Quebra-cabeças

Quebra-Cabeças 1 – Espaço Vazio
Comecemos com algo familiar à maior parte das pessoas. Uma das primeiras falhas na estrutura da física newtoniana foi a descoberta de que os átomos, os supostos sólidos tijolos do universo físico, eram maioritariamente constituídos por espaço vazio. Quão vazio? Se usarmos uma bola de basquete para representar o núcleo de um átomo de hidrogénio, o electrão à sua volta estaria cerca de 30 quilómetros afastado – e o espaço entre ambos estaria vazio. Por isso, quando olhar à volta, lembre-se de que o que está aí são pontinhos pequeninos de matéria rodeados de nada.
Bem, não é bem assim. Esse suposto “vazio” não é nada vazio: contém enormes quantidades de energia subtil e poderosa. Sabemos que a energia aumenta à medida que caminhamos para níveis mais subtis de matéria (sendo a energia nuclear um milhão de vezes mais potente do que a energia química, por exemplo). Os cientistas dizem agora que há mais energia num centímetro cúbico de espaço vazio (cerca do tamanho de um berlinde) do que em toda a matéria conhecida do universo. Embora os cientistas não tenham sido capazes de medir isso directamente, já viram os efeitos deste mar de energia imensa.





Quebra-Cabeças 2 – Partícula, Onda ou Ondícula?
Não só existe “espaço” entre as partículas como, à medida que os cientistas sondam mais profundamente o átomo, descobrem que as partículas subatómicas (os constituintes dos átomos) também não são sólidas. E aparentemente têm uma aparência dual. Dependendo de como as olhamos podem comportar-se como partículas ou ondas. As partículas podem ser descritas como objectos sólidos separados com localizações espaciais específicas. As ondas, por outro lado, não são localizadas nem sólidas, mas sim dispersas, como ondas sonoras ou ondas de água.
Enquanto ondas, os electrões ou fotões (partículas de luz) não têm localização precisa, mas existem como “campos de probabilidade”. Enquanto partículas, o campo de probabilidades “colapsa” num objecto localizável num local e tempo específicos.
Espantosamente, o que parece fazer a diferença é a observação ou a medição. Os electrões não observados nem medidos comportam-se como ondas. Mal os sujeitamos a observação numa experiência, “colapsam” numa partícula e podem ser localizados.
Como pode algo ser ao mesmo tempo uma partícula sólida e uma onda suave e fluida? Talvez o paradoxo possa ser resolvido relembrando o que dissemos acima: as partículas “comportam-se” como ondas ou partículas. Mas a “onda” é apenas uma analogia. Tal como “partícula” é uma analogia do nosso mundo quotidiano. Esta noção de onda foi solidificada na teoria quântica de Erwin Schrödinger que, com a sua famosa “equação de onda”, resumiu matematicamente as probabilidades da função de onda da partícula antes da observação.
Na tentativa de o clarificar, os cientistas não sabem na realidade com que raio estão a lidar, mas o que quer que seja, nunca viram nada assim. Alguns físicos chamam a este fenómeno “ondícula”.

Quebra-Cabeças 3 – Saltos Quânticos e Probabilidade
Ao estudar o átomo, os cientistas descobriram que quando os electrões se movem de órbita em órbita em torno do núcleo, não se movem no espaço como os objectos comuns – movem-se instantaneamente. Ou seja, desaparecem de um sítio, uma órbita, e aparecem noutro. A isto se chama salto quântico.
Como se isso não quebrasse já regras suficientes do senso comum da realidade, descobriram também que não conseguiam determinar com exactidão onde iriam aparecer os electrões nem quando iriam saltar. O melhor que conseguiam fazer era formular as probabilidades (a equação de onda de Schrödinger) da nova localização do electrão. “A realidade como nós a sentimos está constantemente a ser criada de fresco a cada momento a partir desta quantidade de possibilidades”, diz o Dr. Satinover, “mas o verdadeiro mistério disto é que, dessa quantidade de possibilidades, qual é aquela que vai acontecer não é determinado por algo que faça parte do universo físico. Não há nenhum processo que faça isso acontecer”.
Ou como muitas vezes se diz: os eventos quânticos são os únicos eventos verdadeiramente aleatórios do universo.

Quebra-Cabeças 4 – O Princípio da Incerteza
Na física clássica, todos os atributos de um objecto, incluindo a sua posição e velocidade, podem ser medidos com uma precisão apenas limitada pela nossa tecnologia. Mas ao nível quântico, sempre que medimos uma propriedade, tal como a velocidade, não se consegue medir com precisão as suas propriedades, tais como a posição. Se sabemos onde algo está, não podemos saber a que velocidade vai. Se sabemos a que velocidade vai, não sabemos onde está. E por mais avançada ou subtil que seja a tecnologia é impossível penetrar nesse véu de precisão.
O Princípio da Incerteza (também referido como Indeterminância) foi formulado por Werner Heisenberg, um dos pioneiros da física quântica. Ele afirma que, por mais que se tente, não se consegue medir com precisão a velocidade e a posição simultaneamente. Quanto mais nos concentramos num, mais perdida na incerteza fica a medida do outro.

Quebra-Cabeças 5 – Não-Localização, EPR, Teorema de Bell e Entrelaçamento Quântico
Albert Einstein não gostava de física quântica (para ser simpático). Entre outras coisas, respondia à aleatoriedade acima descrita com a infame frase: “Deus não joga aos dados com o universo.” À qual Niels Bohr respondeu: “Pare de dizer a Deus o que fazer!”
Numa tentativa de derrotar a mecânica quântica em 1935, Einstein, Pedolsky e Rosen (EPR) escreveram uma experiência em pensamento que tentava demonstrar quão ridícula era. Exposto de forma inteligente, uma das implicações da quântica que não era apreciada na altura: arranja-se maneira de ter duas partículas criadas ao mesmo tempo, o que significa que estariam entrelaçadas, ou em superposição. Depois enviavam-se para lados opostos do universo. Faz-se depois algo a uma partícula para alterar o seu estado; a outra partícula muda instantaneamente para adoptar o estado correspondente. Instantaneamente!
Esta ideia era tão ridícula que Einstein se referia a ela como “acção fantasmagórica à distância”. Segundo a sua teoria da relatividade, nada podia viajar mais depressa do que a velocidade da luz. E isso era infinitamente depressa! Para além disso, a ideia de um electrão se poder manter em contacto com outro do outro lado do universo simplesmente violava qualquer senso comum da realidade.
Então, em 1964, John Bell criou uma teoria que de facto dizia, sim, a asserção EPR está correcta. E precisamente isso que acontece – a ideia de algo ser local ou existir num local está incorrecta. Tudo é não-local. As partículas estão intimamente ligadas a um nível para além do espaço e do tempo.
Ao longo dos anos desde a publicação do teorema de Bell, esta teoria foi verificada vezes sem conta em laboratório. Tente pensar nisso um momento. O tempo e o espaço, as características mais básicas do mundo em que vivemos, são de alguma forma substituídos no mundo quântico pela noção de tudo a tocar tudo ao mesmo tempo. Não é de estranhar que Einstein pensasse que isto seria a morte da mecânica quântica – não faz sentido nenhum.
No entanto este fenómeno parece ser uma lei operável no universo. De facto, Schrödinger foi citado dizendo que o entrelaçamento não era um dos aspectos interessantes da quântica; era o aspecto. Em 1975, o físico teórico Henry Stapp chamou ao teorema de Bell “a mais profunda descoberta na ciência”. Repare que ele diz ciência, não apenas física.