anônimo - fisica quantica e esoterismo - A interessante Física Quântica
Daniel Alencar | comentários
Arquivado no curso de Engenharia de Energia na UFC
Física Quântica ... também para os esotéricos, místicos etc.
IntroduçãoEsse texto é dirigido a todos que têm sede de saber; eu mesmo seria um felizardo se o pudesse ter lido a umas dezenas de anos atrás. Durante algum tempo, na fase pré-universitária, prendi-me à Física de Newton, a qual absorvia com requintado sabor. Era o conhecimento exigido nos vestibulares e, os demais novos tópicos da Física, eram apenas leituras não obrigatórias. Einstein era pouco mais que um estranho e da simplória leitura de que dispunha, deixava a mente esvoaçar pelo imaginário e desconhecido. Incrível! Quantas falsas analogias eu não criei nesse miúdo cérebro em formação! Hoje, lendo e ouvindo, vejo que a 'coisa' não mudou muito! Esotéricos, místicos e mesmo muitos jovens estudantes, 'vira e mexe' ainda tentam argumentar suas enevoadas idéias, citando trechos esparsos da teoria da relatividade, personalidades do mundo da ciência (e Einstein não escapa com seu famoso: "Deus não joga dados") e, principalmente, 'coisas' da mecânica quântica. Era assim mesmo que eu o fazia quando estava apenas apoiando-me em simplórias leituras.
Se bem recordo, essa nova 'onda', ou coqueluche, começou com o lançamento do livro "O Tao da Física", de Fritjof Capra, cuja visão mística da Física, acrescida de seus argumentos forçados, deturparam sobremaneira a conceituação científica dos fatos. Ainda hoje, ao afirmarmos que Física Quântica nada tem a ver com misticismo, sempre aparecerá um deles a dizer: "Ah, mas Capra é físico e diz que tem sim". Ser Físico é algo mais do que falar sobre física, e com certeza absoluta, quem diz isso, não leu nada desse autor em algum periódico científico de respeito, uma vez que suas teorias não são científicas (experimentais, falseáveis, empíricas etc.). Isso me lembra alguém querendo defender a "Teoria da Terra Oca". Não é porque que alguém é geólogo e defende a "Teoria da Terra Oca" que isso signifique que a Terra seja realmente oca ou o que tal pessoa diga sobre geologia deva ser verdadeiro. O inverso é também verdadeiro, não é porque alguém publica um trabalho sério no meio científico que tudo aquilo que ele diz ou pensa, dali para frente, passa a ser verdade. Todos são livres de ter as idéias que quiserem, mas só terão validade quando forem cientificamente testadas. E até hoje, nenhuma das idéias posta por algum místico foi cientificamente comprovada e, muito menos, usada em qualquer aplicação prática para a sociedade.Então, não é porque Capra é físico que tudo que ele diz sobre Física é respaldado na verdade científica. Na Ciência não cabe a 'palavra da autoridade'. Se fosse assim, médicos nunca errariam, prédios jamais cairiam porque os engenheiros deveriam fazer tudo perfeito etc.
Eu também não sou nenhum especialista em física quântica, mas muito me agradaria colocar um texto acessível a todos aqueles que querem usar da física quântica para tentar lastrear suas 'falas'. Quem sabe, lendo-o, os argumentos esotéricos melhorem, ou desapareçam por completo, ao notarem as falácias postas como analogias. Mas o texto, como já salientei, não é apenas para místicos, é também para quem quer saber um pouco mais sobre física quântica e, com isso, poder dialogar com maior riqueza de argumentos com as pessoas que acreditam em tudo que lêem em livros, tais como os de Capra.Em fim, proponho que este texto seja uma 'dilatação de idéias', uma leitura inicial nos acordes de uma divulgação científica, com o propósito de expor alguns esclarecimentos que ajudem a "desmistificar a Física Quântica", e a incentivar seu estudo mais profundo para aqueles que viam nela algo estranho o suficiente para parecer místico.
Parte 1 - Os estados quânticos do átomoParte 2 - Natureza ondulatória das partículas atômicas (feixes de partículas e de luz)Parte 3 - O caráter corpuscular da luz e a complementaridade.
Iniciando ...Para quem já iniciou seus estudos da Teoria Atômica, chamamos a atenção para as sérias questões que se apresentam quando estudamos a estrutura do átomo. Por um lado, o modelo do átomo que temos é o de um 'pequeno sistema planetário' com elétrons circulando em torno do núcleo; por outro lado encontramos uma série de propriedades características que um sistema planetário não apresenta, a saber:
1. Estabilidade - os átomos conservam suas propriedades características apesar das violentas colisões e de outras perturbações às quais estão sujeitos.2. Identidade - todos os átomos do mesmo tipo (mesmo Z = número de elétrons) apresentam propriedades idênticas; emitem e absorvem as mesmas freqüências, têm exatamente o mesmo tamanho, a mesma forma e os mesmos movimentos internos. Veremos, adiante, mais detalhes desse comportamento.3. Regeneração - se os átomos são deformados e suas órbitas eletrônicas forçadas a se modificar por uma pressão elevada ou por grande aproximação dos átomos, eles voltam exatamente às suas formas e órbitas iniciais quando a causa da deformação é removida.
Entretanto, experiências indicam que o átomo é um sistema planetário constituído por elétrons que circulam em volta do núcleo --- mas, um sistema planetário que não deveria apresentar essas três propriedades. Portanto, esse modelo do átomo não pode explicar de maneira alguma a especificidade das qualidades da matéria. O modelo do átomo planetário é de Rutherford; Bohr, posteriormente, alterou ligeiramente essa idéia.Nota: Tanto quanto se sabe, o sistema planetário real não é quantificado. E sendo assim, é de se esperar, que tenha outras propriedades características distintas daquela do átomo planetário.Urge encontrar um traço novo e essencial na estrutura do átomo, que não esteja contido no modelo clássico de sistema planetário. Essa nova visão da natureza do átomo foi fornecida pelo desenvolvimento da teoria quântica --- é essa história que vamos contar.
Estados quânticos do átomoEm 1913, James Franck e Gustav Hertz realizaram uma série de experiências nas quais tentaram modificar as órbitas planetárias dos elétrons no átomo. Eles raciocinaram da seguinte maneira: o átomo parece resistir a qualquer modificação das órbitas eletrônicas; tentemos modificar "à força" essas órbitas para vermos de que maneira e até que ponto o átomo pode resistir. Uma hipótese aceitável, no modelo do sistema planetário, leva a crer que as órbitas dos planetas sejam modificadas se uma estrela passasse perto de nosso sistema solar. Franck e Hertz planejaram uma experiência que corresponderia, no mundo atômico, a um cataclismo solar daquele tipo.
Não podemos olhar diretamente as órbitas eletrônicas para verificar se foram modificadas, mas podemos descobrir indiretamente o que aconteceu. Fazemos com que todos os elétrons do feixe tenham exatamente a mesma velocidade quando penetram no gás. Qualquer modificação que os elétrons produzam nos átomos estará associada com uma modificação na sua própria velocidade. Essa previsão é conseqüência da lei da conservação da energia. É necessário energia para alterar a órbita de um elétron num átomo; portanto, se a órbita for modificada por um elétron que passa por perto, esse elétron deverá perder alguma energia.A energia cinética depende diretamente da velocidade da partícula; a velocidade do elétron será reduzida e essa redução pode ser observada quando o feixe sai do outro lado do recipiente que contém o gás. O mesmo aconteceria se uma estrela passasse pelo nosso sistema solar. Sua passagem daria um empurrão na Terra, aumentando a energia da Terra e diminuindo a energia da estrela.
O que deveríamos esperar, baseado no modelo planetário? Haveria todos os tipos de modificações de órbitas, pequenos e grandes, dependendo de quão próximo do átomo houvesse passado o elétron. Deveríamos esperar todos os valores de perdas de energia (ou, às vezes, ganho) a partir de zero; a perda média deveria ser menor quando o feixe atravessasse um gás mais rarefeito, pois, nesse caso haveria menor número de passagens próximas a átomos. Entretanto, os fatos observados foram completamente diferentes. Quando a energia dos elétrons era menor do que um certo mínimo, não se observava variação alguma na velocidade. Essa energia mínima era bastante alta --- mais de cem vezes maior do que a energia térmica de elétrons em temperaturas habituais. Quando a energia era maior do que esse mínimo, os elétrons perdiam certas quantidades especificas de energia ou nenhuma energia. Essas quantidades específicas e também a energia mínima são características do tipo de átomo do gás; não dependem da densidade do gás nem de nenhuma outra circunstância externa.
O que pode significar esse resultado inesperado? Ele nos diz que não podemos modificar as órbitas dos elétrons no átomo de maneira arbitrária. Ou elas não mudam, ou sofrem alterações especificas e bastante grandes de energia. Nesse ponto, entra o conceito de "quantum" de energia. A energia pode ser fornecida a um átomo apenas em pacotes de tamanhos característicos - nem mais, nem menos. Tudo se passa como se o átomo aceitasse energia apenas em pacotes de tamanhos predeterminados. Não aceita uma pequena porção, mas apenas o pacote completo. Cada átomo só pode aceitar pacotes de energia característicos. Se oferecermos menos, o átomo absolutamente não reage . Reage (muda o seu estado) apenas se lhe oferecemos a quantidade certa.
Esse fato não poderia estar relacionado com o fenômeno que dá origem à especificidade dos átomos? E, que obriga sempre os elétrons a uma configuração característica de cada tipo especial de átomo? Nesse ponto, precisamos ser mais quantitativos. Qual é a energia mínima necessária para modificar o estado de um átomo'?
Façamos, agora, uma pequena pausa na discussão, para saber como são expressas as energias nos problemas atômicos. Medimos a energia de partículas atômicas com uma unidade chamada "elétron-volt", símbolo "eV". O elétron-volt é a quantidade de energia que um elétron recebe/cede ao passar de um ponto a outro, cuja diferença de potencial elétrico é de 1 volt (U = 1V). Essa unidade substitui o "joule" (J) nas interações atômicas.
Vamos dar mais um pincelada nisso, em forma de perguntas (P) e respostas (R). Mas, para não quebrar a continuidade do tema colocamos essas perguntas e resposta no final dessa página. Clique aqui.
Os resultados das experiências de Franck.Hertz. vão ainda além. Elas nos informam não apenas da quantidade mínima de energia que os átomos aceitam, mas nos dão a série completa de valores específicos da energia que o átomo é capaz de aceitar. Apenas esses valores podem ser fornecidos ao átomo; ele ignora qualquer valor entre esses valores característicos.
Um 'Banco' quântico e os espectros das contas correntesEstes fatos ressaltados pelo experimento acima estão em contraste com o que esperamos a partir do comportamento do modelo planetário.
Por que a energia dos elétrons dentro do átomo seria quantizada? O que nos impede de acrescentar uma quantidade arbitrariamente pequena de energia a um átomo? Se compararmos a energia de um átomo a uma conta bancária, tudo se passa como se o banco só permitisse a retirada e o depósito de determinadas quantias, de maneira a manter a conta em certos valores predeterminados.
Consideremos agora mais detalhadamente os diferentes estados quânticos. Em geral designamos a série de valores permitidos para a energia como o "espectro" do átomo. O espectros da ilustração acima (para o hidrogênio), assim como outros (não ilustrados), revelam uma propriedade geral muito importante dos estados quânticos : quanto mais alto é o valor da energia acima do estado fundamental, menor é o intervalo entre os estados quânticos (repare bem isso, na ilustração acima). Essa é uma propriedade observada em todos os sistemas atômicos; para grandes energias de excitação, os estados quânticos tornam-se tão próximos uns dos outros que praticamente se confundem. Para energias elevadas, os efeitos quânticos desaparecem -- ou melhor dizendo, tornam-se negligenciáveis; não deixam de existir, mas outros efeitos tornam-se mais marcantes e prevalecem sobre aqueles. O átomo pode ser, quando num estado excitado de grande energia, afetado por qualquer quantidade de energia, como um sistema planetário comum o seria. Tudo se passa como se as regras a respeito da conta bancária fossem abandonadas para contas muito altas, pois os depósitos e retiradas permitidos tornam-se cada vez menores para grandes contas. Verificou-se que esse fato é de importância muito mais fundamental do que parece.
O plasmaAtualmente sabemos que, se introduzimos grandes quantidades de energia nos átomos, eles se comportam como sistemas planetários. Essas condições podem ser realizadas em temperaturas extremamente altas, que podem ser produzidas por meio de fortes descargas elétricas em gases. Nessas condições, o gás atinge o estado de "plasma" -- que é um outro estado da matéria* -- , e os átomos perdem suas propriedades características. Um plasma de neônio gasoso, no qual cada átomo tem 10 elétrons, tem as mesmas propriedades que um plasma de sódio gasoso, no qual cada átomo tem 11 elétrons. Não há mais órbitas eletrônicas selecionadas; não há mais radiação característica. Entretanto, no espaço cósmico, esse estado é encontrado nos gases expelidos pelo Sol e por outras estrelas quentes.
No plasma, desaparecem todas as características de ordem pelas quais distinguimos um átomo de outro. À ordem e a diferenciação ocorrem apenas quando os átomos estão em seus estados de baixa energia, os quais estão afastados uns dos outros na escala de energia. Nesses estados (baixa energia), encontramos a estabilidade que conduz a formas, órbitas e estados de energia especificos e, conseqüentemente, a propriedades químicas e físicas especificas. Para energias elevadas, todas essas características desaparecem. Tenhamos presentes, entretanto, que foram as propriedades características de 'baixas' energias que definiram nossas concepções. O comportamento desordenado dos átomos em energias elevadas é exatamente o que esperaríamos de um modelo planetário, isto é, de sistemas planetários colidindo uns com os outros em altas velocidades.
P: De onde vem a energia elétrica?R: A energia elétrica decorre da separação de cargas elétricas num sistema. Visualize um sistema formado por dois lápis de cor, um vermelho eletrizado positivamente e um azul eletrizado negativamente. Devido à natural atração das cargas positivas e negativas, esse sistema de dois lápis eletrizados terá energia elétrica mínima quando estiverem juntos (estado natural --- energia potencial elétrica nula). Para separar esses lápis, deve-se aplicar forças que contrariem essa atração elétrica. O trabalho realizado por essas forças externas ao sistema será a medida da quantidade de energia potencial elétrica que eles lápis apresentarão quando separados. Então, lápis eletrizados juntos = sistema isento de energia potencial elétrica; lápis eletrizados separados = sistema dotado de energia potencial elétrica. Esses dois lápis separados têm agora algo que não apresentavam quando eletrizados e juntos. Cada lápis apresentará uma energia potencial elétrica em relação ao outro. Se referenciarmos um deles como 'energia zero' ou outro armazenará, graças à sua carga elétrica, um certo 'tanto' de energia potencial elétrica. Esse 'tanto' de energia elétrica, por unidade de carga, caracterizará a tensão elétrica ou diferença de potencial entre eles.
P: Como medir essa tensão elétrica?R: Vamos exemplificar usando, de início, de uma bateria de automóvel. Uma bateria armazena energia potencial química, ou seja, os componentes da solução estão 'fora de seu estado natural'. Dizer que entre os terminais dessa bateria existe uma tensão elétrica de 12V é o mesmo que dizer que, cada 'coulomb' (1C) de carga elétrica, para passar de um terminal a outro, deve receber/ceder 12 joules de energia elétrica. Se ele passar 'por dentro' da bateria, ele recebe esses 12 J (e a energia química da bateria diminui de 12J) e se ele passar via circuito externo, cede 12J (para os elementos que participam do circuito externo). Na tomada de sua casa a tensão elétrica entre os dois 'furos' (terminais) é de 110V (nominal). Esses terminais, no fundo, traduzem os terminais do gerador eletromecânico que abastece sua casa com energia elétrica. Se você liga um aquecedor elétrico nessa tomada, cargas começarão a 'circular' pelo circuito todo, de modo que, cada coulomb de carga que passa pelo gerador, recebe 110J de energia elétrica e cada coulomb de carga que passa pelo aquecedor cede 110J de energia (o aquecedor transformará esses 110J de energia elétrica em térmica). Se, em lugar de 1 coulomb de carga tomarmos, por unidade, o valor absoluto da carga do elétron, a energia trocada com a bateria passaria a ser de 12eV e a trocada com a tomada de 110eV. Nesse último caso, os elétrons sairiam do terminal positivo do gerador, passariam por dentro dele, e sairiam do terminal negativo com a energia de 110eV; em continuação, sairiam desse terminal negativo da tomada, passariam pelo aquecedor, entregando a ele os 110eV e retornando ao terminal positivo.A tensão elétrica ou d.d.p. indica, portanto, quanto de energia elétrica a unidade de carga recebe ou cede ao passar de um ponto a outro.
Feixe de Partículas e de LuzChegamos agora ao conjunto de observações mais chocante e mais revelador, relacionadas com a natureza das partículas atômicas. Consideremos a forma mais simples em que as partículas atômicas, como os elétrons, podem ser encontradas. Isto se dá quando elas são retiradas dos átomos e movem-se livremente no espaço vazio. Um conjunto de elétrons que se movem na mesma direção e sentido, e com a mesma velocidade, constitui o que chamamos "feixe de elétrons". Feixes desse tipo são produzidos em válvulas de rádio e, particularmente, nos tubos de televisão. Atingem o vídeo da televisão pela parte de dentro e formam a imagem. Os feixes de elétrons devem ser produzidos no vácuo, pois, no ar, os elétrons chocar-se-iam com as moléculas e rapidamente sairiam do alinhamento.
Entretanto, qual não foi a surpresa dos físicos quando realizaram esta experiência e outras semelhantes e verificaram que os feixes de elétrons apresentam propriedades ondulatórias semelhantes às dos feixes de luz! A ilustração abaixo mostra, a esquerda, a figura formada sobre um anteparo, por um feixe de luz (como na experiência acima, para o feixe de luz). É uma configuração idêntica à da ilustração a direita, produzida por um feixe de elétrons. Esse resultado espantoso é apenas um dentre os muitos que mostraram, fora de qualquer dúvida, que os feixes de elétrons devem possuir algum tipo de natureza ondulatória; a propagação de um feixe de partículas parece ter as características de uma configuração ondulatória. Deve haver uma onda relacionada com o movimento dos elétrons.
Uma questão óbvia coloca-se por si mesma: Como pode um elétron ser uma partícula e uma onda ao mesmo tempo? Uma onda é alguma coisa que se espalha no espaço de maneira contínua, enquanto uma partícula é algo nitidamente localizado; num dado momento, a partícula está aqui, não lá, enquanto que uma onda é "um estado de tensão" do espaço, o qual tem que se espalhar numa extensão de alguns comprimentos de onda pelo menos, para constituir alguma coisa que possa ser chamada onda. Será possível realizar alguma experiência crucial de maneira a decidir a questão sem ambigüidade? Afinal o elétron é uma partícula ou uma onda?
Consideremos o exemplo mais simples: ondas ao longo de uma corda estendida. Se esta for muito longa, poderemos produzir uma onda dando à extremidade da corda uma pequena sacudidela perpendicular à corda, como qualquer criança que brinca com uma corda de pular sabe fazer. Se a outra extremidade da corda estiver presa a um objeto fixo e se a corda estiver sob tensão, o impulso percorrerá a corda e, em certos casos, voltará, refletido no ponto em que a corda está presa. Com alguma habilidade, podemos produzir na corda 'qualquer forma de onda', com comprimento de onda longo ou curto, como quisermos. Para grandes comprimentos de onda, as oscilações serão lentas; para os pequenos comprimentos de onda a corda vibrará depressa. Confinemos agora a corda entre dois pontos próximos. Nesse caso, é melhor pensar num fio metálico sob tensão, ou corda de instrumento sonoro, em vez de corda comum. A vibração de uma corda desse tipo é conhecida como onda estacionária. Não temos mais escolha de comprimento de onda e freqüência. Na realidade só podem ser estabelecidas as vibrações cujos meios-comprimentos de onda ('gomos') cabem uma, ou duas, ou qualquer número inteiro de vezes no espaço entre os dois pontos fixos, como indica a ilustração.
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