SOBRE O NASCIMENTO DA FÍSICA QUÂNTICA

SOBRE O NASCIMENTO DA FÍSICA QUÂNTICA 

José Fernandes de Lima[1]

Num artigo anterior, falamos sobre as comemorações dos 100 anos do trabalho apresentado pelo físico alemão Werner Heisenberg que modificou a forma de tratar a dinâmica das partículas subatômicas. 

Dando sequência, vamos explicar os pontos em que a nova teoria apresentada por Heisenberg difere da forma anterior de interpretar o mundo natural.

No final do século XIX, a humanidade parecia satisfeita com a explicação da realidade que podia se resumir a partículas de matéria guiadas por poucas forças. 

Apesar de a teoria ter alcançado aceitação universal, alguns fatos se negavam a obedecer às explicações padronizadas. 

1925 é considerado o marco do nascimento da física quântica porque foi em meados daquele ano que um jovem físico de 23 anos teve uma ideia que permitiu explicar todos os fatos pendentes e construir a estrutura matemática de uma nova mecânica chamada mecânica quântica.  

O nascimento da física quântica pode ser considerado a maior revolução científica de todos os tempos. Ela esclareceu as bases da química, o funcionamento dos átomos, dos sólidos, dos plasmas, a dinâmica das estrelas a origem das galáxias e uma infinidade de aspectos do mundo.

Hoje, apesar de ser pouco ensinada nas escolas, a teoria quântica faz parte do cotidiano de engenheiros, astrofísicos, químicos e biólogos. É, portanto, o coração da ciência atual.

A teoria quântica causou espanto ao ser apresentada porque propôs uma forma diferente de ver o mundo. Ela destruiu a imagem que tínhamos da realidade constituída de partículas que se movem ao longo de trajetórias definidas. Na teoria quântica, os objetos distantes parecem ligados entre si e a matéria é substituída por estranhas ondas de probabilidades.

A mudança na forma de trabalhar com os objetos subatômicos foi tão radical que muitos cientistas importantes relutaram em aceitá-la.

Albert Einstein, embora tenha antecipado algumas das ideias, nunca aceitou as explicações da teoria quântica.  O físico Richard Feynman, ganhador do Prêmio Nobel, escreveu que ninguém entende os quantas. Todos os que perguntam o que a teoria quântica nos diz sobre o mundo ficam perplexos. 

Para entender o significado da física quântica e levar a sério as suas ideias é preciso renunciar a algo que nos parecia sólido e inquestionável na nossa compreensão do mundo. A teoria quântica propõe uma realidade feita mais de relações do que de objetos.

Cabe lembrar que antes do artigo de Heisenberg, alguns cientistas já tinham tentado caminhos novos.

Niels Bohr escreveu fórmulas simples que previam as propriedades dos elementos químicos antes de medi-las. Elas previam, por exemplo, a frequência da luz emitida pelos elementos aquecidos. No entanto, as fórmulas de Bohr não permitiam calcular a intensidade da luz emitida. 

Em última análise, a comunidade científica estava diante de um grande problema: Ninguém conseguia encontrar leis do movimento capazes de justificar as órbitas estacionárias e os “saltos” propostos por Bohr.

O caminho adotado por Heisenberg foi o seguinte: Ele decidiu manter as leis conhecidas, mas mudar a maneira de pensar sobre o elétron.

Resolveu renunciar à ideia de que elétron é um objeto que se move ao longo de uma trajetória. Pensou: “Esqueça a ideia de descrever o movimento do elétron. Vamos descrever apenas o que observamos de fora: a intensidade e a frequência da luz emitida pelos elétrons. Vamos basear tudo apenas em quantidades que sejam observáveis.” 

A partir desse ponto, ele tentou recalcular o comportamento do elétron usando unicamente as quantidades que observamos, ou seja, usando somente as informações sobre a frequência e a amplitude da luz emitida.

Ele substituiu as variáveis físicas associadas ao elétron (posição e velocidade) por matrizes nas quais os dados da órbita de partida compunham as linhas e os da órbita de chegada compunham as colunas. Cada “casa” da matriz, que ocupa uma linha e uma coluna descreve o salto de determinada órbita para outra.

A ideia de Heisenberg era escrever todas as quantidades que descrevem o movimento do elétron não mais como números, mas como tabelas de números. Em vez de ter uma única posição x para o elétron, tem-se agora toda uma tabela X de posições: uma para cada possível salto. 

Nessa nova teoria, a intensidade e a frequência da luz emitida em um salto seriam determinadas pela “casa” correspondente da tabela.

Parece um pouco confuso, mas essa receita não convencional permite calcular os resultados corretos e prever com exatidão as observações dos experimentos.

A teoria quântica previu fenômenos novos, jamais observados ou imaginados: correlações quânticas a quilômetros de distância, computadores quânticos, teletransporte. Todas essas previsões se revelaram corretas.

Numa linguagem bem simplificada, a teoria quântica propõe que para obter as informações sobre o comportamento do átomo, a melhor coisa a ser feita é abandonar a ideia de saber a forma e a trajetória dos elétrons e trabalhar apenas com os resultados que observamos externamente, tais como a cor e a intensidade da luz que os átomos emitem.

É aí que entra a discordância. Muitas pessoas não aceitam trabalhar com uma coisa que elas não conseguem “visualizar” a forma, a posição e outras características. 

Por causa disso, a teoria enfrentou diversos questionamentos filosóficos: Por que não podemos descrever o que é e o que faz o elétron quando não estamos olhando para ele? Por que temos que falar apenas dos seus observáveis? Por que não podemos dizer onde o elétron está a cada momento? O que significa substituir números por tabelas de números?   

Essas questões merecem ser abordadas num artigo específico. 

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[1] Físico e Professor