O incrível salto do elétron

Gerd Leuchs

Mecânica Quântica tornou-se famosa por suas idéias heterodoxas, mas poucas causaram tanta confusão, historicamente, como o conceito de salto quântico. Criado pelo dinamarquês Niels Bohr, em 1913, sustenta que dentro de um átomo existem regiões proibidas – onde os elétrons não podem permanecer e, segundo algumas interpretações, nem mesmo atravessar. Os territórios proibidos pareciam simplesmente não existir, criando grande desconforto intelectual para os físicos da época. O paradóxico persiste, mas as revolucionárias descobertas tecnológicas das ultimas décadas abriram uma nova perspectiva de pesquisa, pois com a sua ajuda tornou-se possível observar um único átomo no insondável momento em que um elétron realiza o salto quântico.

Por meio das novas experiências, os físicos procuram eliminar as dúvidas que no passado atormentaram os próprios criadores da Mecânica Quântica. Uma delas pergunta quanto tempo o elétron leva para dar o salto quântico – se ele não atravessa espaço algum, não deveria gastar tempo algum. Parece lógico, mas uma coisa não assegura a outra. O fato é que há uma demora, como se pode verificar observando a emissão de luz pelo elétron toda vez que este dá um salto quântico. Isso ocorre sempre que o elétron recebe um raio de luz, absorve a energia luminosa e passa de uma órbita mais próxima do núcleo atômico para outra mais distante. Em seguida, emite a energia absorvida, novamente na forma de um átomo de luz, e dá um salto quântico. É possível medir o tempo gasto entre o recebimento e a devolução da energia luminosa. Como esse tempo não é zero, parece claro que o salto quântico não é instantâneo.

Recentemente esse fenômeno foi testado por meio de uma experiência ao mesmo tempo curiosa e bizarra para o senso comum. Trata-se de enviar simultaneamente uma única partícula de luz, ou um fóton, ao longo de duas trajetórias diferentes. Parece bobagem pensar que um mesmo corpo possa estar em dois lugares ao mesmo tempo, mas assim é a Mecânica Quântica. E o pior é que ao final do trajeto o fóton interage consigo mesmo, produzindo o que se chama padrão de interferência. A explicação é que, nessa experiência, o fóton exibe uma de suas duas faces alternativas, deixando de se comportar como partícula e assumindo as feições de uma onda – uma transformação que lhe permite ao mesmo tempo espalhar-se pelo espaço, como se navegasse por duas rotas num só movimento, e também interferir consigo mesmo.

Então, como duas ondas de água que se encontram, pode haver um fortalecimento da ondulação se as duas cristas se sobrepuserem. Se, em vez disso, uma crista encontrar-se com um vale, as ondas acabarão por se cancelar mutuamente. O fóton, no melhor estilo quântico, interfere consigo mesmo: comporta como um conjunto de ondas e produz uma série de faixas claras, representando pontos onde as ondas se fortalecem, e de faixas escuras, representando pontos onde as ondas se cancelam. O objetivo dessa experiência é descobrir o que se denominou “comprimento de coerência”, isto é, a maior diferença possível de trajetos sem prejudicar o padrão de interferência, pois quando um caminho do fóton se torna muito maior que o outro a imagem dica difusa. Essa diferença de passo é uma indicação dos limites físicos do fóton.

Na prática, o esmaecimento da imagem de interferência, em virtude da diferença de trajetória, ocorre sempre que os caminhos diferem por uma distancia de cerca de 3 metros. Essa seria a “largura” do fóton quando ele deixa a forma corpuscular e sua energia flutua no espaço como uma onda: a distância representa um período de tempo cerca de 3 bilionésimos de segundo: o tempo que a própria luz levaria para percorrê-la. Esse é o prazo que o elétron levaria para emitir um fóton depois de dar um salto quântico. Portanto, a experiência fornece uma medida moderna do antigo paradoxo, em que o salto em si não toma tempo real, mas a emissão de luz demora a ocorrer.

Pode-se entender melhor porque o criador do salto quântico tinha dúvida sobre sua invenção e por que outros de seus companheiros, como o austríaco Erwin Schrödinger, não queriam nem ouvir falar dela. Na época, Schödinger expôs seu descontentamento publicamente. “Se for para ficar com essa história dos malditos saltos quânticos”, investiu, “eu lamentarei ter perdido o meu tempo com a teoria Quântica”. Depois disso, muitos pesquisadores modernos passaram a evitar a expressão original de Bohr para não se meter em confusões conceituais. É melhor não pensar nesse problema, racionam, pois de qualquer maneira é possível observar e emissão de um único fóton por um único átomo.
No entanto, depois de observar a interferência de um fóton solitário, os físicos acabaram aprendendo a isolar um átomo utilizando uma armadilha difícil de operar, mas que no final deu resultado. O primeiro a trabalhar seriamente nessa direção, há quarenta anos, foi o alemão Wolfgang Paul, professor da Universidade de Bonn. No ano passado, ele recebeu o prêmio Nobel por sua obra na área de Ótica Quântica. [Não confundir com o austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958), Prêmio Nobel de Física em 1945] Paul imaginou uma armadilha para aprisionar um átomo eletricamente desequilibrado, no qual na falta de um ou mais elétrons cria um excesso de cargas positivas, concentradas no núcleo. Assim, se poderia aprisionar esse átomo carregado – ou íon, segundo jargão técnico – por meio de forças magnéticas.

O aparelho de Paul era composto por duas conchas metálicas montadas a certa distância uma da outra, ambas com carga negativa. Entre elas havia um anel carregado positivamente e no seu centro se esperava fixar o íon. Inicialmente, ele seria atraído pelas placas. Mas, antes que percorresse a distancia completa, a polaridade das placas seria invertida, repelindo-o. Assim sucessivamente, de modo a impedir que a partícula saísse do centro do anel. A principal dificuldade dessa operação é descobrir se realmente há uma partícula aprisionada na armadilha. Paul trabalhou com um elétron e não com um íon, porque o elétron é muito leve e, portanto mais rápido: seu movimento pode ser captado pelo anel que, nesse caso, age como uma simples antena.

Muitos anos depois o mesmo feito dói obtido por uma equipe de físicos da Universidade de Seattle, nos Estados Unidos, chefiada pelo alemão naturalizado americano Hans Dehmelt, também ganhador do prêmio Nobel em 1989 junto com Paul. Nessa nova tentativa foi possível manter cativo um elétron pelo longo período de um ano. Gerald Gabrielse, colega de Dehmelt, afirmou, brincando, que já tinha desenvolvido um sentimento de intimidade com o elétron cativo quando, por acidente, uma queda de tensão desarmou a arapuca e levou a experiência de roldão. De todo modo, o objetivo real da equipe era capturar um íon, o que se tornou possível com a ajuda de um laser. Por incrível que pareça, o laser é capaz de reduzir a mobilidade do íon, ao mesmo tempo em que fornece energia para os saltos quânticas dos elétrons no seu interior.

O truque é feito da seguinte maneira: o feixe de laser é ajustado para emitir fótons com energia um pouco menor do que a necessária para o salto quântico. Assim quando a luz atinge um dos elétrons, basta apenas um pequeno acréscimo de energia para que ele mude de órbita. Esse acréscimo acaba saindo da energia de movimento do íon, que fica um pouco menos agitado e um pouco mais prisioneiro no interior do anel. Ao mesmo tempo, o elétron que saltou permanece numa órbita superior até emitir um fóton e voltar ao estado anterior, “não-exitado”, como dizem os físicos. A luz emitida pelo elétron é chamada fluorescência e é possível vê-la através de um microscópio, onde o íon aparece como um ponto pequeno e bem claro.

Também é possível calcular quantos fótons fluorescentes o íon emite por segundo, obtendo-se por tabela o tempo de permanência do elétron na órbita superior. Estima-se o número de fótons absorvidos pelo íon na casa dos 100 milhões por segundo, gerando novamente o tempo de 10 bilionésimos de segundo para o prazo que o elétron demora para emitir luz. Posteriormente a experiência foi aprimorada com o emprego simultâneo de dois feixes de laser, um de baixa energia e outro de alta energia. O objetivo então era forçar dois saltos quânticos: um para uma órbita relativamente baixa, onde o tempo de permanência é curto, outro para uma órbita bem acima, onde o tempo de permanência pode chegar a 1 segundo – portanto, bilhões de vezes mais demorado que o primeiro.

O resultado é que na maior parte da experiência observa-se a luz fluorescente gerada nas órbitas de vida curta. Muito raramente ocorre um salto de alta energia e de vida longa, com a emissão de um único fóton, impossível de se ver. Essa transição, portanto, é denunciada por uma ausência de luminosidade fluorescente, permitindo, pela primeira vez, comparar dois saltos quânticos num único átomo e medir a demora da emissão em cada circunstância. O resultado é bem diverso das experiências em que muitos átomos são observados simultaneamente, quando a fluorescência varia de modo muito gradual conforme a vida curta ou longa dos saltos quânticos. Quando um átomo isolado esta presente, a variação na intensidade de luz às vezes é brusca, às vezes é gradual.

As experiências geram muito animação entre os cientistas, mais ainda é cedo para uma palavra final sobre o seu significado. Parece certo que em qualquer caso a emissão de fótons sempre demora algum tempo e nunca é imediata, como seria de esperar de acordo com o conceito tradicional dos saltos quânticos. Por isso mesmo, alguns cientistas que defendem a idéia original acham excesso de pretensão tentar comparar dois saltos quânticos diferentes dados pelo mesmo elétron, ora em direção a uma órbita de vida curta, ora em direção a uma órbita de vida longa. A própria meta dos experimentos, portanto, seria absurda, daí as transições inesperadas na intensidade de luz.

Apesar disso, as experiências certamente mostraram um horizonte totalmente novo no obscuro interior do átomo, desde então observado individualmente e não mais aos magotes de incontáveis milhões. De inicio, essa perspectiva abre espaço para um sem-número de especulações, como, por exemplo, a idéia de que o tempo subatômico talvez não tenha um fluxo suave como àquele com o qual o homem está acostumado. O próprio tempo poderia dar saltos alucubram alguns. O surgimento dessas idéias, no entanto significa apenas que as novas habilidades da Física pavimentam o caminho para muitas outras experiências, cada vez mais reveladoras sobre a natureza da matéria.

Para saber Mais

QED – A estranha teoria da luz e da matéria, Richard Feynman, Gradiva, Lisboa, 1988

À procura do gato de Schrödinger, John Gribbin, Editorial Oresençam, Lisboa, 1986

Um salto na ciência

Grande parte das dores de cabeça geradas pela Física moderna decorre da enorme distância em que o mundo atômico se encontra do mundo cotidiano. Tudo que se passa no interior de um átomo – uma esfera inimaginavelmente pequena cujo raio é 10 milhões de vezes menor que 1 milímetro – tem de ser medido na distancia imensa do local onde ocorre, portanto, de modo extremamente indireto. Foi assim que se chegou ao valioso, porém paradoxal conceito de salto quântico, há quase oitenta anos. Esses saltos atômicos eram uma hipótese ousada, a tal ponto que Einstein a considerou “um milagre”. Mais como ela foi possível dar uma resposta a fenômenos até então inexplicáveis, como a emissão de luz pelos átomos, fundando uma teoria imbatível ainda hoje. É certo que não se pode descrever com detalhes o salto do elétron, mas isso não torna a hipótese uma forma de conhecimento inferior a qualquer outra. Trata-se apenas de uma etapa – um salto – no curso vivo da ciência. Com o tempo, sucessivos experimentos mais precisos poderão fornecer pistas para uma nova teoria do átomo, menos assaltada por paradoxos como os que deixam muitos pesquisadores em situação de desconforto quando incursionam pelos territórios quânticos.