Física Quântica para leigos: de uma maneira que você nunca viu antes

Palavras-chave: Física Quântica, Física Clássica, Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Átomo de Bohr, Louis De Broglie, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg. 

  

A Física se divide em três partes para estudar o movimento dos corpos, objetos do nosso Universo, desde uma galáxia, sendo uma reunião de bilhões de estrelas ou centenas de bilhões, até objetos comparáveis ao nosso tamanho, chegando a outros invisíveis a nós de tão pequenos, as partículas atômicas ou subatômicas, como você verá neste texto. Mas não fique com medo dos três nomes abaixo definindo-as em ordem numérica. E estão definidas de modo bem simples. É só para se ter uma noção de cada uma delas: 

1 - A Relatividade Geral de Albert Einstein (1879 - 1955): estuda os movimentos e forças gravitacionais dos grandes corpos do Universo como as galáxias e estrelas bem maiores que o Sol; 

2 - Física Clássica (ou Mecânica Clássica): área de estudo de movimentos e forças de corpos observados em nosso dia a dia e também menores como, literalmente, um grão de areia e grandes até o nosso planeta Terra, girando em torno do Sol, tendo esses corpos uma gravidade não tão grande quanto na Relatividade Geral; 

3 - A Física Quântica (ou Mecânica Quântica): aqui já se entram movimentos e fenômenos relacionados a corpos muito pequenos, as partículas de matéria mencionadas no primeiro parágrafo, as quais formam os átomos. Então vale a pena rever alguns conceitos do Ensino Médio se você já esqueceu. Desta maneira começo o artigo em si. 

Os átomos formam tudo existente na natureza e no Universo. O ar, tudo em seu corpo, o fogo, uma mesa, a água, e, sem exceção, tudo mesmo em nós e nos cercando. Possuí um núcleo onde ficam as partículas de nome prótons, com cargas positivas, os nêutrons, sem cargas e, girando ao redor dos núcleos, os elétrons, com cargas negativas. São estes mesmos que, ao caminharem através de um fio elétrico acendem uma lâmpada e ligam qualquer aparelho eletrônico em nossas casas. Não é à toa o nome eletricidade... 

O diâmetro de um elétron é de um centímetro dividido por um quatrilhão, ou um seguido de 15 zeros! Sua massa corresponde a aproximadamente um grama dividido por 9,1 octilhões, ou 9,1 seguido de 27 zeros! Com esse tamanho e os cientistas estudando as interações de elétrons e partículas de dimensões parecidas, através de instrumentos de laboratórios muito avançados, possibilitou no final do Século XIX e começo do XX, uma verdadeira revolução na Física, se estendendo até à Filosofia: a própria Física Quântica! Ela nunca poderia sequer ser descoberta, e, portanto, estudada, se não fosse o avanço de tecnologias especiais. 

Neste artigo, uma introdução a esse curioso ramo da Física, como é o meu propósito, mas no qual poderei escrever alguma continuação, descreverei primeiro seis situações, fenômenos ou estudos descobertos por seis físicos na virada do Século XIX para o Século XX, sendo de valores imprescindíveis a você conhecer as bases da Física Quântica: a radiação do corpo negro, o efeito fotoelétrico, o átomo de Bohr, o dualismo "onda-partícula", a "fórmula" de Schrodinger e o princípio da incerteza de Heisenberg. 

1 - A radiação do corpo negro

  

No final do século XIX, muitos cientistas achavam toda a Física Clássica suficiente na compreensão de todos os movimentos de objetos no Universo. Afinal, ela podia prever em quanto tempo a Lua girava em torno da Terra e esta através do Sol; qual a distância percorrida por um objeto a ser arremessado de um certo ângulo com a vertical, quanto tempo demoraria uma pedra a atingir o solo a partir de uma certa altura, etc.

  

Desenvolvendo um pouco este assunto, havia também os estudos das trocas de calor entre corpos como a Termodinâmica Clássica, muitos efeitos da eletricidade, de forças entre cargas elétricas em repouso (a velha e boa história de “cargas com sinais contrários se atraem e com sinais iguais se repelem”) e as ondas constituintes da luz e da mesma natureza e velocidade* como as ondas de rádios FM, AM, das televisões, micro-ondas, raios-X e a luz, constituindo o Eletromagnetismo Clássico. Todos esses ramos pertencentes aos estudos clássicos da energia e matéria até então, tendo-se algumas poucas exceções sem se precisar descrevê-las aqui. 

Mas algo perturbava alguns físicos desejosos de conseguirem explicação, conseguir, digamos, uma fórmula somente, a entenderem a radiação do corpo negro. Ele é qualquer porção de matéria, geralmente metal, aquecido e depois deixando-o sem aquecimento e se analisando a emissão, além do calor, das radiações na forma das ondas de luz.

  

Em termos da luz, composta de outras sete ondas sendo as cores do arco-íris: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil (ou índigo) e violeta, e levando-se em conta qualquer tipo de metal, a radiação emitida pelo corpo negro é sempre a mesma, de uma só cor! ** Na verdade, para cada temperatura atingida por qualquer metal, a cor da luz era a mesma, embora as outras também eram emitidas, mas com pouca intensidade, não visíveis. E justamente para cada cor, na temperatura do corpo, os cientistas queriam descobrir uma fórmula matemática descrevendo o quanto de "concentração", denominado fluxo, ou intensidade, que essas cores possuíam. Seria o mesmo, fazendo uma analogia, e na Física se ensina muito com analogias, o seguinte: dado sete latas de tintas com as cores formando a luz, quanto de tinta você gastou de cada uma delas ao fazer uma faixa no chão como um arco-íris. 

Alguns físicos haviam chegado em algumas fórmulas aproximadas, mas então apareceu o físico alemão Max Planck (23/4/1858 - 4/10/1947) em 1900. Ele deduziu a expressão prevendo matematicamente, a cada temperatura de um corpo aquecido emitindo as frequências (ondas) com o valor das intensidades de cada uma. Mas fez uma consideração totalmente nova, revolucionária, deixando os físicos céticos em relação ao problema: trocas de energia e radiação eram "quantizadas" e só poderiam se realizar por um múltiplo inteiro de um mínimo de energia denominado "quantum". A energia das ondas não estaria espalhada na sequência contínua de campos elétricos e magnéticos como predita pelo Eletromagnetismo Clássico e descrito por mim na nota ((**)); não estaria espalhada por todas as ondas. Seria por "pacote de energia", energia "quantizada"! Um desses pacotes seria um "quantum" e vários seriam "quanta". No caso da luz, o "quantum" acabou sendo chamado de fóton.

  

A Física entrou em um impasse: uma onda de luz e as outras ondas eletromagnéticas não seriam contínuas como muitos experimentos antes de Planck haviam demonstrado, e, sim, composta por pequenos "corpos" de luz? Elas seriam de duas formas? Uma unidade sendo duas? Mas sem essa consideração revolucionária de Planck, nunca, até hoje, se resolveria o problema da radiação do corpo negro. Mais experimentos e/ou teoria deveriam surgir a resolver esse impasse. 

2 - O efeito fotoelétrico 

Também no final do século XIX havia outro problema na Física desafiando a imaginação dos cientistas. Alguns metais irradiavam elétrons na presença de ondas eletromagnéticas como os raios ultravioletas. Eles poderiam, por exemplo, ser captados por um pequeno circuito e produzir uma corrente elétrica, a mesma na qual, modificada pela nossa presença ao interceptarmos um feixe de ondas, faz-se abrir uma porta "sozinha". Era o efeito fotoelétrico confirmado em 1886 pelo físico também alemão Heinrich Hertz (1857 - 1894). 

Pelo Eletromagnetismo Clássico, aumentando-se a intensidade da onda emitida, aumentava-se a energia e se aumentava a corrente elétrica. Até aí a Teoria Clássica explicava esse fenômeno, mas, em um ponto somente no qual eu quero mostrar, a partir de uma maior intensidade da luz incidente, a corrente permanecia a mesma. Isto não era explicado pela Física Clássica e então apareceu Albert Einstein. 

Primeiro ele considerou três postulados: 

2.a - Não só as trocas de energia e matéria são quantizadas como propôs Max Plank mas a luz também seria quantizada, composta por "pacotes de energia", os fótons; 

2.b - Um fóton transmite toda a sua energia para somente um elétron e não apenas uma parte dela; 

2.c - Um fóton só transmite energia para um elétron e nunca para vários deles. 

A partir daí, Einstein mostrou porque se aumentando a intensidade das ondas no efeito fotoelétrico, a corrente ficaria a mesma: sendo a luz constituída de fótons e cada fóton interagindo com apenas um elétron, não haveria mais elétrons para os fótons restantes interagirem. 

3 - O átomo de Bohr 

Em 1911, foi o físico e químico neozelandês Ernest Rutherford quem descobriu a forma do átomo, descrito por mim no início do texto, como um núcleo e os elétrons girando em volta dele. Com o núcleo positivo, constituído dos prótons e nêutrons, os elétrons estariam presos a ele devido, pela Física Clássica, a uma força tendendo-os a saírem de suas trajetórias, como, por exemplo, a Lua gira em torno de nós sem cair. A força elétrica do núcleo positivo dos átomos, como a força da gravidade da Terra, são uma espécie de controle de suas trajetórias. Por mais uma analogia, você sente uma força agindo para a esquerda, em seu carro, ao realizar uma curva à direita, sendo a porta do carro quem te segura. 

Aconteceram dois problemas desta descoberta com o Eletromagnetismo Clássico: os elétrons cairiam sim ao núcleo pois estariam perdendo energia ao estarem em movimento circular, perdendo velocidade, algo no qual não acontece com a Lua, por exemplo caindo sobre nós, pois a gravidade é uma força diferente, em sua natureza, da força elétrica. O outro se dava com respeito à emissão de fótons do átomo de hidrogênio e dos outros átomos, chamado esse fenômeno de espectro de emissão. Esse espectro é o conjunto de cores (frequências) emitidos pelos átomos quando os elétrons descem de suas órbitas. Era de se prever espectros contínuos, cada cor ao lado de outra como na faixa do arco-íris, mas faixas com diferentes cores para cada átomo e o que se apresentava eram linhas coloridas.  

Havia na época um modelo de átomo proposto pelo físico britânico J. J. Thomson (1856 - 1940), o qual seria esférico permeado de cargas positivas, mas tendo presentes elétrons fixos em vários locais dessa estrutura, apelidado de "pudim de passas", sendo, portanto, os elétrons, análogos às passas. Veja, fixos, diferente do átomo de Rutherford. 

Mais uma vez, como sempre estava ocorrendo naquela época, alguém deveria, se possível, resolver o impasse presente. E foi um físico dinamarquês, Niels Henry David Bohr (1885 - 1962), ou simplesmente Niels Bohr, se utilizando das ideias da recente nascida Física Quântica. 

Bohr foi atrevido: se realmente o átomo possuía elétrons em órbita então existiria algumas delas, chamadas de "órbitas estacionárias", permissíveis a eles. Para um elétron subir de uma órbita a outra teria que receber um quantum de energia ou a energia de apenas um fóton. Ao descer emitiria um fóton de energia. Se fossem duas órbitas de subida, dois quanta, descendo, dois quanta também, ou seja, entre todas elas um número sempre inteiro de energia... 

No efeito fotoelétrico, quando um fóton encontra um elétron, é transmitido, como você já viu, um quantum de energia e se o elétron estiver na última camada eletrônica, ele sairá do átomo se tornando um fóton elétron. Então, as órbitas seriam quantizadas, não podendo os elétrons permanecerem entre elas. Faça uma comparação com a força da gravidade mantendo, por exemplo, uma nave espacial em volta da Terra. A nave, com os seus retrofoguetes, pode subir ou descer de sua posição em quantos metros ou quilômetros nos quais quiser. A Física Clássica era bem diferente da Quântica!  

Quanto aos espectros de linhas e não faixas, o assim aclamado "Átomo de Bohr" explicava esse efeito para o átomo de hidrogênio, mas não para os outros de maior massa. 

E mais uma vez, concordando com a frase do filósofo grego Heráclito, de Éfeso, (aprox. 540 a.C. - 470 a.C.), "a natureza ama se esconder", o modelo do átomo de Bohr, correto com as órbitas quantizadas dos elétrons e diferenciadas em um quantum de energia entre todas elas, uma a uma, e explicando o fato dos elétrons não caírem nos núcleos dos átomos, positivos devido aos nêutrons sem carga mas aos prótons positivos, ainda aguardaria três grandes cientistas: Louis de Broglie, Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg. 

4 - As ondas de matéria de De Broglie 

Em plena tese de doutorado, em 1924, De Broglie concebeu algo até então inédito aos físicos da época por medo ou falta mesmo de imaginação. Ou ambos! Se a luz era composta de partículas quando se realizava algum experimento como o efeito fotoelétrico, mas explicada também como uma onda como na Teoria Clássica, ele simplesmente juntou fórmulas da nova teoria com a antiga. Todas as pequenas partículas de matéria seriam relacionadas com uma onda, estabelecendo de vez a ideia de onda-partícula, uma dualidade querendo dizer: partículas ora se comportam, ou se apresentam, como partículas mesmo, ora como ondas! Elas seriam as duas coisas ao mesmo tempo? Ou se "dividiriam" em duas coisas dependendo do experimento feito por você? Realmente a natureza tão rígida da Física Clássica apresentava até um problema filosófico. 

Havia desde o Século XIX, um conceito na Física, a interferência, descrito por um físico inglês, Thomaz Young (1773-1829), podendo você realizar em sua própria casa e consistindo no seguinte: em uma caixa de papelão do tipo de sapatos, faça duas fendas de uns cinco centímetros de comprimento,  em um dos lados menores com separação de uma distância qualquer uma da outra; coloque uma lanterna acesa dentro dela. Aproxime a um anteparo escuro e você verá nele faixas verticais claras, denominadas de franjas, e outras escuras se alternando. A explicação a esse fenômeno é facilmente entendida fazendo uma analogia com as ondas do mar. Sim, de praias! Quando duas cristas se encontram, se reforçam, somando-se em uma crista maior, mas, se uma crista encontra um "buraco", uma depressão deixada por outra onda, elas se subtraem e a altura da água do mar fica a mesma da praia se não houvessem nem cristas e buracos. A explicação, como você vê no experimento simples da caixa com as fendas e a lanterna, revela a natureza ondulatória das ondas, da luz e quaisquer outras de frequência diferentes. 

De Broglie ousadamente sustentou um argumento no qual, o mesmo resultado aconteceria se se substituísse ondas por elétrons. Em 1927, dois americanos, em um famoso experimento denominado pelos nomes deles, Davisson-Germer, conseguiram um feito a ser considerado absurdo para a Física Clássica: elétrons realizavam interferências como as ondas. A natureza também ondulatória, a dualidade onda-partícula estava demonstrada. 

5 - A fórmula de Erwin Schrodinger 

Você já deve ter ouvido falar nas fórmulas da Física e talvez tenha estudado algumas delas no Ensino Médio, antigo Colegial. São a base para resolvermos problemas, são um dos maiores terrores dos estudantes na escola e ao concorrerem no vestibular: escolher a fórmula certa para um problema, literalmente "misturar" duas (ou mais) a se obter aquela requerida pelo problema, dando-se o nome de se "deduzir uma fórmula", não errar nas contas matemáticas apresentadas por elas, etc. Esses fatos são realmente fortes motivos, entre outros, a muitos alunos detestarem a Física. Mas ela é base para muitos estudos futuros em diversas faculdades. 

Este item 5 é a situação ou estudo, um daqueles seis ditos por mim no início deste artigo, dos mais difíceis de explicar e entender. De qualquer maneira tentarei dizer de um modo mais simples possível. 

Primeiro voltemos à Física Clássica com um problema muito simples de entender e bem importante aqui: na sua frente passa um carro a uma velocidade constante de cem quilômetros em cada hora (ou cem quilômetros por hora). Quer dizer, em uma hora ele estará a uma distância de cem quilômetros de você, digamos, em outra cidade. 

Os físicos clássicos, a partir do inglês Isaac Newton (1643 - 1727), conseguiram chegar em uma conclusão básica e válida até hoje, inclusive para a Quântica que viria no futuro: dados certos valores em um problema, chamados iniciais, você irá prever o que acontecerá depois. No caso do meu exemplo do carro, depois de uma hora, como eu disse, ele estará a cem quilômetros de você. Quais seriam os dados iniciais deste problema? A posição por ele passada sendo você e a velocidade. Veja algo intuitivo e por isto apresentado por mim neste item: depois de duas horas da saída do veículo em relação a você, qual a distância percorrida por ele? Lógico: duzentos quilômetros (cem na primeira etapa até à cidade mais cem quilômetros depois). E para finalizar este parágrafo, comentarei dois conceitos fáceis de se também entender. Os físicos chamam o conjunto de partes envolvidas em um problema de sistema: no exemplo, você, o carro e a estrada. E de estados certas condições do sistema sendo mensuráveis: posição (em relação a você e à cidade) e velocidade (do carro). Estados... Esta palavra, este conceito, entra em todos os ramos da Ciência. Por exemplo, se a sua temperatura corporal está a 36,6ºC, ela está normal, seu organismo se apresenta em estado normal de temperatura, mas, se for para 37°C ou mais, você estará em um estado febril, com febre, indicando alguma anormalidade. Outro exemplo: a tela do seu celular apaga de vez e não é possível recarregá-lo. Ele entrou em um estado no qual deve ser levado a uma assistência técnica.     

Pronto, todo esse esquema dito por mim faziam os físicos clássicos preverem os movimentos de corpos em queda livre, a Terra em redor do Sol, a Lua em torno de nós e de outros ramos da Física Clássica, dando esperança a eles naquela velha frase "já se descobriu tudo na Física". Grande engano porque fenômenos novos, os quânticos, estavam mudando a própria maneira de se ver o Universo, mas de pequenas partículas da matéria. 

Elétrons giram ao redor de átomos, suas posições se alteram, e os físicos quiseram determinar uma formulação matemática capaz de prever esses estados dessas partículas: "estados quânticos" pois a antiga Física Clássica não se aplicaria mais. Então, em 1926, entra em cena o físico austríaco Erwin Schrodinger (1887 - 1961). 

Utilizando-se de uma matemática muito avançada, ele chega em uma fórmula, mais conhecida por função de onda (porque agora partículas como os elétrons também se comportavam como ondas), na qual é possível calcular esses estados. Mas algo muito estranho acontece: as posições dos elétrons se exibiam de forma estatística! Mais probabilidade de estarem em um local do que outro! Na verdade, ocorreria mesmo algo assim pois, na recente Física Quântica, a observação interferiria nos resultados. Algo mais estava a corroborar, e foi no ano seguinte da função de onda, com as bases dessa nova Física. E seria com o físico alemão Werner Heisenberg (1901 - 1976). 

6 - O Princípio da Incerteza de Heisenberg 

Vamos a um exemplo parecido com o do item anterior, do carro passando por você, mas agora a trajetória dele é de uma das esquinas da sua casa até a outra e a velocidade você quer calcular. Sabendo da distância entre elas, por exemplo, cem metros, você aciona um cronômetro quando ele passar pela primeira esquina e trava quando chegar na outra esquina. Digamos, o resultado seria de 10 segundos, e, sem mesmo entrar em fórmulas da Física, é só dividir a distância pelo tempo para se calcular a velocidade. No caso, 10 metros em cada segundo (ou dez metros por segundo).  

Algo nunca questionado por ninguém, pois seria até ridículo de se pensar, para você ver o veículo em uma esquina, a luz deve refletir dele a você e é justamente assim a nossa visão de todos os objetos a nossa volta: luz reflete e os enxergamos! Essa reflexão alteraria a posição do carro? Afinal, a luz agora também pode se comportar como partículas... Sendo muito pequenas e como não vemos nada em termos da alteração da posição dele, sabemos que não ocorre nada. E também no percurso na rua e na outra esquina. 

Digamos querer observar o movimento de um elétron no espaço vazio e, para tanto, direcionar o mínimo possível de luz, um quantum, ao se chocar com ele. Neste caso o fóton irá desviar a trajetória do elétron e você não saberá para onde ele foi. Mais uma vez, a observação altera o fenômeno em si! Evidente uma falha da Física Clássica em problemas relacionados a este. Veja, as posições do veículo (nas duas esquinas) e a velocidade dele (não afetada pela incidência da luz) não se afetaram, em termos de movimento com a luz incidente ao observá-lo. A massa é muito maior que a do elétron... 

Heisenberg então mostra fisicamente, com uma fórmula, a impossibilidade de se calcular para pequenas partículas, posição e velocidade*** ao mesmo tempo, de forma precisa. Se você mede com razoável precisão a velocidade, insere mais incerteza na posição e vice-versa. Aí está o Princípio da Incerteza: o certo na Física Clássica se torna incerto na Física Quântica! E então? Forçosamente consideremos pensar em possibilidades, probabilidades... Uma partícula poderá ter uma probabilidade, por exemplo, 60%, de estar em um lugar e 40% em outro. Até Einstein, um dos também fundadores da nova Física chegou a expressar o seu descontentamento com fatos assim dizendo: "Deus não joga dados com o Universo". 

As contribuições de Schrodinger e Heisenberg levaram os cientistas a compreenderem os problemas espectrais dos átomos maiores que o hidrogênio, linhas espectrais mais intensas, outras não, e por que um campo magnético divide uma linha em outras. A própria Filosofia Natural seria afetada por tudo da Física Quântica pois em muitos casos os fenômenos naturais não se mostram precisos, entrando probabilidades e possibilidades. 

A tecnologia ulterior após as bases da Física Quântica, com outras descobertas, fora desenvolvida em uma escala e velocidade nunca antes vistas na história da humanidade. 

De computadores, aparelhos de telecomunicações (como o rádio e a televisão) a sistemas telefônicos, valvulados ou a partir de relés, lentos, dissipando muito calor e grandes, a Física Quântica descobriu a utilização dos chamados materiais semicondutores como o silício e o germânio, a se chegar em transístores, microprocessadores, circuitos integrados, chips, microchips e nanochips. 

A revolução a partir daí no mundo geral dos aparelhos eletrônicos foi tão grande que não teríamos hoje celulares, televisões, computadores, etc., tão avançados, rápidos, de tamanhos compatíveis com as nossas necessidades de nos comunicarmos, modificando relações sociais e comerciais no planeta inteiro. 

E tudo isso devido, principalmente, aos seis grandes homens citados neste artigo com suas mentes mais do que brilhantes! 

  

Notas: 

(*) - Todas essas ondas, chamadas de eletromagnéticas, se movem, no vácuo, com uma velocidade de aproximadamente 300.000 quilômetros em cada segundo! Ou 300.000 quilômetros por segundo. 

(**) - Quando dizemos cor, esta está relacionada com a frequência da onda. Sem se necessitar de detalhes, cada cor e cada tipo de onda referida no nono parágrafo (incluindo aqueles enumerados) possuem uma frequência diferente. Uma cor, uma frequência única e diferente das outras. No Eletromagnetismo Clássico, as ondas são uma sucessão contínua de campos elétricos e magnéticos se alternando e se propagando com a velocidade acima. A você só interessa esta informação, porque, mais que isso, seria estudar o eletromagnetismo dos livros escolares, algo não necessário a você aprender. 

(***) - A Física fala em quantidade de movimento ou simplesmente momento, sendo a massa multiplicada pela velocidade. Não me aprofundei, pois seria uma complicação não necessária para você neste texto.   

  

Referências 

1 - Sá, J. M. O Efeito Fotoelétrico: Postulados de Einstein. FísicaModernaUFF. 2012. Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=gYTUfq5_z7M&t=289s >. Acesso em: 09 ago. 2019.