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Física para Curiosos: terceira palestra lotou o auditório do IFGW

Desta vez compareceram curiosos de fora Campinas, da comunidade da cidade e da Unicamp, lotando todos os espaços do auditório do IFGW nesta sexta, dia 08 de junho. Gente em pé e sentada no chão: todos a fim de aprenderem um pouco mais na terceira palestra do programa Física para Curiosos, ministrada pelo Prof. Amir Caldeira e cujo tema foi “A mecânica quântica através de exemplos simples”.

O objetivo da palestra, segundo o Prof. Amir, era passar o que de fato é a mecânica quântica para o público leigo, sem formalismos matemáticos ou termos técnicos rebuscados, e evitar o que chamou de “desinformação” a respeito do tema. “Devemos ter cuidado ao associar conceitos da mecânica quântica às áreas não correlacionadas a ela própria, tais como comportamentais e de saúde”, explicou-me o professor antes mesmo de iniciar a palestra.

Roberto Inácio Hadler Pupo, médico veterinário vindo da cidade de Amparo, veio acompanhando a sua namorada. “Ela é astrônoma e nós conversamos muito sobre nossas áreas e, sempre que posso, eu a acompanho nos eventos de física. Penso ser interessante a promoção de eventos assim porque permite que nós, os curiosos, possamos ter acesso a informações que melhoram a nossa visão de mundo. Sinto um prazer muito grande em buscar conhecimentos que não possuo”, comentou Roberto. O mais curioso é que ele é primo-irmão do Prof. Júlio Hadler, professor e ex-diretor do IFGW. Mundo pequeno, quântico.

Gabriel Diniz Nishimura é estudante do primeiro ano de medicina da PUCCamp e estava esperançoso em angariar mais conhecimentos em física do que aqueles adquiridos no ensino médio. “Sempre gostei muito de Física e creio que a paixão só aumentou porque fui influenciado por meus professores Rafael e Fabíola Bonato, que são ex-alunos daqui da Física da Unicamp. Na medicina não temos mais aulas de Física, então venho aqui por conta daquele gostinho de ‘quero mais’ que sempre fica”, observou Gabriel.

Iniciada a palestra o Prof. Amir agradeceu aos organizadores do programa dizendo que se sentia lisonjeado pelo convite e explicou que a palestra versaria sobre os conceitos da mecânica quântica de maneira simples, com termos que possam explicar toda a estranheza que ela causa. “Isso para os curiosos. Vou tentar convencer os especialistas que é possível se falar sobre mecânica quântica para um leigo, usando o menor número de termos técnicos possíveis”, complementou Amir.

A seguir começou uma viagem para mostrar as escalas de comprimento: da distância de um metro de um ramo de folhas, onde se pode observar os ramos e as folhas, passando pelas estruturas celulares das folhas ao se chegar a um milésimo do metro e pelo núcleo do átomo de carbono a 10 femtometros (10-14 m) até o limite de 10-16 m, 1 attometro, onde se pode observar os “quarks”, partícula elementar do núcleo atômico. “Mergulhamos na matéria para perguntar: será que podemos descrever da mesma forma todos os fenômenos da natureza, em todas as escalas? Todas as leis da Física continuam válidas? ”, perguntou o professor. Amir começou a definir os dois tipos de sistemas: o clássico, ou macroscópico, de dimensões maior do que um mícron, ou seja, um metro dividido em um milhão de partes. Trata-se de qualquer coisa que se pode observar com um microscópio – um grão de pólen, uma poeira etc. E o quântico, ou microscópico, para sistemas menores do que um mícron. São os sistemas atômicos ou subatômicos.

Na sequência Amir contou que, na virada do século XX, vários experimentos foram feitos em sistemas nas escalas atômicas e subatômicas. Os resultados que apareciam não podiam ser explicados com a teoria física existente, a mecânica clássica. Eram resultados muito estranhos. Albert Einstein, Louis de Broglie e Niels Bohr foram os cientistas que começaram a juntar a colcha de retalhos dos pensamentos da época – eletromagnetismo, mecânica clássica, a existência da nova constante proposta por Planck - e apresentaram novas ideias para a explicação desses resultados. Essa nova teoria para a época é conhecida hoje como sendo a Teoria Quântica velha (1900 – 1920). Na década de 20 os cientistas conseguem formalizar uma teoria regida por um conjunto de regras consistentes. Erwin Schröedinger, Werner Heinsenberg, Paul Dirac e John von Neumann foram responsáveis pelo desenvolvimento da Teoria Quântica. “Heisenberg e Schröedinger, descreviam a mecânica quântica de duas formas diferentes. Não eram incompatíveis de forma alguma. Eram simplesmente duas versões diferentes de se explicar os mesmos fenômenos. Em seguida, Dirac apresentou versão unificada dessas duas versões. E um pouco mais tarde, em 1930, von Neumann, dá ênfase na forma de medir grandezas em sistemas quânticos”, explicou Amir. A mecânica quântica é um conjunto de regras que descrevem a evolução temporal e os resultados de observações de grandezas em um sistema físico. Nas escalas molecular, atômica e subatômica é que são evidenciados os seus efeitos. “Na nossa escala, a macroscópica, a física quântica reproduz os resultados e previsões da física clássica. Isso sobre certas condições, como em baixas temperaturas, por exemplo”, continuou Amir.

Na sequência Amir começou a explicar um experimento onde uma bolinha corre em uma canaleta que contém uma entrada e duas possíveis saídas – uma à direita e outra à esquerda. O conjunto é posicionado em frente a caixas numeradas, de modo que a bolinha deve sair de uma das saídas e esbarrar em uma caixa. O experimento deve ser conduzido em mil cidades diferentes. Será coletado posteriormente o número da caixa atingida em cada cidade e também quantas vezes cada caixa foi alvejada no total de todas as cidades. “Se o objeto for clássico, ou seja, macroscópico- uma bolinha de gude, por exemplo – o gráfico obtido depois dos mil resultados coletados será que em torno de cinquenta por cento das vezes a bolinha esbarrou na caixa posicionada bem em frente à esquerda, e os outros cinquenta por cento esbarrou na caixa posicionada em frente à saída da direita. Até aí está tudo certo, tudo dentro do esperado”, explica Amir. Mas e se o objeto for quântico, ou seja, se tivéssemos a possibilidade de jogar um átomo, uma molécula na canaleta? O gráfico seria estranho: haveria uma alternância de bolinhas que esbarraram nas caixas, uma caixa foi atingida, a outra não. Alternadamente. O professor explicou que o resultado do experimento da bolinha quântica é compatível com uma figura de interferência, caso fosse colocado um anteparo no conjunto: regiões marcadas com pontos de chegada da bolinha e outras sem a marcação. “Se extrapolássemos para uma situação com ondas, teríamos somas de amplitudes – os pontos marcados – e pontos de diferenças ou anulação das amplitudes – os pontos sem marcação. Isso configura uma figura de interferência”, mostrou Amir. O que se tem, na realidade, é uma bolinha quântica na entrada da canaleta e a sua detecção em uma das possíveis caixas. No meio do caminho o que se tem são alternativas interferentes. Em seguida o professor explicou através de um exemplo bem simples o conceito de tunelamento quântico: uma conta furada e pelo furo se passa um arame. A única trajetória possível da conta é ao longo do arame. E se a conta for quântica, microscópica? “Se observa que a conta passa de um lado para o outro do arame, como uma desmaterialização. Muito estranho, mas é o que se observa experimentalmente. O objeto não conseguiria passar de um lado para outro, mas quanticamente ele consegue. É o que chamamos de tunelamento quântico”, explicou o professor.

Em seguida o professor apresentou o conceito do princípio da incerteza de Heinseberg através de um experimento em que se deve detectar o som e a cor de um objeto através da audição e visão, novamente realizado em mil cidades diferentes. “Na física clássica se pode determinar de maneira independente as duas características de um mesmo objeto, de acordo com o detector utilizado. Se utilizo os olhos, determino a cor – vermelho ou azul. Se utilizo a audição determino se é sonoro ou silencioso”, observou Amir. Mas e se o objeto for quântico? “O que se observa é que em metade das cidades o objeto se apresentou como ruidoso e na outra metade como silencioso, independentemente da sua cor – vermelho ou azul. A informação precisa de uma dada característica pode ser perdida quando se determina a outra”, explicou Amir. A superposição de estados serão os estados vermelhoazul e sonororuidoso, ou seja, um objeto sonoro pode ser vemelhoazul e um objeto azul pode ser sonororuidoso. “Estranho, não é? Mas é assim que a natureza se apresenta”, explicou Amir.

Depois o professor mostrou a famosa experiência do gato de Schröedinger na qual um gato está dentro de uma caixa e existe uma ampola com um veneno letal dentro da caixa. “A ampola está ligada a fios e pode ser quebrada com a passagem de uma corrente elétrica: sem corrente, nada ocorre – então o gato vive. Com corrente a ampola se quebra e o gato morre. Acontece que sem abrirmos a caixa não podemos saber se o gato está vivo ou morto. Existe então a superposição de estados do gato: mortovivo e vivomorto. Se abrirmos a caixa, certamente veremos o que aconteceu com o gato, mas aí acabamos com a brincadeira”, conta Amir. Para a computação quântica esses estados são importantes porque o bit quântico, ou q-bit, pode assumir os estados 0 e 1 ao mesmo tempo. Diferentemente da computação clássica onde os bits só podem assumir um único estado – 0 ou 1. Se na computação clássica o processamento é sequencial, na computação quântica o processamento é simultâneo. “Imaginem o ganho de velocidade de processamento de um computador quântico”, comentou Amir.

Nas suas conclusões finais o professor observou que a mecânica quântica funciona muito bem em todas as escalas. O universo macroscópico só seria um caso particular onde vários efeitos contribuem para o desaparecimento dos resultados inusitados da física quântica e para os quais há uma forma mais eficiente de descrição – a mecânica Newtoniana. Enfatizou que existem muitas outras tentativas de criação de teorias alternativas à mecânica quântica, entretanto ela não apresentou qualquer falha desde que foi elaborada na década de 30. Portanto não se tem qualquer resultado experimental que mostre a necessidade de substituição da mecânica quântica por novas teorias. Finalizou a sua palestra alertando a todos para que estejamos atentos a respeito das fraudes que usam o nome “quântica ou quântico” para a venda de produtos e serviços.

A audiência colaborou fazendo perguntas interessantes ao Prof. Amir. Ao final o professor agradeceu a todos pela presença comentando que promover a curiosidade sobre a física no cidadão comum é de muita relevância nos tempos atuais. Nada de quântico em termos de aplausos: recebeu clássicos calorosos aplausos da plateia.

Clique aqui para ver as fotos a programação dos próximos eventos.

Fisica para Curiosos - prof. Amir

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