Uma gota de determinismo para a física quântica (mas, será mesmo?…)

Gotas causando ondulaçõess. Cortesia Shutterstock

Gotas causando ondulações.

Imagem cortesia de Shutterstock

Uma das coisas mais abracadabrantes para nós leigos é a tal “dualidade onda-partícula“. Um raio de um elétron parece estar em todos os lugares (na verdade não é mesmo “em todos os lugares”; apenas “em qualquer lugar de um determinado volume de espaço-tempo) enquanto ninguém está olhando, se comportando como uma onda (descrita por equações que definem o tal volume definido de espaço-tempo).

Mas basta você observar (entenda-se: “fazer uma medição”) o tal elétron e ele se comporta como um corpúsculo com carga elétrica, momento, momento angular e tal e coisa… Os budistas sustentam que “tudo é ilusão e impermanente”, mas isso já levar as coisas para o lado do misticismo. Além do que, experimente por sua mão em um fio “vivo” e desencapado que os elétrons vão mostrar para você que são bem reais e dolorosos.

No entanto, eu aprendi em meu curso secundário que esta tal dualidade onda-partícula foi uma ideia sugerida pelo físico francês Louis de Broglie e mais tarde, lendo um livro do próprio de Broglie sobre o assunto, ele meio que assume a paternidade deste abracadabra. Só que não é exatamente verdade que de Broglie julgasse que elétrons e outros “bixos” fossem mesmo ora onda, ora partícula. Ele, na verdade, propunha que as partículas andavam à deriva sobre as ondas do campo correspondente (o que implicava na existência de “variáveis ocultas”), algo assim como escolhos à deriva sobre as ondas do mar (é sempre bom lembrar que as ondas do mar são algo bidimensional e as ondas dos campos das forças fundamentais são tri(tetra)dimensionais).

Ao fim de muita discussão, prevaleceu o que se chama de “Interpretação de Copenhagen”, formulada por Niels Bohr e Werner Heisenberg que, em suma, diz que uma partícula é apenas uma probabilidade até que interaja com outra, quando passa por um “colapso da função de onda”. Essa interpretação levou a algumas críticas fortes – a mais conhecida é o “Gato de Schrödinger”, onde o gato está vivo e morto ao mesmo tempo, enquanto não se abrir a caixa – mas uma suposta “prova”, encontrada por John von Neumann, da impossibilidade de existirem “variáveis ocultas”, foi alegremente aceita, sem maiores exames (mais de 30 anos depois, descobriram que von Neumann estava errado, mas azeite, azar, azia…).

Em 1952 o Físico David Bohm ressuscitou a teoria das ondas-piloto, mas a comunidade da física não recebeu muito bem suas propostas. Afinal, a Equação de Schrödinger funciona muito bem e a Mecânica proposta por Bohm pressupõe que o comportamento das partículas é influenciado, ao fim e ao cabo, por todo o universo (o que parece misticismo e, com efeito, foi alegremente recebido por diversos místicos).

A famosa “dupla-fenda”

Experiência da dupla fenda. Imagem de Wikimedia Commons. (por Lookang com agradecimentos a Fu-Kwun Hwang e o autor do Easy Java Simulation = Francisco Esquembre).

Uma famosa “prova” da dualidade onda-partícula é a “dupla fenda“. Um feixe de elétrons é disparado contra uma antepara onde há duas fendas que permitem que alguns elétrons passem e, depois, se choquem contra uma tela sensível. Imediatamente se forma um padrão de interferência, como se ondas se reforçassem ou anulassem mutuamente. Mas, quando se cria um dispositivo para identificar a fenda por onde os elétrons passaram, o padrão de interferência desaparece.

Bom… A “pegadinha” é que se trata de um feixe de elétrons, não de um elétron isolado. A ideia de que “o elétron interfere com ele próprio” é “licença poética”. As ondas dos lugares geométricos, definidos pela equação de onda do elétron é que interferem entre si. Quando se identifica a fenda por onde passa cada elétron, na verdade você está interceptando o feixe e, é óbvio, não há mais “onda” alguma; há partículas.

O mesmo tipo de experimento funciona com fótons (e isso vai causar um probleminha para a novidade descrita a seguir).

Uma gota “quântica”

Agora, pesquisadores em Paris realizaram uma série de experiências fazendo vibrar uma superfície banhada com óleo de silício e descobriram que, em uma frequência particular, uma gotícula começa a saltar pela superfície do óleo. E que a trajetória dessa gotícula é guiada pelo contorno ondulado do banho, gerado pelas ondas causadas pela própria gotícula: uma interação entre onda e partícula muito semelhante àquilo proposto por de Broglie e suas ondas-piloto.

Na interpretação de de Broglie – Bohm, cada elétron passa através de uma única fenda, carregada por uma onda-piloto que – ela sim – passa pelas duas fendas ao mesmo tempo. Tal como uma série de escolhos levados a uma praia pelas ondas do mar que tivessem que, antes de chegar à praia, passar por uma barreira com duas fendas. Cada um dos objetos flutuantes passaria por apenas uma das fendas e iriam se distribuir, depois delas, segundo o padrão de interferência dessas ondas.

Os resultados finais são os mesmos: a Mecânica de Bohm é tão capaz de prever onde cada elétron vai passar como a Mecânica Quântica “Tradicional” (ou seja: não é capaz). A distribuição dos efeitos é sempre uma função estatística.

As gotículas também parecem capazes de reproduzir o “Efeito de Túnel“, formarem “Partículas Compostas“, em órbitas mutuamente estáveis, e exibir comportamentos análogos ao spin quântico e à atração eletromagnética. Quando confinadas a “currais” (áreas circulares cercadas), formam anéis concêntricos muito semelhantes às ondas estacionárias geradas por elétrons confinados em “currais quânticos”.

A coincidência das ondas estacionárias é surpreendente, não é mesmo?

Eu adorei a ideia de poder imaginar as partículas subatômicas como verdadeiras partículas, surfando sobre as ondas do espaço-tempo causadas pelos campos fundamentais.

Só que me dei conta que, no caso do fóton, a própria onda é a “partícula”. E lá se foram pelo ralo todas as lindas analogias…


Fonte: Fluid Tests Hint at Concrete Quantum Reality, Quanta Magazine; também publicado na Wired com o título Have We Been Interpreting Quantum Mechanics Wrong This Whole Time?

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Discussão - 7 comentários

  1. @João: não pra ser chato, mas não é que o espaço-tempo “oferece resistência”, ou “confere inércia”, mas sim que a gravidade tem massa como carga. Ou seja, assim como cargas elétricas (prótons, elétrons, etc) sofrem de “inércia eletromagnética”, cargas ‘massivas’ sofrem de “inércia gravitacional”.

    Mais ainda, é preciso que a gente mantenha nosso raciocínio dentro das “escalas do problema”. Ou seja, a gravidade só entra em campo quando as escalas envolvidas são muitíssimo pequenas, por isso que as energias envolvidas são muito grandes (buracos negros, etc). Mas, no âmbito da Teoria Quântica de Campos, as escalas envolvidas simplesmente não envolvem a gravitação, por isso é que não se precisa levar em conta nenhum efeito gravitacional nesse caso, e por isso que efeitos de quânticos da gravitação só são “sentidos” em regiões de “campo forte” (como buracos negros e afins).

    Fótons são partículas especiais porque, pra nós, eles estão sempre em movimento, enquanto que no referencial do fóton, eles estão sempre em repouso (cone-de-luz). Mais ainda, o fato deles terem uma velocidade finita nos diz algo um pouco mais fundamental ainda: que interações eletromagnéticas não acontecem instantaneamente, i.e., é preciso se esperar o tempo de um fóton ir dum lugar a outro, comunicando a interação eletromagnética, pra que algo “sinta” a dita cuja. Senão, bastaria vc por uma carga elétrica “aqui” que, imediatamente, *todas* as cargas elétricas no mundo iriam sentí-la instantaneamente.

    😉

  2. João Carlos disse:

    hehehehe… Eu provoquei e você deu uma de Götze: matou no peito, nem esperou quicar e meteu no canto.

    É claro que “æther luminífero” é o escambau (assim como “fluido sutil”). Mas o fato é que – mesmo no reino subatômico, onde a gravidade não é mensurável – o espaço-tempo oferece resistência a energia em movimento; em outras palavras, confere “inércia” às partículas. É muito conveniente dizer que não existe coisa tal como um “fóton em repouso”, mas o fato de haver uma velocidade máxima para algo com “massa de repouso zero”, me sugere que o universo está esfregando algo nas nossas caras e talvez Theodor Kaluza e Oskar Klein tenham razão: existe uma quinta dimensão da qual não nos damos conta.

  3. João Carlos disse:

    Desculpe, Luis, mas eu vou manter minha tradução. O original em inglês diz “silicon oil” e “silicon” é “silício”. Se fosse “silicone oil”, eu concordaria com você.
    Mas concedo que traduções erradas podem se tornar termos consagrados pelo uso. Se for esse o caso, por favor diga.

  4. Como diria um “saudoso” comentárista de futebol: “Pelo amor dos meus filhinhos… olho no lance!” 😉

    Só pra deixar claro: não tem ‘æther’ em lugar nenhum aqui, nem ondas do espaço-tempo (que seriam ondas gravitacionais). Tudo que está descrito aqui é *não-relativístico*, i.e., sem ‘æther’, sem espaços-tempos, sem nada dessas cositas.

    E também o Higgs não tem nada de ‘æther’: em princípio, todo e qualquer campo quântico (regido pela Teoria Quântica de Campos) permeia todo o espaço-tempo, não só o campo de Higgs. Mas, mesmo essa afirmação é precisa ser feita com carinho, porque existe o Teorema de Decomposição em ‘Cluster’ que impõem algumas condições sobre esse tipo de afirmação.

    É notório que se faz todo tipo de analogia e “aproximações” quando se comunica ciência ao público leigo, principalmente quando o assunto é Física Teórica, mas é preciso se lembrar que a Ciência mesmo vem cheia de “detalhes” que mordem os calcanhares de todos indiscriminadamente.

  5. Luis Brudna disse:

    O correto é óleo de silicone. 😉

  6. João Carlos disse:

    Ah! Mas o éter luminífero já ressuscitou! Agora ele é chamado de Campo (ou Mecanismo) de Higgs… O espaço-tempo resiste ao movimento da energia.

  7. Senão teriam que ressuscitar o éter luminífero e todos os problemas que ele causava.

    []s,

    Roberto Takata

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