Como funciona o mundo quântico? Parte II

Partícula que usa efeito de tunelamento para medir a pressão sobre telas de smartphones. Crédito: Peratech

No post anterior eu falei sobre o histórico e alguns conceitos da Mecânica Quântica. Eu me limitei a descrever a física envolvida apenas por palavras, sem matemática, porque esta pode assustar os leitores em geral; você pode pesquisar por aí sobre essa parte mais “técnica”, mas tenha em mente que a matemática é extremamente avançada e abstrata. Enfim, o ponto chave da Física Quântica é que a energia não flui de maneira contínua, mas sim em pacotes, que foram chamados de quanta. Tá bom, mas…

Que diferença faz?

Ah, faz muita diferença! Essa descontinuidade permite que algumas regras sejam quebradas. Por exemplo, se você arremessar o seu computador na parede, ele obviamente vai colidir e, dependendo da sua força, quebrar em mil pedaços, e se você for olhar do outro lado da parede, não vai ter nenhum pedacinho do seu computador lá. Agora, se você pegar um elétron e arremessá-lo em uma parede em alta velocidade, existe uma possibilidade de ele penetrar na parede e, dependendo da espessura dela, atravessá-la; a chance de encontrar um elétron do outro lado aumenta se você diminuir a espessura da parede e arremessar vários elétrons.

O efeito que eu descrevi no meu exemplo se chama tunelamento. Ele é a base de funcionamento dos transistores modernos, que coincidentemente se encontravam dentro do seu computador que agora está em pedacinhos (pelo menos na sua imaginação… digo, eu espero que você tenha feito o experimento na sua imaginação!).

Energia/Matéria

Um outro efeito muito esquisito previsto (e comprovado) na Mecânica Quântica é a dualidade energia/matéria. Tem um experimento que pode ser feito em qualquer laboratório devidamente equipado, que consiste em arremessar eletróns contra uma parede (deja vu?) dotada de duas pequenas aberturas, seguida de uma outra parede sem aberturas.

Como o elétron é matéria, espera-se que ele assuma o comportamento de matéria: entra por uma das aberturas e vai parar na outra parede, no mesmo local das aberturas existentes na parede anterior. Mas… você fica atônito ao olhar os resultados do experimento e perceber que os elétrons tiveram um comportamento completamente inesperado: eles formaram padrões intermitentes na segunda parede!

Experimento de colisão de elétrons. Esquerda: resultado esperado; direita: resultado obtido

Se você prestou atenção nas aulas de Física, vai notar que esses padrões se parecem muito com a interferência que ocorre entre ondas eletromagnéticas. Mas por que o elétron se comportou como uma onda? Bom, ninguém sabe o porquê, mas este experimento nos mostra que matéria assume o comportamento de onda (energia) em escalas quânticas!

Com esse padrão esquisito na placa 2, não é possível saber por qual das aberturas cada elétron passou. Uma pessoa inteligente e criativa poderia sugerir o seguinte: ora, basta posicionar um detector em uma das aberturas, ele irá nos dizer quando um elétron vai passar por lá! É uma ótima ideia, mas a experiência nos mostra que nessa situação o elétron mostra a sua faceta troll: ele volta a ter comportamento de matéria, e o padrão na placa 2 se torna aquele que era esperado pelo senso comum! Mas que tipo de bruxaria é essa?! A explicação é bastante simples: o que acontece nesse caso é que o detector de alguma forma interferiu no comportamento de elétron, e por isso ele voltou a ser matéria. Isso ocorre porque os nossos detectores utilizam ondas eletromagnéticas para fazer seu trabalho, e estas tem o mesmo efeito que um caminhão passando a 300 km/h por cima de você no meio da rodovia.

Mas se a energia e matéria são a mesma coisa, nós também podemos ter comportamento de onda eletromagnética? Existe uma fórmula matemática que calcula o tamanho do seu comprimento de onda caso você se comporte como uma… Eu sei que matemática assusta muita gente, mas é uma fórmula bonitinha até, olha só:

L = h/p

onde L é o comprimento de onda, h é a constante de Planck e p é o momento (massa x velocidade). Esse fenômeno é chamado de Ondas de Matéria ou Ondas de De Broglie, e é comum no mundo das partículas. Mas nada impede que você tente se arremessar contra uma parede dotada de 2 aberturas! Ao colidir com a segunda parede, você vai notar que o padrão de sangue formado é o esperado: uma mancha mais ou menos na mesma direção em que fica o buraco pelo qual você passou.

O que acontece é que a onda formada pela matéria depende da massa e velocidade do corpo. Elétrons são objetos muito leves e, viajando próximos à velocidade da luz, o comprimento de onda se torna grande o suficiente para ser comparável ao comprimento das aberturas, por isso ele consegue se comportar como energia ao passar por elas. Suponhamos que você seja arremessado a 36 km/h contra uma abertura 1×1 m: você precisaria ser 1000 vezes mais leve que um elétron para conseguir ter o comportamento de onda… Ou seja, é impossível nessas condições. Para ter algum sucesso em se tornar uma onda, você teria que perder alguns quilinhos e se comprimir em um espaço muito pequeno.

Nem tudo é possível

Para a tristeza de Ana Hickmann. Crédito: divulgação

E o legal da Física Quântica é justamente isso: ela explica e prevê efeitos que ocorrem em escala microscópica, mas que afetam a nossa vida comum e normal do mundo macroscópico. Mas é claro que há um limite para esses efeitos: nós conhecemos alguns poucos deles, e eles só são possíveis de se estudar e/ou aplicar em laboratórios ou tecnologias de ponta. Infelizmente, algumas pessoas se aproveitam da ideia do “tudo é possível no mundo quântico!” para espalhar teorias doidas, serviços ou produtos milagrosos que utilizam “efeitos quânticos”.

Uma das maiores bobagens que eu já vi por aí é uma tal de “transformação quântica de pensamento”. Não se perca no meio das aspas: os “estudiosos” afirmam que há a “possibilidade de os pensamentos poderem ser sintonizados por outros […], que o pensamento sai da pessoa, atingindo o mundo externo em forma de energia”. Se quiser, dê uma pesquisada no Google, é bastante divertido. Esta teoria diz que se você pensar “forte o suficiente”, poderá fazer atos sobrehumanos, como andar sobre a água!

Bom, não é preciso de uma matemática ou física muito avançada para provar que isso é impossível. Olha só: segundo Bédard e Destexhe, em um artigo publicado na revista Physical Review E (2011), a frequência das ondas eletrofisiológicas (geradas pela corrente elétrica do sistema nervoso) chegam a 10 kHz. Energia é proporcional à frequência da onda, e nesse caso pode ser calculada em 41,3 picoelétron-volts. Para você ter uma ideia, a luz que sai do monitor do seu computador tem frequência da ordem de 400 teravolts, resultando em uma energia 40 milhões de vezes maior que aquela transmitida pelo sistema nervoso de outra pessoa. Se a luz do seu monitor não consegue atravessar a sua pele, ossos e músculos, quem dirá uma onda 40 milhões de vezes mais fraca? E pior ainda: se a ideia da influência por ondas no pensamento fosse possível, a influência do seu monitor seria 40 milhões de vezes maior do que o pensamento de uma pessoa ao seu lado. As máquinas dominariam o mundo!

O mundo quântico permite que regras sejam quebradas, porque ele abre portas através de probabilidades que podem se tornar levemente maiores que zero. Mas essa persmissão se limita apenas a escalas muito pequenas. No mundo macroscópico, a matemática mostra que os fenômenos quânticos tem probabilidades ridiculamente pequenas: da ordem de 0,00000000000000000000000000000000000001%. Eu não estou exagerando: são mais de 30 casas decimais depois da vírgula! É uma probabilidade da ordem de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões de vezes menor que a possibilidade de você ganhar na Mega Sena! Ou seja, na prática é zero.

Um convite ao conhecimento

Enquanto eu escrevia esses artigos (que no início era para ser apenas um), acabou surgindo muitas ideias para comentar, mas infelizmente eu vou encerrar por aqui mesmo. Tem muita coisa para se falar em eventuais posts no futuro, como as teorias de unificação (Cordas, Supercordas/Teoria M), Big Bang, Big Chill, novas tecnologias como a computação quântica e até o teletransporte! Mas você não precisa esperar que eu escreva um novo post, pode dar umas pesquisadas no Google (cuidado com os charlatães) e sites de revistas científicas, como o SciELO, e se tiver com o inglês afiado eu recomendo o arxiv.org.

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