Física quântica: Deus agindo na natureza – parte 1

Porque as suas coisas invisíveis, desde a criação do mundo, tanto o seu eterno poder, como a sua divindade, se entendem, e claramente se vêem pelas coisas que estão criadas, para que eles fiquem inescusáveis;

Romanos 1:20

A coluna de hoje vai na mesma linha de dificuldade das anteriores, onde falamos sobre Relatividade Especial (RE) e Relatividade Geral (RG): física quântica. Ela é completamente diferente da relatividade, tem um processo histórico de desenvolvimento bem peculiar. Minha pretensão é te dar alguns fundamentos e algumas bases, desmistificar muitos pontos e eliminar erros de associação que chamarei de “besteirol quântico”.

De forma geral, a física ou mecânica quântica (há uma diferença técnica na nomenclatura mas vou ignorar, para não sair do escopo, e intercambiar como sinônimos os 2 termos) trata do universo do muito pequeno: moléculas, átomos e partículas. Na coluna Composição do universo trabalhei de todo o conteúdo físico: das partículas, que compõe tudo o que conhecemos, até os aglomerados de galáxias, que são as maiores estruturas do universo. Diferente da cosmologia, que trabalha com o universo como um todo, a quântica é limitada desde a interação de partículas elementares até conjunção de moléculas. Isso, a nível de tamanho, vai do menor tamanho possível investigar (prótons, que são quarks “colados) até algo da ordem de 10-8 m (ou 0,00000001 m, aproximadamente). O “tamanho” do próton é da ordem de 10-15 m (0,0000000000000001) e o quark, que é a partícula elementar que compõe prótons e nêutrons, tem um “tamanho” menor que 0,43.10-16 m, ou seja, umas 2 mil vezes “menor” que o próton.

Observe vem os detalhes de como escrevi as palavras tamanho e menor: com aspas. Isso significa que pegar uma régua e ir lá no átomo, no próton ou no quark e medir seu tamanho (ou dizer algo relacionado a ele) não faz sentido: a natureza não permite termo 100% de certeza sobre tamanhos dos objetos. E isso está intimamente ligado ao cerne da física quântica: princípio de Heisenberg. Mas, antes de ir para essa “coisa” que nos impede de ter certezas, um rápido histórico da física quântica.

Tudo começa na lenda de Kelvin: não há nada para se pesquisar a mais, é o fim da física, só tem 2 nuvenzinhas no céu para serem extirpadas. Essa lenda (uma história sem muito sentido e não se sabe onde começou) remonta do fim do séc. XIX. Essas nuvenzinhas deram origens as 2 grandes áreas de pesquisa no século seguinte: Relatividade (RE e RG) e física quântica.

A quântica tem seu início oficial com os trabalhos de Max Planck em 1900. Estes trabalhos surgem para resolver um intrigante problema do séc. XIX sobre eletromagnetismo e termodinâmica. O problema, em linhas gerais, era que a energia perto do ultravioleta em um corpo negro tendia ao infinito. Vamos mais devagar e explicar esses termos. Ultravioleta é uma frequência do espectro eletromagnético. Corpo negro é um objeto ideal (ou seja, que não existe; um artifício teórico esquematizado) que emite radiação depois de trocas de calor. Qualquer objeto / corpo emite radiação com qualquer temperatura e isso está conectado com a questão de cor: uma barra de ferro, quando aquecida, pode ficar vermelha / amarelada. As estrelas cintilam em várias cores devido a atmosfera terrestre que funciona como um prisma ou um separador de cores. O Sol esquenta a nossa pele com uma frequência que não vemos (está fora do espectro visível).

Até o séc. XIX a física se desenvolveu muito em um conjunto que chamamos de física clássica: mecânica newtoniana, gravitação de Newton, leis de Kepler, termodinâmica, eletricidade, eletromagnetismo etc. Ou seja, toda a física que não é quântica, chamamos de física clássica, e a relatividade de Einstein, na forma de RE e RG, também está inclusa. Quando juntamos o eletromagnetismo e a termodinâmica para estudar calor de corpos, o teórico corpo negro etc e fazemos um gráfico relacionando frequência e intensidade de emissão de radiação, perto do espectro ou da frequência de ultravioleta, a curva vai para o infinito.

Traduzindo: trabalhando com as equações de eletromagnetismo e termodinâmica para determinar temperaturas, emissão de radiação em relação a comprimentos de onda ou frequências específicas, quando se chega perto da frequência de ultravioleta (ou temperatura perto de 5.000 kelvins, que é aproximadamente 5.273º Celsius) a curva vai para o infinito. Como estamos trabalhando com física, infinitos é um problema matemático, algum detalhe no cálculo: não existe infinitos físicos (temperatura infinita, densidade infinita, singularidades etc). Em outras palavras, a teoria clássica (ou a física clássica) chegou a um problema, catástrofe do ultravioleta, onde temos problemas teóricos sem solução dando temperaturas infinitas perto da frequência de ultravioleta sendo que na experiência ou na vida diária dos fornos industriais não se tinha temperatura infinita. Esta é uma das nuvenzinhas que Kelvin “se referia” na lenda.

A solução inicial veio com a modificação da física teórica feita por Planck em 1900. A ideia é bem simples: ao invés de um contínuo de frequências ou comprimentos de onda (que se relacionam com a radiação e temperatura), a energia (frequência, radiação e temperatura estão todos no mesmo “conceito” ou podem ser modulados como energia) é discreta, ou seja, feita em pacotes. Isso quer dizer que nas equações clássicas para se medir temperatura e radiações, na parte de frequências, só é permitido colocar números inteiros positivos, ou seja, os números naturais maiores que zero (1, 2, 3, 4, 5, …). Pulando muitos conceitos técnicos e históricos, a ideia é que nas equações tenham esses números naturais para se fazer as contas e que estejam conectados com o que chamamos de constante de Planck: um número, representado pela letra h, que é da ordem de 6,626.10-23 J.s ou 0,00000000000000000000006626 J.s (Joules x segundos, ou seja, unidade de energia multiplicado por unidade de tempo). Essa constante pode ser medida, experimentalmente. Inclusive, fiz um experimento, na época que ainda estava na faculdade de Física, e tive boa precisão. Aqui tem um roteiro que você pode fazer: http://www.ifsc.usp.br/~lavfis/images/BDApostilas/ApConstantePlanck/CtePlanck_1.pdf.

Planck viveu entre 1858 e 1947.
Fonte: https://www.mpg.de/955542/3_event1-1945

Acho que tem muita informação acima. Vamos resumir e clarear um pouco mais. A radiação, energia e toda a matéria se comportam em pacotes ou pedaços. Vide na coluna onde falamos sobre partículas elementares, ou seja, tudo é composto por esses objetos minúsculos (até onde sabemos, indivisíveis). Os quanta são conjuntos de quantum, ou seja, partes ou pacotes menores; dessas expressões em latim é que surge a palavra quântica. O quantum de luz é o fóton e o quantum do próton é o quark.

Para finalizar e não travar sua mente (minha intenção é que seja uma leitura informativa e agradável): princípio de Heisenberg. Sem usar equações e utilizando termos mais coloquiais (perdoem-me meus colegas físicos em nome da clareza), este princípio vai dizer que só podemos ter probabilidades em relação a posição e velocidade das partículas. Como disse, estou simplificando demais esse princípio que é fundamental na física quântica e, indo além: não podemos ter 100% de certeza na posição E velocidade de uma partícula, ou seja, só um percentual, uma probabilidade.

As implicações disso são diversas. De início, esse princípio é intrínseco a natureza e não tem nada a ver com o desenvolvimento de tecnologias, ou seja, não é que nós não temos microscópios melhores para ter certeza absoluta de posição E velocidade das partículas; essa impossibilidade, a nós humanos, advém da natureza: ela é intrinsecamente probabilística. Isso quer dizer, por exemplo, que se temos 80% de certeza da posição de uma partícula, só poderemos saber 20% a sua velocidade. Se soubermos de 100% de sua posição, não sabemos, nem um pouquinho, qual é a sua velocidade. Jamais saberemos, com 100% de certeza, a posição E a velocidade de uma partícula

Além dessa construção (insana? Sim!) probabilística da matéria (vale para partículas elementares, prótons, nêutrons etc), uma outra ideia é a de localização: uma partícula pode estar em 2 lugares ao mesmo tempo por causa da sua distribuição probabilística: coloque 1 elétron dentro de uma sala fechada. Ele pode estar em 2 lugares diferentes ao mesmo tempo devido a probabilidades ou a incerteza de Heisenberg (outro nome para o princípio de Heisenberg).

Resumindo toda essa coluna “probabilística”: a física quântica trata de quantum ou dos quanta de energia / partículas. A escala de sua atuação vai do menor que podemos medir, 10-18 m, a 10-8 m, que é o limite das moléculas maiores ou que já cai no âmbito da física clássica (termodinâmica, eletromagnetismo etc). O princípio de Heisenberg vai nos dizer que a natureza é puramente probabilística e não podemos ter 100% de certeza de 2 propriedades (por exemplo, velocidade e posição) ao mesmo tempo. Na próxima coluna continuarei esse assunto da física quântica, trazendo outros elementos, como dualidade onda-partícula.

Não perca o foco, fique comigo nessas reflexões, sei que elas são completamente insanas e bate de frente a qualquer senso comum ou observação que fazemos do dia a dia. Sei que, para alguns, isso pode ser até impossível de entender, mas tudo o que está aqui tem fundamentação teórica e experimental; veja nos links que deixei no texto e as sugestões de leitura abaixo para complementar. Talvez essas últimas colunas, de relatividade e quântica, tem ficado um pouco pesadas ou muito complicadas, mas te garanto que usarei todos esses conceitos em um assunto (talvez renda até uma série) muito interessante: atuação direta de Deus na naturez. Ou, como conhecemos no popular: milagres.

P.S.: milagres, que me refiro aqui, são as coisas sérias que acontecem. Não tem nada a ver com alma quântica, cura quântica, oração quânticaou qualquer outro besteirol quântico.

Vede agora que eu, eu o sou, e mais nenhum deus há além de mim; eu mato, e eu faço viver; eu firo, e eu saro, e ninguém há que escape da minha mão.

Deuteronômio 32:39

Só isso?! Sim! Mas, ficou em dúvida, quer perguntar algo, deixar algum comentário ou sugerir algum tema, deixe abaixo! Ficarei feliz em te responder, seja nos comentários ou em algum artigo específico.

Sugestão de leitura

Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

Um quadro com várias equações da mecânica quântica.
Fonte: https://physics.aps.org/articles/v12/s61

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