Física quântica: Deus agindo na natureza – parte 2

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

Na coluna anterior tratei sobre alguns aspectos da física quântica como escala de atuação (entre 10-18 m, ou menor, a 10-8 m), um problema histórico (catástrofe do ultravioleta) que foi resolvido por Max Planck e originando o início da era quântica onde a matéria é composta por pacotes “indivisíveis”: os quanta ou o quantum. “Indivisíveis”, entre aspas, é pelo motivo que não sabemos se as partículas elementares realmente são elementares: talvez aqui seja o conceito real de átomo (do grego, algo indivisível) de Demócrito. Também mencionei bem superficialmente o conceito central da quântica: princípio de incerteza de Heisenberg: não é possível ter 100% de certeza de 2 propriedades de uma partícula (velocidade E posição etc). O tema de hoje será outro conceito primordial na quântica: dualidade onda-partícula. Antes, um contexto histórico.

A situação histórica da quântica é bem caótica no sentido que muita coisa aconteceu ao mesmo tempo e vários atores estiveram envolvidos com e sem relacionamento entre si. O ano oficial de nascimento da quântica é 1900 com Planck. Em 1905 Einstein publica uma série de artigos, incluindo a relatividade especial. Antes disso, em 1897 temos uma protoquântica ou desenvolvimento da atomística por J. J. Thomson.

Modelo de Thomson de átomo análogo ao pudim de passas: uma porção de carga positiva com “pedaços” de carga negativa.
Fonte: https://www.britannica.com/science/Thomson-atomic-model

Em 1911 temos o clássico experimento de Rutherford e um novo modelo de átomo.

Modelo de átomo de Rutherford. Uma região central (núcleo) composto por carga positiva (nêutrons são descobertos apenas em 1932 por Chadwick) e uma região com cargas negativas.
Fonte: https://www.britannica.com/science/Rutherford-model

E em 1913 Bohr apresenta o tradicional modelo atômico que aprendemos na escola.

O modelo de átomo feito por Bohr é uma eletrosfera composta por elétrons em uma órbita circular análogo ao modelo planetário, sendo que os prótons ficavam no núcleo.
Fonte: https://www.britannica.com/science/Bohr-model

Óbvio, como em todo processo histórico da ciência, sempre somos simplistas: a lista de eventos, pesquisas e pessoas envolvidas é muito maior do que apenas a citação.

A década de 1920 foi muito produtiva para a quântica. Diversos pesquisadores estão envolvidos mas quero destacar o francês Louis de Broglie. Trabalhando com elétrons, de Broglie descobriu que eles possuíam propriedades ondulatórias. O começo disso passa pela mecânica relativística (relatividade especial de Einstein) e a constante de Planck, finalizando em uma curiosa e intrigante conclusão: partículas, que geralmente a gente pensa como sendo uma “bolinha”, tem comportamento ondulatório, igual a água do mar. Em 1927 um experimento feito por Davisson e Germer demonstrou a validade dessa proposta: elétrons tinham natureza, também, ondulatória.

Dando um salto quântico na história e entrelaçando dos protagonistas da física, o final da década de 1920 é recheada de desenvolvimentos teóricos, matemáticos e experimentais. Einstein (ganhou Nobel em 1921 pelo efeito fotoelétrico), Heisenberg, von Newmann, Pauli, Bohm, Dirac, Schröredinger (da equação de Schrödinger) e diversos outros fundamentaram todo o conhecimento que hoje chamamos de mecânica quântica. Esses desenvolvimentos vão até a década de 1950. Durante e depois desse período, milhares de experimentos, tanto em laboratório quanto em observações astronômicas (sim, muitos testes e descobertas se dão no espaço) embasaram a quântica. Hoje, ao lado da Relatividade Geral, é a área com maior comprovação em termos de experimentos e evolução teórica. Claro que ela está alicerçada e tem tentáculos na física clássica, como termodinâmica, física estatística, matéria condensada e, obviamente, expandiu nosso entendimento em atomística (com a física de partículas) e é essencial para entendermos o início do universo, mesmo que nós não saibamos como administra-la ao lado de uma teoria de gravitação (RG não funciona no início do universo: trabalharei este tema em cosmologia quântica futuramente).

Vamos conversar sobre um outro fenômeno bem intrigante: dupla fenda. Em linhas gerais e bem simples: pegue um laser, coloque uma fenda (bem minúscula) na frente e um anteparo atrás. O que você observará é um padrão único no anteparo.

Esquema demonstrativo do experimento com uma fenda.
Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/dualidade-onda-particula/

Agora, ao invés de uma fenda, faça o laser passar por duas fendas. A intuição natural nos diz que aparecerá no anteparo dois padrões: uma fenda -> um padrão; duas fendas -> dois padrões. Mas, ao contrário do nosso mundo certinho, a quântica vai nos mostrar outro universo: vários padrões no anteparo, alguns mais intensos do que outros.

Esquema demonstrativo do experimento com duas fendas.
Fonte: https://www.infoescola.com/fisica/dualidade-onda-particula/

Até aqui, parece que é só uma propriedade intrigante da natureza de se comportar assim, talvez um ângulo “meio torto” entre o laser e o colimador (onde ficam as fendas). Não, é mais do que isso: esse tipo de padrão com várias franjas é característico de ondas. Você pode fazer esse tipo de experimento, mas com água: faça-a passar por uma fenda dupla e observará que ela bate em um anteparo com o mesmo padrão dado acima.

Esse tipo de padrão em dupla fenda é bem conhecido na física em ótica. Huygens já tinha intensa discussão com Newton dentro da física no séc. XVII sobre a natureza da luz (que hoje sabemos que é composta por fótons). Para Newton, a luz é corpuscular, ou seja, feita de “bolinhas”. Já para Huygens e demonstrado em experimentos, a luz é uma onda.

Representação do experimento de Huygens. As ondas sofrem interferência entre si: onde as cristas e vales se encontram, há marcação no anteparo; onde as cristas se encontram com os vales, há efeito anulador e não há marca no anteparo. Estudamos isso melhor em ótica e ondulatória no ensino médio, por exemplo.
Fonte: http://abyss.uoregon.edu/~js/21st_century_science/lectures/lec13.html

Agora, a grande questão: a luz / matéria é onda ou partícula? A solução encontrada na quântica por de Broglie e nos milhares de experimentos do séc. XX (inclusive até hoje, por exemplo nesse experimento de 2011): a luz / matéria se comporta como onda e como partícula. Ou seja, ela tem uma natureza dualística. “Mas isso é completamente sem sentido! Ou é onda ou é partícula, o objeto não pode ter as duas naturezas”, você pode pensar e com toda razão. O detalhe é que a natureza é assim: o mesmo objeto (partícula, luz, matéria) se comporta como onda e como partícula, assim como o mesmo objeto pode estar em dois lugares ao mesmo tempo. A briga se a luz / matéria é onda ou partícula remota há séculos com os maiores físicos de todos os tempos se debatendo e mostrando, os 2 lados, experimentos corretos e bem feitos. 

Acho que temos bastante coisa para refletir até aqui. Farei um resumo em tópicos para ser mais visual:

  • A mecânica quântica é a área da física que trata do universo muito pequeno, indo desde as menores partículas (elementares) até as moléculas e suas interações, indo ao limiar da física clássica. Isso tem um intervalo, em escala de espaço, entre 10-18 m (menor espaço que conseguimos investigar até hoje) e 10-8 m;
  • Princípio de incerteza de Heisenberg nos demonstra que a natureza é intrinsecamente probabilística, ou seja, não podemos ter 100% de certeza em 2 propriedades (por exemplo, velocidade E posição);
  • Toda matéria (partículas, luz etc) tem natureza dual, ou seja, se comportam como partícula e onda;
  • As implicações da quântica e seu entendimento (se é que é possível!) descortina um mundo muito estranho e vai contra o nosso senso comum do dia a dia, como partículas tendo a mesma possibilidade de estar em 2 lugares ao mesmo tempo.

Como em todo texto que delineio aqui no CosmoTeo, a quantidade de informação e detalhes é sempre muito maior, além das maravilhosas equações matemáticas que nos dão quase todo o arcabouço do mundo físico e que nem menciono por motivos óbvios: meu objetivo principal é que você tenha pelo menos um conhecimento prévio das leis criadas por Deus e, claro, não tenha medo ou receio. Ainda teremos mais um comentário sobre a quântica relativo a outro pilar que é a equação de Schrödinger e o modelo atômico que trabalhamos atualmente. Calma! Não farei apresentação matemática, solução analítica ou numérica da equação. Apenas tecerei comentários e as implicações que esse conhecimento nos proporciona.

Tudo isso é um preparativo para a série, futura, onde trabalharei sobre o mecanismo de funcionamento de milagre. Claro, escolherei um modelo (um conjunto argumentativo) baseado na mecânica quântica e que acredito que melhor se adapta ao que conhecemos na teologia por ação divina na natureza. Obvio que não é o único e o isento de críticas, mas é o que melhor abrange todo esse conhecimento científico. Afinal, cosmologia e teologia estão no mesmo universo (CosmoTeo).

P.S.: Livros sobre quântica em nível introdutório, em português e para leigos de todas as áreas são muito difíceis de se terem. A lista abaixo, indo na linha da coluna anterior, é um pouquinho mais técnica, mas nada de impossível de compreender.

Não sabes, não ouviste que o eterno Deus, o Senhor, o Criador dos fins da terra, nem se cansa nem se fatiga? É inescrutável o seu entendimento.

Isaías 40:28

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

  • O melhor material, em português, no assunto entre ciência e fé cristã é o Dicionário de cristianismo e ciência, editora Thomas Nelson Brasil em parceria com a Associação Brasileira de Cristãos na Ciência;
  • Fiz mestrado e doutorado na área de cosmologia quântica. Minha dissertação e tese tem capítulo específico sobre física quântica. Também escrevi um livro, fruto da dissertação. O título da dissertação é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela https://repositorio.unb.br/handle/10482/23649, o da tese é Discretização da energia no universo primordial https://repositorio.unb.br/handle/10482/34792 e o do livro é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela: Proposta de soluções;
  • Livro Astronomia e astrofísica, por S. O. Kepler e Maria de Fátima Saraiva. Este livro é disponibilizado no próprio site dos autores, que são professores da UFRGS. É um excelente material de consulta: http://astro.if.ufrgs.br/livro.pdf;
  • Livro Física Moderna, por Paul Tipler e Ralph Llewellyn. É um livro didático para estudantes que começam na faculdade de exatas e ciências naturais, mas como está em português, pode ser bem aproveitado por pessoas que não são da área de física e afins;
  • Livro Mecânica quântica básica, por Novaes e Studart. É um livro didático para estudantes das ciências naturais e professores afins. Está disponível aqui;
  • Uma apostila, didática para estudantes de exatas, um pouco mais simples, aqui.
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

Fonte: https://phys.org/news/2015-03-particle.html

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