Como o Universo e sua Versão Espelhada São Diferentes

A versão original desta história apareceu na Quanta Magazine .

Após suas aventuras no País das Maravilhas, a Alice fictícia atravessou o espelho acima de sua lareira no romance Através do Espelho, de Lewis Carroll, de 1871, para descobrir como o reino refletido era diferente do seu. Ela descobriu que os livros eram todos escritos ao contrário, e as pessoas estavam "vivendo ao contrário", navegando em um mundo onde os efeitos precediam suas causas.

Quando objetos parecem diferentes no espelho, os cientistas os chamam de quirais. Mãos, por exemplo, são quirais. Imagine Alice tentando apertar a mão de seu reflexo. Uma mão direita no mundo do espelho se torna uma mão esquerda, e não há como alinhar as duas perfeitamente para um aperto de mão porque os dedos se dobram na direção errada. (Na verdade, a palavra "quiralidade" tem origem na palavra grega para "mão".)

A experiência de Alice reflete algo profundo sobre o nosso próprio universo: nem tudo é igual através do espelho. O comportamento de muitos objetos familiares, de moléculas a partículas elementares, depende da versão espelhada com a qual interagimos.

No início de Através do Espelho , Alice segura sua gatinha Kitty em frente ao espelho e ameaça empurrá-la para o outro lado. "Será que eles te dariam leite lá dentro? Talvez o leite do Espelho não seja bom para beber", diz ela.

Alice estava no caminho certo. Pouco mais de duas décadas antes da publicação do livro, Louis Pasteur descobriu, ao fazer experimentos com vinho vencido, que certas moléculas podem ser quirais. Elas podem apresentar formas estruturais distintas, tanto destras quanto canhotas, impossíveis de sobrepor. Pasteur descobriu que, embora contenham todos os mesmos componentes, as versões espelhadas das moléculas quirais podem desempenhar funções químicas distintas.

A lactose, o açúcar encontrado no leite, é quiral. Embora ambas as versões possam ser sintetizadas, os açúcares produzidos e consumidos pelos organismos vivos são sempre os destros. De fato, a vida como a conhecemos utiliza apenas açúcares destros — daí a razão pela qual a escada genética do DNA sempre se curva para a direita. A raiz dessa "homoquiralidade" continua sendo um dos maiores mistérios que obscurecem as origens da vida.

Kitty não conseguiria digerir leite de espelho. Pior ainda, se contivesse alguma bactéria com a ação oposta, seu sistema imunológico e antibióticos não teriam condições de resistir. Um grupo de cientistas renomados alertou recentemente contra a síntese de formas de vida espelhadas por esse motivo: se alguma escapasse do laboratório, poderia escapar dos mecanismos de defesa das formas de vida comuns.

Continuando a explorar a fundo, vemos traços de quiralidade até nas partículas elementares.

O trabalho de Pasteur sobre moléculas baseava-se em uma descoberta anterior de Augustin-Jean Fresnel, que, em 1822, percebeu que diferentes prismas de quartzo podiam fazer o campo elétrico da luz girar em uma de duas direções — no sentido horário ou anti-horário. Se cada partícula de luz pudesse deixar um rastro de fumaça em seu caminho, um parafuso de fumaça destro emergiria de um prisma e um parafuso canhoto de outro.

Hoje em dia, os físicos consideram a quiralidade uma propriedade fundamental de todas as partículas elementares, assim como a carga ou a massa. As partículas sem massa estão sempre viajando à velocidade da luz e também carregam um momento angular intrínseco, como se estivessem girando como um pião. Se as partículas estiverem voando na direção do seu polegar, o spin delas seguirá a direção em que seus dedos se curvam — seja na mão direita ou na esquerda.

A situação é um pouco mais complicada para partículas massivas, como elétrons e quarks. Como uma partícula massiva viaja mais lentamente, um observador veloz poderia ultrapassá-la e efetivamente inverter sua direção de movimento, invertendo assim sua aparente lateralidade. Por esse motivo, ao descrever a quiralidade de partículas massivas, os físicos frequentemente se referem à descrição matemática das propriedades quânticas da partícula. Quando você gira uma partícula, sua função de onda quântica se desloca para a esquerda ou para a direita, dependendo de sua quiralidade.

Quase toda partícula elementar tem uma gêmea através do espelho. Um elétron canhoto com carga negativa é espelhado pelo antipósitron, uma partícula destra com carga negativa.

No mundo do espelho, Alice encontra toda a lógica invertida: as pessoas correm para permanecer no mesmo lugar e comemoram "desaniversários" em todos os dias em que não nasceram. Da mesma forma, nosso universo difere de sua imagem no espelho. A força fraca — a força responsável pelo decaimento radioativo — é sentida apenas por partículas canhotas. Isso significa que algumas partículas decairão no mundo normal, enquanto suas contrapartes no espelho não.

Além disso, há uma partícula que parece não aparecer no espelho. O neutrino só foi observado em sua forma canhota. Físicos de partículas estão investigando se o neutrino destro existe ou se as imagens especulares dos neutrinos são simplesmente idênticas, o que poderia ajudar a explicar por que o universo contém algo em vez de nada .

Podemos aprender muito sobre o nosso próprio mundo olhando através do espelho. Só tome cuidado para não beber o leite.

História original reimpressa com permissão da Quanta Magazine , uma publicação editorialmente independente da Fundação Simons cuja missão é aumentar a compreensão pública da ciência cobrindo desenvolvimentos e tendências de pesquisa em matemática e ciências físicas e biológicas.