ALICE NO PAIS DO QUANTUM: A FISICA QUANTICA AO ALCANCE DE TODOS

221 Pages·1998·2.1 MB·Portuguese

by  ROBERT GILMORE

Robert Gilmore
AAlliiccee nnoo PPaaííss ddoo QQuuaannttuumm
A física quântica ao alcance de todos
SUMÁRIO

Prefácio
No País do Quantum
O Banco Heisenberg
O Instituto de Mecânica
A Escola de Copenhague
A Academia Fermi-Bose
Realidade Virtual
Átomos no Vácuo
O Castelo Rutherford
O Baile de Massacarados das Partículas
A Piteira Phantástica da Física Experimental

Prefácio
Na primeira metade do século XX, nossa compreensão do
Universo foi virada de pernas para o ar. As antigas teorias clássicas da
física foram substituídas por uma nova maneira de olhar o mundo — a
mecânica quântica. Esta estava em desacordo, sob vários aspectos, com
as idéias da antiga mecânica newtoniana; na verdade, sob vários
aspectos, estava em desacordo com nosso senso comum. Entretanto, a
coisa mais estranha sobre essas teorias é seu extraordinário sucesso
em prever o comportamento observado dos sistemas físicos. Por mais
absurda que a mecânica quântica possa nos parecer, esse parece ser o
caminho que a Natureza escolheu — logo, temos que nos conformar.
Este livro é uma alegoria da física quântica, no sentido
dicionarizado de "uma narrativa que descreve um assunto sob o
disfarce de outro." O modo pelo qual as coisas se comportam na
mecânica quântica parece muito estranho para nossa maneira habitual
de pensar e torna-se mais aceitável quando fazemos analogias com
situações com as quais estamos mais familiarizados, mesmo quando
essas analogias possam ser inexatas. Tais analogias não podem nunca
ser uma representação verdadeira da realidade, na medida em que os
processos quânticos são de fato bastante diferentes de nossa
experiência ordinária.
Uma alegoria é uma analogia expandida, ou uma série de
analogias. Como tal, este livro segue mais os passos de Pilgrim s
Progress ou As viagens de Gulliver do que Alice no País das Maravilhas.
Alice parece o modelo mais conveniente, no entanto, quando
examinamos o mundo que habitamos.
O País do Quantum por onde Alice viaja se parece mais com um
parque temático no qual Alice é às vezes uma observadora, ao passo
que algumas vezes se comporta como uma espécie de partícula cuja
carga elétrica pode variar. Esse País do Quantum mostra os aspectos
essenciais do mundo quântico: o mundo que todos nós habitamos.
Grande parte da história é pura ficção e os personagens são
imaginários embora as notas que descrevem o "mundo real" sejam
verdadeiras. Através da narrativa você encontrará muitas afirmações
obviamente absurdas e bastante divergentes do senso comum. Em sua
maior parte, elas são verdadeiras. Niels Bohr, o pai da mecânica
quântica emseus primórdios, é conhecido por ter observado que
qualquer um que não tenha ficado aturdido ao pensar na teoria
quântica não a compreendeu.

Com seriedade, embora...
A descrição do mundo proposta pela mecânica quântica é sem
dúvida interessante e notável, mas estaríamos seriamente preparados
para acreditar que é verdadeira? ( Curiosamente achamos que estamos.
Para frisar essa afirmação, ao longo deste livro você encontrará breves
notas que enfatizam a importância da mecânica quântica no mundo
real. As notas são mais ou menos assim:
Essas notas resumem a importância, para o nosso mundo, dos
tópicos quânticos encontrados por Alice em cada capítulo. Elas
pretendem ser suficientemente não-intrusivas, de modo que você pode
ignorá-las enquanto estiver lendo a história das aventuras de Alice, mas
se quiser descobrir o real significado dessas aventuras, as notas estão
convenientemente próximas.
Há também algumas notas longas nos finais de capítulo. Elas
esclarecem alguns dos pontos-chave no texto e são assim
caracterizadas: Ver nota 1 no final do Capítulo
Vários aspectos pelos quais a teoria quântica descreve o mundo
podem parecer absurdos à primeira vista — e possivelmente podem
assim parecer da segunda, terceira e vigésima quinta vez. E, no entanto,
o único jogo na cidade. A antiga mecânica clássica de Newton e seus
seguidores é incapaz de dar qualquer ripo de explicação para os átomos
e outros microssistemas. A mecânica quântica concorda muito bem com
a observação. Os cálculos são frequentemente difíceis e entediantes,
mas, onde foram efetuados, se adequaram perfeitamente ao que fora
realmente observado.
É impossível enfatizar suficientemente o notável sucesso prático
da mecânica quântica. Embora o resultado de uma medida possa ser
aleatório e imprevisível, as previsões da teoria quântica se ajustam
consistentemente aos resultados médios obtidos a partir de muitas
medidas. Qualquer observação macroscópica envolverá inúmeros
átomos e, portanto, inúmeras observações em escala atômica.De novo
veremos que a mecânica quântica é bem-sucedida, na medida em que
automaticamente se adequa aos resultados da mecânica clássica para
objetos macroscópicos O inverso não é verdadeiro.
A teoria quântica foi desenvolvida para explicar observações feitas
nos átomos. Desde sua concepção, foi aplicada com sucesso ao núcleo
atômico, á interação forte de partículas que provém do núcleo e ao
comportamento dos quarks dos quais são compostas. A aplicação da
teoria foi estendida por um fator de algo como cem bilhões. Os sistemas
considerados tanto diminuíram em tamanho como aumentaram em
energia por esse fator. E um longo caminho de extrapolação de uma
teoria a partir de sua concepção original, mas até aqui a mecânica
quântica parece estar apta a lidar com esses sistemas extremos.
Até o ponto em que foi investigada, a mecânica quântica parece
sei de aplicabilidade universal. Em uma escala macroscópica, as
previsões da teoria quântica perdem seu aspecto aleatório e se adequam
àquelas da mecânica clássica, que trabalha muito bem com objetos
grandes. Em uma escala microscópica, no entanto, as previsões da
teoria quântica são consistentemente confirmadas em experimentos.
Até mesmo essas previsões, que parecem implicar um retrato absurdo
do mundo, estão sustentadas pela evidência experimental. Intrigante
mente, como discutido no Capítulo 4, a mecânica quântica parece estar
numa estranha posição de se adequar a todas as observações feitas,
embora se discuta quais observações podem efetivamente ser feitas.
Parece que o mundo é mais estranho do que imaginamos e talvez mais
estranho do que possamos imaginar.
Enquanto isso, porém, vamos acompanhar Alice em seu início de
jornada pelo País do Quantum.
Robert Gilmore
Alice estava entediada. Todos os seus amigos estavam de férias,
visitando os parentes e ela, por causa da chuva, ficou trancada em
casa, vendo televisão. Naquela tarde já tinha assistido ao quinto
episódio de um curso de introdução ao Esperanto, a um programa de
jardinagem e a uma propaganda política. Alice estava entediada de
verdade.
Olhou para o livro que estava no chão, ao lado da cadeira. Era
uma edição de Alice no País das Maravilhas que ela, mais cedo naquele
dia, tinha deixado por ali ao acabar de ler. "Não sei por que não pode
haver desenhos e programas mais interessantes na televisão", divagava.
"Queria ser como a outra Alice. Ela estava entediada e descobriu o
caminho para uma terra cheia de seres interessantes e acontecimentos
estranhos. Se houvesse algum jeito de encolher para flutuar através da
tela da televisão, talvez eu pudesse encontrar várias coisas fascinantes."
Frustrada, ela olhava para a tela, onde naquele momento uma
imagem do primeiro-ministro dizia que, feitas todas as considerações,
as coisas estavam bem melhores do que três anos antes, ainda que nem
sempre parecessem assim. Ficou um pouco surpresa ao ver a imagem
do rosto do primeiro-ministro se desmanchar devagarinho e se
transformar numa névoa de pontinhos brilhantes que dançavam e que
pareciam fluir para dentro da TV, como se estivessem chamando por
ela. "Puxa", disse Alice, "acho que eles querem que eu os siga!"
Levantou-se de um salto e foi em direção à televisão, mas tropeçou no
livro que tinha displicentemente largado no chão, e caiu de cabeça.
Enquanto caía, espantou-se ao ver a tela ficar enorme, e se
surpreendeu cercada pelos pontinhos dançantes que fluíam para dentro
da imagem. "Não consigo ver nada com esses pontos dando voltas ao
meu redor", pensou. "E como estar perdida numa tempestade de neve.
Não consigo nem mesmo ver meus pés. Queria ver so um pouquinho.
Não dá nem para saber onde estou."
Naquele momento, Alice sentiu seus pés encostarem em algo
sólido e se viu sobre uma superfície plana e dura. A sua volta os
pontinhos começavam a sumir e ela percebeu que estava cercada por
formas indefinidas.

Olhou mais de perto para a que estava mais próxima e observou
uma figura pequena, da altura da sua cintura, no máximo. Era muito
difícil defini-la, pois ficava pulando de um lado para outro e se mexendo
tão rápido que mal dava para ver direito. A forma parecia estar
carregando algum tipo de bengala, ou talvez um gUarda-chuva fechado,
que ficava apontado para cima. "Olá", Alice se apresentou
educadamente. "Eu sou a Alice. Posso saber quem você é?"
"Sou um elétron", disse a forma. "Sou um elétron spin-para cima.
É fácil me distinguir da minha amiga ali, a elétron spin-para baixo, que
é obviamente muito diferente de mim." E disse para si mesmo, num tom
baixinho, algo que soou como "Vive la différence". Pelo que Alice pôde
ver, o outro elétron era quase igual, a não ser pelo guarda-chuva, ou o
que quer que fosse aquilo, que apontava para baixo, na direção do chão.
Era difícil ter certeza, uma vez que a figura também escava pulando de
um lado para outro, tão rapidamente quanto a primeira.
"Por favor", disse Alice a seu mais novo conhecido. "Poderia fazer
a gentileza de parar por um momento para que eu possa vê-lo com mais
clareza?"
"Sou bastante gentil", disse o elétron, "mas receio que não haja
espaço bastante. Mas vou tentar, de qualquer forma." Assim dizendo,
ele começou a diminuir a sua taxa de agitação. Mas quanto mais
devagar se movia, mais se expandia para os lados e mais difuso ia
ficando. Naquele momento, apesar de não Se mover rapidamente,, ele
estava tão indefinido e tão fora de foco que Alice não conseguia vê-lo
com mais clareza do que antes. "Isto é o melhor que posso fazer",
resfolegou o elétron. "Receio que quanto mais lentamente eu me mover,
mais espalhado eu fico. As coisas são assim aqui no País do Quantum:
quanto menos espaço você ocupa, mais rápido você tem de se mover, h.
uma das regras, e não há nada que eu possa fazer."
"Realmente não há espaço para diminuir a velocidade aqui",
continuou o companheiro de Alice enquanto recomeçava a pular
rapidamente de um lado para outro. "A estação está ficando tão lotada,
que preciso ser mais comp.u lo." De fato, no espaço em que Alice se
encontrava estava lotado pelas figurinhas que se espremiam uma ao
lado da outra, dançando e se movendo febrilmente.
Partículas no nível atómico diferem de objetos em escala macroscópica.
Elétrons são muito pequenos e não apresentam características
particulares, sendo completamente idênticos uns aos outros. De fato,
eles têm algum tipo de rotação, apesar de não ser possível dizer
exatamente o que é que está em rotação. Uma característica peculiar é
que todos os elétrons giram à mesmíssima taxa, não importando em
que direção a rotação é medida. A única diferença é que uns giram em
uma direção e outros giram em outra direção. Dependendo da sua
direção da rotação, os elétrons são conhecidos como spin-para cima ou
spin-para baixo.