Matéria, do ponto de vista científico, é a substância dos corpos físicos, caracterizada principalmente por sua massa e carga elétrica. Segundo a concepção científica moderna, a matéria não é contínua: os corpos são formados por agrupamentos de moléculas, e estas são compostas de átomos, unidades básicas dos elementos químicos. Às menores entidades isoláveis, constituintes de toda a matéria do universo conhecido, dá-se o nome de partículas elementares. Há diversos tipos de partículas elementares, classificadas de acordo com a massa e outras propriedades físicas, como o momento angular (grandeza associada ao movimento de rotação). A cada tipo de partícula corresponde outro -- genericamente denominado antipartícula -- que tem a mesma massa e cuja carga elétrica e momento angular têm os mesmos valores numéricos da partícula correspondente, porém com sinal oposto. Assim, as designações matéria e antimatéria são um modo de descrever as partículas subatômicas presentes no universo, e expressam a propriedade física conhecida como simetria.
De acordo com as leis da física, partículas de matéria e antimatéria são criadas aos pares. Acredita-se, dessa forma, que metade do universo seja composta de antimatéria -- o que pressupõe a existência, ainda não comprovada, de galáxias de antimatéria, que contêm planetas de antimatéria, talvez habitados por seres de antimatéria.
Uma partícula não pode se associar à antipartícula correspondente, pois suas propriedades simétricas se anulam e ambas, mutuamente aniquiladas, têm a massa convertida em energia. Como a antimatéria é tão estável quanto a matéria -- quando ambas não estão em contato --, o acúmulo e combinação de antipartículas, em teoria, pode formar antiátomos que produziriam, em conjunto, corpos de antimatéria.
Teorias da antimatéria - O conceito de matéria foi objeto de especulação de filosofias antigas e geralmente aceito como realidade externa, manifesta nos objetos e capaz de ser percebida pelos sentidos. A estruturação e divisibilidade da matéria, formulada pelo pensamento grego, originou duas posições opostas: o atomismo considerava os corpos materiais como agregados de partículas elementares, ou átomos (seu representante máximo foi Demócrito de Abdera); e o aristotelismo entendia que os objetos são simples e indivisíveis, e estabelecia categorias de matéria em função da pureza de sua origem e de seu processo de constituição. A ciência europeia medieval e renascentista aceitou a doutrina de Aristóteles, neste como em muitos outros domínios do saber, e estudou os vários fenômenos da natureza de uma perspectiva exclusivamente macroscópica.
A noção de matéria sofreu uma revolução com as teorias científicas mecanicistas e racionalistas do século XVII e culminou com os brilhantes trabalhos de Isaac Newton, que atribuía tanto à matéria quanto à luz caráter corpuscular (isto é, ambas seriam formadas de corpos ou partículas mais elementares), o que reduzia o estudo dos sistemas físicos à investigação do comportamento das partículas materiais que os compõem. Mas a originalidade de sua teoria estava na distinção feita entre quantidade de matéria, ou massa (conceito que Newton definiu e descreveu exaustivamente), e peso, força resultante do produto da massa pela aceleração da gravidade. Essa interpretação faz parte da teoria da gravitação universal, que marcou a física, de modo determinante, nos séculos seguintes.
A hipótese newtoniana, que postulava apenas um tipo de matéria caracterizada por sua massa, foi enriquecida com as descobertas sobre a natureza eletromagnética dos corpos, realizadas no século XIX por cientistas célebres como Michael Faraday e James Clerk Maxwell. De acordo com tais estudos, a matéria apresentaria duas propriedades fundamentais: massa e carga elétrica. A teoria atômica, assim denominada em homenagem à doutrina filosófica de Demócrito, que a antecipou, fora retomada, também durante o século XIX, por John Dalton, e comprovada empiricamente por vários pesquisadores. Essa teoria orientou a classificação dos diversos elementos numa tabela ordenada segundo a periodicidade de suas propriedades físicas e químicas.
No fim do século XIX, J. J. Thomson comprovou experimentalmente, pela primeira vez, a existência dos elétrons -- partículas subatômicas de carga elétrica negativa. Trabalhos posteriores, que buscavam encontrar outras partículas constituintes do átomo, resultaram na descoberta dos prótons -- que têm massa bem maior que a dos elétrons e carga elétrica igual, porém positiva -- e dos nêutrons, partículas de matéria eletricamente neutra. Segundo a hipótese atômica, prótons e nêutrons formariam o núcleo do átomo, ao redor do qual girariam, em equilíbrio eletromagnético, os elétrons. Assim, a teoria segundo a qual a matéria se compõe de unidades indivisíveis levou a uma tentativa de encontrar partículas elementares mínimas, não fracionáveis, de nível subatômico. Nesse sentido, a mecânica quântica contribuiu com postulados físicos e matemáticos complexos, cuja validade também deveria se aplicar às hipóteses básicas da física relativista, que admitiam os conceitos de matéria e energia como referentes a uma mesma realidade física.
Descoberta das antipartículas - Em suas pesquisas sobre os raios cósmicos, o físico americano Carl David Anderson descobriu, em 1932, a existência de uma partícula elementar, denominada pósitron, de características idênticas às do elétron, mas com carga elétrica oposta (de sinal positivo). Anderson também verificou que o pósitron, ao encontrar-se com um elétron, provocava um fenômeno de aniquilação que transformava a massa de ambos em energia pura -- razão pela qual a nova partícula recebeu também o nome de antielétron.
Em 1955, os americanos Owen Chamberlain e Emilio Segrè verificaram a existência do antipróton, e desde então a descoberta de novas partículas quase sempre foi acompanhada da detecção das antipartículas correspondentes. A presença de partículas de antimatéria nos feixes de radiação altamente energética e nos processos de produção de energia nuclear já havia sido postulada teoricamente nos modelos matemáticos de Paul Dirac e Yukawa Hideki.
Uma equipe europeia criou, em 1995, os primeiros átomos de antimatéria. Submetendo antiprótons a jatos de xenônio no acelerador de partículas, os cientistas verificaram que, da colisão entre antiprótons e átomos de xenônio, geraram-se nove átomos de anti-hidrogênio, formado de um antipróton e um pósitron. Os átomos existiram por quarenta bilionésimos de segundo, antes de serem aniquilados pela matéria.
Classificação das partículas e antipartículas - Em termos gerais, define-se uma partícula fundamental como aquela que não se pode fracionar em partículas menores. Os átomos e os núcleos atômicos, portanto, não são unidades elementares, mas abrangem partículas que, não necessariamente estáveis, decompõem-se em outras partículas do mesmo tipo ou não sofrem nenhuma desintegração demonstrável.
Até 1930, eram conhecidos cinco tipos de partículas elementares: o elétron, unidade básica de carga elétrica negativa situada no envoltório dos átomos e capaz de circular livremente nos corpos materiais e formar correntes elétricas e campos magnéticos; o próton, de carga positiva, situado no núcleo atômico; o nêutron, outra partícula nuclear e eletricamente neutra; o fóton, que não tem massa e representa o suporte material e ondulatório da luz e da radiação eletromagnética em geral; e o neutrino, que, sem carga e com massa nula quando em repouso, resulta do processo radioativo conhecido como desintegração beta.
A descoberta do pósitron abriu caminho para o conhecimento de várias antipartículas que, exceto quanto ao sinal (positivo ou negativo) da carga elétrica e do momento angular, são iguais às partículas correspondentes sob todos os demais aspectos físicos. A distinção entre partícula e antipartícula, evidente nas unidades eletricamente carregadas, é mais problemática quanto ao nêutron, neutrino, fóton, píon neutro e similares. Nesses casos, empregam-se critérios que levam em conta a orientação relativa dos campos magnéticos que as partículas criam a sua volta.
Em função de sua massa, partícula e antipartícula são tradicionalmente classificadas em: (1) fótons, que são quantidades discretas (isto é, que variam descontinuamento) de radiação eletromagnética; (2) léptons ou partículas leves, como o elétron, o neutrino eletrônico, o múon e o tau, bem como suas respectivas antipartículas (pósitron, antineutrino etc.), que são considerados indivisíveis; (3) hádrons, ou partículas pesadas, formados, segundo os postulados teóricos da física quântica, por unidades de massa e de carga chamadas quarks e antiquarks, de cujo acúmulo e combinação são produzidos os mésons -- partículas de massa intermediária entre a do próton e a do elétron, como os píons e os káons -- e bárions-- partículas de massa equivalente ou maior que o nêutron, que estão subdivididas em núcleons (prótons e nêutrons) e híperons (partículas lambda, sigma, xi, omega e lambda-c).
Universo de antimatéria - Após a comprovação experimental da existência de antipartículas, confirmou-se a possibilidade de gerá-las, em laboratório, junto com suas partículas associadas, por processos inversos ao da aniquilação radioativa e que envolvem altíssimas energias. A produção de antiátomos em laboratórios impõe aos cientistas uma dificuldade básica: as antipartículas obtidas encontram muito rapidamente, no espaço a sua volta, as partículas que lhe correspondem, e por isso se desintegram quase imediatamente.
Como nos fenômenos radioativos que envolvem altas energias, produzem-se partículas e antipartículas, acredita-se que existam objetos antimateriais no espaço sideral. Alguns astrônomos sugerem mesmo que parte da radioemissão captada do espaço cósmico provenha de estrelas ou galáxias de antimatéria. De qualquer modo, esses corpos antimateriais não passam de um exercício de especulação, sem base para comprovação ou refutação definitiva.