CONCEITOS BÁSICOS DE FÍSICA QUÂNTICA

As moléculas têm uma forma determinada?" Sem dúvida, as moléculas têm uma forma, que não é perceptível para vós." ('O Livro dos Espíritos', questão # 34, 1857)

Conceitos básicos de Física Quântica I

1. Introdução

A física exerceu enorme influência sobre o desenvolvimento das ciências modernas nos últimos tempos. Sabemos hoje o quanto e ciência e a tecnologia têm contribuído para o aprofundamento do abismo entre as sociedades ricas e pobres, numa situação nunca antes vista na história. Nosso objetivo com a série de posts que se inicia hoje é apresentar brevemente alguns conceitos de física quântica, a fim de elucidar aparentes diferenças entre a visão do mundo fornecido por essa disciplina e a maneira usual de ver o mundo. Isso é importante, uma vez que descobrimos que o nosso jeito particular e puramente sensorial de apreender a realidade não corresponde ao único existente. Existem 'outras realidades', o que pode ajudar a nos distanciar do ceticismo em relação a novos fenômenos da Natureza. Sabemos também que a física quântica tem sido evocada por grupos de espiritualistas numa tentativa de justificar ideias e noções transcendentes do ser humano ou do próprio Universo (ver "Física Quântica e os espiritualistas do século 21 - uma análise preliminar"). Antes de analisarmos e criticarmos essa postura, é importante apresentar os novos conceitos da física quântica, mesmo que em nível elementar, a fim de que o leitor também possa julgar melhor a polêmica e a dificuldade apresentada por esse tipo de debate. Nosso objetivo não é, portanto, a crítica.

Grande parte dos avanços da física neste século foram possíveis graças ao desenvolvimento do programa de pesquisa da chamada "mecânica quântica" também conhecida como física quântica. Seu desenvolvimento se deve basicamente à convergência de três especialidades da física: o eletromagnetismo, a óptica e o surgimento da física nuclear, bem como um conjunto de novos fenômenos que não poderiam ser explicados de forma satisfatória pela física anterior, chamada de 'física clássica'. Em sua essência a mecânica quântica visa o estudo de sistemas quânticos. Sistemas quânticos são sistemas físicos (isto é, podem ser sistemas elétricos, ópticos, nucleares, eletrônicos, térmicos, mecânicos etc) cuja quantidade de movimento ou energia associada é tão pequena que uma descrição clássica não é possível.

2. Descrição clássica

O que é porém uma descrição clássica?

É a descrição de sistemas físicos desenvolvida pelos cientistas antes da descoberta de fenômenos quânticos e que atingiu seu pleno desenvolvimento com as contribuições de Isaac Newton (1643-1727) no século 18 (mas não exclusivamente por ele). Newton tornou-se um dos pais fundadores da física clássica. Nossa crença do mundo é clássica. Daí o nome 'física clássica' ou 'mecânica clássica'. Quando dirigimos automóveis acreditamos que as posições e velocidades dos automóveis que passam a nossa frente realmente refletem o estado desses sistemas de forma simultânea. Sabemos que um erro de cálculo de nossas mentes pode ser fatal pois, em se tratando dos sistemas “automóveis”, não é possível que dois deles ocupem a mesma posição no espaço no mesmo instante de tempo. Quando ligamos aparelhos elétricos sabemos (na verdade, nós acreditamos nisso) que a corrente elétrica da tomada de força flui continuamente, o que possibilitamos o correto uso de equipamentos. Quando observamos objetos a nossa frente, acreditamos que eles estão na posição que nós observamos, no momento em que são observados, parados ou em movimento, e não que se encontrem em outro lugar (mesmo que esse outro lugar seja alguns poucos milésimos da distância da posição onde nós acreditamos que esses objetos estejam).

Nota de 1 libra trazendo a imagem de Newton. O desenvolvimento da física clássica foi um dos triunfos da civilização moderna.

A física clássica é a física dos objetos e coisas muito próximos de nossos sentidos. Para ela o tempo flui continuamente, sem consideração a nada mais; o medidas no espaço são definidos a partir de sua referência a um determinado ponto arbitrário nesse mesmo espaço, que não se altera pela presença de objetos nele. Espaço e tempo são conceitos primitivos e independentes um do outro. Objetos existem no espaço com posições muito bem definidas. Movimentam-se nele com velocidades que se pode determinar com precisão. O estado desses objetos clássicos é determinado por arranjos experimentais sem que o observador interfira de forma mais fundamental no processo de medida. Ou, se isso não for absolutamente possível, há sempre uma maneira de se fazer um experimento de forma que o processo de medida interfira o mínimo possível com o estado anterior desse objeto (antes da medida). Ainda assim, é possível separar o efeito do observador, de forma a se prever e reduzir sua influência sobre o objeto medido.

Essas características da física clássica acima deixam de ser válidas no universo quântico, que é o domínio de existência de fenômenos quânticos. Isso ocorre freqüentemente, porém, dentro de uma escala de dimensão peculiar. A Natureza freqüentemente prega peças nos seres humanos, principalmente quando nos baseamos em nossas experiências ordinárias ou tomamos como certo o mundo que nos cerca (nossa experiência ordinária sensorial dele). Nesta nossa discussão, apresentaremos brevemente alguns dos fenômenos quânticos que se tornaram notórios no desenvolvimento da física quântica, a dificuldade de compreensão desses fenômenos pelo “bom senso” que nos guia diariamente, e um panorama geral da situação atual acadêmica da interpretação física desses mesmos fenômenos. Por causa da dificuldade intrínseca do assunto, não poderemos senão apresentar uma descrição necessariamente qualitativa e elementar, deixando aspectos quantitativos e mais complexos de lado para inúmeras referências que existem.

Se o domínio dos fenômenos quânticos é muito diferente do nosso, por que conhecer física quântica é importante? Uma resposta a essa questão não pode ser dada fora das aplicações dessa nova física. Isso porque todo conhecimento científico que é útil tem uma aplicação definida de onde aproveitamentos práticos podem ser feitos. Todos os equipamentos eletrônicos que usamos modernamente têm como elementos básicos componentes que funcionam utilizando fenômenos ou propriedades de sistemas quânticos. Também nos processos de comunicação a distância (telecomunicações) alguns princípios quânticos importantes tais como a noção de comprimento de onda, freqüência etc são utilizados. Dificilmente porém teremos que nos preocupar com a física quântica em se tratando dos fenômenos que impressionam diretamente nossos sentidos, pois a maior parte dos fenômenos quânticos não podem ser apreendidos dessa maneira.

3. Alguns fenômenos quânticos

Experimento das duas fendas.

Um fenômeno quântico antigo que é de fácil montagem experimental é o fenômeno de interferência de ondas (também chamado de experimento das duas fendas). Esse fenômeno era bem conhecido muito antes do nascimento da física quântica, pertencendo à óptica, pois se acreditava então (até o fim do século 19) que a luz fosse formada por vibrações (ondas) propagando-se em um meio especial chamado éter. Uma imagem ilustrativa do experimento é mostrada na Fig. 1. Uma anteparo com uma fenda (S1) é iluminado uniformemente desde a esquerda. A luz, propagando-se inicialmente seguindo frentes de onda plana (regiões de mesma intensidade de luz), ao passar pela fenda, propaga-se com frentes de onda esférica ou circular como mostrado. Se essa onda passar agora por duas fendas (S2), por causa da interferência entre as oscilações provenientes de cada fenda, um anteparo distante registrará a interferência na forma de regiões claras e escuras como mostrado.

Fig. 1 Experimento das duas fendas.

Observamos que, invocando a natureza ondulatória do fenômeno, esse experimento pode ser feito tanto com luz como com som. No caso de som, o que se registra na região de interferência é a alternação entre zonas de ruído e zonas de silêncio. Uma extrapolação do experimento de duas fendas que foi confirmada na prática experimental e que constitui uma assinaturas da natureza quântica da matéria é a seguinte: se, ao invés de luz, lançarmos matéria na forma de partículas desde a esquerda, esperamos intuitivamente que as partículas atravessem as fendas discretamente, não se observando figura alguma de interferência no anteparo final. Isso acontece porque nossa concepção aprendida de matéria é de algo bem definido no espaço. Partículas são tratadas como 'bolinhas' que se movimentam no espaço colidindo-se umas com as outras, sem chance de interferirem.

Fig. 2 Experimento de duas fendas com 'ondas de matéria'.

Entretanto isso não acontece! Lançando muitas partículas no experimento de duas fendas, encontramos no anteparo final partículas que se distribuem no espaço segundo uma padrão de interferência característico (Fig. 2). Poderíamos achar que o padrão de interferência final fosse resultado da colisão (interação) entre as muitas partículas que lançamos e que atravessam as fendas ao mesmo tempo. Isso porém não é verdade, pois o padrão de interferência aparece ainda que lançemos uma partícula por vez. A única explicação possível é mudar nosso conceito usual de partícula ou matéria e associarmos um comportamento ondulatório a ela. Dizemos que uma determinada partícula (pode ser um elétron, um átomo, coleções de átomos etc) está associado uma onda que tem um certo comprimento de onda ou freqüência característica e que se propaga no espaço prescrevendo nele a intensidade de probabilidade de se encontrar a partícula em um dado ponto. De maneira esquemática:

Uma Partícula está associada a

onde

é uma representação simbólica para a onda da partícula (letra grega psi, na representação acima pronuncia-se 'psi de x', uma função matemática especial). Ela está associada à probabilidade, por exemplo, de se achar a partícula em uma certa posição do espaço dado por x. A primeira diferença da nossa descrição usual (clássica) do mundo aparece. De fato, a matéria descrita do ponto de vista quântico não pode ter sua posição fornecida com infinita precisão; existe uma incerteza dada pela onda de probabilidade. Na experiência das duas fendas, essa onda de probabilidade se manifesta na forma de interferência. Cada orifício na fenda 2 produz ondas de probabilidade que se interferem para formar a figura no anteparo. Perceba que isso é verdade mesmo que tivéssemos uma única partícula. Mas como pode uma partícula interferir com ela mesma? Há algo que se espalha no espaço, ligado a uma partícula que, ao passar pelas duas fendas, é modificado no espaço, resultando na figura de interferência que se observa no anteparo. Notamos, porém, que no caso de uma única partícula, esta é capturada em algum ponto no anteparo apenas nas zonas previstas pela distribuição de probabilidade modificada (Ver fig. 3 para uma simulação de uma partícula que se encontra confinada inicialmente em uma região circular do espaço em vermelho). É preciso utilizar muitas partículas para se formar uma figura de interferência 'por acumulação' como aquela obtida por meio da luz.

Fig. 3 Fenômeno de espalhamento de uma onda quântica definida em uma região circular do espaço sobre um anteparo com dois orifícios. Se fosse uma 'partícula clássica', ela teria ricocheteado na parede e nada seria visto do outro lado ou ela teria atravessado um dos orifícios (caso fosse menor que eles). No caso de uma partícula quântica, há interferência de sua onda de probabilidade, e a partícula pode ser encontrada do outro lado. (De acordo com Fernandez Palop, 2009)

Essa 'onda de probabilidade' orienta a posição da partícula. Mas não só isso, ela orienta também a velocidade dessa partícula. Como tudo é feito de partículas - átomos e seus agregados - então a matéria que conhecemos tão bem no chamado 'nível macroscópico' como sendo algo tangível e de posição definida, não o é no nível microscópico. Como então acontece de não percebermos essa variação apreciável na probabilidade de posição tão comum no nível quântico? A resposta é que, no nível macroscópico, quando se agregam muitos milhares de bilhões de partículas em agregados, a discretização possível de interferência observada torna-se microscópica, tão pequena que é imperceptível: surge então uma descrição absolutamente contínua da realidade, desaparecem as incertezas e o 'universo clássico' se estabelece. Isso é algo semelhante à ilusão provocada pela contemplação de uma imagem num computador: essa imagem é feita, de fato, por milhões de "pixels", mas cria uma ilusão de continuidade se vista a certa distância.

No próximo post: efeito fotoelétrico; tunelamento quântico (efeito túnel).

Sobre alguns termos

Estado - diz respeito a determinadas características de um sistema físico. Ao se descrever o estado de um sistema físico, se está também definindo o próprio sistema. Esse conceito será foco de um futuro post.
Sistema físico - é a região do espaço definida por determinados objetos físicos submetidos a condições específicas. Um sistema físico tem determinadas características que o descrevem, uma delas é o seu estado.

Referências

"A versatile applet to explore the wave behaviour of particles, " J I Fernández Palop, 2009 Eur. J. Phys. 30 771. doi: 10.1088/0143-0807/30/4/010
Física Quântica e os espiritualistas no século 21 (análise preliminar).

Conceitos básicos de Física Quântica II

O homem não pode, pelas investigações das ciências, penetrar em alguns dos segredos da natureza? A ciência lhe foi dada para seu adiantamento em todas as coisas, mas não pode ultrapassar os limites fixados por Deus. (´'O Livro dos Espíritos, Questão #19)

Apresentação elementar de conceitos básicos em física quântica para que o leitor possa melhor julgar e se posicionar diante dos que pretendem misturar espiritualismo com essa especialidade da física.

O caráter não ordinário da experiência das duas fendas (ver post anterior) é porque a Natureza revela um comportamento ondulatório, mesmo para objetos pertencentes ao mundo físico que antes imaginávamos bem sólidos. Como dissemos, o experimento das duas fendas surgiu nos estudas da óptica, ou seja, com fenômenos luminosos. Poderíamos nos perguntar se a luz, apresentando esse comportamento, de fato revela algo essencial e definitivo na natureza em seu comportamento ondulatório. Contrariamente ao esperado tal não acontece. A luz também se comporta como uma partícula!

O efeito fotoelétrico

O experimento crucial que demonstra esse fato é o efeito fotoelétrico explicado por Einstein (1905) como a colisão de fótons com elétrons. Na Fig.3 ilustramos o efeito. Um placa (E de emissor) é iluminada por luz. Elétrons são arrancados e recolhidos por uma segunda placa (C de coletor):

Fig. 3 Ilustração do princípio do efeito fotoelétrico.

Se as placas forem ligadas a um circuito elétrico externo, uma corrente elétrica flui. Esse sistema tem inúmeras aplicações tecnológicas tais como sensores de intensidade de luz (fotômetros), baterias solares, câmeras fotográficas digitais etc. A única explicação possível para o fenômeno é se admitirmos que partículas luminosas colidem diretamente com os elétrons, fornecendo energia a eles que é suficiente para iniciarem a jornada até a placa C. Cada partícula de luz fornece o chamado quantum de energia aos elétrons, que depende bastante da espectro (ou freqüência das oscilações luminosas) característico da fonte de luz. Para retirar um elétron do metal é necessário uma certa energia que chamamos de E. Os elétrons livres adquirem uma energia cinética que denotaremos por K. A relação fundamental descoberta por Einstein então se escreve:

hf = K + E

onde f é a freqüência da luz incidente (número de vibrações por segundo) e h é uma nova constante conhecida como constante de Planck (=6,6E-34 Js). Essa relação diz duas coisas: que a energia associada ao quantum de luz é dada pelo produto hf e que tal energia é dividida no fenômeno entre a energia de liberação (representada pelo potencial K) e a energia cinética ou energia de movimento (E) da partícula. Se existir um potencial mínimo para a liberação do elétron do material (concebivelmente, o elétron está associado ao material e precisa de energia para ser libertado), então apenas quando a energia luminosa conseguir atingir o valor característico do material é que o efeito fotoelétrico ocorrerá (o necessário para que E>0).

Tunelamento quântico

Na mecânica clássica (que é a mecânica dos objetos macroscópicos) sabemos que objetos possuem uma energia característica que é uma medida de sua liberdade dentro de um sistema ('sistema' aqui é entendido de forma bem geral como um arcabouço físico ou arrajo que permite que determinados fenômenos ocorram). Consideremos, por exemplo, um objeto movendo-se em uma dimensão como mostra a Fig.4. Esse objeto tem uma energia cinética inicial que chamamos de E. Imaginemos que ele seja lançado contra uma barreira de potencial de origem gravitacional, isto é, trata-se de um “morro” que o móvel pode transpor ou não dependendo de sua energia inicial. Se o “morro” tem altura A, dado que a massa do corpo é m e a aceleração da gravidade é g, somente haverá transposição da barreira se

E > mgA

ou seja, somente se E for maior que a energia potencial como determinada pela altura da barreira. Tal processo é chamado de espalhamento clássico. Sabemos que desde que o objeto tenha energia suficiente para transpor a barreira, ele será encontrado no lado direito como mostra a fig. 3. Se não ele retorna em sentido contrário como mostra a Fig. 4 para E < mgA .

Fig. 4 Processo de espalhamento 'clássico'.

Aspectos bastante inusitados aparecem se considerarmos o processo de espalhamento de uma “partícula quântica” por um potencial Vo (ver fig. 5). Como vimos uma partícula quântica não se comporta bem como uma partícula. Devemos associar uma onda de probabilidade a ela. Por causa do caráter probabilístico, não se pode falar que a partícula ultrapassou a barreira de uma maneira definitiva. Se quisermos “confinar” a partícula a uma região do espaço onde se tem maior certeza, então não podemos associar a partícula uma energia qualquer, muito menos uma energia definida. Ao invés de E, dizemos que existe uma energia média <E>. O fato é que se <E> > Vo, a partícula atravessa a barreira, mas a probabilidade de se encontrar a partícula antes da barreira não é nula. Isso porque a onda de probabilidade inicial é parcialmente transmitida e parcialmente refletida. Isso contrasta com o caso clássico onde para E > mgA, a partícula necessariamente é transmitida completamente.

Fig. 5 Tunelamento quântico.

Por outro lado, se <E> < Vo, é possível encontrar a partícula do outro lado da barreira! Esse fenômeno estranho é chamado de tunelamento quântico e é uma das marcas registradas da fenomenologia quântica. Tudo ocorre como se a partícula tivesse atravessado a barreira de potencial e aparecesse do outro lado. Uma outra maneira de se ver isso é considerar que a natureza ondulatória da matéria se manifesta através da incerteza de posição, o que designa uma probabilidade diferente de zero para se encontrar a partícula do outro lado da barreira, ainda que a energia dela seja insuficiente para atravessar o morro de potencial. Veremos depois onde ele se aplica (p. ex., a física nuclear faz uso do tunelamento quântico para explicar e explorar processos nucleares; geração de energia etc).

Fig. 6 Ilustração sumária sobre diferença entre o efeito de tunelamento clássico (acima) e quântico (abaixo).

O que podemos concluir disso tudo? Que, uma vez garantida as condições para que os efeitos quânticos ocorram, a Natureza se comporta de uma maneira bastante diversa da maneira como estamos acostumados a ver em nosso mundo (Fig. 6).

Entretanto, a maneira como esses fenômenos são apreendidos pelas técnicas experimentais tem pouco a ver com a maneira como nos certificamos das coisas a nossa volta. Isso é uma lição importante a ser observada, já que ela nos revela que a maneira como vemos o mundo é muito particular e não pode ser estendida para outras 'realidades'. No caso quântico essa 'realidade nova' aparece quando consideramos fenômenos envolvendo partículas ou sistemas verdadeiramente microscópicos (mesmo um vírus é um ser vivo grande se comparado a um sistema quântico). Também, fenômenos quânticos podem ocorrer quando a temperatura dos sistemas físicos é abaixada para valores muito próximos ao chamado 'zero absoluto' (-273 graus abaixo do zero centígrado). Nessa condição, os efeitos quânticos também aparecem, pois então a matéria está 'congelada', o que permite que o comportamento microscópico de seus constituintes (os átomos) se revelem de forma organizada no nível macroscópica.

Veremos em detalhes isso nos próximos postos da série 'Conceitos básicos de Física Quântica'.

Referências

Einstein A. (1905) Annalen der Physik, 17,132.

Conceitos básicos de Física Quântica III

"A física quântica assim revela a unicidade básica do Universo". E. Schrödinger.

A noção de estado quântico.

Um conceito fundamental em física quântica é a noção de estado quântico. Na física considerada 'clássica' o estado também é importante, mas é menos aparente pelo fato de que, em um 'sistema clássico', o seu 'estado' é descrito por quantidades bem determinadas tais como 'velocidade', 'posição' etc. Tais quantidades existem num domínio arbitrário de valores e são limitadas apenas pela 'dinâmica' inerente de cada sistema físico particular.

No caso de sistemas quânticos (Nota 1), o estado adquire suma importância. Isso porque um sistema é caracterizado por ele e não por equivalentes à quantidades clássicas. Um sistema físico qualquer como um átomo pode ser preparado em um estado bem definido, mas, nesse caso, não há prescrições de 'velocidade', 'posição' etc, para seus constituintes que sejam tão bem definidas. Além disso, a grande maioria dos sistemas físicos (dos quais os átomos fazem parte) são sistemas 'fechados', de forma que os estados quânticos característicos são descritos por números inteiros bem definidos. Mas isso diz respeito ao ferramental analítico (matemático) que se pode inventar para descrever tais estados.

Mas o que seria um estado? De forma bem simplificada, um estado é um determinado arranjo de elementos de um sistema que o caracteriza. A noção de estado quântico pode ser compreendida por um exemplo bem simples. Imaginamos nosso guarda roupas com certo número de camisas, calças e sapatos, todos colocados em uma certa disposição. Podemos dizer que as camisas são colocadas em cabides na parte superior, enquanto que as calças em prateleiras inferiores. Os sapatos também, se todos organizados, podem ser dispostos segundo uma determinada ordem. Ao trocar um par de sapatos de posição - imaginamos poder trocar um certo par com outro de lugar - o estado do guarda roupas será modificado. O mesmo pode acontecer se trocarmos as camisas, as calças etc. Quantas combinações diferentes de arrumação podemos ter para nosso guarda roupa? A resposta a essa questão depende do espaço disponível, número de calças, camisas, sapatos etc. Pois bem, essas 'combinações diferentes' caracterizam o estado do guarda roupas.

Fig. 1 O exemplo das maneiras diferentes de se arrumar um guarda roupas fornece uma boa analogia aos estados quânticos em um sistema físico qualquer. Para descrever o 'estado de arrumação' do guarda roupas, precisamos colocar rótulos em cada posição que sirvam para identificação das roupas e sapatos.

No nosso exemplo (Fig. 1) nós não podemos tentar guardar as camisas nos lugares reservados aos sapatos e vice versa. Isso é proibido. Portanto, para organizar o guarda roupas existem regras. Além disso, se temos 2 pares de sapatos iguais, nosso 'estado de arrumação' vai mudar se trocarmos esses pares ? Então podemos dizer que um guarda roupa é um sistema físico composto por uma determinada quantidade de elementos 'camisas, calças, sapatos' arrumados em determinada ordem. Essa 'maneira' caracteriza o estado do guarda roupas. Como podemos descrever esse estado? Poderíamos, por exemplo, colocar rótulos em cada posição e descrever a posição das camisas, calças e sapatos em cada rótulo. Para isso associamos uma descrição do tipo de elemento (se calça, camisa ou sapato) ao rótulo. Isso gera uma lista que é uma 'descrição' sumária do estado do guarda roupas. Qualquer pessoa com essa lista poderá repetir o processo de arrumação de forma eficiente e repetitiva.

O estado quântico de átomos

Um átomo é um sistema físico que é usado pela Natureza para formar a matéria. Isso é feito através do agrupamento de um número gigantesco de átomos. Um átomo é feito de elementos básicos: para nossa discussão é suficiente considerar os 'elétrons' (partículas indivisíveis de carga negativa), 'prótons' (partículas de carga positiva) e 'nêutrons' (partículas sem carga). Prótons e nêutrons estão 'confinados' formando os 'núcleos atômicos', enquanto que os elétrons se colocam em volta desses núcleos. A maneira como esses elementos estão organizados no interior do átomo (que, portanto, não é um sistema 'indivisível') caracteriza seu 'estado quântico' (Fig. 2). Em analogia ao guarda roupas, existem regras para a organização dos elementos nos átomos. Por exemplo, o tamanho do átomo depende do número de elementos que o formam. Existem diferentes tipos de átomos que se distinguem conforme a quantidade de partículas que abrigam. Os diferentes jeitos como podemos arranjar cada partícula no interior de um determinado átomo aumentam com a quantidade de elementos nele contidos (tal como no caso do guarda roupas). Portanto, o número de 'estados quânticos' distintos em um átomo aumenta com a quantidade de elementos que o constituem.

Fig. 2 Os chamados 'orbitais atômicos' descrevem auto-estados (ou estados puros) no átomo de Hidrogênio. Cada número à esquerda é um 'rotulo' que descreve a maneira como o elétron se organiza em torno do átomo. As figuras geométricas representam 'nuvens de probabilidade' ou áreas em torno do núcleo onde é possível encontrar elétrons.

No caso dos estados quânticos que interessam à química, apenas estados de arranjo de elétrons em torno dos núcleos são relevantes. Como átomos podem ter vários elétrons, existem regras para a maneira como esses elementos devem se dispor em volta dos átomos. Isso acontece exatamente como no caso do guarda roupas (a diferença é que, na Natureza, não tem como desobedecer essas regras enquanto que podemos deixar nosso guarda-roupas bem bagunçado...). No passado acreditava-se que elétrons 'giravam em volta' dos núcleos como satélites naturais desses, mas essa ideia se mostrou equivocada (ainda existe uma quantidade incrível de referências que tratam átomos dessa maneira). Elétrons simplesmente estão arranjados em 'nuvens de probabilidade' em torno de seus núcleos de forma que não é possível associar uma velocidade e uma posição a eles. A única coisa que pode ser dita a respeito dos elétrons em um átomo é que eles podem estar arranjados em um determinado estado quântico bem definido (chamados de 'auto-estados' ou estados puros). A descrição de tais estados - como no exemplo do guarda roupas - é feita associando-se o número de elétrons a determinados rótulos ou números especiais (Fig. 2).

O estado quântico da matéria nuclear.

O mesmo raciocínio vale para o caso dos elementos que constituem o núcleo do átomo. Prótons e nêutrons também estão confinados no interior dos núcleos de uma forma organizada por leis rigorosas, o que é descrito por estados quânticos, os chamados estados nucleares. Para descrever tais estados, números especiais também foram descobertos.

Mudança de estado quântico.

O estado de nosso guarda roupas pode ser mudado se transferirmos um elemento (por exemplo, uma camisa) de uma posição para outra. Podemos, por exemplo, esvaziar o guarda roupas (o estado 'vazio' também é um estado possível. No caso dos elétrons nos átomos, esse estado é chamado de 'ionização total'). Da mesma forma, estados quânticos podem ser alterados por meio de operações especiais onde energia de alguma forma é utilizada. Por exemplo, um átomo que se encontra em um estado pode ser levado a outro estado quando é banhado por luz. Ou ele pode realizar a mudança oposta e liberar energia para o exterior (emissão de luz). Uma característica importante dos estados quânticos é que eles são caracterizados por uma determinada quantidade chamada 'energia' do estado, que não é um conceito absoluto mas relativo (para saber mais sobre esse conceito consulte nosso post anterior).

Quando átomos se encontram nos seus chamados 'auto estados' podemos associar uma quantidade única de energia como característica do estado. Esse é o assim chamado 'nível de energia' do átomo. As mudanças de estado se processam todas por meio de absorção ou emissão de energia na forma eletromagnética. Isso quer dizer que quanta de luz são usados como moeda de troca entre estados quânticos. No caso de núcleos, os níveis de energia são muito maiores e os quanta de luz trocados têm energia também elevada. Por isso, processo de decaimento nuclear (mudanças de estados nucleares) envolvem a emissão de luz de altas energias (por exemplos, raios X ou raios gama). Embora os elementos descritivos dos estados no caso da atmosfera eletrônica e do interior nuclear sejam diferentes (assim como as regras para os arranjos de partículas), os mesmos princípios da física quântica estão envolvidos. Outro jeito de se modificar estados quânticos é através a observação ou realização de uma medida. Abordaremos esse assunto um tanto complexo em um futuro post.

Mas a analogia não é totalmente válida...

Fig. 3

Até aqui usamos a analogia do guarda roupas para ilustrar de forma simples o conceito de estado quântico. Mas essa analogia não se sustenta por muito tempo ao se constatar que a Natureza pode ser ainda mais estranha do que as nossas maiores fantasias. Imaginemos por um momento que nosso guarda roupas tivesse um mecanismo especial pelo qual fosse possível compartilhar o mesmo espaço entre camisas diferentes. Por exemplo, que fosse possível que camisas brancas e escuras pudessem ser misturadas (sem perderem seu estado se bem passadas!) de forma a se colocarem na mesma posição do espaço. Isso pode ser também pensado como uma mistura entre estados de arrumação diferentes. Imaginemos também que nós só poderemos saber a posição exata onde cada uma das camisas se encontra ao abrirmos o guarda roupas. Quando fazemos isso, nosso sistema muda (diz-se 'colapsa') para um dos estados de arrumação possíveis não misturados!

Embora impossível de acontecer em nosso mundo 'macroscópio', isso é plenamente possível na microfísica: misturam-se estados puros de forma que um mesmo elemento (por exemplo, um elétron no átomo) ocupe mais de um estado 'puro' ao mesmo tempo. Tais são os chamados 'estados quânticos mistos' e, quando isso acontece, não é possível associar um 'nível de energia' único a um tal estado. O estado misto é então descrito não somente pelos rótulos dos estados puros, mas com uma quantidade adicional de números correspondentes ao número de estados puros (auto estados) envolvidos na mistura. Esses novos números estão associados à probabilidade de se encontrar o sistema físico naquele estado puro correspondente. Tal possibilidade de mistura tem consequências bizarras para o nível macroscópico e que foram exploradas através do chamado gato de Schrödinger (Fig. 3). Para se criar misturas desse tipo, não apenas sobreposições de estados são necessárias, mas também outra propriedade de sistemas quânticos chamado entanglement (ou emaranhamento). Deixaremos, porém esse assunto para outro post.

Assim, chegamos à conclusão que um sistema físico quântico não é apenas caracterizado por seus elementos constituintes, mas que ele também possui estados característicos que são propriedades fundamentais desses sistemas. Esses estados servem para organizar a maneira como os elementos devem se dispor no sistema e podem ser misturados de tal forma que não é possível associar um estado único e definitivo a um sistema quântico. Tais estados organizam a matéria de forma definida por leis específicas. Além disso, eles evoluem no tempo, o que dá origem à evolução quântica de estados. Também vimos que um estado quântico é descrito por um conjunto de números ou rótulos e que tais números são parâmetros melhores para caracterizar o estado físico do que os parâmetros usados na física de objetos macroscópios. Conceitos com o 'posição' e 'velocidade' deixam de ter validade e são substituídos por outros.

A analogia em física clássica mais próxima possível é com o estado de vibração de cordas em instrumentos musicais ou com fenômenos sonoros. Um estado puro corresponde a uma nota fundamental em um instrumento, enquanto que um estado misto é análogo a uma mistura de notas. Mas, de novo, tal analogia não é totalmente válida, dado o caráter probabilístico e a maneira peculiar com que a mistura é feita, que é bem diferente da mistura de sons ou notas musicais.

Notas

Atenção! A wikipedia descreve (em 2012) um estado quântico apenas com referência aos números quânticos que localizam elétrons em átomos. Essa descrição é muito limitada. Um estado quântico é um estado geral que caracteriza qualquer tipo de sistema físico e não apenas átomos.

Conceitos básicos de Física Quântica IV

Problema de identidade do fóton: "Sou um fóton de raio X, de rádio ou de luz visível? Bem..., por que se preocupar com isso?!?... Não sei nem se sou uma onda ou uma partícula...!!"

Apresentação elementar de conceitos básicos em física quântica para que o leitor possa melhor julgar e se posicionar diante dos que pretendem misturar espiritualismo com essa especialidade da física.

Em 3 posts anteriores (1), discutimos alguns fundamentos de física quântica, com o objetivo de apresentar de forma simplificada alguns fundamentos dessa parte da Física. De forma resumida, a física quântica tem como objetivo:

Estudar fenômenos que ocorrem em uma escala de dimensão muito reduzida. É a teoria padrão da chamada 'microfísica'. Embora a questão da escala 'reduzida' aqui seja importante, a física quântica não se aplica apenas ao microcosmo. Sob condições especiais, há fenômenos chamados 'macroscópicos' (de 'macro' ou grande) que demonstram a operação dessa nova física (2).
O estudo dessa nova física tem como objetivo explicar e prever a ocorrência de fenômenos que são manifestadamente anômalos do ponto de vista da chamada 'física clássica'. Assim, a física quântica estendeu não só nossa compreensão a respeito da Natureza como também nossa compreensão a respeito da 'fenomenologia' (descoberta e previsão de novos fenômenos).

Para isso, foi necessário criar um novo 'formalismo'. Formalismo é a linguagem usada para a descrição dos fenômenos, o que envolve não somente símbolos, mas também novas relações entre símbolos. No caso da física quântica, seu formalismo é essencialmente matemático e propõe um novo espaço especialmente criado para descrever os fenômenos quânticos. Esse novo 'espaço' não tem nenhum equivalente com o 'espaço' de nossa vida comum e é uma ferramenta matemática para descrever fenômenos e relações entre causas ou princípios quânticos.

Problemas de interpretação com a física quântica.

Talvez não fosse difícil prever que a física quântica, uma vez que propõe um novo formalismo para cuidar de fenômenos que são anômalos para a física anterior, tivesse dificuldades com a sua interpretação. No caso da física clássica sua 'interpretação' não é um problema. 'Interpretação' é um conceito usado em uma determinada teoria que se relaciona com ideias e noções consideradas 'intuitivas'. Por exemplo: a noção de velocidade de uma partícula e sua posição no espaço. Esses são conceitos primitivos de fácil compreensão. O mesmo ocorre com a noção de campo elétrico e magnético (3). Pode-se argumentar, porém, que mesmo a física clássica não está imune a problemas de interpretação. Isso porque, na imensa maioria das vezes, conceitos físicos primitivos não podem ser representados por noções derivadas da experiência humana ordinária. Poderíamos 'relaxar' essa necessidade, exigindo que os conceitos da física tivessem relação direta com quantidades medidas em laboratório. Isso também é uma maneira de se interpretar teorias, embora de forma indireta.

Essa integração com noções intuitivas do dia-a-dia ou mesmo conceitos primitivos da física clássica ficou irrealizável na física quântica. Se na física não-quântica conceitos físicos primitivos são interpretados de forma indireta, na física quântica desaparece a possibilidade de qualquer tipo de interpretação, mesmo que indireta. Um exemplo é o problema da dualidade 'onda-partícula'. Não só as quantidades associadas a uma partícula (velocidade e posição) não tem equivalentes 'intuitivos' nessa nova física, mas a própria identidade dessa 'coisa' pode ser ligada à noção intuitiva de 'partícula' e 'onda'.

Se não há interpretações possíveis na física quântica, como é possível usar a teoria? A resposta reside no fato de que uma teoria física prescindir de interpretações diretas ou mesmo indiretas para que seja válida. Utilizando-se corretamente dos conceitos primitivos dessa nova física, é possível montar experimentos envolvendo quantidades mensuráveis que, de fato, são verificadas. Essa maneira 'instrumental' de se utilizar a física quântica resultou na chamada 'interpretação instrumentalista' da física quântica (Chibeni, 1992, ver nota 4). De acordo com essa interpretação, a física quântica nada mais é que um mapa que nos permite conceber experimentos e relações entre conceitos de sua própria linguagem, conceitos que não tem nenhuma relação com o que percebemos no mundo. De certa forma, todo propósito de uma boa teoria - não apenas na física - é fornecer um mapa ou compreensão que nos permita fazer previsões sobre sistemas da Natureza. O que a física mostrou é que uma boa teoria não exige uma interpretação direta com noções intuitivas de objetos físicos.

Se a física quântica tem dificuldades interpretativas, como podemos aplicá-la a fenômenos psicológicos?

Nossa introdução sobre o problema de interpretação de conceitos da física quântica é importante no contexto das tentativas de se usar essa nova física para explicar categorias de fenômenos psicológicos e mesmo de natureza totalmente diversa. Diante das dificuldades interpretativas da física quântica, como podemos garantir que ela deva ser necessariamente a linguagem ou teoria que deve ser usada para explicar fenômenos psicológicos? Como querer usar a física quântica para explicar ou descrever fenômenos psicológicos, psíquicos ou 'paranormais'? Tais questões (ou problemas) deixam claro a existência de obscurantismo nas tentativas de uso da física moderna fora do contexto em que ela é usada naturalmente por especialistas em microfísica. Assim, longe de elucidar ou explicar novos fenômenos, o uso de conceitos e linguagem da física quântica contribui para tornar ainda menos claro (mais obscuro) o objeto de estudo das ciências psicológicas e de outras causas então consideradas "anomalias" (5).

É importante, entretanto, examinar brevemente quais são as várias interpretações existentes para a teoria da microfísica, o que faremos em um próximo post.

Notas e Referências

(1) Os três textos anteriores são:

(2) Um exemplo é a da superfluidez do hélio. Embora seja um fenômeno de base quântica, ele pode ser observado facilmente no 'nível macroscópico' em que nos situamos:

(3) Ainda que o caráter intuitivo desses últimos seja menor do que no caso de posição e velocidade, esses são conceitos clássicos também. Um conceito mais intuitivo do que campo, mesmo na física clássica, é a noção de 'força'. Assim, os campos eletromagnéticos poderiam ser substituídos por uma representação de forças elétricas e magnéticas que, para operarem, exigem 'ação à distância'. Como pode-se ver, mesmo a física clássica não está imune a problemas de interpretação.

(4) Uma excelente introdução ao assunto é:

Chibeni S. (1992), Implicações filosóficas da microfísica. Cadernos de História e Filosofia da Ciência, Série 3, 2 (2): 141-164.

(5) Ver também: Física Quântica e os espiritualistas no século 21 (análise preliminar).

Conceitos básicos de Física Quântica V (a questão do vácuo quântico)

Imagem de uma nuvem molecular no espaço. Pensava-se que se tratava de um espaço vazio, mas ela é, na verdade, preenchida por matéria opaca que não permite ver as estrelas ao fundo.

Uma considerável mudança na nossa maneira de compreender o 'vazio' e o 'nada' surgiu com o desenvolvimento subsequente da física quântica. Para compreender melhor as descobertas que foram feitas sobre essa questão (e as implicações filosóficas disso), é preciso saber qual era a situação antes dos desenvolvimentos fundamentais dessa nova física. Depois, veremos como o papel criador do vácuo quântico pode aparentemente substituir Deus e abrir uma via de argumentação para o ateísmo.

O papel do espaço vazio na física clássica

Em realidade, o espaço considerado 'vazio' (desprovido de qualquer tipo de substância) não correspondia ao conceito mais abstrato de vazio absoluto (que guarda correspondência grande com a noção de 'zero' da matemática). Desde o surgimento das primeiras teorias mecânicas no Sec. XVII, como foi o caso da teoria da Gravitação, uma lacuna enorme entre a concordância teórico-experimental que era observada e a ausência de uma justificativa ou 'interpretação' para a ação à distância que existia entre corpos gravitantes foi percebida.

Fig. 1 Lei de Newton entre corpos gravitantes. Triunfo analítico

sem explicação ou justificativa intuitiva.

Se os planetas e o Sol influenciavam uns aos outros, como se dava essa influência? Compreedia-se bem como uma força poderia ser transmitida entre dois corpos por contato entre eles, mas, entre o Sol e um determinado planeta, o que causava o efeito da força? Havia algo no espaço que era responsável pela transmissão dessa força? Se sim, esse 'algo' invisível preencheria o espaço entre o Sol e o planeta e tornava a ideia de 'nada' difícil de ser aceita de forma absoluta (Fig. 1).

Mais tarde (segunda metade do Sec. XIX), a física clássica atingiu o apogeu com a formulação precisa das leis de Maxwell para o eletromagnetismo. Outros tipos de força à distância, além da gravitacional, foram descobertos e formalizados por meio de teorias especiais que resultaram na explicação de uma grande quantidade de fenômenos, bem como na previsão antecipada de outros nunca imaginados.

A 'joia da coroa' em termos de interpretações de teorias físicas era a explicação para a propagação da luz. Reconhecida como um resultado da oscilação de dois tipos de 'campos' que eram gerados por cargas aceleradas, a radiação eletromagnética só poderia se propagar por causa da existência de um meio especial - chamado de éter luminífero (que não tem nada a ver com as substâncias do grupo éter em química!) - no espaço considerado vazio.

A analogia com oscilações mecânicas era evidente: da mesma forma como o som precisa de um meio para se propagar (no caso ordinário, esse meio é 'invisível' ou 'transparente' - o ar), ondas de luz também prescindiriam de uma substância especial igualmente invisível que preencheria todo o espaço considerado vazio para os sentidos humanos. Se fosse possível retirar essa substância do espaço, fenômenos luminosos não ocorreriam. Como o éter era considerado 'intangível', jamais seria possível atingir a condição de vácuo absoluto.

Flutuações do ponto zero

Mesmo dentro da física clássica, diversos questionamentos ao conceito de éter luminífero foram feitos com o surgimento da Relatividade Restrita. De forma resumida, ficou claro que seria possível continuar com desenvolvimentos teóricos e explicativos de fenômenos físicos envolvendo a luz sem que a noção de um éter luminífero fosse invocada. Isso porque a ideia de um éter desse tipo estava ligado ao conceito, que se tornou desnecessário, de 'referencial absoluto' - o próprio referencial do éter luminífero (ou seja, o sistema de coordenadas em que o 'éter' estaria em repouso). O formalismo das equações do eletromagnetismo só exigia que tais equações fossem 'invariantes' (não mudassem de forma) entre referenciais chamados 'inerciais', dispensando a ideia de referencial absoluto e esse tipo de interpretação de éter junto (1).

Fig. 2 Um diagrama que descreve o fenômeno conhecido como 'polarização do vácuo'. Dois elétrons (e-) interagem através da força eletromagnética - o que se dá, fundamentalmente, por meio da troca de fótons 'virtuais'. Nessa interação, flutuações no vácuo podem causar a produção de pares 'partícula-antipartícula' (e-, e+) como representado no desenho. Essas partículas são geradas no 'vácuo quântico' em todos os pontos do espaço dando origem a fenômenos interessantes.

Um novo papel para o vácuo seria descoberto com a junção de duas grandes teorias físicas: a relatividade e os primeiros formalismos da física quântica. Conhecida como 'teoria de campos', essa nova teoria foi capaz de prever novos fenômenos na Natureza que foram interpretados como tendo origem no espaço considerado vazio. Isso foi feito por meio da quantização do campo eletromagnético. O processo de 'quantização' envolve tomar quantidades físicas bem conhecidas (energia total, momentos etc) e aplicar as regras da física quântica, de forma a se obter uma teoria aplicável ao mundo microscópico (Fig. 2).

A quantização do campo produziu um resultado notável: era impossível deixar de associar a cada ponto do espaço uma quantidade de energia oriunda do campo eletromagnético, mesmo na ausência total de cargas. Ou seja, cada ponto do espaço 'vazio' é preenchido por uma substância eletromagnética e tem uma energia 'infinita' associada. Como esse estado é o de menor energia, é impossível retirar energia dele, mas, nem por isso ele deixa de ter papel fundamental em vários fenômenos quânticos. O mais notável deles - por se manifestar no 'mundo macroscópio' - é o da força atrativa entre placas de metal, força gerada por desbalanceamento da quantidade de modos eletromagnéticos dentro e fora das placas. Essa força mecânica é gerada pelos modos do vácuo que atuam sobre as placas e é conhecido como efeito Casimir (Fig. 3). Essa força foi medida quantitativamente em 1997 por S. Lamoreaux (3).

Ilustração explicativa de um efeito real do vácuo quântico . Duas placas de metal são constantemente atuadas por fótons 'virtuais' (partículas do vácuo) no efeito Casimir. As placas limitam a quantidade de modos de oscilação no interior de forma que a quantidade maior delas na parte externa gera uma força de atração que é mensurável experimentalmente. Se flutuações de vácuo quântico não existissem, não haveria nenhuma força.

Pode-se imaginar que todo o espaço é sempre preenchido por campos eletromagnéticos quantizados que oscilam de forma aleatória. Por isso, o vácuo quântico também é conhecido como fenômeno de 'flutuações do ponto zero', numa referência ao estado de menor energia desse campo.

Um conceito agradável ao ateísmo

A noção de vácuo quântico mostrou ser útil nas críticas modernas do ateísmo. O 'poder criador' do vácuo quântico pode muito bem substituir a necessidade de um agente criador independente, a ideia de Deus. Como, numa interpretação superficial, a potencialidade do vácuo é infinita, então qualquer coisa pode resultar dele, inclusive tudo no Universo. Para apreciar melhor esse ponto, considere o trecho extraído de 'Daylight Atheism' (2):

Logicamente falando, há apenas duas possibilidades para a origem última do Universo: ou há uma regressão infinita de causas, ou existe uma causa primeira que não pode ser explicada em termo de causas ainda mais fundamentais. Ateus ou religiosos devem concordar que essas são as únicas alternativas. Se existe uma regressão infinita de causas, parece sem sentido continuar com investigações cada vez mais profundas; pois tal fim jamais será atingido. Se há uma causa, porém, podemos produtivamente nos perguntar sobre como ela seria

Esse é o ponto onde Craig e Strobel tem problemas, porque nós já temos um candidato excelente para causa primária: o vácuo quântico, um estado infinito e caótico que continuamente gera novos universos através de flutuações estatísticas. Sabemos já que o vácuo existe, assim como muitas de suas propriedades, então, nenhuma nova entidade é mais necessária aqui. Numa tentativa arbitrária de decidir que o vácuo tem que ter uma causa, Craig introduz uma nova entidade ou divindade sobrenatural que ele acredita tem o poder de criar novos universos. Isso é coisa para a qual não temos evidência experimental alguma e que não resolve o problema da causa primária melhor do que o vácuo já o faz. (grifos nossos; sobre o trecho original ver 4)

Essa ideia é ingênua, pois energia e matéria não são as únicas coisas que existem no Universo para as quais o vácuo seria causa suficiente. Ateus devem encontrar uma maneira de explicar como a informação, que organiza a matéria a partir de certo nível, apareceu desse "nada" também.

A noção de vácuo como 'vazio' ou 'nada' torna-se uma arma de retórica na língua de adeptos do ateísmo que consideram isso uma maneira de atacar o princípio básico de que 'nada existe sem uma causa'. Como vácuo tem como sinônimo o 'nada', então 'o nada pode gerar tudo' torna-se um novo motto para o ateísmo. O vácuo quântico não corresponde ao 'nada', mas está simplesmente preenchido por algo intangível.

Chegamos a uma situação engraçada hoje, quando espiritualistas exaltados, que vêem com bons olhos as descobertas da física sobre o papel do vácuo físico, fazem coro com ateus no reconhecimento do papel criador desse novo vazio que tem em comum com o 'nada' apenas semelhança de palavras...

Notas e referências

Ainda hoje, há quem acredite no éter luminífero. O conceito de 'éter luminífero' tornou-se uma bandeira de físicos que não aceitam as explicações padrão em relatividade e cosmologia.
Ver: http://www.daylightatheism.org/2009/09/cfac-its-all-because-of-quantum.html (acesso em Dezembro de 2012);
Lamoreaux, S. K. (1997). "Demonstration of the Casimir Force in the 0.6 to 6 μm Range". Physical Review Letters 78: 5;
Trecho original:

Logically speaking, there are only two possibilities for the ultimate origin of the universe: either there is an infinite regress of causes, or there is a first cause that cannot be explained in terms of earlier causes. Both atheists and theists should be able to agree that those are the choices. If there's an infinite regress of causes, it seems pointless to keep investigating further and further back; such a quest would be guaranteed never to end. If there is a first cause, though, we can productively ask questions about what sort of thing it might be.

This is where Craig and Strobel run into trouble, because we already have an excellent candidate for a first cause: the quantum vacuum, a timeless, chaotic state that continually spawns new universes through random statistical fluctuation. We already know that the vacuum exists and we know what many of its properties are, so no new entities are required in this explanation. In arbitrarily deciding that the vacuum must have a cause, however, Craig introduces a new entity - a supernatural deity which he believes has the power to create new universes. This is something we have no experimental evidence for, and it solves the first-cause problem no better than making the vacuum the first cause.

Conceitos básicos de Física Quântica VI

Estrutura de orbitais atômicos no átomo de hidrogênio obtidos por meio direto, exibindo a existência de núvens de concentração eletrônica em torno do núcleo. (1)

Toda a matéria se origina e existe somente em virtude de uma força

que agrupa as partículas de um átomo em vibração

e as mantém juntas como se fosse um sistema solar em miniatura.

Devemos assumir como causa dessa força uma mente consciente e inteligente.

A mente é a matriz de toda a matéria. Max Planck.

Um átomo e seus vários estados

É comum representações pictóricas do átomo - conhecido como unidade fundamental da matéria - na forma de um "mini sistema solar", com um núcleo e partículas elétricas - os elétrons - girando em torno dele em órbitas bem definidas. Essa representação é reconhecida como símbolo universal e está representado na Fig. 1.

Há inúmeras referências na web sobre esse 'modelo atômico'. É um modelo porque seu objetivo é representar os elementos principais do átomo (até suas posições relativas), sem compromisso de ser uma imagem exata da realidade.

De fato, desenvolvimentos em física quântica mostraram que essa 'visão exata' da realidade, no que diz respeito à realidade atômica, não pode ser obtida. Para ver de uma maneira simples como isso é impossível, basta que você considere o processo de 'observação' de uma coisa. Observar algo é, antes de tudo, jogar luz no objeto a ser observado, sem o que é impossível apreciar suas formas, cores e profundidade. Mas, o que acontece ao se jogar luz em um objeto microscópico como um elétron?

Um elétron é uma partícula fundamental da Natureza. Tem uma massa muito pequena (da ordem de 10E-31 kg, ou seja, precisamos de 31 zeros depois da vírgula para registrar a primeira casa significativa de massa). Ao se tentar iluminar um átomo para poder observar o elétron, a intensidade da luz - por menor que seja - poderá destruir completamente o que se pretende ver. No reino quântico, isso também depende de uma série de fatores tais com o a frequência da luz que se joga. Se ela tiver uma frequência determinada abaixo do que é chamado 'limite de ionização' do átomo, a luz será espalhada de forma que será impossível formar qualquer imagem do átomo. Se estiver acima desse limite, o resultado será a destruição do estado atômico original (2). Portanto, é impossível determinar diretamente a forma dos átomos, pelo menos por processos conhecidos tradicionalmente e que se aplicam ao nosso mundo 'macroscópico' (3).

Fig. 1 Representação um átomo

com seu núcleo e elétrons em órbitas bem

definidas.

Estados atômicos.

Além de ter massa, o elétron também tem outra propriedade fundamental chamada carga elétrica. Por convenção, essa carga tem sinal negativo e é muito pequena (da ordem de 10E-19 Coulomb). Embora seja pequena, é carga suficiente para gerar boa parte dos fenômenos do mundo em que vivemos.

Acontece que partículas carregadas em movimento acelerado acabam por perder energia. Essa energia - presente na partícula em seu estado de movimento original - acaba sendo perdida de uma forma inusitada: a partícula emite radiação eletromagnética. Como, na Natureza, energia não pode ser destruída, essa energia vai embora com a radiação que é emitida.

Agora, imagine um elétron a girar indefinidamente em torno do núcleo do átomo. Para simplificar, imaginamos um núcleo de hidrogênio (ou seja, somente um elétron se faz necessário na 'eletrosfera' do átomo). Ao se aproximar do núcleo, o elétron está acelerado. Ele sofre influência da força elétrica advinda de uma carga de sinal oposto no núcleo. Mas, mesmo assim, por que, no caso do elétron no átomo, estando ele acelerado, o átomo não perde energia? Esse foi uma dos problemas fundamentais que motivou a revolução da física quântica.

De fato, em todos os átomos, os elétrons estão constantemente em movimento e, mesmo assim, a matéria é bastante estável, não há "perda de energia" por emissão de aceleração. Como isso é possível? Além disso, uma vez que elétrons e núcleo tem cargas que se atraem, como é possível que eles não terminem grudados uns aos outros?

Um mecanismo que é frequentemente invocado para explicar de forma qualitativa esse processo de "estabilização" é o princípio de incerteza. Esse princípio cria um limite para o estado de movimento e posição de uma partícula pela física quântica. Ao determinarmos com precisão sua posição, será impossível conhecer sua velocidade (ou, mais especificamente, quantidade de movimento). Ao se determinar com precisão o seu movimento, será impossível saber sua posição. Assim, se o elétron perde energia e se aproxima do núcleo, o crescente aumento de determinação em sua posição faz com que seu momento aumente consideravelmente, o que o afasta novamente do núcleo. Nas palavras de R. Feynman (4):

A resposta tem a ver com efeitos quânticos. Se tentarmos confinar nossos elétrons em uma região que é muito próxima dos prótons, então, de acordo com o princípio de incerteza, eles deverão apresentar algum momento médio quadrático que será tanto maior quanto mais tentarmos confiná-los. É esse movimento, exigido pelas leis da mecânica quântica, que evita que a atração elétrica aproxime ainda mais as cargas.

Portanto, o que acontece ao redor do núcleo não é a configuração de cargas em órbitas estáveis (como sugere imagens como a da Fig. 1), mas o estabelecimento de um estado atômico sem emissão alguma de energia.

Mas, é um estado de quê? Trata-se do estado de probabilidade de se encontrar elétrons ao redor do núcleo. Esses estados têm energia muito bem definida e conferem uma estabilidade extraordinária à matéria. Não podemos nos esquecer que a principal propriedade da matéria quântica é seu caráter ondulatório. Esse caráter era, no começo, apenas associado à luz e à radiação, mas a principal contribuição da física quântica foi demonstrar que, mesmo a matéria mais dura que se conhece, também se comporta como uma onda.

Fig. 2

Uma maneira de compreender como esses estados poderiam ser formados foi feita pelos pais da física quântica ao tentarem curvar ou fechar uma onda ao redor do centro atômico (Fig. 2). Como o elétron tem uma onda associada, então, buscou-se saber quais seriam as condições necessárias para que uma onda eletrônica se 'fechasse' completamente ao redor do núcleo como mostrado. Essas condições dão origem aos estados de energia bem definidos dos elétrons porque somente ocorrerá o 'fechamento' da onda para determinadas frequências.

Podemos entender os estados atômicos como se fossem "ressonâncias" nas ondas de probabilidade dos elétrons ao redor do núcleo atômico. Lei rigorosas proíbem, portanto, que energia seja perdida nesses estados de forma espontânea (embora existe sempre uma chance de, espontaneamente, ocorrer uma perda; ela é muito pequena no nível quântico), o que resulta em grande estabilidade para a matéria ordinária.

Referências e notas

(1) Uma imagem de um estado quântico do átomo de hidrogênio recentemente obtida para determinada condições especiais:

http://pipeline.corante.com/archives/2013/05/29/the_hydrogen_wave_function_imaged.php

(2) Se for um valor exato, poderá causar uma transição de estado (chamado de 'excitação atômica'). Se for excessiva, poderá causar ionização do átomo que é o afastamento do elétron de seu núcleo.

(3) No caso do 'mundo macroscópico', os objetos são formados por muitas quantidades de átomos. Luz tem efeito desprezível sobre esse grande agrupamento de partículas e é, portanto, espalhada de tal forma que os contornos dos objeto podem ser vistos, mas nunca detalhes até a escala atômica. De fato, podemos ver muitos detalhes microscópicos de objetos, mas até o nível em que efeitos quânticos não são importantes.

(4) Ver: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_01.html

Fonte:http://eradoespirito.blogspot.com.br/

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