E o portal Nossa Ciência segue com a série sobre mecânica quântica para não físicos. Esta iniciativa de divulgação científica é do professor Helinando Oliveira. Já foram publicados os textos: Mecânica quântica de bolso e Os elétrons na nossa rotina e a quântica que os habita. Boa leitura.
Da convicção do mundo clássico à complexidade de Feynman
Continuamos nossa viagem pelo mundo quântico, sem equações, passando da convicção do mundo clássico, com Arquimedes, à completa constatação de sua complexidade por Richard Feynman. E tudo isso com passagem pela incredulidade de Einstein, que rejeitou o caráter probabilístico do mundo quântico em favor de uma convicção quente e macia que o mundo clássico nos ofertara.
Dê-me uma alavanca e um ponto de apoio e levantarei o mundo. (Arquimedes)
Neste terceiro texto da série, abordaremos o comportamento de partícula e de onda de certas estruturas e a sua capacidade de se comportar como ambas. E o mais importante de tudo, no que isso afeta nossa vida. Para começar, vamos às definições, partículas são pequenos objetos localizados, variando de tamanho desde escalas subatômicas até aquelas visíveis a olho nu. Um grão de areia, por exemplo, é uma partícula que estamos acostumados a lidar, pois podemos tocar, mantê-la guardada em nosso bolso, arremessá-la contra parede e etc. Interagimos com ela desde a infância.
Ondas sonoras
Outras coisas que aprendemos a fazer desde a infância são as formas de nos comunicarmos. Pra chorar, uma criança enche os pulmões de ar, expelindo-o pela boca, via traqueia, onde estão as pregas vocais (fechadas). Com a passagem do ar, estas estruturas se abrem e se fecham a uma taxa que determina a frequência de nossa voz. O som primário passa pela faringe, pela boca e pelas narinas, onde é trabalhado para produzir a voz. Essa onda sonora (uma vibração mecânica que perturba um meio material) faz com que as moléculas ao seu redor vibrem da mesma forma. Se estivermos próximos o suficiente desta fonte de onda sonora, nosso pavilhão auditivo coleta o som pela vibração do tímpano (que passa a vibrar), amplifica-a pelos ossículos (martelo, bigorna e estribo) e o transmite para a cóclea, que converte tudo isso em sinais elétricos que seguem para o cérebro. Nossos ouvidos conseguem vibrar entre 20 Hz e 20 kHz, que é a faixa audível.
Deus não joga dados com o universo. (Albert Einstein)
Embora sejam dois processos que ocorrem ao longo de toda a nossa vida, o comportamento ondulatório do som é muito menos intuitivo do que a natureza corpuscular do grão de areia. Na verdade, estamos mergulhados em uma profusão de ondas que nos atravessam constantemente, algumas delas invisíveis aos nossos olhos (como as ondas sonoras, os perigosos raios ultravioleta do sol, entre outras). E a física seguiu estudando suas partículas e suas ondas em duas caixinhas, tal qual o ditado de que pau é pau e pedra é pedra.
Ondas eletromagnéticas
Eis que no final do século XIX já se entendia que a luz era uma onda eletromagnética (composta por campos elétricos e magnéticos) e para tanto, respondia como onda nas oportunidades em que era testada. No entanto, surge o efeito fotoelétrico: quando uma placa de metal é iluminada, induz-se a circulação de corrente elétrica. No entanto, havia uma frequência de corte para que este processo ocorresse (os elétrons não correm por conta de qualquer fonte de luz, por mais intensa que fosse). Einstein conseguiu decifrar este processo, descrevendo o que seria o fóton: a luz seria um fluxo de partículas de energia bem definida.
Acho que posso dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica. (Richard Feynman)
Mas calma, isso é só o começo. Lembra dos elétrons? São essas as partículas fundamentais que se movem sob a ação de um campo elétrico (vide as matérias anteriores: transistores e chuveiros elétricos). Eram partículas… Até que foram observados efeitos ondulatórios em sua resposta a cristais (difração de elétrons – processo em que a onda pode se desviar ao se encontrar com um obstáculo, gerando padrões de interferência). Então, chegamos à constatação de que, se o obstáculo tiver dimensões de ordem do comprimento de onda dos elétrons, eles passam a se comportar como ondas.
Na verdade, as entidades quânticas não precisam definir se são ondas ou partículas, a menos que sejam forçadas a escolher uma resposta por um aparato experimental imposto por um observador. Por exemplo, a dimensão de uma fenda interfere no comportamento geral (na escolha do comportamento de um feixe de partículas que passa por ela). O ato de medir a resposta de um elétron força-o a definir se será onda ou partícula nessa situação. Daí vem a definição de função de onda: uma superposição de estados que a entidade quântica escolhe (colapsa em um valor conforme uma condição imposta ao longo do caminho). Em interpretação livre, é como se o elétron carregasse várias versões de si mesmo e, a depender da ocasião, escolhesse aparecer como um bebê recém-nascido ou como uma senhora de 90 anos. Por trás da observação, ele, na verdade, é o que é, tudo ao mesmo tempo – onda e partícula: energia.
Na próxima semana, continuamos nossa viagem pelo mundo da quântica, com o papel do observador, o gato de Schrödinger e outras coisas mais.
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Helinando Oliveira é físico, professor titular da Universidade Federal do Vale do São Francisco (Univasf) e atualmente é vice presidente da Academia Pernambucana de Ciência