(9) Partículas que transmitem ou transportam força também são designadas por mediadoras (*N. do R.*).
O que a maior parte dos físicos espera encontrar é uma teoria unificada que explique as quatro forças como diferentes manifestações de uma única força. Na realidade, muitos diriam que actualmente é esse o objectivo principal da física. Recentemente, foram efectuadas tentativas coroadas de êxito para unificar três das quatro categorias de forças -- que descreverei neste capítulo. A questão da unificação da outra categoria, a gravitação, será deixada para mais tarde.
A primeira categoria é a força de gravitação. Esta força é universal, ou seja, todas as partículas a sentem, conforme a sua massa ou energia. A gravidade é, de longe, a mais fraca das quatro forças; é tão fraca que nem daríamos por ela, se não fossem duas propriedades especiais: pode agir a grandes distâncias e é sempre atractiva, o que significa que as forças de gravitação fraquíssimas que actuam entre as partículas individuais em dois corpos grandes, como a Terra e o Sol, podem somar-se para produzir uma força significativa. As outras três forças são ou de curto alcance, ou por vezes atractivas e por vezes repulsivas, tendendo a anular-se. Segundo a maneira como a mecânica quântica encara o campo gravitacional, a força entre duas partículas de matéria é representada como sendo transportada por uma partícula de spin 2, chamada gravitão. Este não tem massa própria, de modo que a força que transmite é de longo alcance. A força gravitacional entre o Sol e a Terra é atribuída à troca de gravitões entre as partículas que constituem estes dois corpos. Embora as partículas permutadas sejam virtuais, produzem realmente um efeito mensuráveclass="underline" fazem com que a Terra orbite em torno do Sol! Os gravitões reais provocam aquilo a que os físicos :, clássicos chamariam ondas gravitacionais que são muito fracas e tão difíceis de detectar que nunca foram observadas.
A categoria seguinte é a força electromagnética, que interactua com partículas carregadas de electricidade como os electrões e os quarks, mas não com partículas sem carga, como os gravitões. É muito mais forte que a força de gravitação: a força electromagnética entre dois electrões é de cerca de um milhão de milhões de milhões de milhões de milhões de milhões de milhões (1 seguido de quarenta e dois zeros) de vezes maior do que a força de gravitação. Contudo, há duas espécies de carga eléctrica: positiva e negativa. A força entre duas cargas positivas é repulsiva, tal como a força entre duas cargas negativas, mas entre uma carga negativa e uma carga positiva a força é atractiva. Um corpo grande, como a Terra ou o Sol, contém quase o mesmo número de cargas positivas e negativas. Assim, as forças atractivas e repulsivas entre partículas individuais quase que se anulam e há pouquíssima força electromagnética disponível. No entanto, nas pequenas escalas dos átomos e das moléculas, as forças electromagnéticas dominam. A atracção electromagnética entre electrões de carga negativa e protões de carga positiva no núcleo obriga os electrões a orbitarem em torno do núcleo do átomo, tal como a atracção gravitacional obriga a Terra a girar à volta do Sol. A atracção electromagnética é vista como sendo causada pela troca de grande número de partículas virtuais sem massa, de spin 1, chamadas fotões. De novo, os fotões trocados são partículas virtuais. Contudo, quando um electrão transita de uma órbita possível para outra [também permitida] mais próxima do núcleo, é libertada energia e é emitido um fotão real que pode ser observado pela vista humana como luz visível, se tiver o comprimento de onda certo, ou por um detector de fotões como um filme fotográfico. Da mesma maneira, se um :, fotão real colidir com um átomo, pode deslocar um electrão de uma órbita mais próxima do núcleo para outra mais afastada. Isto gasta a energia do fotão, que é absorvido.
A terceira categoria chama-se força nuclear fraca e é responsável pela radioactividade, agindo sobre todas as partículas de matéria de spin 1/2 mas não sobre partículas de spin 0, 1 ou 2, como os fotões ou os gravitões. A força nuclear fraca não foi bem compreendida antes de 1967, quando Abdus Salam, no Imperial College de Londres, e Steven Weinberg, em Harvard, propuseram teorias que unificavam esta interacção com a força electromagnética, tal como Maxwell tinha unificado a electricidade e o magnetismo cerca de cem anos antes. Sugeriram que, para além do fotão, havia outras três partículas de spin 1, conhecidas colectivamente por bosões vectoriais maciços que transmitiam a força fraca. Foram chamados W+ (pronuncia-se W mais), W- (pronuncia-se W menos) e Z0 (pronuncia-se Z zero), e cada um tinha uma massa de cerca de 100 GeV (GeV significa giga-electrão-volt, ou mil milhões de electrões-volt). A teoria de Weinberg e Salam exibe uma propriedade conhecida por quebra espontânea de simetria. Significa que aquilo que parece ser um número de partículas completamente diferentes a baixas energias não passa do mesmo tipo de partícula, mas em estados diferentes. A altas energias todas estas partículas se comportam de modo semelhante. O efeito é muito parecido com o de uma bolinha de roleta a girar. A altas energias (quando a roleta gira rapidamente), a bolinha tem o mesmo comportamento: não pára de girar. Mas, quando a roleta vai abrandando, a energia da bolinha diminui e acaba por fazê-la cair numa das trinta e sete depressões da roleta. Por outras palavras, a energias baixas há trinta e sete estados diferentes em que a bolinha pode existir. Se, por qualquer razão, só pudéssemos observar a bolinha a baixas :, energias, pensaríamos que havia trinta e sete tipos diferentes de bolinhas!
Na teoria de Weinberg e Salam, a energias muito maiores que 100 GeV, as três novas partículas e o fotão comportar-se-iam todos da mesma maneira. Mas às energias mais baixas que ocorrem na maioria das situações normais, esta simetria entre as partículas seria desfeita. W+, W- e Z0 ficariam com grandes massas, fazendo com que as forças que transportam tivessem um alcance muito curto. Na altura em que Weinberg e Salam propuseram a sua teoria, poucas pessoas acreditaram neles, e os aceleradores de partículas não eram suficientemente potentes para alcançar energias de 100 GeV necessárias para produzir partículas W+, W- ou Z0 reais. Contudo, durante os dez anos seguintes, mais ou menos, as outras predições da teoria a energias mais baixas coincidiam de tal maneira com as experiências que, em 1979, Weinberg e Salam receberam o prémio Nobel da Física, juntamente com Sheldon Glashow, de Harvard, que tinha sugerido teorias unificadas semelhantes para as forças electromagnética e nuclear fraca. A comissão Nobel foi poupada a um erro embaraçoso com a descoberta, em 1983, no CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear) dos três parceiros maciços do fotão, com massas e outras propriedades correctamente preditas. Carlo Rubbia, que dirigiu a equipa de várias centenas de físicos que fizeram a descoberta, recebeu o prémio Nobel em 1984, juntamente com Simon Van der Meer, o engenheiro do CERN que tinha desenvolvido o sistema utilizado para armazenar antimatéria. (É muito difícil hoje em dia marcar pontos em física experimental, a não ser que já se esteja no topo!)
A quarta categoria é a força nuclear forte, que mantém os quarks unidos no protão e no neutrão, e mantém os protões e os neutrões juntos no núcleo de um átomo. Crê-se que esta força é transmitida por uma outra partícula de :, spin 1, chamada gluão, que interactua só consigo própria e com os quarks. A força nuclear forte tem uma propriedade curiosa chamada confinamento que mantém as partículas sempre unidas em combinações sem cor. Não se pode ter um quark isolado, porque teria cor (vermelho, verde ou azul). Em vez disso, um quark vermelho tem de estar junto a um verde e a um azul por uma "corda" de gluões (vermelho + verde + azul = branco). Este tripleto constitui um protão ou um neutrão. Outra possibilidade e um par formado por um quark e um antiquark (vermelho + antivermelho, ou verde + antiverde, ou azul + anti-azul = branco). Estas combinações constituem as partículas conhecidas por mesões, que são instáveis porque um quark e um antiquark podem aniquilar-se originando electrões ou outras partículas. Do mesmo modo, o confinamento evita que se tenha um único gluão, porque os gluões também têm cor. Em vez disso, é preciso ter um conjunto de gluões, cujas cores juntas produzam o branco. Esse conjunto forma uma partícula instável ehamada *glueball (10).