3 de março de 2012

Conceitos básicos de Física Quântica II


O homem não pode, pelas investigações das ciências, penetrar em alguns dos segredos da natureza? A ciência lhe foi dada para seu adiantamento em todas as coisas, mas não pode ultrapassar os limites fixados por Deus. (´'O Livro dos Espíritos, Questão #19)

Apresentação elementar de conceitos básicos em física quântica para que o leitor possa melhor julgar e se posicionar diante dos que pretendem misturar espiritualismo com essa especialidade da física.

O caráter não ordinário da experiência das duas fendas (ver post anterior) é porque a Natureza revela um comportamento ondulatório, mesmo para objetos pertencentes ao mundo físico que antes imaginávamos bem sólidos. Como dissemos, o experimento das duas fendas surgiu nos estudas da óptica, ou seja, com fenômenos luminosos. Poderíamos nos perguntar se a luz, apresentando esse comportamento, de fato revela algo essencial e definitivo na natureza em seu comportamento ondulatório. Contrariamente ao esperado tal não acontece. A luz também se comporta como uma partícula!

O efeito fotoelétrico

O experimento crucial que demonstra esse fato é o efeito fotoelétrico explicado por Einstein (1905) como a colisão de fótons com elétrons. Na Fig.3 ilustramos o efeito. Um placa (E de emissor) é iluminada por luz. Elétrons são arrancados e recolhidos por uma segunda placa (C de coletor):

Fig. 3 Ilustração do princípio do efeito fotoelétrico.
Se as placas forem ligadas a um circuito elétrico externo, uma corrente elétrica flui. Esse sistema tem inúmeras aplicações tecnológicas tais como sensores de intensidade de luz (fotômetros), baterias solares, câmeras fotográficas digitais etc. A única explicação possível para o fenômeno é se admitirmos que partículas luminosas colidem diretamente com os elétrons, fornecendo energia a eles que é suficiente para iniciarem a jornada até a placa C. Cada partícula de luz fornece o chamado quantum de energia aos elétrons, que depende bastante da espectro (ou freqüência das oscilações luminosas) característico da fonte de luz. Para retirar um elétron do metal é necessário uma certa energia que chamamos de E. Os elétrons livres adquirem uma energia cinética que denotaremos por K. A relação fundamental descoberta por Einstein então se escreve:

hf = K + E

onde f é a freqüência da luz incidente (número de vibrações por segundo) e h é uma nova constante conhecida como constante de Planck (=6,6E-34 Js). Essa relação diz duas coisas: que a energia associada ao quantum de luz é dada pelo produto hf e que tal energia é dividida no fenômeno entre a energia de liberação (representada pelo potencial K) e a energia cinética ou energia de movimento (E) da partícula. Se existir um potencial mínimo para a liberação do elétron do material (concebivelmente, o elétron está associado ao material e precisa de energia para ser libertado), então apenas quando a energia luminosa conseguir atingir o valor característico do material é que o efeito fotoelétrico ocorrerá (o necessário para que E>0).


Na mecânica clássica (que é a mecânica dos objetos macroscópicos) sabemos que objetos possuem uma energia característica que é uma medida de sua liberdade dentro de um sistema ('sistema' aqui é entendido de forma bem geral como um arcabouço físico ou arrajo que permite que determinados fenômenos ocorram). Consideremos, por exemplo, um objeto movendo-se em uma dimensão como mostra a Fig.4. Esse objeto tem uma energia cinética inicial que chamamos de E. Imaginemos que ele seja lançado contra uma barreira de potencial de origem gravitacional, isto é, trata-se de um “morro” que o móvel pode transpor ou não dependendo de sua energia inicial. Se o “morro” tem altura A, dado que a massa do corpo é m e a aceleração da gravidade é g, somente haverá transposição da barreira se

E > mgA

ou seja, somente se E for maior que a energia potencial como determinada pela altura da barreira. Tal processo é chamado de espalhamento clássico. Sabemos que desde que o objeto tenha energia suficiente para transpor a barreira, ele será encontrado no lado direito como mostra a fig. 3. Se não ele retorna em sentido contrário como mostra a Fig. 4 para E < mgA .

Fig. 4 Processo de espalhamento 'clássico'.
Aspectos bastante inusitados aparecem se considerarmos o processo de espalhamento de uma “partícula quântica” por um potencial Vo (ver fig. 5). Como vimos uma partícula quântica não se comporta bem como uma partícula. Devemos associar uma onda de probabilidade a ela. Por causa do caráter probabilístico, não se pode falar que a partícula ultrapassou a barreira de uma maneira definitiva. Se quisermos “confinar” a partícula a uma região do espaço onde se tem maior certeza, então não podemos associar a partícula uma energia qualquer, muito menos uma energia definida. Ao invés de E, dizemos que existe uma energia média <E>. O fato é que se <E> > Vo, a partícula atravessa a barreira, mas a probabilidade de se encontrar a partícula antes da barreira não é nula. Isso porque a onda de probabilidade inicial é parcialmente transmitida e parcialmente refletida. Isso contrasta com o caso clássico onde para E > mgA, a partícula necessariamente é transmitida completamente.

Fig. 5 Tunelamento quântico.
Por outro lado, se <E> < Vo, é possível encontrar a partícula do outro lado da barreira! Esse fenômeno estranho é chamado de tunelamento quântico e é uma das marcas registradas da fenomenologia quântica. Tudo ocorre como se a partícula tivesse atravessado a barreira de potencial e aparecesse do outro lado. Uma outra maneira de se ver isso é considerar que a natureza ondulatória da matéria se manifesta através da incerteza de posição, o que designa uma probabilidade diferente de zero para se encontrar a partícula do outro lado da barreira, ainda que a energia dela seja insuficiente para atravessar o morro de potencial. Veremos depois onde ele se aplica (p. ex., a física nuclear faz uso do tunelamento quântico para explicar e explorar processos nucleares; geração de energia etc).

Fig. 6 Ilustração sumária sobre diferença entre o efeito de tunelamento clássico (acima) e quântico (abaixo).

O que podemos concluir disso tudo? Que, uma vez garantida as condições para que os efeitos quânticos ocorram, a Natureza se comporta de uma maneira bastante diversa da maneira como estamos acostumados a ver em nosso mundo (Fig. 6).

Entretanto, a maneira como esses fenômenos são apreendidos pelas técnicas experimentais tem pouco a ver com a maneira como nos certificamos das coisas a nossa volta. Isso é uma lição importante a ser observada, já que ela nos revela que a maneira como vemos o mundo é muito particular e não pode ser estendida para outras 'realidades'. No caso quântico essa 'realidade nova' aparece quando consideramos fenômenos envolvendo partículas ou sistemas verdadeiramente microscópicos (mesmo um vírus é um ser vivo grande se comparado a um sistema quântico). Também, fenômenos quânticos podem ocorrer quando a temperatura dos sistemas físicos é abaixada para valores muito próximos ao chamado 'zero absoluto' (-273 graus abaixo do zero centígrado). Nessa condição, os efeitos quânticos também aparecem, pois então a matéria está 'congelada', o que permite que o comportamento microscópico de seus constituintes (os átomos) se revelem de forma organizada no nível macroscópica.

Veremos em detalhes isso nos próximos postos da série 'Conceitos básicos de Física Quântica'. 

Referências

 Einstein A. (1905) Annalen der Physik, 17,132.

Outros posts

Física Quântica e os espiritualistas no século 21 (análise preliminar).Conceitos básicos de Física Quântica I.

8 comentários:

  1. Caro Xavier,

    Queria sugerir-lhe que quando possível você fizesse uma crítica sobre a “teoria quântica (corpuscular) do Espírito” do Hernani, o mais técnico possível, mas de forma que nós os leigos possamos entender.
    Tá certo que essa hipótese a rigor já é bem antiga, desde os Herméticos clássicos há 2.000 ou 3.000 anos A.C já se afirmavam isso.

    Ele pega basicamente a teoria Kardequiana, a coloca num contexto teórico mais detalhado, e segundo ele com possibilidades de testar a teoria. Até hoje não tinha visto nada nesse estilo, dentro dos métodos das ciências naturais.
    Mas o que é que aconteceu? Não funcionou, não foi testada, tá parado, pq não vejo ninguém falar sobre, continuar essas pesquisas...

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    1. Ola William

      Obrigado por sua sugestão. Podemos sim preparar um post sobre a proposta de Hernani, é só eu localizar novamente o livro dele. Lembro-me de ter lido essa proposta faz muito tempo, quando eu ensaiava os primeiros passos no estudo da física.

      Mas posso adiantar algo: que eu me lembre, a proposta de Hernani na sua 'teoria corpuscular do Espírito', além de ser feita fora do contexto acadêmico (compreensivelmente), está ancorada na ideia de que o que determina o caráter 'espiritual' de uma entidade é o fato de ela estar fora do espaço tridimensional usual. Ora isso é algo meio problemático porque não temos ainda suporte teórico para a existência de uma quarta dimensão espacial. Existem muitas teorias que propõem um Universo 'multidimensional', mas são propostas muito especulativas, de difícil 'comprovação' como se diz. Tais propostas estão igualmente 'paradas' como vc diz, pois é difícil fazer o carro da ciência andar sem respaldo experimental.

      Além disso, o prof. Hernani parece não ter percebido o caráter especial da realidade espiritual: o Espírito é outra substância que, para ser estudada, não precisa de uma 'explicação física' para ser admitido e estudado. Essa postura do prof. Hernani é igualmente compreensível, pois ele viveu em uma época muito rígida da Parapsicologia, quando a maior parte dos pesquisadores das chamadas ciências 'psi' achava que poderia explicar a fenomenologia psíquica como derivações de experimentos de física, assunção de 'forças ocultas' e assim por diante. Dessa forma, o Hernani tentou montar uma explicação 'microscópica' que tivesse algum respaldo na física e que satisfizesse seus contemporâneos que ele considerava colegas de investigação e que viam com ceticismo a existência das inteligências incorpóreas no controle dos fenômenos.

      Acho que essa seria a linha argumentativa que poderíamos explorar numa análise mais moderna da teoria proposta por Hernani G. Andrade.

      Mais uma vez obrigado por seu comentário!

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  2. Caro Xavier,

    Tenho uma série de questões que queria fazer a um físico, mas que fosse transcendentalista, que pudesse expor suas opiniões e hipóteses pessoais sem ficar muito ligado obrigatoriamente à rigidez acadêmica ou a ‘pureza’ doutrinária - já que são assuntos que ainda estão em aberto – mas que tivesse as luzes das ciências físicas e dos assuntos extrafísicos.

    Sem querer abusar, queria aproveitar a pergunta anterior e pedir que você fizesse um artigo quando possível de como vc enxerga o Plano extrafísico (sua constituição). Uma quarta dimensão espacial no nosso espaço-tempo? Um espaço-tempo paralelo de natureza extrafísica?
    Na época de Kardec, como não conheciam ectoplasma eles achavam que estavam tocando um perispírito diretamente numa ‘materialização’. Eles viam o psicossoma de forma bem física mesmo, ao ponto de que com alguma condensação poderia se tornar tangível...
    viam o extrafísico como estando 100% ‘dentro’ do universo físico.
    Você enxerga o extrafísico como algo completamente psíquico? Ou é um tipo de matéria?
    Se é matéria então um dia deverá ser detectado, incorporado a física, já que os agentes theta conseguem manipular energia física certo ou ñ? Não deixaria de ser uma espécie de universo paralelo com algum tipo de interação com o nosso, mas com uma física (parafísica) diferente da nossa, correto?
    Outros dizem que é (o extrafísico) um outro nível quântico além do conhecido, que exatamente quer dizer isso?

    Algum tempo atrás tive uma projeção para fora do soma com lucidez suficiente para ficar agora me corroendo para entender um pouco melhor sobre a natureza desse plano.

    Então o pedido é que vc aprecie as hipóteses mais comuns da sua perspectiva, e tb que vc explicasse a sua visão pessoal baseado nos seus estudos e reflexões, para que possa ter mais dados para meditação.

    Abraços.

    Ps. Sei o plano extrafísico é uma substância diferente das hipóteses de outros universos, branas, espaço de Calabi yau (ñ sei como escreve) etc... Que embora hipotéticos está em outro contexto teórico. Usei esses termos como pontos de referência analógicos.

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  3. Caro William

    Agradeço e aprecio seu interesse em resolver tais questões da forma correta como vc diz sem puxar para o lado puramente acadêmico ou o outro da 'pureza doutrinária'. Mas, sinto que me faltam informações para resolver suas questões que considero serem minhas também. Mais que isso, sinto que sou totalmente incompetente para tentar ensaiar qualquer tentativa de solução. Digo isso sem nenhuma falsidade e gostaria realmente de poder dar alguma contribuição, coisa que reconheço ser totalmente incapaz.

    Mas vou ensaiar à título de hipótese e comentários baseados no que sei sobre algumas das opções que vc discute. Com relação a sua frase: "Na época de Kardec, como não conheciam ectoplasma eles achavam que estavam tocando um perispírito diretamente numa ‘materialização’. Eles viam o psicossoma de forma bem física mesmo, ao ponto de que com alguma condensação poderia se tornar tangível... " De fato, o termo 'ectoplasma' não foi criado por Kardec (atribuem a Richet este nome). Mas Kardec na Revue Spirite chegou a prever o fenômeno e discutir a questão da possibilidade de o perispírito se tornar 'tangível' por meio de modificações do fluido produzido pelo médium. A questão é que, são tão abundantes os relatos de tangibilidade por meio de um pseudo-corpo gerado por meio de ectoplasmias, que é não possível sustentar a ideia de que os espiritualistas da época acreditavam nisso como um hipótese. Nesse sentido o ectoplasma não é algo 'extrafísico', mas matéria comum que é gerada a partir de um fenômeno supostamente anômalo.

    O Espírito, este sim, seria uma outra substância, intangível, apenas que se pode revelar através de seus efeitos (ver o post sobre 'http://eradoespirito.blogspot.com.br/2012/02/doze-obstaculos-ao-estudo-cientifico-da.html'). O perispírito seria formado por um tipo de matéria muito sutil que é necessária para prover a interação entre o Espírito e a matéria mais densa.

    Quanto a 'Não deixaria de ser uma espécie de universo paralelo com algum tipo de interação com o nosso, mas com uma física (parafísica) diferente da nossa, correto? ' Certamente é um Universo paralelo uma vez que se apresenta como uma nova realidade que se interpõe a realidade ordinária. Mas, penso que não pode ser descrito como uma nova dimensão por razões físicas (se existisse uma 4a dimensão, nossa física teria rastros disso e, até agora, não temos evidências de anomalias que indiquem uma 4a dimensão). O mais correto seria dizer que existiria um segundo ternário de dimensões que se interpolam ao ternário das dimensões ordinárias, mas isso é pura especulação.

    Com relação a 'Outros dizem que é (o extrafísico) um outro nível quântico além do conhecido, que exatamente quer dizer isso?' eu também não arriscaria nenhuma resposta, pelas razões que expus no primeiro parágrafo. Certamente não se trata de um novo 'nível quântico', pois níveis quânticos são estados da matéria densa (trataremos isso no próximo post sobre física quântica) e ai reside a confusão de querer se basear em conceitos quânticos para descrever essa nova realidade. O problema é que essa nova realidade é apreendida por fenômenos (os fatos psíquicos) que nada tem a ver com os fenômenos da matéria ordinária e sente-se uma extrapolação grosseira querer relacionar fatos tão diferentes entre si.

    Quem sabe, mais para frente eu poderei discutir isso tudo em um post, mas minha argumentação não seria muito diferente do que expus acima.

    Mais uma vez obrigado por sua contribuição ao assunto e ao blog.

    Abração!

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  4. Estimado Xavier,

    Obrigado pela atenção e pelas respostas.

    Não tenho a pretensão de querer refutar proposições da ótima obra Kardequina, até pq Kardec deixa claro a distinção entre a substância material das ciências convencionais e a imaterial. – E realmente já tinha falado do ectoplasma ou teleplasma ou telergia -
    E embora não seja especialista em nenhum desses assuntos, sempre pensei como vc nessa questão, ou seja, as evidências parapsíquicas mostram que ñ dá pra fisicalizar o extrafísico (fora do físico).

    Mas o que não compreendi e não concordei muito bem, foi que, embora Kardec cite ‘imaterial’, noutras ele diz coisas que sugere uma certa excessiva fisicalização (por isso citei o ectoplasma que sofreu até análise e era constituído de substâncias químicas e bioquímicas) com frases como: ‘Quando o Espírito muda de planeta ele troca o perispírito’, ou noutra ocasião: ‘Que ele não se manteria fora da atmosfera ‘fluídica’ da Terra sem trocar o perispírito’, ou o termo ‘semi-material’, ou a frase: ‘É natural... como são naturais os fluidos que não conhecíamos até bem pouco tempo atrás’, ou ‘nosso espaço ñ é vazio, há vários níveis de máteria’ etc... O mesmo vale para o ilustre Flammarion e outros da época do espaço clássico. – Fica aí uma questão para comentários -

    Outra, sempre entendi quando se diz um outro nível quântico, ser um outro tipo de corpúsculos que transcende a natureza e as propriedades da matéria do universo físico.
    Ou mesmo um outro nível que não estaria ainda totalmente fora do nosso Cosmo, mas distinto.(semimaterial) É essa idéia cripto-semifísica vc ñ vê a menor chance?(1)

    Mas como admitimos que o psicossoma transcende a matéria física, muito mais do que pensava Kardec e os espiritualistas em geral, - Afinal se um neutrino que é bem físico já quase não interage, imagine a Psimatéria?! – talvez por isso muitos núcleos espiritualistas hoje defendem a idéia de um campo (energossoma, duplo etérico) que faz a mediação entre o bariossoma e o perispírito, não-físico, que acha disso?(2)

    Embora geralmente o energossoma seja considerado ainda não-físico, mas, bem ‘próximo’ da matéria, outros especulam que ele poderia corresponder às hipotéticas entidades campo de Higgs ou as ‘cordas’, podendo ser os candidatos para fazerem a interação com a Psi-partícula perispíritica. Segundo seus estudos pessoais você vê algum problema sério nisso?(3)
    – Claro que entendo bem que isso está fora da oficialidade -

    No caso do Prof. Hernani pelo que acreditei ter entendido, ele esperava com sua teoria prever efeitos da Psi-materia (matéria não-física ou parafísica) na zona física, ñ seria isso?(4)

    E quando se está fora do antropossoma e o ambiente que se vê não é a RT (realidade transcendente) propriamente dita, com suas construções ideoplásticas etc... e sim o ambiente físico, o mesmo quarto, os mesmos objetos etc... – essa ‘dimensão’ (nível) - que na Conscienciologia é chamada Dimener – vc acha que esse já é o ternário transfísico, ou a‘orla’ do físico, ou seria um intermezzo?(5)

    Grato!

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  5. William

    Como disse, não temos elementos para dar uma explicação constitutiva das bases do espiritualismo. Eu sempre entendi que corpo físico e perispírito são derivações de uma mesma substância, enquanto que o Espírito vem de outra. Dai sempre consegui entender porque se pode usar modificações da substância de que é feito o perispírito como algo de densidade variável e que, portanto, pode sofrer modificações em diversos 'estados'.

    Quanto à questão sobre 'nível quântico', no próximo post sobre física quântica vou discutir a questão de 'estado quântico' e espero contribuir um pouco com a questão. 'Nível quântico' é algo que caracteriza um estado da matéria. Acho que usar isso para descrever esse novo universo que se abre para além do mundo físico é cometer um erro de, no mínimo, apropriação incorreta de ideia. A fraseologia fica excêntrica e chique para quem não sabe, mas soa péssimo para quem fez um curso de física e aprendeu física quântica direito.

    Com relação à questão (2), penso que existem altas especulações envolvidas que podem estar totalmente equivocadas. A comparação com o neutrino é boa, mas apenas no nível 'epistemológico'. Isso significa que podemos invocar os neutrinos como partículas 'materiais' para exemplificar a existência de matéria em constituição totalmente diferente da matéria ordinária. Mas, para mim, a comparação para por ai. Sinto que talvez esteja errado, mas prosseguir extrapolando conceitos sem uma base empírica é, para mim, algo problemático. Será que não é 'wishful thinking' ?

    Com relação à questão (3), vejo os mesmos problemas. Eu escrevi um post sobre o cuidado que devemos ter em usar a noção de energia em discussões relacionadas à conceitos espiritualistas. A palavra 'fluido' (como usada por Kardec) é muito melhor que energia, já que esta não corresponde a nada material, enquanto que aquela se refere a algo 'menos denso' e 'maleável'. Energia (que vem do grego 'ergos', trabalho) é um conceito que serve para medir a propensidade de um sistema físico em realizar trabalho. Assim, a palavra 'energossoma', para mim como físico não tem significado. Talvez vc ache que agora estou sendo acadêmico demais, mas penso que precisamos nos entender com relação aos conceitos e às palavras usadas para cada caso. Quando à partícula de Higgs, eu não tenho base de conhecimento à altura para sugerir qualquer interpretação desse tipo.

    Quanto à questão (4), acho que o Hernani tentou fazer uma explicação não fenomenológica para a interação entre a matéria e o Espírito e não teve nenhum sucesso. Isso pode ser usado como uma maneira diferente de se entender o problema, como uma 'metáfora' de teoria. Pegando um 'gancho' nessa questão, entendo que nosso nível atual de conhecimento da realidade espiritual apenas nos permite desenvolver teorias 'fenomenológicas' para essas questões. Com relação a isso, pretendo escrever um post sobre a questão da fenomenologia e de teorias 'causais' para ajudar no entendimento da questão.

    Como vc se referiu à conscienciologia de Waldo Vieira, entendo que tb este apenas criou um dicionário de termos novos (excêntricos e pitorescos) e não produziu conhecimento novo algum além do que os pais do espiritualismo já sabiam...Então, acho que essa 'nova física' é dificil mesmo e não podemos querer resolver a questão com recursos fraseológicos, por maior que eles tenham impacto aos ouvidos.

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  6. Com relação à questão (5), se eu entendi o que vc disse direito, vc está referindo-se ao que disse anteriormente que, ao se constatar uma nova realidade para além da realidade ordinária (fato que é inegável), ela se estabelece com uma nova sucessão de mais 3 dimensões. Acho que podemos ver as coisas assim. Eu me lembro que o livro 'A grande síntese' de P. Ubaldi diz algo como isso que parece fazer, para mim, mais sentido. Inclusive a 'sua Voz' se refere a uma sequência aparentemente 'infinita' de 'ternários' em cada um dos quais a matéria iria se quintesseciando. Talvez seja isso, ouso dizê-lo...

    Abração.

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  7. Mais uma vez obrigado pelos esclarecimentos e parabéns pelo blog
    que está de alto nível!

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