Fronteiras da Física: Mecânica Quântica, o universo de Incertezas

que sabemos a respeito do mundo a nossa volta? Qual a visão que temos a respeito de tudo aquilo que nos cerca? Peço que para entender melhor o que será dito aqui, você abra a sua mente e passe a ver as coisas de outra forma. Se olharmos a nossa volta, podemos ver várias coisas que fazem parte de um mundo ao qual acreditamos ser material. Vemos casas, carros, pessoas, etc., mas a verdade é que a realidade é bem diferente. Essa realidade pode, na verdade, nem existir.

Além do que os nossos olhos podem ver há um mundo bem diferente, na qual as possibilidades são muitas. Esse é o mundo atômico. Esse mundo está a nossa volta, está no que vemos, no que sentimos, no que respiramos, está definitivamente em tudo. Se aumentarmos uma bola de basquete até o tamanho do nosso planeta, o átomo seria do tamanho de uma uva. Se esse átomo se tornar do tamanho de um prédio de quinze andares, seu núcleo será do tamanho de um grão de sal. Outras partículas no interior do átomo seriam grãos de poeira, e o resto seria apenas espaço.

Podemos ver então que a maior parte da realidade que nos cerca é na verdade um imenso vazio, até nós mesmos somos vazios. Junte todos os átomos de seu corpo e você ficará do tamanho da cabeça de um alfinete.

Por muito tempo, acreditávamos que o átomo era a menor parte da matéria. Os gregos deram o nome átomo ao qual significa: indivisível. Porém, nesse contexto, o nome átomo está errado. Hoje sabemos que o átomo é dividido em prótons, nêutrons e elétrons e sabemos que o próton é formado por dois quarks up e um down e o nêutron por dois down e um up. Acreditamos ainda que os quarks apresentam os glúons, partículas portadoras de força que mantém os quarks unidos.

O que ocorre no átomo é que este apresenta um certo tipo de comportamento. Esse comportamento é descrito através da Mecânica Quântica. Uma parte da física que entra em um mundo um tanto quanto hostil, um mundo na qual a física clássica é ignorada. Os físicos sempre tentaram descrever um universo na qual obedece a leis da física, mas a mecânica quântica mostra que a situação não era tão simples assim.

Vamos entender um pouco a respeito da física clássica. Na escola aprendemos as três, famosas, Leis de Newton. Isaac Newton ficou conhecido principalmente por ter descoberto a gravidade (que diz a lenda, isso aconteceu pelo fato de uma maçã cair em sua cabeça). A gravidade é uma força que atua em todos os corpos celestes, por essa razão os planetas orbitam em torno do sol. Essa força está sempre puxando as coisas para baixo, e da mesma forma um dia os planetas cairão no sol.

O átomo pode ser visto como um minúsculo sistema solar. O núcleo representa o sol e os elétrons representam os planetas. Porém, os elétrons, diferente dos planetas, não seguem uma única rota. Os elétrons giram em torno do núcleo, nas órbitas. Cada órbita está afastada uma das outras em diferentes comprimentos de onda. Mas o que ocorre é que o elétron pode saltar de uma órbita mais afastada do núcleo para uma mais próxima, despendendo uma quantidade de energia chamada quantum. Mas da mesma forma, o elétron pode saltar para órbitas mais afastadas do núcleo. Damos a esse efeito o nome de salto quântico.

Saltar para outras órbitas, comprimentos de ondas, tudo soava estranho demais. Então, um francês chamado Louis de Broglie propôs que as partículas atômicas seriam na verdade ondas. E agora, partículas ou ondas?

Agora, a situação começa a ficar mais interessante. O estudo das partículas desenvolveu-se com um experimento um tanto quanto simples, chamado de Experiência da Fenda Dupla. Essa experiência consiste em deixar que a luz visível passe por duas fendas. Nessa experiência podemos usar um laser. Primeiro, usaremos uma fenda simples, e ao invés de elétrons vamos disparar partículas simples, como balas de uma metralhadora. Quando as balas atravessarem a fenda simples, será criado um único tipo de padrão de interferência.

Isso é um tanto quanto lógico. As balas marcam a parede atrás da fenda e mostram uma única banda, que chamamos aqui de interferência. Utilizando o mesmo processo, mas agora com duas fendas. O resultado será dois padrões de interferência.

Tais processos mostram como deveria ser o comportamento de partículas. Elas deveriam seguir um único caminho, mostrando uma única realidade. Agora, no lugar de balas de metralhadora vamos utilizar ondas de água. Podemos perceber que quando uma onda passa pela fenda simples ela chegará do outro lado e marcará apenas um único tipo de padrão de interferência, assim como as balas da metralhadora. Mas agora, quando a onda passa pelas duas fendas ela se quebra em duas e o encontro dessas duas ondas provocará mais uma série de ondas e assim sucessivamente. No final não será formado um ou dois padrões de interferência, mas vários.

Mas agora você pode estar se perguntando: mas onde entra a mecânica quântica?

Vamos fazer novamente o experimento, mas dessa vez usaremos um laser (temos de disparar partículas atômicas, como elétrons, por exemplo). Usando uma única fenda os elétrons irão atravessá-la e formar um único padrão de interferência, assim como as balas.

Agora, usando as duas fendas o resultado será outro. É estranho pensar no que vai ocorrer, porque até então tínhamos a idéia de partículas e víamos esses componentes atômicos como partículas. Mas a verdade, é que quando disparamos partículas atômicas contra a fenda dupla o resultado não era o esperado. Do outro lado, não foram formados apenas duas bandas, mas sim várias. Padrões de interferência igual ao das ondas, embora estejamos tratando aqui a respeito de partículas atômicas.

Por mais que estejamos falando de partículas e as mesmas soam e se parecem como partículas, elas se propagam como ondas. Portanto, elas podem ser tanto partículas quanto ondas. Mas o que sabemos de ondas? Ondas é a transmissão de energia através de um meio, elas não se propagam no vácuo. Agora fica a questão: se as partículas se propagam como ondas, o que dizer a respeito da luz do sol que viaja pelo espaço e chega até nós? Analisando essa pergunta podemos responder que no espaço a luz viaja como partícula e ondule quando chega até nós. A luz, viajando como partícula pelo vácuo sofre uma alteração quando encontra um outro meio. Podemos ver a alteração que a luz sofre em diversos casos, como num arco-íris ou num halo-solar, por exemplo. Um prisma quebra a luz em formatos de ondas.

Albert Einstein foi quem juntou a luz com a estrutura interna do átomo. Heinrich Rudolf Hertz foi quem iniciou estudos com a luz, na qual desenvolveu um fenômeno chamado de Efeito Fotoelétrico. Esse efeito consiste na emissão de elétrons por alguns corpos, quando estes estão sob a ação da luz. Muitos pensam que Einstein ganhou o prêmio Nobel de Física com a sua Teoria da Relatividade, mas na verdade foi com o efeito fotoelétrico.

Acho que já é possível perceber que ondular é uma palavra chave na mecânica quântica, mas o que seria realmente ondular? O austríaco Erwin Schrödinger respondeu a isso, em 1925. Se os elétrons se propagam como ondas, tem de haver uma equação para demonstrar isso. A famosa Equação de Schrödinger demonstra a evolução temporal de sistemas físicos sujeitos à mecânica quântica.

Schrödinger via as ondas como sendo elétrons, e os elétrons como sendo um objeto ondular. Assim ele chamou essas partículas de Ondas de Matéria. Mas existe certa contradição nesse nome, pois o que é onda não é matéria e sim probabilidade. Não podemos saber o que o elétron irá fazer, pois ele está se propagando como onda. Assim como na experiência da fenda dupla, não sabemos qual elétron passou por qual fenda. Não podemos saber o que a partícula irá fazer, mas a onda nos diz o que ela pode fazer. No átomo, as ondas apresentam todas as qualidades possíveis de uma partícula.

As partículas apresentam certas propriedades. São essas: posição, velocidade ou momentum, massa e rotação. Se todas essas propriedades forem observadas na partícula ela deixará de ser uma probabilidade e será real. Chamamos isso de Colapso de Função de Onda. Mas eis que, em 1927, o conceito a respeito das partículas sofreu uma alteração. Werner Heisenberg formulou o enunciado chamado de Princípio da Incerteza, mostrando que não podemos efetuar medidas simultâneas com uma classe de pares observáveis. Esse princípio diz que se soubermos a posição de uma partícula não saberemos a sua velocidade e vice e versa.

Novamente, podemos dizer que a física de Newton não funciona no mundo quântico. A segunda lei de Newton diz que a força imposta sobre um corpo é igual a sua massa multiplicada pela sua aceleração. Porém, tal formulação conta com o nosso senso comum e nos mostra a direção que o corpo poderá seguir. Mas como vimos, isso não está de acordo com o princípio da incerteza.

Albert Einstein chegou a dizer que nem sempre a realidade é a mesma para dois seres. Seres diferentes vêem realidades diferentes. Uma pessoa percorrendo o universo a uma velocidade próxima a da luz iria ver corpos externos sofrendo um achatamento e ficando curvos, mas pessoas observando o sujeito percorrendo a velocidade da luz iriam ver o contrário.

Para Niels Bohr o importante é aquilo que pode ser medido. Não deveríamos pensar que um mundo quântico realmente exista. Se você observar uma partícula ela será uma partícula, se observar uma onda, então ela será uma onda. A medição torna-se tão importante quanto aquilo que é medido.

Einstein não estava muito satisfeito com a idéia de Heisenberg, e dessa forma ele pronunciou a famosa frase: “Deus não joga dados com o universo”. Porém, olhando de uma outra forma, o universo é cheio de possibilidades e assim Deus pode jogar dados. Imagine um jogo de roleta, depois de vários jogos você percebe que a bolinha parou mais vezes na casa preta do que na casa vermelha. Sendo assim, você terá uma idéia de que é melhor apostar mais vezes na casa preta, esse é o senso comum, porém não saberá em que número apostar. Assim é o universo, ele é cheio de possibilidades. Na mecânica quântica, as partículas não possuem uma única posição ou velocidade bem definidas, mas o estado delas pode ser descrito através do que denominamos função de onda. A função de onda é um determinado número em cada ponto do espaço que indica a probabilidade da partícula ser encontrada em uma determinada posição. O grau de mudança de função de onda no decorrer do tempo pode ser fornecida pela equação de Schrödinger.

Um universo cheio de possibilidades pode apresentar várias realidades diferentes. Uma realidade na qual Napoleão venceu a batalha de Waterloo e outra realidade na qual a bomba de Hiroshima não explodiu, entre muitas outras realidades diferentes. Mas quantas realidades podem existir?

Para ter certeza de algo na mecânica quântica é preciso que se faça uma medição. Schrödinger propôs uma experiência mental, na qual mostrava diferentes possibilidades para uma mesma situação. A experiência ficou conhecida como O Gato de Schrödinger. Em uma caixa é colocado um gato vivo, um frasco com veneno, um dispositivo para quebrar o frasco e um núcleo radioativo. A caixa é fechada e então a experiência começa. Se o núcleo radioativo decair ele irá liberar uma partícula que acionará o dispositivo, rompendo o frasco com veneno e matando o gato. Porém, se o núcleo não decair, o frasco não será rompido e o gato continuará vivo. Não sabemos se o gato está vivo ou morto, portanto não podemos ter certeza do que está ocorrendo dentro da caixa. Com a caixa fechada não existe a certeza, mas sim a possibilidade. Não há apenas um gato, mas sim dois. Um gato está vivo e o outro está morto, mas para sabermos qual gato está dentro da caixa é preciso fazer a medição quântica. Quando abrimos a caixa, podemos ver tanto um gato vivo, quanto um gato morto. Em um universo nós nos lembramos do felino vivo, e em outro dele morto. Habitamos, assim, em dois universos paralelos. Os universos existem, mas não sabem da existência um do outro.

A Teoria dos Muitos Mundos foi proposta por Hugh Everett. Segundo ele, não podemos ignorar outras possibilidades, mas sim saber que cada resultado diferente cria um novo universo. Esses universos são inacessíveis aos outros.

Para David Bohm, existe uma natureza básica de realidade, um processo dinâmico de totalidade na qual ele chama de Holomovimento. Todo objeto quântico estaria ligado a outro objeto quântico. Para entender melhor, vamos pegar dois cilindros e colocar um dentro do outro. O espaço dentro dos cilindros é preenchido com glicerina. Depois, injetemos (com o auxílio de uma seringa) um fio de tinta à glicerina e giremos o cilindro interno no sentido horário. Depois de umas três voltas, o fio de tinta irá desaparecer, ele foi envolto pela glicerina. Agora, vamos girar o cilindro interno no sentido anti-horário e veremos o fio de tinta voltar a aparecer. A explicação para isso é que as partículas apresentam dois estados, ou ordem. Uma ordem explícita, na qual vemos a tinta separada da glicerina e uma ordem implícita, denominada implicante. Implicante é quando a partícula está envolta em um todo que está interligado.

Além de outras propriedades um tanto quanto esquisitas, a mecânica quântica estava violando a relatividade de Einstein. Por essa razão, o físico queria colocar um fim nisso tudo. A Teoria da Relatividade diz que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Cada vez que um corpo se aproxima da velocidade da luz ele começa a sofrer uma mudança em sua massa. Se um corpo ultrapassar a velocidade da luz, sua massa será estendida ao infinito e dessa forma o corpo precisará de energia infinita, porém não há energia infinita no universo.

Em 1935, Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, apresentaram um experimento de raciocínio. Duas partículas seriam geradas e uma delas seria enviada para uma galáxia a bilhões de anos luz de nós, enquanto a outra partícula ficaria na Terra. Sempre que a rotação de uma partícula for para a esquerda, a rotação da outra partícula será para a direita, pois a rotação total das partículas tem de ser igual a zero. A partícula que ficou na Terra estará girando para a esquerda, mas depois de um tempo seu sentido será mudado e ela passará a girar para a direita. A pergunta é: como é que a partícula há bilhões de anos luz saberá que mudamos o sentido da partícula aqui da Terra e assim mudar o seu sentido? Para que isso ocorresse, seria necessário que a informação percorresse uma velocidade maior que a da luz, e isso era impossível. Com isso, Einstein disse que a teoria quântica estava incompleta.

Mas eis que um homem chamado John S. Bell criou o seu Teorema de Bell, ao qual dizia que, de alguma forma, a partícula há bilhões de anos luz saberia o momento em que o sentido da partícula daqui foi mudada. Alain Aspect foi quem realizou um experimento com base no teorema de Bell. Aspect enviou duas partículas em direções opostas (essas partículas estavam com polarizações diferentes). Aspect mudou a polarização de uma partícula e instantaneamente a outra partícula também foi mudada, ficando oposta à primeira partícula. Esse fenômeno colocou duas questões em jogo: existem ondas piloto que guiam as partículas ou realmente a informação percorreu uma velocidade mais rápida que a da luz?

Portanto, a mecânica quântica se baseia na incerteza. É uma ciência que chega a assustar alguns e a confundir outros, mas ela está a nossa volta. Está em tudo o que fazemos, em tudo o que tocamos, é o mundo a nossa volta, um mundo que pode não existir. E se esse mundo não existe, nós não existimos. Mas então o que é que estamos fazendo aqui? Qual o propósito de nossa existência? Passamos boa parte da vida questionando as coisas, mas muitos não questionam o ponto chave de tudo isso. Não podemos mais ver todas as coisas como certezas, mas sim como possibilidades, pois somos possibilidades. Não existe um único Jonathan Quartuccio ou um único você, mas em nosso dia a dia somos várias pessoas diferentes. Sabemos brincar, sabemos escutar, sabemos ser conselheiros e até mesmo ser bons pais e ao mesmo tempo bons filhos. Nós somos possibilidades e assumimos diferentes papéis. Essa é a beleza de tudo isso, o núcleo de toda a mecânica quântica. A certeza só existe pelo fato de haver uma incerteza, e a única certeza que nós podemos ter é a respeito da nossa incerteza.

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