Max Planck e como o nascimento dramático da física quântica mudou o mundo
O mundo quântico é aquele em que regras completamente estranhas à nossa experiência cotidiana ditam comportamentos bizarros.
- A física quântica foi um afastamento radical da física clássica de Newton.
- O mundo quântico é aquele em que regras completamente estranhas à nossa experiência cotidiana ditam comportamentos bizarros.
- Mesmo um de seus primeiros descobridores, Max Planck, relutou em apoiar as conclusões radicais a que sua pesquisa o levou.
Este é o primeiro de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.
Agora vivemos na era digital. A paisagem de maravilhas tecnológicas que nos cerca é algo que devemos a cerca de 100 físicos que, no alvorecer do século 20 º século, estavam tentando descobrir como os átomos funcionavam. Mal sabiam eles o que seu pensamento corajoso e criativo se tornaria algumas décadas depois.
A revolução quântica foi um processo muito difícil de abandonar velhas formas de pensar, formas que moldaram a ciência desde Galileu e Newton. Esses hábitos estavam firmemente enraizados na noção de determinismo - simplesmente, os cientistas sustentavam que as causas físicas têm efeitos previsíveis ou que a natureza segue uma ordem simples. O ideal por trás dessa visão de mundo era que a natureza fazia sentido, que obedecia a regras racionais, como os relógios. Abandonar esse modo de pensar exigiu uma tremenda coragem intelectual e imaginação. É uma história que precisa ser contada muitas vezes.
Radiação imprevisível
A era quântica foi o resultado de uma série de descobertas de laboratório durante a segunda metade do século XIX. º século que se recusou a ser explicado pela visão de mundo clássica predominante, uma visão baseada na mecânica newtoniana, eletromagnetismo e termodinâmica (a física do calor). O primeiro problema parece bastante fácil: objetos aquecidos emitem radiação de um certo tipo. Por exemplo, você emite radiação no espectro infravermelho, porque a temperatura do seu corpo gira em torno de 98° F. Uma vela brilha no espectro visível porque é mais quente. A questão então é descobrir a relação entre a temperatura de um objeto e seu brilho. Para fazer isso de forma simplificada, os físicos estudaram não objetos quentes em geral, mas o que acontece com uma cavidade quando ela é aquecida. E foi aí que as coisas ficaram estranhas.
O problema que eles descreveram veio a ser conhecido como radiação de corpo negro, a radiação eletromagnética presa dentro de uma cavidade fechada. Corpo negro aqui significa simplesmente um objeto que produz radiação por conta própria, sem que nada entre. Estudando as propriedades dessa radiação abrindo um buraco na cavidade e estudando a radiação que vazou, ficou claro que a forma e o material a cavidade não importa. Tudo o que importa é a temperatura dentro da cavidade. Como a cavidade é quente, os átomos de suas paredes produzirão radiação que preencherá o espaço.
A física da época previu que a cavidade seria preenchida principalmente com radiação altamente energética ou de alta frequência. Mas não foi isso que os experimentos revelaram. Em vez disso, eles mostraram que existe uma distribuição de ondas eletromagnéticas dentro da cavidade com diferentes frequências. Algumas ondas dominam o espectro, mas não aquelas com frequências mais altas ou mais baixas. Como pode ser isso?
Uma pinta quântica
O problema inspirou o físico alemão Max Planck, que escreveu em seu Autobiografia Científica que, “Este [resultado experimental] representa algo absoluto, e como sempre considerei a busca pelo absoluto como o objetivo mais elevado de toda atividade científica, comecei a trabalhar ansiosamente”.
Planck lutou. Em 19 de outubro de 1900, ele anunciou à Berlin Physical Society que havia obtido uma fórmula que se ajustava perfeitamente aos resultados dos experimentos. Mas encontrar o ajuste não foi suficiente. Como ele escreveu mais tarde: “No mesmo dia em que formulei esta lei, comecei a me dedicar à tarefa de dotá-la de um verdadeiro significado físico”. Por que este ajuste e não outro?
Ao trabalhar para explicar a física por trás de sua fórmula, Planck foi levado à suposição radical de que os átomos não emitem radiação continuamente, mas em múltiplos discretos de uma quantidade fundamental. Os átomos lidam com a energia como lidamos com o dinheiro, sempre em múltiplos de uma quantidade mínima. Um dólar equivale a 100 centavos e dez dólares equivalem a 1.000 centavos. Todas as transações financeiras nos EUA são feitas em múltiplos de um centavo. Para a radiação do corpo negro com suas muitas ondas de diferentes frequências, cada frequência liberada refere-se a um “centavo” mínimo proporcional de energia. Quanto maior a frequência da radiação, maior o seu “centavo”. A fórmula matemática para esse “centésimo mínimo” de energia é E = hf, onde E é a energia, f é a frequência da radiação e h é a constante de Planck.
Planck encontrou seu valor ajustando sua fórmula à curva experimental do corpo negro. A radiação de uma frequência particular só pode aparecer como múltiplos de seu “centavo” fundamental, que ele mais tarde chamou de quântico , palavra que no latim tardio significava porção de alguma coisa. Como observou certa vez o grande físico russo-americano George Gamow, a hipótese quântica de Planck criou um mundo no qual você pode beber meio litro de cerveja ou não beber cerveja, mas nada intermediário.
cegueira quântica
Planck estava longe de ficar satisfeito com as consequências de sua hipótese quântica. Na verdade, ele passou anos tentando explicar a existência de um quantum de energia usando a física clássica. Ele era um revolucionário relutante, fortemente liderado por um profundo senso de honestidade científica para propor uma ideia com a qual não se sentia confortável. Como ele escreveu em sua autobiografia:
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feira“Minhas tentativas inúteis de encaixar o... quantum... de alguma forma na teoria clássica continuaram por vários anos e me custaram muito esforço. Muitos de meus colegas viram nisso algo que beirava a tragédia. Mas eu penso de forma diferente sobre isso... Agora eu sabia que o... quantum... desempenhou um papel muito mais significativo na física do que eu originalmente estava inclinado a suspeitar, e esse reconhecimento me fez ver claramente a necessidade da introdução de métodos de análise totalmente novos. e raciocínio no tratamento de problemas atômicos”.
Planck estava certo. A teoria quântica que ele ajudou a propor evoluiu para uma partida mais profunda da velha física do que a teoria da relatividade de Einstein. A física clássica é baseada em processos contínuos, como planetas orbitando o Sol ou ondas se propagando na água. Toda a nossa percepção do mundo é baseada em fenômenos que evoluem continuamente no espaço e no tempo.
O mundo dos muito pequenos funciona de uma maneira completamente diferente. É um mundo de processos descontínuos, um mundo onde regras estranhas à nossa experiência cotidiana ditam comportamentos bizarros. Estamos efetivamente cegos para a natureza radical do mundo quântico. As energias com as quais comumente lidamos contêm um número tão grande de quanta de energia que sua “granulação” obscurece nossa capacidade de vê-la. É como se vivêssemos em um mundo de bilionários, onde um centavo é uma quantia de dinheiro perfeitamente desprezível. Mas no mundo do muito pequeno, o centavo, ou o quantum, reina.
A hipótese de Planck mudou a física e, eventualmente, o mundo. Ele não poderia ter previsto isso. Nem Einstein, Bohr, Schrodinger, Heisenberg e outros pioneiros quânticos. Eles sabiam que tinham encontrado algo diferente. Mas ninguém poderia prever até que ponto o quantum mudaria o mundo.
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