Física quântica: Deus agindo na natureza – parte 3

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

Hoje finalizarei a terceira parte da minissérie sobre física quântica. Não quis fazer uma série (como estou fazendo com a Ciência e fé cristã, Apocalipse moderno e A terra é plana?) pois o assunto é muito mais denso, técnico e não tenho tais pretensões. A ideia é pegar um assunto e fatiá-lo, como fiz com a Relatividade (especial e geral), mas as fatias aqui estão em uma quantidade maior.

Na primeira fatia trabalhei um pouco com o início histórico com Planck, com quanta / quantum (pacotes de matéria) e o princípio de Heisenberg: só podemos ter probabilidades em relação a 2 propriedades; por exemplo, posição e momento (“velocidade”) não podemos ter 100% de certeza da posição E velocidade de uma partícula ao mesmo tempo. Também dei um panorama sobre a questão de uma mesma partícula estar em 2 lugares ao mesmo tempo, fenômeno que é completamente estranho ao nosso mundo clássico (do dia a dia).

Na segunda fatia quântica o foco foi na natureza dual da matéria: ela se comporta como onda e como partícula. Diversas experiências foram / são feitas demonstrando essa natureza esquisita: basicamente, a ideia desses experimentos é fazer com que esses objetos minúsculos (como elétrons, prótons e fótons) passem por fendas minúsculas e atinjam um anteparo. O que esperaríamos observar no anteparo, com um pensamento corpuscular da matéria, seriam marcas bem definidas.

Mas, o que observamos é um padrão característico de ondas:

Fonte: https://www.ifsc.usp.br/~quantumnano/nocoes-basicas/moleculas-atravessando-uma-fenda-dupla/

Espero que esteja acompanhando as ideias ou os pilares da física quântica até aqui: princípio de Heisenberg (tudo é intrinsicamente probabilístico) e a natureza dual da matéria (onda e partícula). O último pilar que destacarei (há milhares de outros detalhes e questões técnicas que nem mencionarei) é a equação fundamental da quântica: equação de Schrödinger. Obviamente, como não trato de questões técnicas e muito menos de soluções matemáticas, a ideia aqui será apenas uma apresentação da função de onda de forma geral e a desmitificação ou erro de aplicabilidade em “nossa vida” desse conteúdo.

Fonte: https://www.chem.uci.edu/~unicorn/old/H2A/handouts/PDFs/LectureA2.pdf

Nem tente entender essa equação, caso você não seja da área de exatas. Para quem está iniciado na física ou tem noção de matemática (equações diferenciais): o i é a unidade imaginária no conjunto dos números complexo, h com um traço (chamado de h cortado) é a constante de Planck (h) dividido por um outro valor (veja aqui para os detalhes e valores), a fração onde aparece as letras del e del com t são derivadas parciais, H com um circunflexo é o operador hamiltoniano e t é o tempo. O | > é símbolo da notação que Paul Dirac, um dos pais da mecânica quântica, fez e que chamamos de brakets ou bra-kets: é uma forma que sintetizamos a notação na hora de não escrever integrais.

O símbolo que quero a sua atenção é o psi, a letra grega que acompanha (t). Esta letra sintetiza aquilo que chamamos de função de onda. Lembre-se que a matéria se comporta como partícula ou como onda e o psi é o símbolo desse comportamento estranho. Ondulatória e função de onda estudamos, muito brevemente (no meu caso foi muito pouco visto) no ensino médio. Você pode pegar qualquer livro de física do ensino médio para relembrar esse assunto ou essa apostila e complementar com esse vídeo da Khan Academy.

Na quântica o psi tem uma funcionalidade a mais: densidade de probabilidade. A ideia é que o psi sintetiza, matematicamente, a distribuição de probabilidade em uma dada região. Lembre-se que mencionei anteriormente que uma partícula poderia estar em 2 lugares ao mesmo tempo devido a questão probabilística e isso se casa com a propriedade ondulatória da partícula se comportar como onda (parece que não faz sentido, mas a expressão está correta). A distribuição de probabilidades é feita pela função de onda psi, ou seja, a probabilidade de encontrarmos a partícula em tal ou tal posição é dada por essa função de onda psi.

Vamos dar um passo a mais nessa questão da função de onda que sintetiza a probabilidade de uma partícula estar em tal ou tal posição. Obviamente, em um laboratório ou na vida real, não faz sentido uma partícula estar em 2 lugares ao mesmo tempo: ou ela está na posição A ou está na posição B. E a posição da partícula vai ser definida quando pegarmos algum aparelho e medirmos. Do ponto de vista físico, experimental, a partícula estava com probabilidade de estar em qualquer lugar (do sistema que estou analisando no laboratório); quando faço a medida, por exemplo na posição A, ela estará exatamente na posição onde medi. Agora, olhando pela equação de Schrödinger, o que aconteceu é que houve um colapso da função de onda para a posição A: a função de onda colapsou ou “deixou de ser onda” e “se tornou” partícula naquele ponto A que fiz a medida.

Sei que a situação é bem complicada para quem está lendo a primeira vez sobre esse assunto, mas vou sintetizar com outras palavras. A equação de Schrödinger vai nos dizer como uma partícula se comporta em um sistema de forma ondulatória (lembre-se da propriedade dual de onda-partícula da matéria). A função de onda psi (letra grega da equação que acompanha (t)) nos diz sobre a distribuição de probabilidades que a partícula tem em uma região. Quando meço a posição da partícula, por exemplo no ponto A, há um colapso da função de onda psi para o ponto A.

Esquecendo de toda a parte técnica e a matemática que vemos nos cursos de exatas, a quântica baseada na ideia de pacote de matéria (quanta / quantum), princípio de Heisenberg (não dá para ter 100% de certeza em 2 propriedades ao mesmo tempo), probabilidade é intrínseco à natureza, dualidade onda-partícula e função de onda (inclusive com colapso). As implicações de tudo isso são imensas: desde tecnologia (computação, aparelhos etc) a ontologia (conhecimento do ser) física da natureza.

Outras aplicações, talvez mais teóricas, diz respeito ao nascimento do universo. Ainda tratarei em uma série específica sobre cosmologia quântica, mas no início do universo, na época que não havia átomos, poeira, planetas, galáxias, estrelas (há quase 14 bilhões de anos) os fenômenos quânticos (essas questões estranhas como dualidade onda-partícula e outros eventos que acontecem a nível quântico, ou seja, abaixo de 10-8 m) eram dominantes em conjunto com a gravidade. Infelizmente (ou felizmente: há mais espaço para pesquisa!) não há uma teoria de gravitação quântica completa e testada, ou seja, algo que trate a gravidade (como a Relatividade Geral) e a mecânica quântica na mesma teoria. Mas isso é assunto futuro para cosmologia quântica.

Por último gostaria de deixar apenas algumas palavras sobre a não aplicabilidade da quântica em nossa vida diária. Isso significa que a física quântica não te ajuda a ganhar dinheiro, o mundo espiritual não tem relação com a mecânica quântica, sua alma não tem conexões quânticas e seus desejos não estão relacionados com a função de onda. E absolutamente nada em nossa vida tem algum tipo de relação, conexão ou influência da função de onda, de seu colapso, de emaranhamento quântico (não citei aqui mas trabalharei em outro texto sobre esse fenômeno) ou coisas semelhantes. As tentativas que fazem pelo mundo afora de relacionar a física quântica com mente, espiritualidade, vida financeira, pensamento positivo, produtos (como colchão, agua ou perfume): quando feitas em sentido de vendas ou qualquer possibilidade de lucro (para você ou para o oferecedor), coloco o nome de charlatanismo. Quando não tem intenção financeira envolvida, dou nome de besteirol quântico no sentido pejorativo.

Obviamente essas coisas quando trabalhadas (com exceção do financeiro envolvido) de forma ignorante, no sentido de pessoas não terem conhecimento, refletem apenas o caráter de falta de informação ou educação escolar; isso é facilmente consertado com uma boa explicação (como tento fazer na coluna CosmoTeo), com conversas com cientistas ou educação mais formal. Afinal, ninguém nasce sabendo, eu não nasci já deduzindo e resolvendo a equação de Schrödinger e caso você nunca tenha lido sobre quântica e está fazendo isso pela primeira vez, é natural não ter o menor conhecimento sobre esse assunto. O foco que estou direcionando para o charlatanismo ou para o besteirol quântico é de indivíduos que fazem relações, as vezes promíscuas, de forma intencional, sabendo ou não sobre a física quântica.

E onde entra a teologia em tudo isso? A quântica é uma área que trata de processos e esses processos são estudados e descritos pelos físicos. Como cristão, acredito que Deus criou todas as coisas (como está explícito no texto bíblico) e também acredito que Ele utilizou processos físicos dos quais alguns (ou todos?) são estudados pela ciência. No início do universo, por exemplo, em sua criação, são necessários diversos processos quânticos cosmológicos (que trataremos futuramente em cosmologia quântica), ou seja, mecânica quântica utilizada na criação. Uma outra forma de ver a quântica em prática é sendo processo em milagre, ou seja, alguns milagres podem ser explicados dentro da mecânica quântica. É claro que ela é apenas o meio, o processo utilizado por Deus para executar aquele fenômeno. Mas, milagres será um assunto para outra série. Para matar um pouquinho de sua curiosidade: gravei uma live com o prof. Carlos Xavier onde apresento um modelo (há vários!) de aplicação da quântica em explicações de fenômenos descritos na Bíblia.

Em resumo, a mecânica quântica é uma área da física e tem delimitações em um escopo científico (teórico, experimental e observacional), ou seja, sua aplicabilidade é no mundo físico e não tem espaço desejos humanos espúrios como charlatanismo (quando há financeiro envolvido) ou besteirol quântico (uso sem sentido). Abarca diversos processos naturais descritos por leis e que, como cristão, acredito que é uma das diversas ferramentas utilizadas por Deus para criar e sustentar o universo.

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, o da tese é Discretização da energia no universo primordial e o do livro é Cosmologia quântica na gravidade teleparalela: Proposta de soluções;
  • Há alguns podcasts muito bons do portal Deviante e que recomendo: física quântica 1, física quântica 2, física de partículas e teorema de Shannon;
  • 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;
  • Livro Mecânica quântica, por Griffiths. É um livro didático para estudantes de física mas tem algumas informações que podem ser abstraídas por pessoas que não são da área e afins;
  • Livro Mecânica quântica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos e partículas, por Eisberg e Resnick. É um livro didático para estudantes de física mas tem algumas informações que podem ser abstraídas por pessoas que não são da área e afins;
  • Apostila que tem alguns detalhes, um pouco técnicos, sobre a função de onda de Schrödinger.
Dr. Alexandre Fernandes

Até a próxima!

Representação da função de onda (esquerda) e o colapso (direita). O “ponto” de colapso (direita) é onde medimos a partícula. Este tipo de interpretação é chamado de interpretação de Copenhagen.
Fonte: http://afriedman.org/AndysWebPage/BSJ/CopenhagenManyWorlds.html

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