exemplo um elétron aparecerá no mundo positivo deixando um buraco ou seja, um pósitron no mundo das energias negativas.
Esse pósitron tem a mesma massa do elétron, mas uma carga elétrica oposta proveniente do vazio induzido pela passagem do elétron do mar de Dirac para o mundo das partículas de energias positivas.
Quando um elétron encontra um antielétron, um pósitron, eles se aniquilam em dois fótons de 511 kev.
Com um contador Geiger (um instrumento para medir um grande número de radiação ionizante) podemos ver linhas muito fracas de fótons gama com uma energia de (511 keV/c2) que corresponde exatamente à massa do elétron.
Como a massa de um elétron é 511 kev, leva 1 Mev para ir de n-1 (mundo das energias negativas) para n1 (mundo das energias positivas).
Um próton tem uma massa de 938,27 MeV/c2, para criar um antipróton, serão necessários 2 Gev. Em outras palavras, quanto mais massiva a partícula, mais energia é necessária para fazê-la aparecer no mundo real.
As antipartículas estão bem ao nosso redor e até dentro de nós. Nosso próprio corpo emite algumas antipartículas (antineutrinos) quando o potássio 40 em nosso corpo se decompõe.
As antipartículas são realmente apenas buracos no Mar de Dirac?
Na teoria de Dirac, um buraco não é uma partícula, mas a falta de partícula é uma antipartícula de carga oposta, de spin oposto, de massa idêntica à partícula real. Na teoria quântica, as antipartículas são partículas reais, e não buracos. Que é matematicamente equivalente ao Mar de Dirac.
Em resumo, o buraco pode ser pensado como um novo tipo de partícula, chamada de antipartícula, que possui energia oposta à da partícula. Se uma partícula é um férmion, ela deve ter uma antipartícula correspondente. As antipartículas podem ser criadas com nada além de energia. Se uma partícula e uma antipartícula se encontram, elas podem desaparecer em uma explosão de energia, o termo técnico é aniquilação.
Em 1933, o pósitron foi descoberto em raios cósmicos por Carl Anderson (1905-1991). Em 1955, o antipróton foi descoberto por Emilio Segrè (1905-1989). Em 1956, o antinêutron foi descoberto por Bruce Cork (1916-1994). Em 1965, um antideuteron (núcleo do antideutério) foi criado no síncrotron do CERN. Em 1995, o primeiro átomo de antimatéria (anti-hidrogênio) foi criado em um laboratório do CERN. Em 2011, foi observado o antinúcleo mais pesado (anti-hélio-4).