A revolução do conhecimento na Física Moderna

 

            Cada vez mais físicos modernos têm se interessado pelas novas descobertas da psicologia junguiana, assim como os profissionais dessa última têm se interessado pelos conceitos da “Nova Física”, ambos na tentativa de explicar fenômenos que antes não tinham muita perspectiva de serem compreendidos.

            Todas essas pesquisas, como dito, têm contribuído para o surgimento de uma nova visão de mundo e de realidade, bem como para a elaboração de um novo modelo de ciência. Segundo Capra (1983),

 

“as descobertas da Física moderna demandaram profundas transformações nos conceitos como espaço, tempo, matéria, objeto, causa e efeito, etc. Esses conceitos são tão básicos para o nosso modo de vivenciar o mundo que não chega a surpreender o fato de que os físicos que se viram forçados a adotar essas transformações sentissem algo assim como um choque. A partir dessas transformações veio à tona uma visão de mundo inteiramente nova e radicalmente diferente, e que ainda se encontra em processo de formação pela pesquisa científica atual”.

 

Focalizando os objetivos dessa resenha, comecemos pelas descobertas revolucionárias da Nova Física. Antes, porém, falaremos da Antiga visão de mundo que precisou ser mudada, ou seja, a visão de universo da Física Clássica.

 

A “Velha” Física

 

            A “velha” visão de mundo, que teve que sofrer uma grande transformação revolucionária na ciência, era baseada no modelo mecanicista da Física Clássica, cujo principal autor era Isaac Newton.

Segundo Capra (1983), tratava-se a Física clássica de uma “fundação tão imponente quanto uma rocha poderosa sobre a qual se apoiava toda a ciência. Esse modelo forneceu uma base firme para a filosofia natural ao longo de quase 3 séculos”. Eis os principais aspectos que caracterizam tanto a visão de mundo, quanto o modelo de ciência da Física Clássica.

 

I) O conceito de Espaço

 

            Na Física clássica, todos os fenômenos físicos se desdobram num modelo tridimensional de espaço (constituído de altura, largura e profundidade) baseado na geometria euclidiana clássica. Tem-se assim, o espaço compreendido como uma dimensão absoluta, em si mesma, sempre em repouso e imutável, onde os fenômenos físicos podem ocorrer.

            Segundo Newton, “o espaço absoluto, em sua própria natureza, sem consideração por qualquer coisa externa permanece sempre idêntico e imóvel” (Capra, 1983).

 

II) A noção de Tempo

 

            Todas as mudanças verificadas no mundo físico eram descritas – na Física Clássica – em termos de uma dimensão separada, denominada tempo (Capra, 1983).

            Aqui, o tempo é visto como uma “seqüência ordenada de momentos, um seguindo-se ao outro” (Zohar, 1982), fluindo uniformemente do passado, através do presente, e em direção do futuro, e “sem consideração por qualquer coisa externa”. 

 

III) O conceito de matéria

 

            Até aqui, vimos que na Física Clássica, espaço e tempo são dimensões totalmente separadas e independentes uma da outra. Os elementos do mundo newtoniano que se moviam nesse espaço e tempo absolutos eram partículas materiais. Essas, nas equações matemáticas, eram tratadas como “pontos dotados de massa”, e Newton as concebia como objetos pequenos, sólidos e indestrutíveis, a partir dos quais toda a matéria era elaborada. Trata-se de uma concepção estática que postula “objetos” compostos consistindo em “blocos de construção básicos”.

            Newton chegou a dizer, em seus Opticks: “... Parece-me provável que Deus, no início, deu forma à matéria em partículas sólidas, compactas, duras, impenetráveis, móveis...” (Capra, 1983)

            Esse modelo assemelhava-se bastante ao dos atomistas gregos antigos, pois ambos se baseavam na distinção entre cheio e vazio, ou matéria e espaço. Em ambos os modelos, as partículas eram imutáveis, já que permaneciam sempre idênticas em suas massas e formas. A matéria era compreendida como sempre conservada, e essencialmente passiva.

            Há uma diferença, porém, entre Newton e os atomistas gregos da Antigüidade: Newton inclui uma descrição da força que age entre as partículas materiais, ao qual denominou de força da gravidade. Como tal a gravidade, segundo ele, dependia exclusivamente das massas e das distâncias mútuas das partículas. A força da gravidade era concebida como rigidamente vinculada aos corpos materiais sobre os quais agia. Além disso, ela age instantaneamente à distância. Newton considerava que as partículas e as forças entre elas foram criadas por Deus.

            Assim, todos os eventos físicos são reduzidos, na Mecânica newtoniana, ao movimento de pontos materiais no espaço, causado por sua atração mútua, isto é, pela força da gravidade. Para que pudesse equacionar o efeito dessa força sobre um ponto dotado de massa em termos de uma forma matemática precisa, Newton teve de inventar conceitos e técnicas matemáticas inteiramente novos, ou seja, aqueles do cálculo diferencial. Tratava-se de uma tremenda realização intelectual, estimada por Einstein como sendo “talvez o  maior avanço no pensamento que um único indivíduo teve o privilégio de fazer” (Capra,1983).

            As equações do movimento de Newton constituem a base da Mecânica clássica. Foram consideradas como leis fixas. Os pontos materiais se moveriam de acordo com essas leis, e se pensava que elas eram capazes de responder por todas as mudanças observadas no mundo físico. Tudo teria sido criado por Deus, e a totalidade do universo teria sido posta em movimento, permanecendo assim desde então, à semelhança de uma máquina governada por leis imutáveis (Capra, 1983).

 

IV) O conceito ou modelo de ciência

           

            A visão mecanicista da natureza daí decorrente, achou-se dessa forma, intimamente vinculada a um determinismo rigoroso. A grande máquina cósmica era vista como algo inteiramente causal e determinado.

            O conceito de ciência, assim resultante, era baseado no que costumamos chamar de causalismo: considerava-se que tudo o que acontecia possuía uma causa definida e gerava um efeito definido.

            Dessa forma, o futuro de qualquer parte do sistema poderia – em princípio – ser previsto com absoluta certeza, se se conhecesse em todos os detalhes, seu estado em determinada ocasião.

            A base filosófica desse determinismo rigoroso provinha da divisão fundamental entre o “eu” e o “mundo” introduzida por Descartes. Como conseqüência dessa partição, acreditava-se que o mundo podia ser descrito objetivamente, isto é, sem sequer mencionar o observador humano. Essa descrição objetiva da natureza tornou-se o ideal de toda a ciência.

            Os séculos XVIII e XIX testemunharam um tremendo sucesso para a Mecânica newtoniana, que aplicou sua teoria ao movimento dos planetas, explicando as características básicas do sistema solar, embora tenha deixado algumas questões em aberto sem explicação. O matemático Laplace, então, depurou os cálculos de Newton, publicando sua obra em cinco volumes, denominada Mécanique Celeste, no qual conseguia explicar o movimento dos planetas, luas e cometas em detalhes, incluindo os movimentos das marés e outros fenômenos relacionados com a gravidade.

             Com o brilhante sucesso da Mecânica newtoniana na Astronomia, os físicos estenderam-na ao movimento contínuo dos fluidos e às vibrações dos corpos elásticos, também de forma plenamente bem-sucedida. Até mesmo a teoria do calor poderia ser reduzida à Mecânica, se se levasse em conta que o calor era a energia criada por um complexo movimento de “sacudidela” das moléculas[1] (Capra, 1983).

            O enorme sucesso do modelo mecanicista fez com que os físicos do início do século XIX acreditassem que o universo era, na verdade, um imenso sistema mecânico funcionando de acordo com as leis newtonianas do movimento. Essas leis eram consideradas as leis básicas da natureza e a Mecânica de Newton era encarada como a teoria última dos fenômenos naturais[2]. Como afirma Hawking (2002), os cientistas acreditavam – ingenuamente – estar próximos de uma descrição completa do universo. Contudo, no início do século XX uma nova realidade física foi descoberta, trazendo à tona as limitações do modelo newtoniano e demonstrando que nenhuma de suas características possuía validade absoluta.

Precursores da Revolução Científica do século XX

 

            Progressos feitos, ainda no século XIX, começaram a preparar o terreno para o advento das revoluções científicas do século XX, na Física.

            O primeiro desses progressos – realizados pelo experimentador Michael Faraday e pelo teórico James Clerk Maxwell – consistiu na descoberta e investigação dos fenômenos elétricos e magnéticos, que como tais, não podiam ser adequadamente descritos pelo modelo mecanicista, e envolviam um novo tipo de força[3].

            Dessa forma, Faraday e Maxwell investigando os efeitos das forças elétricas e magnéticas, substituíram o conceito de força pelo de campo de força. Foram, assim, os primeiros a ultrapassarem os limites da Física newtoniana, pois em vez de interpretarem a interação entre uma carga positiva e uma negativa simplesmente afirmando que as duas se atraem mutuamente (à semelhança de duas massas na Mecânica newtoniana), eles acharam mais apropriado afirmar que cada carga gera uma “perturbação”, ou uma “condição”, no espaço circunvizinho de tal forma que a outra carga, quando se acha presente, sente uma força. Essa condição no espaço, que apresenta o potencial de produzir uma força, é denominada campo, sendo criada por uma única carga, existindo ainda que uma outra carga não seja trazida para sentir seu efeito (Capra, 1983).

            Segundo Capra (1983),

 

“Tratava-se, de uma transformação bastante profunda na concepção humana da realidade física ou material. Na visão newtoniana, as forças se encontravam rigidamente vinculadas aos corpos sobre os quais agiam. Agora, o conceito de força era substituído por um conceito muito mais sutil, o conceito de campo, que possuía sua própria realidade e podia ser estudado sem qualquer referência a corpos materiais.

O auge dessa teoria, a eletrodinâmica, consistiu na percepção do fato de que a luz não passa de um campo eletromagnético de alternância rápida e que percorre  o espaço sob a forma de ondas. Sabemos atualmente que as ondas de rádio, de luz ou os raios X são ondas eletromagnéticas, campos magnéticos e elétricos oscilatórios, que diferem unicamente pela freqüência de suas oscilações; e mais: sabemos que a luz visível é apenas uma fração ínfima do espectro eletromagnético” (grifos meus).

 

Mais tarde, Einstein reconheceu que os campos eletromagnéticos eram entidades físicas por direito próprio, capazes de percorrer o espaço vazio, e que não podiam ser explicados pela Mecânica Clássica. Assim, no início do século XX, os físicos já dispunham de duas teorias que poderiam ser adequadamente aplicadas a diferentes fenômenos: a Mecânica de Newton e a eletrodinâmica de Maxwell. A primeira, portanto, deixara de ser a base de toda a Física.

 

Surge a Física Moderna (e um novo conceito de espaço e tempo)

com o gênio Albert Einstein

 

Na origem da Física Moderna situa-se a extraordinária façanha intelectual de Albert Einstein. Ele lançou as bases da teoria quântica (a teoria dos fenômenos atômicos) a partir de uma nova maneira de conceber a radiação eletromagnética. Com isso, ele forneceu as bases para que, vinte anos mais tarde, um grupo de físicos internacionais desenvolvessem a teoria completa da Física Quântica. Junto com isso, porém, Einstein elaborou a Teoria da Relatividade. Não lançou apenas as bases da Física Relativista, mas elaborou a Teoria da Relatividade quase inteiramente, em sua forma completa, sozinho. Juntas a Física Quântica e a Teoria da Relatividade formam o que denominamos de Física Moderna.

Essas novas teorias surgidas nas três primeiras décadas do século XX transformaram radicalmente toda a situação da Física: A “Nova Física” ou Física Moderna esfacelou os principais conceitos da visão newtoniana do mundo, entre os quais (1) a noção de tempo e espaço absolutos, (2) as partículas sólidas elementares, (3) a natureza estritamente causal dos fenômenos físicos e (4) o ideal de uma descrição objetiva da natureza. Nenhum desses conceitos podia ser estendido aos novos domínios em que a Física estava penetrando (Capra, 1983).

O interessante é que Einstein pretendia apenas “reorganizar” a Física Clássica, tentando encontrar um fundamento unificado para a Física, através da construção de uma estrutura comum para a Eletrodinâmica e a Mecânica. Com isso, ele construiu a Teoria Especial da Relatividade, em 1905, unificando e completando a estrutura da Física Clássica de um lado, mas contraditoriamente, também, demandando transformações drásticas nos conceitos tradicionais de tempo e espaço, que acabaram por estraçalhar pilares básicos da visão de mundo newtoniana.

Tudo começou com a experiência de Michelson-Morley, na qual Einstein se baseou para formular a Teoria da Relatividade Especial: desde os tempos da primitiva ciência grega, os homens acreditavam que o espaço era permeado por um éter “estacionário” e os cientistas do século XIX achavam que esse éter poderia ser utilizado como quadro de referência para medir o “espaço absoluto” de Newton. Como explica Hawking (2002), os cientistas,

 

“... imaginavam que o espaço fosse preenchido por um meio contínuo denominado ´etér`. Raios luminosos e sinais de rádio eram ondas nesse éter, assim como o som são ondas de pressão no ar. Tudo que se precisava para uma teoria completa era medições cuidadosas das propriedades elásticas do éter”.

 

  Assim, Michelson e Morley iniciaram o que eles pensaram ser a medição da “curvatura do éter” enquanto a Terra se movimentava através desse Absoluto estacionário. Através de um equipamento chamado interferômetro, eles lançaram dois raios de luz em ângulos retos (em relação ao movimento de rotação da Terra ao redor do Sol) – um “para dentro da curvatura” e outro “através da curvatura” – e fizeram uma comparação das suas velocidades de deslocamento. À medida que a Terra gira em torno do seu eixo, e orbita o Sol, o aparato se move através do suposto éter com velocidade e duração variáveis. Mas, Michelson e Morley não encontraram – como era de se esperar – diferenças diárias ou anuais entre os dois feixes de luz. Era como se a luz sempre se deslocasse na mesma velocidade em relação a um observador, não importando em que velocidade ou direção ele estivesse se movendo (Hawking, 2002).

Hoje sabemos que, como não foram encontradas diferenças de velocidades entre os feixes, não poderia ter havido nenhum efeito visível exercido pelo suposto “éter estacionário” (Zohar, 1982). Mas, baseados no experimento de Michelson-Morley, o físico irlandês George Fitzgerald e o físico holandês Hendrik Lorentz – ainda considerando o éter uma substância real – sugeriram que corpos em movimento através do éter se contrairiam e que relógios se retardariam. Essa contração e o retardamento dos relógios seriam tais que todas as pessoas mediriam a mesma velocidade da luz, independente de como estivessem se movendo em relação ao éter (Hawking, 2002).

            Porém, em um artigo escrito em junho de 1905, Einstein mostrou que, se uma pessoa não conseguia detectar se estava ou não se movendo no espaço, a noção de éter era supérflua (Hawking, 2002). Em vez disso, ele partiu do postulado de que as leis da ciência deveriam parecer as mesmas para todos os observadores em movimento livre. Em particular, todos eles deveriam medir a mesma velocidade da luz, sem importar o quão rápido estivessem se movendo. A velocidade da luz é independente do movimento deles, sendo a mesma em todas as direções.

            Como explica Hawking (2002),

 

      “Isso exigia o abandono da idéia de que existe uma quantidade universal chamada tempo que todos os relógios mediriam. Ao contrário, cada um teria seu tempo pessoal. Os tempos de duas pessoas coincidiriam se elas estivessem em repouso uma em relação à outra, mas não se estivessem em movimento.

      Isso foi confirmado por vários experimentos, incluindo um no qual dois relógios de alta precisão viajaram de avião em direções opostas ao redor do mundo e retornaram mostrando horas ligeiramente diferentes. Ou seja, quando voltaram a se encontrar, o relógio que voou para leste havia registrado ligeiramente menos tempo.

      O postulado de Einstein de que as leis da natureza deveriam parecer as mesmas para todos os observadores em movimento livre foi a base da teoria da relatividade, assim denominada por implicar que somente o movimento relativo era importante”.

 

            Assim, Einstein derrubou dois absolutos da ciência do século XIX: o repouso absoluto, conforme representado pelo éter, e o tempo absoluto ou universal que todos os relógios mediriam[4] (Hawking, 2002).

 

De tudo isso, portanto, primeiro Einstein concluiu que o éter não existe[5] (Capra, 1983). Como explica Zohar (1982), Einstein, em sua Teoria Especial da Relatividade, afirmava que não poderia existir nada como um quadro absoluto de referência. Argumentava ele que qualquer quadro de referência, em si, é tão válido como qualquer outro. E também não existe, dizia ele, coisa alguma como o “espaço absoluto” ou o “tempo absoluto”. Se um é impossível, o outro também é, porque nenhum dos dois pode ser descrito separadamente. O movimento é movimento através do espaço, e o movimento através do espaço leva algum tempo. Dessa maneira, em vez do espaço absoluto tridimensional de Newton e do espaço absoluto de tempo numa dimensão, Einstein apresentou aos aturdidos físicos clássicos um continuum espaço-tempo quadridimensional relativo em que as coordenadas de espaço e tempo deveriam ser reajustadas constantemente para levar em consideração o ponto de vista de cada um (Zohar, 1982).

Segundo Zohar (1982),

 

“O fator-chave na Teoria da Relatividade para a definição do ponto de vista de um observador é a velocidade em que ele viaja em relação ao ponto de vista de outro. Segundo Einstein, do ponto de vista de um observador estático, um corpo em movimento é submetido a uma singular tríade de efeitos colaterais tais que, enquanto sua velocidade se aproxima da constante e inacessível velocidade da luz, seus processos de tempo se estendem (o tempo se retarda), o espaço através do qual ele se movimenta encolhe e sua massa (uma função inversa desse espaço que diminui) aumenta até o infinito. Dada a natureza relativa de todo o movimento, um observador que estivesse em cima, montado nesse corpo em movimento, não perceberia as distorções que outros (em repouso) veriam em torno dele. De seu próprio ponto de vista, ele está apenas ali sentado enquanto o mundo corre de maneira bastante característica”.

 

A explicação de Capra (1983) é semelhante:

 

“De acordo com a teoria da relatividade, o espaço não é tridimensional e o tempo não constitui uma entidade isolada. Ambos acham-se intimamente vinculados, formando um continuum quadridimensional, o “espaço-tempo”. Na teoria da relatividade, portanto, nunca poderemos falar acerca do espaço sem falar acerca do tempo e vive-versa. Além disso, inexiste qualquer fluxo universal do tempo, como afirmava o modelo newtoniano. Observadores diferentes ordenarão diferentemente os eventos no tempo se se moverem com velocidades diferentes relativamente aos eventos observados. Nesse caso, dois eventos que são vistos ocorrendo simultaneamente por um observador, podem ocorrer em diferentes seqüências temporais para outros observadores. Todas as medições que envolvem o tempo e o espaço perdem assim o seu significado absoluto. Na teoria da relatividade, o conceito newtoniano de espaço absoluto como o palco dos fenômenos físicos é posto de lado, ocorrendo o mesmo com o conceito de tempo absoluto. Tanto o espaço quanto o tempo tornam-se meramente elementos da linguagem utilizada por um observador particular para descrever os fenômenos observados”.

 

Capra (1983) ainda explica que, os conceitos de espaço e tempo são tão básicos para a descrição dos fenômenos naturais que sua modificação impõe a modificação de todo o referencial que utilizamos para descrever a natureza. A conseqüência mais importante dessa modificação, segundo o autor, é a compreensão de que a massa nada mais é que uma forma de energia.

Ou seja, a Teoria Especial da Relatividade, ao trazer um novo conceito de espaço e tempo, abre espaço para uma nova compreensão da natureza da matéria. Nesse sentido compreende-se que mesmo um objeto em repouso possui energia armazenada em sua massa e a relação entre ambas é dada pela famosa equação E=mc², sendo c a velocidade da luz.

Essa constante da velocidade da luz é fundamental para a teoria da relatividade. Sempre que descrevemos fenômenos físicos envolvendo velocidades que se aproximam da velocidade da luz, nossa descrição tem que levar em conta a teoria da relatividade. Isso se aplica em particular aos fenômenos eletromagnéticos, entre os quais a luz é apenas um exemplo e que levou Einstein à formulação de sua teoria (Capra, 1983).

A Teoria Geral da Relatividade de Albert Einstein

 

Embora a teoria da relatividade (especial) se ajustasse bem às leis que governavam a eletricidade e o magnetismo, não era compatível com a lei da gravidade de Newton. Segundo essa lei, mudando-se a distribuição de matéria em uma região do espaço, a mudança no campo gravitacional seria sentida instantaneamente em todas as outras partes do universo. Isso não apenas implicaria que se poderiam enviar sinais mais rápidos que a luz (algo proibido pela relatividade) como, para saber o que significava instantâneo, também exigia a existência do tempo absoluto ou universal, que a relatividade tinha abolido a favor do tempo pessoal (Hawking, 2002).

Einstein percebeu existir uma relação estreita entre aceleração e um campo gravitacional, e deduziu que massa e energia deformariam o espaço-tempo de alguma maneira a ser ainda determinada. Com a ajuda do amigo Marcel Grossmann, Einstein estudou a teoria dos espaços e superfícies curvos desenvolvida anteriormente por Georg Friedrich Riemann como um trabalho de matemática aplicada; Riemann não imaginava que sua teoria tivesse alguma importância para o mundo real. Einstein e Grossmann escreveram um artigo em conjunto, em 1913, no qual apresentaram a idéia de que aquilo que concebemos como forças gravitacionais são apenas uma expressão do fato de o espaço-tempo ser curvo. Mas, eles não conseguiram encontrar as equações que relacionavam a curvatura do espaço-tempo à massa e à energia dele. Einstein encontrou as equações corretas, com muita persistência, em novembro de 1915, em Berlim. Ele então discutiu suas idéias com um matemático chamado David Hilbert , da Universidade de Göttingen, que chegou às mesmas equações de Einstein, de forma independente. Porém, foi Einstein quem primeiro interpretou uma relação direta entre a gravidade e a deformação do espaço-tempo (Hawking, 2002, p.19).

Em 1915, Einstein propôs, então, sua teoria geral da relatividade, na qual a estrutura da teoria especial é levada adiante de modo a abranger a gravidade, isto é, a atração mútua dos corpos dotados de massa. Onde a Teoria Especial da Relatividade (também chamada de Teoria da Relatividade Restrita) se restringia a descrever as propriedades de corpos (ou sistemas) viajando em linha reta numa velocidade constante, a Teoria Geral da Relatividade, muito mais abrangente, leva em conta que todos os objetos estão sujeitos a acelarações e seguem trajetórias curvas que se devem à presença de outras massas e são geralmente descritas como efeito da gravidade. A teoria geral descreve as causas e efeitos da força gravitacional do universo e, assim, desafia nossas noções comuns de espaço e tempo a um ponto quase inconcebível (Zohar, 1982). Ela permanece até  agora a mais aceita, consistente e elegante das teorias da gravidade, sendo amplamente utilizada na Astrofísica e na Cosmologia para a descrição do universo como um todo (Capra, 1983).

A força da gravidade, segundo a teoria de Einstein, possui o efeito de “curvar” espaço e tempo. A teoria de Einstein afirma que o espaço tridimensional é efetivamente curvo e que essa curvatura é causada pelo campo gravitacional dos corpos compactos. Sempre que exista um objeto compacto, por exemplo, uma estrela ou um planeta, o espaço ao redor desse objeto é curvo e o grau de curvatura depende da massa do objeto. E como pela teoria especial da relatividade o espaço não pode ser isolado do tempo, este é igualmente afetado pela presença da matéria, fluindo diferencialmente em partes diversas do universo (Capra, 1983).

A teoria geral da relatividade de Einstein abole, pois, completamente os conceitos de espaço e tempo absolutos, separados e independentes. Não são apenas todas as medidas de espaço e tempo que são relativas, mas toda a estrutura do espaço-tempo depende da distribuição da matéria no universo. O conceito de “espaço vazio” perde o seu significado (Capra, 1983).

Segundo o físico Fritjof Capra (1983),

 

“A visão mecanicista do mundo, quue é a da Física clássica, baseava-se na noção de corpos sólidos movendo-se no espaço vazio. Essa noção permanece válida na região que foi denominada ´zona de dimensões médias´, isto é, o campo de nossa experiência cotidiana, onde a Física clássica permanece uma teoria útil. Ambos os conceitos – o de espaço vazio e o de corpos materiais sólidos – acham-se profundamente arraigados em nossos hábitos de pensamento, de tal forma que fica extremamente difícil imaginar uma realidade física onde tais conceitos não se apliquem. Contudo, isso é exatamente o que a Física Moderna força-nos a fazer quando ultrapassamos as dimensões médias. O ´espaço vazio´ perdeu seu significado na Astrofísica e na cosmologia, as ciências do universo como um todo, e o conceito de objetos sólidos foi destruído pela Física Atômica, a ciência do infinitamente pequeno”.

 

Comecemos, portanto, a nossa viagem pelo mundo microfísico.

 

 

 

 

A Revolução da Física Quântica e o início de um novo conceito de matéria

 

            Ao iniciar-se o século XX, foram descobertos vários fenômenos vinculados à estrutura da matéria – em especial aos átomos – inexplicáveis em termos da Física Clássica de Newton, e portanto, da mentalidade do século XVIII e XIX.

            A primeira indicação de que os átomos possuíam alguma forma diferente de estrutura foi fornecida pela descoberta (acidental) dos raios X, por Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), em 8 de novembro de 1895, ao trabalhar com raios catódicos numa ampola de Crookes[6], que projetados sobre uma folha de papel, tratada com platinocianeto de bário, emitia assim uma luz, com um brilho característico, tal como notou o pesquisador. Todavia, a fonte emissora estava obstruída por uma cartolina enegrecida, não sendo possível a passagem de raios luminosos. Após experimentações com vários objetos, que não logravam interceptar as emissões, por acidente, Röntgen escorregou a mão à frente dos raios, notando que a pele se fazia transparente, deixando aparecer, de forma razoavelmente nítida, os ossos sob ela. Estavam descobertos os raios X, uma nova radiação que prontamente encontrou a aplicação que hoje conhecemos na medicina (Argollo, 1994; Capra, 1983).

            Logo após as descobertas dos Raios X, outros tipos de radiação vieram à tona, radiações essas emitidas pelos átomos das chamadas substâncias radioativas[7]. O fenômeno da radioatividade forneceu um prova definitiva da natureza composta possuída pelos átomos, demonstrando que os átomos de substâncias radioativas não só emitem diversos tipos de radiação como, igualmente, transformam-se em átomos de substâncias inteiramente diversas[8].

            Além de constituírem objeto de intenso estudo, tais fenômenos foram igualmente utilizados como novos instrumentos para uma investigação mais profunda da matéria, como as pesquisas de Max von Laue, que utilizou raios X para estudar as disposições dos átomos nos cristais.

            Os resultados mais sensacionais e inesperados foram obtidos por Ernest Rutherford. Este pesquisador percebeu que as chamadas partículas alfa, emanadas das substâncias radioativas, eram na verdade projéteis extremamente velozes, de dimensões subatômicas, que poderiam ser utilizados na exploração do interior do átomo. Tais partículas poderiam ser arremessadas sobre os átomos e, conforme a maneira pela qual fossem desviadas, poder-se-ia chegar a conclusões acerca da estrutura dos mesmos.

            Assim, quando Rutherford bombardeou átomos com essas partículas alfa, longe de serem sólidas e duras (conforme se acreditava desde a Antigüidade), percebeu-se que os átomos consistiam em imensas regiões de espaço nas quais partículas extremamente pequenas – os elétrons – moviam-se em torno do núcleo, ligados a ele por forças elétricas.

            Sabemos que é muito difícil fazermos uma idéia, mesmo aproximada, da ordem de grandeza dos átomos, uma vez que essa se acha muito distanciada de nossa escala macroscópica. O diâmetro de um átomo mede aproximadamente um centésimo milionésimo de centímetro (e ainda assim, se encontra muito distante da menor unidade de “partícula” material  que pode ser encontrada). Um átomo, portanto, é extremamente pequeno se comparado a objetos macroscópicos, mas é enorme se comparado ao seu núcleo, que fica no seu centro.

            Para visualizarmos essa dimensão ínfima, Capra (1983) sugere a seguinte representação: Imaginemos uma laranja do tamanho do planeta Terra, composta por um número inconcebível de bilhões ou trilhões de cerejas. Essa seria uma imagem ampliada dos átomos numa laranja. Mas, nessa imagem, o núcleo de cada átomo (representado por cada cereja, entre as trilhões existentes) ainda seria invisível (e seria assim, mesmo que ampliássemos cada átomo ou “cereja” para o tamanho de uma bola de futebol ou de um quarto). Apenas se cada cereja (ou átomo) fosse ampliado para o tamanho de um campo de futebol ou para o tamanho da abóbada da maior Catedral do mundo (que é a de São Pedro, em Roma), que o núcleo seria visto, como sendo do tamanho de um grão de sal.

            Assim, imaginemos um gigantesco campo de futebol, com um grão de sal no centro e poeira girando ao seu redor, e teríamos uma imagem proporcional do núcleo e dos elétrons de um átomo. Se o átomo é tremendamente pequeno em comparação com a nossa realidade macroscópica, o núcleo e os elétrons do mesmo átomo são milhões de vezes menores.

            Logo após o surgimento desse modelo “planetário” do átomo, descobriu-se que o número de elétrons nos átomos de um elemento determina suas propriedades químicas. Sabemos atualmente que a tabela periódica dos elementos pode ser construída pela adição sucessiva de prótons e nêutrons ao núcleo do átomo mais leve – o do hidrogênio (que é um átomo que consiste de apenas um próton e um elétron) – e pela adição de um número correspondente de elétrons à sua “concha” atômica. O número de prótons e o correspondente número de elétrons demarcam, portanto, a identidade de um átomo, como uma “assinatura” ou uma “marca de polegar”. As interações entre os átomos dão origem aos diversos processos químicos, de tal forma que a Química pode atualmente ser entendida, em princípio, tomando-se por base as leis da Física atômica (Capra, 1983).

Não foi, entretanto, fácil reconhecer tais leis. Elas foram descobertas na década de 1920 por um grupo internacional de físicos, entre os quais:

 

1.      Niels Bohr (Dinamarca);

2.      Louis de Broglie (França);

3.      Erwin Schrödinger e Wolfgang Pauli (Áustria);

4.      Werner Heisenberg (Alemanha); e

5.      Paul Dirac (Inglaterra).

 

Segundo Capra (1983),

 

“Esses físicos juntaram suas forças através de todas as fronteiras nacionais e modelaram um dos mais emocionantes períodos da ciência moderna, um período que colocou o homem, pela primeira vez, em contato com a estranha e inesperada realidade do mundo subatômico”.

 

Capra (1983) explica que toda vez que os físicos faziam uma pergunta à natureza, num experimento atômico, ela respondia com um paradoxo, e quanto mais os físicos tentavam esclarecer a situação, tanto mais agudos tais paradoxos se tornavam. Eles necessitaram de muito tempo para aceitarem o fato de que tais paradoxos pertencem à estrutura intrínseca da Física Atômica e para perceberem que sempre viriam tais paradoxos à tona, toda vez que se tentasse descrever os fatos atômicos utilizando-se dos termos tradicionais da Física Clássica. Eis algumas das citações de choque, espanto e indignação, dos maiores gênios da nova Física:

 

“... a reação violenta em torno do desenvolvimento recente da Física moderna só pode ser entendida à medida que compreendamos que os alicerces da Física começaram a se deslocar e que esse movimento gerou o sentimento de que a ciência perderia terreno”.

(Werner Heisenberg)

 

“... todas as minhas tentativas de adaptar o fundamento teórico da Física a esse [novo tipo de] conhecimento falharam completamente. Era como se o solo tivesse sido retirado de sob nossos pés, sem que se conseguisse vislumbrar qualquer base sólida sobre a qual pudéssemos erguer alguma coisa”.

(Albert Einstein)

 

“A grande extensão de nossa experiência nos anos recentes tem demonstrado com clareza a insuficiência de nossas concepções mecânicas simples e, em conseqüência, tem abalado os fundamentos sobre os quais se erguia a interpretação costumeira da observação”.

(Niels Bohr)

 

Com o tempo, os físicos começaram a aprender a fazer as perguntas corretas (não mais partindo dos pressupostos apriorísticos da Física Clássica) e a evitar contradições. Nas palavras de Heisenberg, os físicos “de alguma forma, conseguiram penetrar no espírito da teoria quântica”, encontrando a formulação matemática mais precisa e consistente para essa teoria, embora mesmo assim, seus conceitos continuassem de difícil assimilação, como observaremos a partir de agora (Capra, 1983).

Vimos que os experimentos de Rutherford haviam demonstrado que os átomos, em vez de serem sólidos e indestrutíveis, consistiam em vastas regiões de espaço nas quais se moviam partículas extremamente pequenas.

A teoria quântica, porém, passou a evidenciar que até mesmo essas partículas nada tinham a ver com os objetos sólidos da Física Clássica. As unidades subatômicas da matéria, conforme se pôde constatar, são entidades abstratas e dotadas de um aspecto dual. Dependendo da forma pela qual as abordam, aparecem às vezes como partículas, às vezes como ondas. Essa natureza dual é igualmente exibida pela luz, que pode assumir a forma de ondas eletromagnéticas ou de partículas.

Capra (1983) explica que essa propriedade da matéria e da luz é bastante estranha, pois parece impossível aceitar que algo possa ser, ao mesmo tempo, uma partícula – isto é, uma entidade confinada a um volume extremamente pequeno – e uma onda, que se espalha por uma extensa região do espaço. Esse primeiro paradoxo da Física Quântica teve início quando Max Planck descobriu que a energia da radiação térmica não é emitida continuamente, mas aparece sob a forma de “pacotes de energia”. Einstein denominou esses pacotes de quanta, neles reconhecendo um aspecto fundamental da natureza.

Segundo Capra (1983),

 

“Einstein foi suficientemente corajoso para postular que a luz e todas as demais formas de radiação eletromagnética podem aparecer não apenas como ondas eletromagnéticas, mas igualmente, sob a forma desses quanta. Os quanta de luz, que deram à teoria quântica o seu nome[9], têm sido aceitos, desde então, como partículas genuínas, que são atualmente chamadas fótons. São partículas de um tipo especial, desprovidas de massa e que sempre se deslocam com a velocidade da luz” (p.58) – grifos meus.

 

Assim, a contradição aparente entre as imagens da onda e da partícula foi resolvida de forma inteiramente inesperada e que veio a por em questão o próprio fundamento da visão de mundo mecanicista, isto é, o conceito da realidade da matéria. Para compreendermos isso, teremos que primeiramente discorrer sobre o trabalho de outro gênio da Física Quântica: Werner Heisenberg.

 

O Princípio da Incerteza de Heisenberg

 

Segundo Zohar (1982), nenhum trabalho humano poderia nos ter levado mais diretamente a encarar a destruição que a teoria quântica trouxe ao princípio da causalidade na física (que, como já vimos, é o mais fundamental princípio do conceito clássico de ciência) que o do físico alemão Werner Heisenberg[10]. Ele ganhou o prêmio Nobel de 1931, ao provar que todas as bases de nosso universo apóiam-se apenas em imprevisíveis acontecimentos subatômicos inteiramente fortuitos.

Com isso, porém, ele provocou o protesto de Einstein que teria afirmado sobre esta visão, que ela era “tão contrária ao meu instinto científico que não posso prosseguir a busca por uma concepção mais completa” (Zohar, 1982). Assim, respondendo diretamente às implicações das idéias de Heisenberg, resumidas no seu Princípio da Incerteza, Einstein fez sua famosa declaração de que “Deus não joga dados com o universo”. Na opinião de Zohar (1982), essa

 

“... foi, sem dúvida alguma, uma reação apaixonadamente religiosa, muito mais que uma fria declaração científica, embora Einstein tenha passado os últimos 25 anos de sua vida científica envolvido numa tentativa (infrutífera) de desenvolver uma teoria que levaria a física muito além das regras do cassino”.

 

A autora, então aponta, que “paradoxalmente, é do próprio Einstein a formulação de que a luz, e todas as outras formas de energia, provém de pacotes de energia (quanta), o que levou à evolução do princípio de Heisenberg”. Vamos então tentar entender esse processo.

Foi um importante avanço da teoria demonstrar que cada uma das órbitas que um elétron pode ocupar enquanto circular em torno do núcleo atômico representa um determinado estado de energia, e que os elétrons podem se movimentar de uma órbita para outra. No entanto, a teoria quântica dizia que se um elétron fosse deixar uma órbita (estado de energia) e mudar para outra, ele antes deveria absorver ou liberar alguma energia, precisando fazer isso em unidades de quanta descontínuos. E, como a energia a ser absorvida ou liberada só existe em unidades descontínuas, acontece que os movimentos dos elétrons de órbita para órbita seriam representados como uma série de saltos descontínuos em vez do que se poderia supor em qualquer modelo que a Física Clássica pudesse oferecer (que sustentava que todo movimento se dava ao longo de curvas contínuas).

Zohar (1982) explica que,

 

“Essa nova descrição de movimento como uma série de saltos descontínuos foi uma das mudanças conceituais mais fundamentais trazidas pela teoria quântica. Era algo mais ou menos como substituir-se o movimento na vida real pelos bruscos estágios de cada quadro em separado de um filme de cinema. A teoria quântica realmente mostrava que todo movimento é estruturado como nos sucessivos quadros de um filme – com a complicação adicional de que, exatamente como um filme poderia ocasionalmente dar um salto, passando por cima de alguns quadros, as partículas subatômicas também poderiam saltar para ´vários quadros à frente´, deixando de fora os passos intermediários, que tenderiam a parecer mais naturais”.

 

O Princípio da Incerteza de Heisenberg surgiu da questão de se tentar acompanhar e descrever o movimento real de uma partícula subatômica em seu caminho descontínuo. Durante essa tentativa, os físicos se defrontaram com uma dificuldade fundamental: a teoria quântica previa que quanto mais se tentasse analisar os movimentos de uma partícula subatômica, mais ilusório este movimento se tornaria. Pela mecânica do movimento quântico, o simples ato de dar um enfoque à partícula seria o suficiente para perturbá-la.

Para entender isso, imaginemos que um físico desejasse observar o movimento de um elétron em torno de um núcleo atômico. Ele poderia tentar localiza-lo com um microscópio muito poderoso. Mas, a visão depende da emissão de luz de um objeto para o olho, de maneira que, para produzir essa emissão de luz, ele deveria dirigir pelo menos um fóton de “luz” no elétron[11]. Por outro lado, acontece que um fóton de luz é um quantum de energia, e quando ele atingir o elétron, irá perturbá-lo, fazendo com que mude sua direção e velocidade – seu impulso (Zohar, 1982).

Na esperança de contornar esse problema da perturbação do impulso do elétron, o físico poderia tentar dirigir uma luz de freqüência mais baixa para o elétron. E como Einstein havia demonstrado, a freqüência de qualquer radiação é diretamente proporcional à quantidade de energia que ela carrega, de maneira que uma luz de freqüência mais baixa iria carregar menos energia e assim não deveria perturbar o elétron. Mas tão logo tente isso, o físico se deparará com um problema diferente. Descobrirá que sua luz de freqüência mais baixa não provoca uma imagem diferente. Uma onda de luz de baixa freqüência teria um comprimento de onda muito longo e isso iria produzir um quadro impreciso e aproximado que não permitiria localizar onde está o elétron.

Assim, o físico que esperava medir o movimento de um elétron ver-se-ia na situação de ter de escolher entre conhecer o impulso (velocidade) e não saber exatamente  a posição do elétron, ou conhecer sua posição e não saber muito bem qual o impulso; ele jamais poderia saber as duas coisas, embora precisasse conhecer impulso e posição para poder dizer algo de significativo sobre o movimento do elétron.

Essa é a essência do Princípio da Incerteza: em determinado nível de realidade chegamos a uma barreira além da qual é impossível tomar qualquer conjunto de medições exatas, e por isso torna-se impossível saber exatamente como se comportam os elementos que constituem a matéria (Zohar, 1982).

Segundo Heisenberg, essa incerteza é uma configuração característica do universo e não uma decorrência do uso de instrumentos ou meios inadequados[12]. Ao descrever os movimentos das partículas, teríamos sempre de nos contentar com aproximações. Dada uma “série” de medições longa o bastante, as aproximações iriam formar uma espécie de quadro (conforme as leis da probabilidade), mas esse quadro seria mais o resultado de uma tendência estatística do que a descrição objetiva e exata de qualquer movimento de elétron. Max Born, colega de Heisenberg, concluiu que “a física está na natureza do caso indeterminado e, portanto, é um caso para a estatística” (Zohar, 1982).

 

Quanto a isso, Capra (1983) assim se expressa,

 

“No nível subatômico, não se pode dizer que a matéria exista com certeza em lugares definidos; diz-se, antes, que ela apresenta ´tendência a existir´, e que os eventos atômicos não ocorrem com certeza em instantes definidos e numa direção definida, mas sim, que apresentam ´tendências a  ocorrer´. No formalismo da teoria quântica, essas tendências são expressas como probabilidades, e são associadas a quantidades matemáticas que tomam a forma de ondas. Essa é a razão pela qual as partículas podem ser ao mesmo tempo ondas. Elas não são ondas tridimensionais ´reais´, como as ondas sonoras ou as ondas nas água. São, em vez disso, ´ondas de probabilidade´, quantidades matemáticas abstratas, com todas as propriedades características das ondas, que são relacionadas às probabilidades de se encontrar as partículas em determinados pontos do espaço e em determinados instantes. Todas as leis da Física atômica são expressas em termos dessas probabilidades. Jamais podemos prever um fato atômico com certeza; podemos unicamente supor quão provável é a sua ocorrência” (p.58).

 

 

O novo conceito de matéria

 

            A partir do Princípio da Incerteza de Heisenberg, Max Born declara que,

 

       “... se jamais se pode determinar a não ser uma das duas propriedades (de uma partícula) [ter uma posição definida e um impulso definido], e se, quando uma é determinada, não se pode estabelecer nada sobre a outra propriedade naquele mesmo instante, até onde chegou nossa experiência, não temos justificativa para concluir que a ´coisa´ em exame possa realmente ser descrita como sendo uma partícula no sentido comum da expressão” (Zohar, 1982).

 

            Em outras palavras, se o elétron não for uma partícula “no sentido comum”, o que será ele? A questão nos leva a outra descoberta revolucionária da física quântica: que a matéria em si não é necessariamente “material” no sentido comum dessa expressão. Vejamos como isso é possível.

            Segundo Capra (1983), a nova teoria atômica pode esclarecer algumas questões que o modelo planetário de Rutherford sobre a estrutura do átomo não conseguiam explicar. Por exemplo, as experiências de Rutherford haviam demonstrado que os átomos que compõem a matéria sólida consistem quase integralmente em espaço vazio, quanto à distribuição da sua massa. O autor, então pergunta, “mas se todos os objetos que nos cercam, e nós mesmos, consistem, em sua maior parte, em espaço vazio, o que nos impede de caminharmos através de portas fechadas? Em outras palavras: o que confere à matéria seu aspecto sólido?”.

            Para o físico, a teoria quântica explica o aspecto sólido da matéria macroscópica (ou visível) a partir da natureza ondulatória dos seus elétrons, como conseqüência de um típico “efeito quântico” vinculado ao aspecto dual (onda-partícula) da matéria. Essa característica do mundo subatômico não dispõe de analogia macroscópica em nosso mundo sensível (ou dos sentidos).

            A descrição do mecanismo desse fenômeno – segundo Fritjof Capra – é a seguinte:

 

“Sempre que uma partícula é confinada a uma pequena região do espaço, essa partícula reage a esse confinamento movendo-se circularmente; quanto menor é a região de confinamento, tanto mais rápido é o movimento da partícula. No átomo, há duas forças que concorrem entre si. Por um lado, os elétrons são ligados ao núcleo por forças elétricas que buscam conservá-los tão próximos a ele quanto possível. Por outro, respondem a esse confinamento girando em torno do núcleo, e sua velocidade será tanto maior quanto mais firmemente estiverem ligados a ele. De fato, o confinamento dos elétrons num átomo resulta em enormes velocidades da ordem de 960 km por segundo! Essas elevadas velocidades fazem com que o átomo aparente ser uma esfera rígida, da mesma forma que uma hélice girando em alta velocidade aparece-nos como um disco. É extremamente difícil comprimir ainda mais os átomos e, dessa forma, eles conferem à matéria seu aspecto sólido que nos é tão familiar” (Capra, 1983) – grifos meus.

 

            Vê-se, portanto, que no átomo, os elétrons instalam-se de tal forma nas órbitas que existe um equilíbrio ótimo entre a atração do núcleo e a relutância dos elétrons ao confinamento. As órbitas atômicas, entretanto, diferem muito das dos planetas no sistema solar; a diferença deriva da natureza ondulatória dos elétrons. Na verdade, não é certo figurar um átomo como um pequeno sistema planetário, como o fez Rutherford. Em vez de partículas girando em torno do núcleo, temos de imaginar ondas de probabilidade dispostas nas diferentes órbitas. Sempre que procedermos a uma medição, encontraremos os elétrons em algum ponto dessas órbitas; não podemos, contudo, dizer que eles “giram em torno do núcleo” no sentido da Mecânica Clássica.

            A conseqüência de tudo isso, é que se por um lado, empiricamente o ser humano nunca visualizou diretamente e concretamente um átomo (experimentalmente, o ser humano possui evidências indiretas de sua existência, deduzindo a sua forma e estrutura, através de recursos matemáticos), de outro lado, a representação que a teoria quântica fornece sobre as “partículas” eletrônicas e subatômicas é, na verdade, um constructo abstrato (baseado na sua representação em “ondas de probabilidade”, como foi dito). Segundo Zohar (1982), como nunca se pode ter realmente certeza de quando ou sob quais circunstâncias um elétron (ou qualquer outra “partícula” subatômica) irá comportar-se como uma onda ou como partícula, os físicos quânticos desistiram das descrições muito simplistas de partícula ou onda e, em vez disso, falam de “ondas de matéria”.

            De fato, como vimos, pelo menos no nível subatômico, a matéria tem uma tal natureza dualista que as partículas elementares podem ser descritas com a mesma validade, comportando-se como ondas ou como partículas. Por exemplo, se um elétron colide com outro elétron, ele se comporta como uma partícula, e a colisão dessas duas partículas deixa pistas conhecidas numa câmara de neblina de Wilson. Mas, se um elétron é atingido estando contra uma tela que tenha duas fendas, em vez de escolher passar através de uma ou da outra, como uma partícula o faria, ele pode assumir de repente as propriedades de uma onda, passar pelas duas fendas ao mesmo tempo, e interferir em si mesmo (Zohar, 1982).

            As ondas de matéria são, assim, entidades matemáticas complexas que expressam as possíveis manifestações da natureza dualista do elétron (e, na verdade, todas as suas outras possíveis propriedades, como posição ou estado de energia) e representam a solução intermediária da teoria quântica para o problema de como descrever uma realidade que sai de foco a cada vez que se tenta olhar para ela (como vimos no Princípio da Incerteza de Heisenberg).

            Zohar (1982) conclui e ao mesmo tempo levanta questões, afirmando que,

 

       “Tirando-se todas as implicações do Princípio da Incerteza de Heisenberg, pode-se dizer que, segundo a Teoria Quântica, a Realidade em seu nível mais elementar consiste não de quaisquer realidades fixas que possamos conhecer, mas de todas as probabilidades das várias realidades fixas que poderíamos conhecer. Evidentemente, alguma proporção dessas probabilidades em algum estágio se torna realidade, a que o mundo de nossa experiência cotidiana presta testemunho. Mas, de que maneira? Em que estágio, e por que, uma ou outra das inúmeras possibilidades da natureza se fixa no mundo das ´coisas reais´ e que papel desempenham todas as ´probabilidades perdidas´ ao atingir seu estado de coisas final?” (p.160) – grifos meus.

 

Aspectos adicionais da nova concepção de matéria

 

 

I) Os Estados Práticos

 

 

            Vimos que nas órbitas, os elétrons ondulatórios têm de estar dispostos de tal forma que “suas extremidades se encontrem” (Capra, 1983), isto é, formem padrões conhecidos como ondas estacionárias. Esses padrões aparecem sempre que as ondas são confinadas a uma região finita. Sabe-se que essas ondas podem assumir um número limitado de formas bem definidas (esfera, ovóide, etc), o que equivale a afirmar que cada onda pode existir exclusivamente em determinadas órbitas atômicas com diâmetros definidos. Por exemplo, o elétron de um átomo de hidrogênio, por exemplo, só pode existir numa órbita bem determinada que poderá ser a primeira, a segunda ou a terceira, etc., mas não pode existir em nenhum ponto do espaço entre elas.

            Sabe-se também, que sob condições normais, ele estará sempre na órbita mais baixa, denominada “estado fundamental” do átomo. Daí, o elétron pode saltar para órbitas mais elevadas se receber a quantidade necessária de energia; diz-se então que o átomo está num “estado excitado”, do qual retornará ao seu estado fundamental após certo lapso de tempo. Para isso, o elétron eliminará o excedente de energia sob a forma de um quantum de radiação eletromagnética (ou fóton).

            Esses aspectos ajudam a responder outro paradoxo levantado pela Física Moderna, e que se refere à extraordinária estabilidade mecânica dos átomos, que sabemos hoje depender das incríveis propriedades ondulatórias dos elétrons. A questão se refere ao seguinte: no ar, por exemplo, sabemos que os átomos colidem milhões de vezes a cada segundo e, no entanto, retornam à sua forma original após cada colisão. Mas, se o átomo fosse concebido como um sistema planetário (tal como postulou Rutherford) que obedecesse as leis da Mecânica clássica, ele não seria capaz de resistir a tais colisões. Na prática, porém, observamos que um átomo de oxigênio sempre conservará sua configuração característica de elétrons, indiferentemente à freqüência com que colida com outros átomos, e essa configuração ademais, é exatamente a mesma em todos os átomos de um determinado tipo. Por exemplo, dois átomos de ferro, e conseqüentemente, dois pedaços de ferro puro, são completamente idênticos, qualquer que seja a sua origem ou o tratamento que tenha recebido no passado (Capra, 1983).

            Capra (1983) explica que,

 

      “Os estados de  um átomo, isto é, as formas e as distâncias mútuas das órbitas de seus elétrons, são exatamente os mesmos para todos os átomos que possuam o mesmo número de elétrons. Essa é a razão pela qual dois átomos de oxigênio, por exemplo, serão completamente idênticos. Esses átomos podem se encontrar em diferentes estados excitados, talvez devido às colisões com outros átomos no ar; passado um certo lapso[13] de tempo, contudo, retornarão invariavelmente ao mesmo estado fundamental. A natureza ondulatória dos elétrons responde pela identidade dos átomos e pela sua grande estabilidade mecânica” – grifos meus.

 

            Outro aspecto dos estados atômicos consiste no fato de que eles podem ser completamente especificados por um conjunto de números inteiros denominados “números quânticos”, que indicam a localização e a forma das  órbitas dos elétrons. O primeiro número quântico é o número da órbita e determina a energia que um elétron deve possuir para estar naquela órbita; dois outros números especificam a forma detalhada da onda do elétron ondulatório na órbita e estão relacionados com a velocidade e a orientação da rotação do elétron. Entretanto, a “rotação” de um elétron em sua órbita não deve ser entendida no sentido clássico; ela é determinada pela forma da onda do elétron ondulatório em termos das probabilidades de existência da partícula em determinados segmentos de órbita.

            O fato de que esses detalhes sejam expressos por números inteiros significa que o elétron não pode alterar sua rotação com continuidade, só podendo saltar de um valor para outro, da mesma forma que pode saltar de uma órbita para outra[14].

            Aqui, começaremos a entrar em outro conceito que representará um efetivo ataque às leis da causalidade, há tempos tão respeitadas pelos “cientistas clássicos”; essa noção, Zohar (1982) apresentou sob o nome de “Estados Práticos”. A autora explica que quando se substituiu a clássica noção de movimento contínuo por um caminho preestabelecido pela visão quântica de bruscas transições de um estado de energia para outro através de saltos quânticos descontínuos, a brecha estava aberta. Logo tornou-se evidente que se um sistema atômico é perturbado (interna ou externamente), as conseqüentes transições do elétron ocorrerão de maneira inteiramente casual (ou melhor, acausal).

            Por exemplo, poderá acontecer uma transição a qualquer hora e sem qualquer causa atribuível, e subitamente, sem qualquer aviso prévio, sem nenhuma razão aparente, um átomo que estava antes “calmo” pode passar por um caos em seus elétrons, e jamais se pode prever quando isso irá acontecer com qualquer dos átomos – é só uma questão de “oportunidade”. Um elétron pode, com a mesma probabilidade, sofrer uma transição de um estado de energia elevado para um inferior, e vice-versa (razão pela qual se diz que há reversibilidade do tempo no nível quântico).

            Assim, não é possível falar de uma “sucessão de acontecimentos” em nenhum sentido conhecido, como se alguma coisa tivesse necessariamente levado a outra. Seria mais exato dizer que um acontecimento estaria relacionado com outro, mas seria muito errado descrever um como causa e outro como efeito[15]. Segundo palavras de Zohar (1982), “simplesmente eles acontecem da forma que acontecem”.

            Outra questão, que a autora denomina de “probabilidades perdidas” envolve o fato de que durante os estágios anteriores de sua perturbação, as transições do elétron que se verificam dentro de um sistema atômico excitado ocorrem simultaneamente em todas as direções de uma só vez. Quer dizer, um elétron excitado comporta-se como se “estivesse cobrindo todo um amplo espaço” (Zohar, 1982).

            Zohar (1982) explica esse fenômeno da seguinte maneira:

 

       “Se um elétron é atingido por um fóton, ele terá adquirido energia do fóton e assim já não poderá mais continuar normalmente circulando em volta do núcleo na órbita que havia ocupado antes de maneira tão estável. Deverá sair procurando uma outra órbita mais adequada a seu novo estado de excitação. Mas, uma vez que nada é determinado na física quântica, existem muitas órbitas em que ele pode se instalar. Embora apenas uma certa proporção dessas novas órbitas ofereça ao elétron um lar estável e permanente, como poderia ele saber qual, a menos que experimentasse todas? Pois é exatamente isso que ele faz” (p.161).

           

Devemos lembrar que, para que isso seja possível, o elétron deve se comportar como uma onda (que como sabemos, também é ao mesmo tempo uma partícula). Zohar (1982) explica que um elétron excitado, disfarçado de onda de probabilidade, aplica todos os seus ‘sensores´ temporariamente, enquanto vai procurando seu lugar, em todas as possíveis acomodações. Até ele decidir se estabelecer em alguma localização permanente, ele realmente estará vivendo em todas as possibilidades temporárias. Na teoria quântica, esses “endereços temporários” são chamados de  transições virtuais, e o endereço final ou “permanente”, chama-se transição real. As transições reais são as que conservam energia. As transições virtuais não conservam energia e devem reverter ao estado anterior antes que tenham ido longe demais. Deve-se ter cuidado para que as terminologias “real e virtual” não sejam mal compreendidas. Pode-se entender que “virtual” implique que as transições virtuais não tenham efeitos reais. David Bohm (um dos maiores físicos quânticos da atualidade), porém, explica que ao contrário, as transições virtuais são da maior importância, “pois muitos processos físicos são resultado destas chamadas transições virtuais” (Zohar, 1982).

           

 

            A autora faz uma analogia interessante com o nosso mundo macroscópico, para facilitar a compreensão desse conceito:

 

      “A situação se parece um pouco com a de uma pessoa muito modesta que acaba de ganhar na loteria. A nova riqueza faz com que ela ache inconveniente continuar morando num apartamento de dois quartos na mesma rua de sempre. Todo um mundo de novas possibilidades se abriu para essa pessoa e ela pretende realizar seu maior desejo: possuir a casa de seus sonhos. No mundo ´real´(o mundo da realidade diária), naturalmente, ela teria que explorar todas essas possibilidades uma por uma, talvez tendo que se mudar umas oito ou dez vezes até ter a certeza de haver encontrado exatamente a casa certa.

       Mas no mundo da quântica, o ganhador simplesmente mora em todas as suas possíveis casas novas, e em todas ao mesmo tempo. Se o corretor quisesse obrigá-lo a assinar o contrato de compra, essa seria uma tarefa impossível (pois ele estará morando em todas as casas) e seria preciso enviar duplicatas para cada um dos endereços” (p.162).

      

A autora explica que,

 

“... se estas casas fossem o bastante perto umas das outras, o ganhador até poderia estar em cada uma das varandas acenando para si mesmo”, se bem que, na verdade, para a física quântica não faria muita diferença a distância em que estejam as casas, porque as transições virtuais de uma partícula podem interferir umas nas outras a qualquer distância.

 

            A autora, então, conclui

           

       “Afinal, tendo explorado inteiramente todas as suas possibilidades, o ganhador iria se estabelecer de modo permanente apenas numa casa, mas não sem haver deixado ´traços´ de sua presença nas diversas vizinhanças onde estavam suas casas temporárias. Os vizinhos poderiam lembrar-se de tê-lo visto, imaginando algo como: ´O que será que aconteceu com aquela pessoa que desapareceu tão de repente?´. Alguns desses vizinhos podem até ter mudado seus próprios hábitos em conseqüência do vencedor estar residindo em suas proximidades temporariamente (´... pois muitos processos físicos são resultado destas transições virtuais´)”.

 

            No nosso mundo macroscópico, segundo David Bohm, um fenômeno que guarda analogia com o princípio das transições quânticas virtuais é a evolução biológica. Esse conceito sugere que podem surgir todos os gêneros de espécies em mutações, mas apenas algumas espécies sobreviverão indefinidamente, e serão aquelas capazes de satisfazer determinadas exigências para a sobrevivência no meio ambiente específico que rodeia a espécie.

            Nesse sentido, as inúmeras espécies que surgem de repente por meio de mutações podem ser vistas como as diversas possibilidades (estados virtuais) sendo exploradas pela natureza como novas maneiras pelas quais ela poderia expressar seu potencial. As possibilidades menos viáveis, como diz Bohm, acabam sendo postas de lado, mas em geral, não sem antes deixar algum traço de si mesmas que irá se tornar parte do sistema da vida. Duas mutações condenadas, por exemplo, poderiam, antes de desaparecer, fazer um cruzamento que formaria uma terceira mutação bastante capaz de sobreviver indefinidamente (uma transição real). Foi mais ou menos assim que a espécie humana surgiu – uma bem-sucedida mutação secundária de alguma forma de vida obscura que se conhece apenas como “o elo perdido” (Zohar, 1982).

 

           

II) A Não-localização ou “Ação à Distância”

 

            É em conseqüência direta do significado dos estados virtuais, pelo qual a função de onda de uma partícula elementar é “espalhada por uma enorme região no espaço”, que a teoria quântica faz uma de suas predições mais fortes e revolucionárias: pode haver ligações e correlações entre acontecimentos muito distantes na ausência de qualquer força ou sinal intermediário, e essa “ação à distância” será instantânea.

            Esse “Princípio da Não-localização” (segundo o qual alguma coisa pode ser afetada na ausência de qualquer causa local) está bem claro no Teorema de Bell – e parte necessariamente da natureza essencialmente indeterminada da realidade, como é sugerido pelas equações de onda da teoria quântica.

            Segundo Zohar (1982), a teoria quântica indica que não existem coisas como partes isoladas da realidade, mas antes, apenas fenômenos muito intimamente relacionados e tão ligados entre si como se fossem inseparáveis. Essa visão sustenta que nosso mundo físico “... não é uma estrutura feita de entidades não analisáveis de existência independente, mas uma rede de relacionamentos entre elementos cujos significados se elevam de seus relacionamentos ao todo”[16].

            Para a autora, essa visão, com suas nuances evidentemente místicas, vai diretamente contra não apenas o bom senso e a física clássica, mas também contra a Teoria da Relatividade – todas baseadas no princípio intuitivo de que os fragmentos de que esta realidade se compõe são inerentemente separados e de que não há nenhum efeito testemunhado num pedacinho específico que tenha uma causa detectável proveniente de algum outro fragmento, atuando como intermediário por meio de alguma força ou sinal detectável localmente[17].

            Einstein acrescentou mais um elemento a essa doutrina de “causas locais”, afirmando que nenhum sinal poderia ir de um fragmento da realidade (uma causa) para outro (um efeito) mais depressa que a luz, sendo isso um empecilho em relação ao que diz a teoria quântica, de que uma influência pode ser instantânea.

            Foi por causa da defesa de uma “ação à distância” instantânea que Einstein insistia em que a teoria quântica tinha de ser uma descrição incompleta da realidade e se dispôs a ilustrar isso no famoso Paradoxo de Einstein, Podolsky e Rosen (ou Paradoxo EPR), publicado em 1935.

            O Paradoxo EPR em si está relacionado a uma experiência com o pensamento proposta por Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen na qual um físico teria a expectativa de medir as posições e os momentos de dois prótons no instante que partissem em direções opostas de uma mesma fonte. David Bohm mais tarde revisou esta proposição, sugerindo que o físico medisse o movimento rotativo de dois prótons. Essa sugestão tornou-se a base para as experiências da correlação real realizada na década de 70.

            Hawking (2002) explica o Paradoxo Einstein, Rosen e Podolsky da seguinte maneira. Imagine que um átomo radioativo se desintegre e envie duas partículas em direções opostas e com spins opostos[18]. Sabe-se que um observador que olhe apenas uma partícula não consegue prever se ela estará girando para a direita ou para a esquerda. Mas, se as medições (ou seja, se as equações matemáticas) do observador mostrarem que ela está girando para a direita, ele poderá prever que a outra partícula estará girando para a esquerda, e vice-versa. A outra partícula poderia estar agora do outro lado da galáxia, mas ainda assim saberíamos instantaneamente em que direção estava girando.Einstein achava essa possibilidade, proposta pela teoria quântica, como sendo ridícula, pois para ser verdadeira, precisaria ser necessário haver troca de informações entre as partículas numa velocidade maior que a da luz, algo proibido pela teoria da relatividade. Porém a maioria dos cientistas observou que Einstein se confundiu. O experimento imaginário de Einstein, Rosen e Podolsky não mostra que seja possível enviar informações mais rapidamente que a luz. Uma interpretação mais condizente com a teoria quântica é a de que o experimento poderia ser possível se considerarmos uma interligação essencial entre as partículas em questão, permitindo que instantaneamente ao saber a posição de uma partícula, se possa calcular a posição da outra.  

 

            Zohar (1982) explica a essência do Paradoxo EPR a partir de um exemplo figurado que poderia ser encontrado na vida cotidiana:

 

            Imaginemos o destino de um par de gêmeos nascidos em Londres, porém separados desde esse momento, sendo que um deles foi levado para Nova Iorque e o outro continuou em Londres. Suponhamos que os gêmeos jamais se encontraram novamente, cresceram sem saber da existência um do outro e que nunca tenha havido qualquer forma de comunicação entre ambos, vivendo eles, vidas inteiramente separadas. Imaginemos que um psicólogo resolva estudar os gêmeos, percebendo uma estranha semelhança em seus comportamentos e suas circunstâncias. Por exemplo, cada um dos dois adotou o apelido de “Scotty”, ambos escolheram entrar para a força policial e chegaram igualmente ao posto de Detetive-Inspetor; ambos se vestem exclusivamente de azul e casaram no mesmo ano com uma morena chamada Mary, e assim por diante. Como se explica tudo isso?

            Um teórico da linha quântica não teria problemas com essas aparentemente inexplicáveis correlações entre as vidas dos dois gêmeos, pois suas equações sempre o deixaram esperando por algo assim – e desde que suas previsões matemáticas se tenham tornado realidade, ele não está muito preocupado com o porquê.

            Einstein, porém, achava que o fato de os teóricos da física quântica não se importarem com esse tipo de coisa era uma prova de que a teoria quântica estava incompleta. Em primeiro lugar, Einstein não podia abandonar sua fé (já abalada pelo Princípio da Incerteza) de que uma teoria física completa deveria ser  capaz de explicar o “porquê” das coisas e dizer algo definido sobre a natureza da realidade. Em segundo lugar, ele não podia aceitar que não houvesse alguma explicação “respeitadora da lei” por trás de quaisquer uma das correlações entre as vidas obviamente separadas dos gêmeos. Segundo suas palavras,

 

            “Pode-se fugir desta conclusão (de que a teoria quântica está incompleta) somente se assumirmos que ou a medida de s1 (um dos gêmeos) muda telepaticamente a situação real de s2 (o outro gêmeo), ou se negarmos situações reais (vidas) independentes como coisas que estão separadas em termos espaciais uma da outra. Essas duas alternativas me parecem completamente inaceitáveis” (Zohar, 1982).

 

            De maneira que, para evitar cair de volta na telepatia ou na possiblidade de alguma ligação misteriosa entre situações distantes, Einstein propunha uma terceira saída: a de que haveria algum fator em comum na própria natureza das situações que poderia ser levado em conta nesse comportamento correlacionado.

            No exemplo dos gêmeos, esse fator comum poderia ser ilustrado dizendo-se que eles devem ser gêmeos idênticos, compartilhando material genético. Einstein diria então que, se as vidas dos gêmeos transcorreram por linhas semelhantes, conforme previa a teoria quântica, era simplesmente porque eles haviam sido programados para isso desde o início, por aquele fator genético comum, profundo em sua natureza. E assim não existe nenhuma telepatia e nenhuma “ação à distância” em seus estilos de vida semelhantes, e sim um fator comum que a teoria quântica deve deixar de levar em conta por sua recusa em estabelecer qualquer coisa sobre a natureza da realidade subjacente. A sugestão de Einstein de que existe um fator comum na base dos efeitos de correlação previstos pela teoria quântica é conhecida como a Teoria das Variáveis Ocultas.

            Durante muitos anos, a prova sugerida por Einstein de que a teoria quântica está incompleta foi deixada de lado, num estado quase de esquecimento junto com as previsões de não-localização. Os poucos físicos que pensaram sobre o Paradoxo EPR não pensaram de maneira alguma que pelo menos essa solução do “fator comum” (as variáveis ocultas)  fosse compatível com quaisquer previsões da teoria quântica, e assim parecia de certa forma um tanto abstrato que Einstein estivesse certo ao dizer que tais previsões poderiam ser explicadas em relação a uma realidade subjacente. Mas, tudo isso mudou com a publicação do Teorema de Bell em 1964.

            Bell, um físico dos laboratórios CERN em Genebra, provou matematicamente que ou Einstein estava certo, e existe uma realidade fundamental no mundo físico por baixo da indeterminância da física quântica (e assim a teoria quântica está equivocada), ou o próprio Einstein estava inteiramente errado ao supor que haja uma realidade subjacente e a teoria quântica está correta ao prever uma autêntica ação à distância. Bell estabeleceu este ou-ou, matematicamente baseado numa prova de que a idéia de Einstein e a teoria quântica levariam não às mesmas previsões em determinadas situações experimentais como se havia pensado, mas a outras completamente diferentes. Embora o Teorema de Bell por si mesmo seja extremamente matemático, pode ser expresso através do exemplo dos gêmeos, como o faz Zohar (1982).

 

      “Suponhamos que o psicólogo que observou os gêmeos tenha notado que ambos têm inclinação a acidentes. Cada um dos dois feriu-se jogando futebol com a idade de 16 anos, cada um bateu com o carro aos 25 anos, e assim, por diante. Numa situação como essa, Einstein diria que essa tendência a acidentes deveria ser um traço herdado e que essas respectivas piceladas do azar dos gêmeos estavam programadas para acontecer. O teórico da quântica diria que nada  sabe sobre genética, mas que suas equações demonstram que se um acidente sobrevém a um gêmeo, um acidente semelhante deve sobrevir ao outro. O que Bell fez foi provar que existe uma espécie de acidente capaz de demonstrar de uma vez por todas que a tendência a acidentes dos gêmeos seria realmente um traço herdado.

       Bell sugeriria que o gêmeo que morava em Nova Iorque fora empurrado num lance de escadas de maneira a quebrar a perna. E agora, já que ninguém iria argumentar que alguém poderia herdar a tendência a ser empurrado escada abaixo por algum estranho hostil, se acontecesse um acidente semelhante ao gêmeo de Londres, Einstein possivelmente não poderia argumentar que isso acontecera por causa de algum fundo genético em comum. Se os dois gêmeos caíram em um lance de escadas (e só o de Nova Iorque foi empurrado por alguém) e cada um dos dois acabou com uma perna quebrada, deveria então haver alguma espécie de telepatia funcionando entre os dois. A teoria quântica estaria vingada.

       Mas se, por outro lado, o gêmeo de Londres continuasse a caminhar são e salvo em cima de suas duas pernas e o gêmeo de Nova Iorque estivesse com sua perna quebrada engessada, então Einstein estaria certo. Ele poderia dizer que todas as semelhanças observadas baseavam-se em características herdadas (as variáveis ocultas) e que, em situações que as características herdadas não abrangessem, não se poderia esperar semelhanças (ou correlações)” (Zohar, 1982).

 

            As alternativas esboçadas pelo Teorema de Bell foram testadas em laboratório no ano de 1974, quando dois físicos de Bekerley, Stuart Freedman e John Clauser, conseguiram realizar uma experiência de correlação bem-sucedida em fótons polarizados[19]. Freedman e Clauser determinaram, acima de qualquer suspeita, que as misteriosas correlações ocorrem conforme prevê a teoria quântica, e sua capacidade para fazer isso registrando efeitos macroscópicos (ou seja, efeitos visíveis no nível da realidade do cotidiano) na aparelhagem de seu laboratório ainda vai mais longe, até mostrar que o Teorema de Bell e a “ação à distância” têm implicações muito além do nível subatômico da realidade, ou seja, o Teorema de Bell coloca o dilema imposto pelos fenômenos quânticos muito claramente no reino dos fenômenos macroscópicos (do nosso nível cotidiano), mostrando que nossas idéias comuns sobre o mundo são profundamente deficientes mesmo no nível macroscópico (Zohar, 1982).  

           

III) O universo como uma unidade básica

 

            A teoria quântica derrubou os conceitos clássicos de objetos sólidos e de leis da natureza estritamente deterministas. Segundo Capra (1983), no nível subatômico, os objetos materiais sólidos da Física Clássica dissolvem-se em padrões de probabilidade semelhantes a ondas; esses padrões, em última instância, não representam probabilidades de coisas, mas sim, probabilidades de interconexões.

            Uma análise cuidadosa do processo de observação na Física Atômica tem demonstrado que as partículas subatômicas não possuem significado enquanto entidades isoladas, somente podendo ser compreendidas como interconexões entre a preparação de um experimento e sua posterior medição. A teoria quântica revela, assim, uma unidade básica no universo, já que – como veremos - é impossível decompor a matéria em unidades menores dotadas de existência independente. Ou em outras palavras, à medida que penetramos na matéria, a natureza não nos mostra quaisquer “blocos básicos de construção” isolados, como sempre se pensou que poderia ser encontrado. Ao contrário, surge perante nós como uma complicada teia de relações entre as diversas partes do todo.

            Segundo Capra (1983), essas relações sempre incluem o observador, de maneira essencial. O observador humano constitui o elo final na cadeia de processos de observação, e as propriedades de qualquer objeto atômico só podem ser compreendidas em termos de interação do objeto com o observador. Em outras palavras, o ideal clássico de uma descrição objetiva da natureza perde sua validade. A partição cartesiana entre o eu e o mundo, entre o observador e o observado, não pode ser efetuada quando lidamos com a matéria atômica. Na Física Atômica, jamais podemos falar sobre a natureza sem falar, ao mesmo tempo, sobre nós mesmos.

            Capra (1983) assim se expressa,

 

       “Tendências a existir, partículas reagindo ao confinamento com o movimento, átomos passando repentinamente de um estado ´quântico´ para outro e uma interligação essencial de todos os fenômenos – estas são algumas das facetas fora do comum apresentadas pelo mundo atômico”.

 

            O autor explica que a força básica que origina todos os fenômenos atômicos nos é familiar no mundo macroscópico, e se trata da força de atração elétrica entre o núcleo atômico positivamente carregado e os elétrons negativamente carregados. A interação dessa força com os elétrons-ondulatórios origina a tremenda variedade de estruturas e fenômenos em nosso meio ambiente, bem como é responsável por todas as reações químicas e formação de moléculas, base de todos os sólidos, líquidos e gases, e de todos os processos biológicos e de formação e estruturação dos organismos vivos.

            Os núcleos atômicos (que como sabemos são compostos de prótons e nêutrons) são muito importantes: são os centros extremamente pequenos e estáveis, que constituem a fonte da força elétrica e formam os esqueletos da grande variedade de estruturas moleculares. Seu estudo envolve a determinação de sua carga e massa (o núcleo contém praticamente toda a massa do átomo, embora como vimos, o seu tamanho em relação ao átomo seja milhões de vezes menor, como “uma partícula de sal no centro do maior estádio de futebol do mundo”). Na década de 30, após a elucidação do mundo dos átomos via teoria quântica, os físicos se deparam com a tarefa de compreender a estrutura dos núcleos, seus componentes e as forças que os mantêm tão firmemente unidos.

            Eles obtiveram um grande avanço com a descoberta do nêutron, uma partícula que tem aproximadamente a mesma massa do próton (cerca de duas mil vezes a massa do elétron), mas não dispõe de uma carga elétrica. Essa descoberta revelou que a força nuclear que mantém essas partículas (prótons e nêutrons) tão rigidamente ligadas dentro do núcleo, constituía um fenômeno totalmente novo, até então. Esse fenômeno não poderia ser de origem eletromagnética, uma vez que os nêutrons eram eletricamente neutros. Os físicos logo perceberam que estavam em confronto com uma nova força da natureza que não se manifesta em lugar algum fora do núcleo.

            Um núcleo atômico é cerca de cem mil vezes menor do que o átomo e, entretanto, contém toda a massa deste. Isso significa que a matéria dentro do núcleo deve ser extremamente densa se comparada com as formas de matérias com as quais estamos familiarizados. Na verdade, se todo o corpo humano fosse comprimido à densidade nuclear, não ocuparia mais espaço que a cabeça de um alfinete. Essa elevada densidade, contudo, não constitui a única propriedade insólita da matéria nuclear.

            Possuindo a mesma natureza quântica que os elétrons, os “núcleons” – como os prótons e nêutrons são comumente chamados – respondem ao seu confinamento com elevadas velocidades. Já havíamos visto que sempre que uma partícula é confinada a uma pequena região do espaço, ela reage a esse confinamento movendo-se circularmente, e quanto menor é a região de confinamento, tanto mais rápido é o movimento da partícula. No caso dos elétrons, já ficamos surpresos com o fato de que eles reagem a esse confinamento girando em torno do núcleo há velocidades próximas de 960 km por segundo. Vimos, também, que é essa propriedade quântica que confere o aspecto sólido para a matéria visível, já que tomando a proporção entre o núcleo atômico e os elétrons à sua volta, a matéria no nível atômico é quase inteiramente formada de “espaços vazios”. Entretanto, os núcleons são comprimidos num volume ainda mais reduzido (muito mais reduzido!), e portanto a sua reação é tanto mais violenta. Prótons e nêutrons percorrem o núcleo de um lado para o outro a velocidades de cerca de 64.000 km/seg! A matéria nuclear é, assim, uma forma de matéria inteiramente diversa de tudo aquilo que estamos familiarizados em nosso mundo macroscópico visível.

            O novo aspecto essencial da matéria nuclear – que responde por todas essas inusitadas propriedades – é a forte força nuclear. Sua característica singular é o seu alcance extremamente curto: essa força age apenas quando os núcleons se aproximam em demasia uns dos outros, na ordem aproximada de duas a três vezes os seus diâmetros. A essa distância, a força nuclear é fortemente atrativa. Contudo, se essa distância se torna menor, a força torna-se fortemente repulsiva, de modo que os núcleons não podem se aproximar mutuamente mais do que já fizeram. Dessa forma, a força nuclear mantém o núcleo num equilíbrio estável, embora altamente dinâmico. (Capra, 1983)

            A visão da matéria que emerge do estudo dos átomos e dos núcleos mostra-nos que essa matéria, em sua maior parte, acha-se concentrada em “minúsculas gotas separadas por distâncias consideráveis” (Capra, 1983). No vasto espaço existente entre as gotas nucleares “compactas” (por concentrarem quase toda a massa do átomo) e intensamente “ferventes” movem-se os elétrons. Estes constituem apenas uma reduzidíssima fração da massa total[20], embora confiram à matéria seu aspecto sólido e forneçam os vínculos necessários à construção das estruturas moleculares, achando-se envolvidos nas reações químicas, e com tudo isso, responsáveis pelas propriedades químicas da matéria[21].

            Capra (1983) explica que as reações nucleares, por outro lado, geralmente não se verificam de modo natural nessa forma de matéria, em virtude do fato de que as energias disponíveis não são suficientemente elevadas para perturbar o equilíbrio nuclear. Essa forma de matéria, entretanto, com sua grande variedade de formas e texturas e sua complexa arquitetura molecular, só consegue existir sob condições muito especiais, quando a temperatura não é muito elevada, de modo que as partículas não se agitem em demasia. Quando a energia térmica aumenta cerca de cem vezes mais, como sucede na maioria das estrelas, todas as estruturas atômicas e moleculares são destruídas. A maior parte da matéria presente no universo existe, de fato, num estado bastante diverso daquele descrito até aqui[22].

            Na história da penetração humana dentro deste mundo submicroscópico, uma nova etapa foi alcançada no início da década de 1930, quando os cientistas imaginaram haver finalmente descoberto os “blocos de construção básicos” da matéria. Sabia-se que toda a matéria consistia em átomos e que todos os átomos consistiam em prótons, nêutrons e elétrons. Essas chamadas “partículas elementares” eram encaradas como as últimas e indestrutíveis unidades da matéria, átomos tais como os tinha concebido Demócrito. Embora a teoria quântica implique o fato já mencionado de que não podemos decompor o mundo nas menores unidades existentes independentemente, esse fato não foi, via de regra, percebido naquela época. Os hábitos clássicos de pensamento ainda se mostravam de tal forma persistentes que a maioria dos físicos tentava compreender a matéria em termos de seus “blocos de construção básicos”, tendência de pensamento que, aliás, ainda hoje continua sólida entre alguns pesquisadores físicos.

            Mas, dois avanços a partir dessa época, um no campo experimental e outro no campo teórico da Física, se opuseram ainda mais intensamente à essa resistência de abandonar a noção de partículas elementares como sendo as unidades primárias da matéria. Essa noção definitivamente, teve de ser posta de lado.

            Do lado experimental, foram descobertas novas partículas à medida que os físicos aperfeiçoavam suas técnicas experimentais e desenvolviam novos e engenhosos dispositivos para detecção de partículas. Assim, o número destas ampliou-se, segundo a seguinte escala:

 

a)      de três para seis, por volta de 1935;

b)      de seis para dezoito, por volta de 1955;

c)      e hoje conhecemos, mais de duzentas partículas subatômicas.

 

Nesse contexto experimental,  o adjetivo “elementar” deixou de ter uma aplicação atraente à caracterização de qualquer partícula.

Paralelamente, no lado teórico, logo após a formulação da teoria quântica, tornou-se claro que uma teoria completa dos fenômenos nucleares, deveria além de incorporar esta última, também incluir a teoria da relatividade. Isto se deve ao fato de que as partículas confinadas às dimensões do núcleo freqüentemente se movem tão rápido que sua velocidade se aproxima da velocidade da luz. Esse fato é fundamental para a descrição do seu comportamento, pois toda descrição de fenômenos naturais envolvendo velocidades próximas à da luz precisa levar em conta a teoria da relatividade. Essa descrição, como se costuma falar, precisa ser “relativística” (Capra, 1983). Precisamos então, para o entendimento integral do mundo nuclear, de uma teoria que incorpore tanto a teoria quântica quanto a da Relatividade. Porém, uma teoria desse porte ainda não foi encontrada, e a fusão das teorias quântica e da relatividade numa teoria completa do mundo das partículas é hoje, o problema central e o grande desafio da Física Moderna.

            Tudo isso tem uma justificativa. Embora saibamos bastante acerca da estrutura nuclear e das interações entre as partículas nucleares, ainda não compreendemos a natureza e a forma complexa da força nuclear a nível fundamental. Inexiste, portanto, uma teoria completa do mundo das partículas nucleares comparável à teoria quântica para o mundo atômico. Dispomos, isto sim, de diversos modelos “quântico-relativísticos” que descrevem adequadamente alguns aspectos do mundo das partículas, mas segundo Capra (1983), nenhum desses modelos está isento de dificuldades matemáticas, e todos eles se contradizem entre si em certos aspectos[23].

            Seja como for, a teoria da relatividade de Albert Einstein tem exercido profunda influência na maneira como figuramos a matéria, forçando-nos a modificar de um modo essencial nosso conceito de partícula. Na Física Clássica, a massa de um objeto sempre esteve associada a uma substância material indestrutível, a algum “estofo” com o qual se acreditava que todas as coisas fossem feitas.

            A teoria da relatividade, porém, demonstrou que a massa nada tem a ver com qualquer substância, sendo isso sim, uma forma de energia. Energia, entretanto, é uma quantidade dinâmica associada com atividade, ou com processos (Capra, 1983).

            Logo, o fato de a massa de uma partícula ser equivalente a uma certa quantidade de energia significa que a partícula não pode mais ser encarada como um objeto estático mas, sim, que ela deve ser concebida como um modelo dinâmico, um processo que envolve uma energia que se manifesta a si mesma como a massa da partícula.

            Essa nova concepção de partícula foi iniciada com a formulação de uma equação relativística que descreve o comportamento dos elétrons, pelo físico inglês e ganhador do prêmio Nobel, Paul Dirac. A teoria de Dirac mostrou-se extremamente bem-sucedida na explicação dos pequenos detalhes da estrutura atômica. Mas, principalmente, ela revelou uma simetria fundamental entre matéria e anti-matéria. Dirac previu, com suas equações matemáticas, a existência de um antielétron com a mesma massa do elétron, mas com carga oposta. Essa partícula positivamente carregada foi realmente descoberta experimentalmente dois anos depois da predição de Dirac, e foi denominada pósitron.

            Teoricamente, a simetria entre matéria e antimatéria implica o fato de que para cada partícula existe uma antipartícula, portadora de igual massa e carga oposta. Pares de partículas e antipartículas podem ser criados se dispusermos de suficiente energia e podem ser transformados em energia pura no processo reverso de aniquilação. Esses processos de criação e aniquilação de partículas haviam sido previstos pela teoria de Dirac antes de serem efetivamente descobertos na natureza. Têm sido, desde então, observados milhões de vezes.

            A criação de partículas materiais a partir da energia pura é, por certo, o efeito mais espetacular da teoria da relatividade, podendo ser compreendida somente em termos da concepção de partículas esboçada pela teoria quântica, especialmente pelas equações de Dirac (mas, evidentemente, não pela concepção da Física Clássica).

            Antes da Física das partículas relativísticas, sempre se considerara a matéria constituída ou de unidades elementares, que seriam indestrutíveis e imutáveis, ou de objetos compostos, que podiam ser fragmentados em suas partes componentes. A questão básica na Física Clássica girava em torno da indagação se seria possível dividir indefinidamente a matéria ou se, ao invés disso, poder-se-ia chegar às menores unidades indivisíveis.

            Com o modelo “quântico-relativístico” de Dirac, toda essa questão da divisão da matéria apareceu sob uma nova luz. Quando duas partículas dotadas de elevada energia colidem, geralmente fragmentam-se, mas cada um desses fragmentos não é menor que as partículas originais. Trata-se, uma vez mais, de partículas da mesma espécie e que são criadas a partir da energia do movimento (energia cinética) envolvida no processo de colisão.

Capra (1983) explica que o problema da divisão da matéria é, assim, resolvido de uma forma inesperada:  

 

       “a única maneira de dividir partículas subatômicas consiste em lança-las em processos de colisão envolvendo energias elevadas. Pode-se, desse modo, dividir indefinidamente a matéria, embora jamais obtenhamos pedaços menores uma vez que simplesmente criamos partículas a partir da energia envolvida no processo. As partículas subatômicas são, pois, destrutíveis e indestrutíveis ao mesmo tempo”.

 

            O autor conclui a sua explicação expondo que,

 

       “Esse estado de coisas permanecerá paradoxal enquanto adotarmos a concepção estática que postula ´objetos´ compostos consistindo em ´blocos de construção básicos´. Somente quando adotarmos a concepção dinâmica e relativística o paradoxo desaparecerá. As partículas passam então a ser vistas como padrões (processos) dinâmicos, que envolvem uma determinada quantidade de energia que se manifesta a nós como sua massa. Num processo de colisão, a energia das duas partículas é redistribuída de modo a formar um novo padrão; e se essa energia tiver sido aumentada de uma quantidade suficiente de energia cinética, esse novo padrão poderá envolver partículas adicionais” – grifos meus.

 

            Colisões de alta energia de partículas subatômicas é o método principal utilizado pelos físicos para estudar as propriedades dessas partículas, razão pela qual a Física das partículas é também designada como “Física de alta energia”. As energias cinéticas exigidas para as experiências de colisão são alcançadas por meio de imensos aceleradores de partículas, enormes máquinas circulares com alguns quilômetros de circunferência, nos quais os prótons são acelerados até alcançar velocidades próximas à da luz . Conseguido isso, faz-se com que colidam com outros prótons ou com nêutrons. Apesar de serem máquinas imensas, que exigem uma estruturação específica de instalação de prédio só para elas, com grandes dimensões, departamentos informatizados, e alta tecnologia mecânica e eletrônica, podem ser considerados os supermicroscópios de nosso tempo, para estudar o mundo do infinitamente pequeno.

            A maior parte das partículas criadas nessas colisões vive apenas durante um lapso extremamente curto de tempo – muito menos de um milionésimo de segundo – após o que são novamente desintegradas em prótons, nêutrons e elétrons. A despeito desses períodos de vida tão extremamente curtos, essas partículas não só podem ser detectadas e suas propriedades medidas, como igualmente, pode-se fazer com que deixem rastos, produzidos nas chamadas câmaras de bolhas, e que podem ser “fotografados”. Esses rastos são como “trilhas em um céu” deixadas não por um “avião”, mas sim, pela trajetória descrita pela partícula. Porém, as partículas reais, ainda são muitas ordens de grandezas menores que as bolhas que constituem esses rastos.

            Por outro lado, a partir da espessura e da curvatura de um rasto, os físicos podem identificar a partícula que o causou. Isso porque antes de realizar um experimento efetivo de colisão de partículas, os físicos realizam diversos cálculos matemáticos para equacionar o comportamento que a partícula deverá apresentar durante o experimento. Realizam simulações por computador, prevêm prováveis trajetórias resultantes e comparam os resultados matemáticos e as curvas de funções de ondas, com as trajetórias obtidas nos rastos após as colisões experimentais, daí identificando partículas novas e conhecidas, e elaborando conclusões teóricas e empíricas.

            Os experimentadores utilizam campos magnéticos para identificar as partículas, e as suas colisões constituem o principal método experimental da Física Moderna para o estudo de suas propriedades e interações.

 

            Capra (1983) declara que,

 

       “Os experimentos de espalhamento em alta energia, realizados ao longo das últimas décadas, têm exibido aos nossos olhos, de modo notável, a natureza dinâmica e em perpétua mudança do mundo das partículas. A matéria aparece nessas experiências como algo completamente inconstante. Todas as partículas podem ser transmutadas em outras partículas; elas podem ser criadas da energia e podem desfazer-se em energia. Nesse  mundo, conceitos clássicos como ´partículas elementares´, ´substância material´ ou ´objeto isolado´ perderam qualquer significado. A totalidade do universo aparece-nos como uma teia dinâmica de padrões inseparáveis de energia” – grifos meus.

           

            Por mais contraditórios que possam ser os vários modelos “quântico-relativísticos” da Física Moderna, ou por mais que apresentem quaisquer dificuldades matemáticas, todos eles se identificam em um aspecto: todos esses modelos refletem a unidade básica e a natureza intrinsecamente dinâmica da matéria. Todos os modelos matemáticos e resultados experimentais mostram que as propriedades de uma partícula só podem ser compreendidas em termos de sua atividade – de sua interação com o ambiente circundante – e que a partícula não pode, portanto, ser encarada como uma entidade isolada, devendo ser compreendida como parte integrante do todo. 

A teoria da relatividade não só alterou drasticamente nossa concepção das partículas, como igualmente, a maneira como figuramos as forças que agem entre essas partículas. Numa descrição relativística das interações de partículas, as forças entre elas – ou seja, sua mútua atração ou repulsão – são concebidas como uma permuta de outras partículas. Segundo Capra (1983), isso é uma “conseqüência do caráter quadridimensional espaço-tempo do mundo subatômico”, e nem a nossa intuição ou nossa linguagem são capazes de manipular direito essa imagem, embora essa concepção seja o vínculo que unifique os dois conceitos – força e matéria – que pareciam tão fundamentalmente diferentes desde os atomistas gregos. Atualmente, força e matéria são concebidos como tendo uma origem comum nos padrões dinâmicos (ou energéticos) que denominamos partículas.

            O fato de que as partículas interagem por intermédio de forças que se manifestam como uma permuta de outras partículas é uma outra razão pela qual o mundo subatômico não pode ser decomposto em partes componentes.

            Desde o nível macroscópico até o nível nuclear, as forças que mantêm as coisas unidas são relativamente fracas. Por essa razão, é uma aproximação razoável afirmar que as coisas consistem em partes componentes. Assim, pode-se dizer que um grão de sal consiste em moléculas de sal; estas, de dois tipos de átomos; estes, de núcleos e elétrons, e os núcleos, de prótons e nêutrons. No nível da partícula (subatômica), contudo, não se pode mais visualizar os fatos dessa forma.

            Ultimamente, evidências crescentes têm demonstrado que os próprios prótons e nêutrons são objetos compostos, mas as forças que os mantêm coesos são tão fortes ou (o que equivale dizer o mesmo) as velocidades adquiridas pelos seus componentes são tão elevadas que a descrição relativística tem de ser aplicada, nesses casos em que as forças são também partículas. Assim, a distinção entre partículas constituintes e partículas que compõem as forças de coesão torna-se obscura e a aproximação segundo a qual a partícula é um objeto que consiste em partes constituintes, novamente, cai por terra, com esse argumento.

            Conclui-se que na Física Moderna o mundo das partículas não pode ser decomposto em componentes elementares, sendo o universo experimentado como um todo dinâmico e inseparável, que sempre inclui o observador, num sentido essencial. Nessa experiência, os conceitos tradicionais de espaço e tempo, de objetos isolados, de causa e efeito perdem o seu significado. Surge uma nova concepção da realidade e um novo modelo de ciência que supera o mecanicismo-cartesiano clássico, e realiza uma compreensão sistêmica, legítimo fundamento de uma visão holística do real. Como eu próprio salientei, em outra ocasião, “o mundo de sólidos objetos materiais, que se pensava bem definido, se esfumaçou num complexo modelo de ondas de probabilidade”[24] (Pessoa, 2003). Por isso, se a matéria for o fundamento da existência como supõem os materialistas e os céticos, de qualquer forma ela precisará ser encarada com outros olhos. Talvez, eles sejam obrigados a encarar o fundamento da alma e do espírito, mesmo contra a própria vontade...

                                                              

 

 

 

 

 

Referências Bibliográficas

 

 

Argollo, Djalma Motta. Possibilidades Evolutivas. São Paulo: Mnêmio Túlio Editora, 1994.

 

Capra, Fritjof. O Tao da Física – Um paralelo entre a Física Moderna e o Misticismo Oriental. São Paulo: Ed. Cultrix, 1983.

 

Hawking, Stephen. O universo numa casca de noz. São Paulo: Arx, 2002.

 

Jung, C. G. O homem e seus símbolos. Rio de Janeiro: Editora Nova Fronteira, 1964.

 

Sharp, Daryl. Léxico Junguiano – Dicionário de termos e conceitos. São Paulo: Ed. Cultrix, 1991.

 

Zohar, Danah. Através da barreira do tempo – Um estudo sobre precognição e a Física Moderna. São Paulo: Ed. Pensamento, 1982.

 

Pessoa, Adalberto Ricardo. A quinta Força – Uma nova visão da Alma Humana. São Paulo: DPL, 2003.