Curso Introdutório à Física Quântica - Aula 1

Física Quântica: para que e para quem

Profº Adalberto Tripicchio MD PhD

Começando pelo público, lembremos que divulgação signi­fica transmissão de certo conhecimento que pretenda alcançar a todos, sem restrição algu­ma. Tentando neutralizar ao máximo meu núcleo narcísico-onipotente, é minha intenção respeitar esse significado com uma úni­ca salva-guarda: ao longo do trabalho nesta minha seção, dirijo-me aos "fi­lo-sofos", assim escrito para ressaltar o étimo da palavra: amantes do conhecimento.

É evidente que esses não sejam neces­sariamente filósofos, pois para ler estes artigos não se re­quer nenhum conhecimento de filosofia. Tampouco algum conhecimento de física, além dos ditados pelo sentido comum, ministrados no Ensino Médio, e farei um esforço didático para evitar o jargão da física que
lhe permite a matemática.

Assim, não peço ao leitor nem física nem matemática nem filosofia, mas sim, tão somente uma atitude aberta frente ao conhecimento, uma curiosidade, um chamado a penetrar no fascinante mundo da físi­ca quântica, ainda que isto signifique abandonar algumas idéias cuja validade nunca se tenha questionado. Em síntese, só peço amor ao conhecimento.

Na elaboração desta Introdução à Física Quântica de divulgação levei em conta fundamentalmente ao eventual leitor sem conhecimentos de mecânica quântica. Contudo, os leitores com conhecimentos, mesmo os especialistas, não foram esquecidos, e podem, também, encontrar nesta leitura algo que lhes seja enriquecedor porque trato alguns temas que são quase sempre igno­rados no ensino curricular convencional da mecânica quântica.

A mecânica quântica possui um excelente formalismo, cujas predições têm sido verificadas experimentalmente com surpreendente precisão, porém falta-lhe uma interpretação satisfatória. Não se sabe o que significam exatamente todos os símbolos que aparecem neste formalismo. Esta situação, é ilustrada sem exagero pelo Nobel, R. Feynman ao dizer que "ninguém entende a mecânica quântica". Isto se refere ao fato de que os livros-texto, com algumas exceções, deixam de lado os aspectos conceituais que buscam a interpretação para esta teoria.

Retomando o título inicial: Para que física quântica? Por que considero im­portante que uma parte significativa da população tenha algum conhecimento da física quântica?

São perguntas de se esperar encontrar, pois a mesma es­tuda sistemas físicos que estão muito distantes de nossa percepção sensitivo-sensorial. Por isso mesmo, o comportamento de tais sistemas não intervêm, ao menos diretamente, nos procedimentos diários dos nossos atos. Para justificar a ciência básica e sua divulgação recorre-se com freqüência às suas conseqüências tecnológicas. No caso da mecânica quântica, a lista é enorme.

A mecâ­nica quântica permitiu o desenvolvimento de materiais semicondutores para a fabricação de componentes ele­trônicos cada vez menores e mais eficazes, usados em computação. Ela permitiu um melhor conhecimento do núcleo dos átomos abrindo o cam­po para múltiplas aplicações em medicina e geração de energia elétrica. A mecânica quântica per­mitiu conhecer melhor o comportamento dos átomos e moléculas, fato de enorme importância para a quí­mica. As futuras aplicações da supercondutividade, fenômeno cujo estudo é impossível sem a mecânica quân­tica, estão além de toda imaginação.

Assim podemos con­tinuar falando sobre esta ciência básica por suas conseqüên­cias tecnológicas e justificar sua divulgação mostrando a todos que devem conhecer tão grande conquista. Mas, tomemos cuidado, as excelentes ferramentas que daí surgem não tornam o ser humano mais feliz e mais livre. É só lembrar de Chernobyl, Seveso. Não é necessário mencionar a monstruosa estupidez das ar­mas químicas, nucleares e convencionais, para pôr em dúvida se a tecnologia gerada pela ciência tem sido boa para a humanidade.

Não é minha intenção anali­sar se a ciência básica é ou não responsável pelas conseqüências da tecnologia que gerou. Basta mencionar que a tecnologia não é uma boa justificativa para a ciência, pois os mesmos argumentos que pre­tendem demonstrar que é "boa" podem utili­zar-se para provar o contrário. Considero que pretender justificar a ciência básica é um falso problema desde que a ciência não pode não-existir; surge de uma curiosi­dade intrínseca ao ser humano. Justificar algo significa ex­por os motivos pelos quais se tomaram as deci­sões para criar ou gerar o que se está justificando. Não se pode justificar a ciência, porque esta não surge de um ato volitivo no qual se decide criá-la, mas apa­rece como a manifestação social indiscutível de uma ca­racterística individual do ser humano.

É evidentemente certo que a ciência pode ser desenvolvida com maior ou menor intensidade mediante a alocação de recursos à educação e pesquisa, mas sua criação ou sua des­truição requereriam a criação ou destruição da cu­riosidade e do próprio pensamento humano. Nós não temos a liberdade de não pensar, algo necessário para que a ciência não exista. Por isto, as tentativas do poder público em opor-se à ciência quando esta contradiz o status quo fracassaram em sua meta principal de aniqui­lar o conhecimento, ainda que tenham produzido da­nos freando seu desenvolvimento.

A mecâ­nica quântica é uma das grandes revoluções intelec­tuais que não se limita a um maior conhecimento das leis naturais. Um conhecimento básico desta revolução deveria formar parte da bagagem cultural da população da mesma forma que a psicologia, a sociologia ou a literatura; e isto não somente por razões de curiosidade ou de cultura geral, mas também, porque este conhecimento pode ter repercussões imensas em outros setores da atividade intelectual.

De fato, um fenômeno fascinante da historia da cultura é que as revoluções culturais e as linhas de pensamento têm seus para­lelos em diferentes aspectos da cultura. Existem semelhanças estruturais entre as revoluções artísticas, científicas e filosóficas. Por exemplo, Richard Wagner libera a com­posição musical dos sistemas de referência represen­tados pelas escalas, da mesma forma que Einstein libera as leis naturais dos sistemas de referência es­paciais.

A teoria de cam­pos quânticos é filosoficamente materialista ao estabelecer que as forças e interações não são outra coisa que o intercâmbio de partículas. O estruturalismo dos antropólogos e lingüistas não é outra coisa que a teoria de grupos dos matemáticos, que também fez furor na física dos anos sessenta e setenta. A música de Anton Webern poderia ser chamada música quântica. Se bem que seja improvável uma causalidade direta entre estas idéias e movimentos, é difícil crer que as semelhanças se devam exclusivamente ao acaso. Qualquer que seja o motivo para estas correlações, o conhecimento da revolução quântica, que está em andamento, pode re­velar aspectos e estruturas ocultos em outros terrenos do lastro cultural.

Uma conseqüência interessante de divulgar a mecânica quântica é a de conectar o ser humano com sua história atual. Talvez ignoremos as principais características do momento histórico que estamos vivendo porque se encontram veladas pelas múltiplas questões cotidianas que preenchem os espaços dos meios de difusão. Quando hoje pensamos na Idade Média, imaginamos seus elementos característicos, as catedrais góticas, as cruza­das e outros fatos diferenciais. O Renascimento nos lembra o colorido da pintura italiana da épo­ca. A história barroca está gravada pelas fugas de Bach.

Contudo, o homem que viveu em tais períodos his­tóricos, seguramente, não era consciente da pintura do Renascimento nem da música barroca. Provavelmente estava preocupado com a colheita deste ano, ou se seu cavalo ficou atolado no barro, ou pelo perigo de conflito entre o príncipe de seu condado e o do vizinho, ou pelos bandidos que se escondiam no bosque.

Ninguém sabe com certeza quais serão as características determinantes de nossa época. Sem dúvida, não serão as notícias que aparecem todos os dias nos noticiários. Mas podemos afirmar que a ciên­cia será uma delas e, entre as ciências, a mecânica quântica tomará um papel importante já que sobram dados que indicam a nova revolução quântica que se está perfilando. Esta divulgação pretende, então, co­nectar o homem contemporâneo com algo que o futuro assinalará como um evento característico da historia que estamos construindo.

Talvez a motivação mais importante para divulgar a teoria quântica seja o prazer estético que brinda o conheci­mento em si, sem justificativas. Essa necessidade que temos de aprender e compreender. Essa curiosidade científica que está na base de todo conhecimento. O amor ao conhecimento é, sem dúvida, a motivação funda­mental.

A meta principal que se quer alcançar com estes artigos é a divulgação da mecânica quântica. Embora, nela participem conceitos que foram herdados da mecânica clássica e, ainda que ambas se contradigam no essencial, compartilham muitas estruturas matemáticas e conceitos. É por isto que o leitor encontrará aqui nu­merosas idéias e conceitos que se originam da física clás­sica, mas que serão necessários para uma apresentação compreensível da mecânica quântica. Existem numerosos livros de divulgação da física quântica de variada qualidade.

Minha seção pretende diferen­ciar-se de todos eles por não assumir um enfoque histórico do tema, apresentando de forma compreensível os con­ceitos atuais, sem adentrar os tortuosos caminhos que levaram ao conhecimento que hoje se tem do fenômeno quântico.­ Tal enfoque é vantajoso porque, contra­riamente ao que acontece com a teoria da relatividade de Einstein, a história da mecânica quântica ainda não acabou. Ao longo de seu desenvolvimento, a física quân­tica penetrou em vários becos sem saída e em ca­minhos pantanosos sem meta certa que lhe deixaram nu­merosos conceitos pouco claros. A não existência de uma interpretação universalmente aceita, apesar das formidáveis conquistas de seu forma­lismo, indica que a física quântica está ainda em ebulição.

A decisão de dar um enfoque conceitual e não histórico, permite excluir longos discursos. Seja sobre ondas e partículas, radiação do corpo negro, átomo de Bohr, funções de ondas, difração de matéria. Tais temas são comuns a todos os livros de divulgação com enfoque histórico, que em certo sentido, pode ser considerado como complementar ao nosso.

Nosso plano é começar definindo o sistema físico, motivo de estudo de toda teoria física, podendo-se ver a estrutura geral das mesmas: o formalismo e a interpretação.

O comportamento dos sistemas quânticos é difícil de se compreender ao pretendermos fazê-lo baseados em nossa intuição. No confronto entre a mecâni­ca quântica e a intuição se apresentam duas alternativas: (1) ou, abandonamos a teoria quântica, (2) ou, educamos e modifica­mos nossa intuição.

Evidentemente elegemos a segun­da. Por este motivo, depois de haver apresentado as ob­servações básicas dos sistemas físicos e de classificá-los, se dará ênfase em preparar o leitor, em um terceiro momento, para que possa pôr em dúvida a sua acostuma­da infalibilidade da intuição. Vencida esta meta, poderá apreciar a beleza escondida no comportamento dos sistemas quânticos e gozará da vertigem que produzem as ousadas idéias que aparecem na teoria quântica.

Um prêmio Nobel em física expressou certa vez estar vivendo uma época fascinante da história da cultura porque um questionamento filosófico básico poderia hoje ser resolvido em um laboratório de física. Outro físi­co batizou com a denominação de "filosofia experimental" para se referir a tais experimentos.

Possivelmente estas afirmações sejam algo exageradas pelo entusiasmo, mas é inegável que o debate da mecânica quântica e certos debates filosóficos tenham se fundido desta vez no terreno da física e não, como antes, no da filosofia. Por este motivo veremos, também, os conceitos filosóficos relevantes para a teoria quântica.

Continua na aula 2