Átomo duplicado: o pulo do gato

Flávio Dieguez e Cássio Leite Vieira

A física acaba de provar que um átomo é capaz de estar em dois lugares na mesma fração de segundo.

Todo mundo provavelmente já pensou, uma vez ou outra, como seria bom estar em dois shows no mesmo horário. Só que é impraticável, certo? Ou você está em casa ou está no colégio, não tem jeito. Ou melhor, não tinha. Em maio deste ano os físicos americanos David Wineland e Chris Monroe, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, em Boulder, Colorado, descobriram que às vezes o impraticável acontece. Numa experiência sensacional, eles conseguiram fazer um átomo aparecer em dois pontos diferentes do espaço no mesmo e exato instante.

Isso não significa que de agora em diante você conseguirá ir a dois shows no mesmíssimo horário, mas está provado que o átomo pode estar aqui e ali numa só fração de segundo. Em algumas circunstâncias, é assim mesmo que a natureza funciona. Antes de Wineland e Monroe, já se sabia que as partículas subatômicas eram capazes desse tipo de proeza, mas ninguém tinha demonstrado que o efeito alcançava um átomo inteiro. Será que seres grandes como os gatos poderão repetir a façanha? Vire a página e descubra o que os físicos têm a dizer sobre essa possibilidade.

A Mecânica Quântica é o ramo da Física que estuda os átomos por fora e por dentro. Criada nas primeiras décadas do século, ela é ótima, a mais útil de todas as teorias científicas, disparado. Hoje, praticamente tudo depende dela, a começar pelos aparelhos domésticos como a televisão e os computadores, até os instrumentos mais refinados como radares e microscópios eletrônicos. Ainda mais importante, suas equações explicaram pela primeira vez as reações da química e da bioquímica, o funcionamento das estrelas e do Universo inteiro. Enfim, este século tem a cara da Mecânica Quântica, com toda a justiça.

Mas nem os físicos entendem direito o que ela faz. “Posso dizer sem me enganar que ninguém compreende a Mecânica Quântica”, escreveu o americano Richard Feynman (1918-1988), um dos cientistas mais brilhantes deste século, conhecido justamente por explicar conceitos difíceis sem complicar. Numa de suas palestras, Feynman abriu o jogo: “Vou contar-lhes como funciona a natureza”, disse. “Mas evitem ficar perguntando, ‘como é que pode ser assim?’, ou vão acabar num beco sem saída. Ninguém sabe por que as coisas são assim.”

Logo depois de inventar a nova mecânica, seus criadores começaram a desconfiar do que tinham feito. Um deles, o austríaco Erwin Schrödinger, disse em 1935 que, se fosse levar a sério as leis da quântica, teria de acreditar em mortos-vivos. Para ilustrar a afirmação, ele bolou uma experiência imaginária na qual um gato era trancado numa caixa de metal junto com um vidro de veneno e um pedaço de metal radioativo. Depois de 1 hora, o que acontecia com o animal? A resposta, explicou Schrödinger, dependia do metal. Se emitisse radiação, faria o vidro quebrar e o veneno liquidaria o gato. Se não, o felino passaria incólume pela armadilha.

Do gato para o átomo

O problema é que para as regras quânticas nenhuma das duas possibilidades poderia ser excluída. Enquanto a caixa estivesse fechada e ninguém olhasse lá dentro, o gato permaneceria num estado indefinido, morto e vivo a um só tempo. Foi uma situação como essa que os físicos americanos David Wineland e Chris Monroe criaram agora no laboratório. Não é a mesma coisa, claro, pois eles observaram um simples átomo balançando de um lado para outro numa gaiola magnética. Mas a situação é análoga, já que a certa altura do vaivém a possibilidade de o átomo estar de um lado ou de outro da gaiola era a mesma. Não havia como decidir. Os americanos, então, checaram a posição do átomo com um laser, confirmando sua presença nos dois lados ao mesmo tempo (veja o infográfico abaixo).

Sensação de rídiculo

Voltando ao gato, o que interessava a Schrödinger era mostrar que a lei probabilística da radiação podia “afetar” um objeto grande, como um animal, com conseqüências absurdas. A questão central, portanto, era a incerteza sobre a radiação, que até onde a Física sabe, não tem hora para sair dos metais. Mais cedo ou mais tarde, ela acaba escapando. De alguma maneira, no fundo do metal, um núcleo atômico treme, perde um pedaço de seu corpo e o fragmento dispara como uma partícula subatômica superveloz. Cada átomo radioativo tem um prazo para se fragmentar. Num metal como o rádio, o prazo é de 1 620 anos. No final desse período, metade do rádio desaparece, deixando com meio quilo um bloco que originalmente pesava 1 quilo.

Numa única hora, porém, a incerteza é total: a partícula tem exatamente 50% de chance de pular fora do metal e 50% de ficar por lá mesmo. Automaticamente, o destino do gato padece da mesma indefinição. E isso, declarou Schrödinger, quer dizer que o bicho está vivo e morto também, sem meio termo possível. Schrödinger mesmo havia criado, por acaso, a equação para calcular as probabilidades que definem a situação do gato. Mas, para ele, a fórmula final deveria descrever o movimento das partículas subatômicas, ou seja, corpos materiais. Só mais tarde o alemão Max Born mostrou que ela representava probabilidades, números abstratos. Schrödinger se sentiu ridículo, já que números não se movem por aí, existem apenas na mente (veja o texto azul na página anterior). Declarou, então, que alguma coisa devia estar errada com sua equação. Mas foi inútil. Daí em diante as probabilidades se tornariam ferramentas essenciais no trabalho dos físicos.

Antes de tentar entender por que o uso das probabilidades deixou os físicos incomodados, é bom lembrar que na virada do século a Física clássica tinha chegado aos seus limites. Ela topou com enigmas aparentemente insolúveis do ponto de vista de seus fundamentos. Um desses problemas era que, de acordo com os ensinamentos tradi-cionais, os elétrons nunca poderiam girar em torno do núcleo do átomo. Porque, ao girar, o elétron perde energia, ou seja, velocidade. E, ao ficar mais lento, cairia para dentro do núcleo. O átomo não poderia existir, o que é absurdo, claro. Não há dúvida de que os átomos existem. A quântica resolveu o enigma dando um jeito de o elétron girar sem perder energia. Basta que ele esteja em órbitas especiais, que a teoria ensina a calcular, e nas quais a probabilidade de perder energia é zero. Graças a isso os átomos ficam inteiros.

Uma discussão histórica

Mas a introdução das probabilidades no mundo físico gerou um dos maiores rebus de toda a história do conhecimento. Filósofos, escritores e políticos entraram na discussão e fizeram todas as especulações que tinham direito. Trocaram argumentos brilhantes, mas entendimento que é bom, nada. Num único ponto todos concordavam: a Mecânica Quântica mudava pela raiz o modo como a ciência encarava a realidade. Já não existia exatidão absoluta nos resultados da Física. Não havia certeza se as coisas tinham forma definida, como a de uma bola redonda e raio preciso, medido com régua e compasso.

Restaram só porcentagens

De 1930 em diante, as bolas ficaram incertas como nevoeiro, um corpo espalhado no espaço e no tempo, e tanto podiam estar aqui como mais adiante. De certo, restavam apenas porcentagens: calculadas pela fórmula mais importante da teoria, a equação de Schrödinger, elas governavam tudo, informando que parte da bola estava em que lugar e quando, e para onde se movia. E sendo a equação o retrato disponível da realidade, nas interpretações mais radicais, a bola era vista como uma esfera abstrata, feita de porcentagens. No centro vinha a marca de 100%, indicando que ali se acharia a bola sempre que se procurasse. Mais para fora, os números iam caindo indefinidamente, numa representação dos limites imperfeitos do objeto.

Em todos os debates, que se mantiveram acesos durante mais de dez anos, nos meados das décadas de 20 e 30, essa era a questão mais perturbadora e mais criticada: não fazia sentido reduzir a matéria a números ou qualquer outra entidade matemática. Não eram poucos os que defendiam essa posição com sinceridade. Werner Heisenberg, o mais admirado prodígio da quântica, comparava as partículas subatômicas a figuras geométricas. Mais ou menos da mesma maneira como o sábio grego Platão, no quinto século antes de Cristo, achava que os triângulos constituíam a essência das coisas. “As partículas elementares dificilmente podem ser chamadas de ‘reais’ na verdadeira acepção da palavra”, declarou Heisenberg numa conferência.

“Deus não joga dados”

Já Albert Einstein fazia coro com Schrödinger. Foi nessa época que ele pronunciou uma frase memorável: “Deus não joga dados”. Os dados, nessa comparação, eram as porcentagens que governavam o movimento das partículas. Einstein tinha um motivo muito forte para não admitir plenamente a equação das probabilidades, pois achava que a nova mecânica contradizia a teoria da relatividade, de sua autoria. Argumentou que, se seguisse as regras quânticas, uma partícula poderia agir sobre outra com velocidade superior à da luz. E a idéia fundamental da relatividade era que nada podia superar essa velocidade. Opositor discreto e polido, que sempre ressaltava o valor, mesmo que parcial, da quântica, Einstein fez em 1930 uma última tentativa para expor suas contradições. Depois se calou (veja o texto azul na página anterior).

Muitos, já no início do século, simplesmente desistiram de entender a quântica, posição que parece ser a dominante entre os físicos modernos. Para eles, a teoria resolve um monte de problemas, e isso já está bom demais. Mesmo que o preço seja o silêncio. Como o americano Richard Feynman explicava aos ouvintes de suas palestras, não dá para ficar fazendo perguntas para as quais, honestamente, não existe resposta no estágio atual do conhecimento.

A eficiência da Física moderna já está comprovada à exaustão. E certamente não foi por esse motivo que os americanos Monroe e Wineland decidiram reproduzir no laboratório a experiência que Schrödinger fez na imaginação. O que eles querem é verificar até que ponto persistem os efeitos quânticos. Na visão tradicional eles valem somente em escala subatômica. Coisas grandes não entram, têm de ser estudadas pelas teorias ditas “clássicas”. Mas até que ponto grande é grande, pequeno é pequeno? Isso é o que a equipe de Boulder, Colorado, quer saber.

Dois mundos separados

No artigo em que anunciaram o resultado de sua experiência (publicado pela revista americana Science de 24 de maio), Monroe e Wineland escreveram: “No centro dessa questão histórica está a universalidade da Mecânica Quântica.” Para eles, as equações não deveriam ficar confinadas ao campo das coisas minúsculas. Esclarecem que a idéia de separar a realidade em duas partiu do dinamarquês Niels Bohr e de Werner Heisenberg. Bohr, especialmente, afirmava que os mundos macroscópico e microscópico eram “complementares”. Ambos se submetiam às regras quânticas, mas nos objetos grandes o efeito era desprezível e podia ser descartado. Por isso, os corpos macroscópicos continuavam governados pelas leis clássicas. Isso acontece com os raios de luz, que agem como ondas, em escala grande, e como um feixe de partículas em escala pequena (veja o infográfico abaixo). Monroe e Wineland deixam claro que não concordam com Bohr. “Ele e Heisenberg forçaram uma divisão aparentemente arbitrária entre os mundos clássico e quântico”, escreveram os americanos.

Para ver como a questão ainda está quente, é só ler o livro A Mente Nova doRei, do inglês Roger Penrose, lançado no Brasil em 1991 (veja Para Saber Mais). Catedrático em Matemática na Universidade de Oxford e um líder da pesquisa teórica atual, Penrose gasta muitas páginas convencendo os leitores de que não é razoável uma teoria dar resultados significativos só no reino subatômico. “Acho que a Mecânica Quântica está errada no que diz respeito aos corpos macroscópicos”, disse o cientista à SUPER.

Diversas experiências recentes mostram que ainda dá para ampliar os limites do mundo quântico. O feito de Monroe e Wineland é um recorde impressionante, já que até agora só partículas subatômicas haviam sido forçadas a ficar em dois lugares ao mesmo tempo. O átomo que eles “duplicaram” nos Estados Unidos, apesar de ser 10 milhões de vezes menor que 1 milímetro, ainda é no mínimo 100 000 vezes maior do que qualquer subpartícula. E, ao se desdobrar em dois, ficou distante de si mesmo mais de 80 vezes o seu próprio tamanho. Quer dizer, se fosse com um leitor da SUPER, suas duas “personalidades” ficariam afastadas 1 300 metros uma da outra. Mais de 1 quilômetro!

E agora, o que vai acontecer?

O próximo passo será descobrir até onde avança esse território intermediário entre os objetos “médios”, como os átomos, e os grandes, como moléculas ou seres vivos. “Com isso, podemos estudar a fronteira entre os fenômenos macroscópicos e microscópicos”, disse à SUPER o físico brasileiro Luiz Davidovich, do Instituto de Física da Universidade do Rio de Janeiro. Ele deve saber, pois ganhou reputação internacional em pesquisas sobre o uso da estatística nos fenômenos quânticos. Elas foram úteis na experiência dos americanos e são citadas por eles.

E agora, o que vai acontecer com o mundo? Nada de sobrenatural. Penrose aposta que a reforma da Física vai nascer de um casamento entre seus dois alicerces atuais: a própria quântica e a teoria da relatividade. Nem Penrose, nem ninguém, sabe como fazer essa união. Mas, nas tentativas que virão, experiências como a de Wineland e Monroe certamente vão ter importância decisiva.

É bom entender que tudo isso está dentro do limite de comprovação da Física. O fato de o átomo ficar em dois lugares ao mesmo tempo é real. Está sendo investigado, inclusive, porque pode ajudar a projetar computadores mais velozes. A experiência não é um sinal de que existe transmigração das almas, ectoplasma, energia nas pirâmides ou poder nos pêndulos ou cristais. A quântica pode até conter inconsistências, mas dá resultados rigorosamente concretos e reais.

PARA SABER MAIS

Problemas da Física Moderna, vários autores, Editora Perspectiva, São Paulo, 1969.

A Teoria dos Quanta e o Cisma na Física, Karl Popper, Publicações D. Quixote, Lisboa, 1982.

O que é uma Lei Física, Richard Feynman, Gradiva, Lisboa, 1989.

A Mente Nova do Rei, Roger Penrose, Editora Campus, Rio de Janeiro, 1991.