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A mecânica quântica de campos – O que é real? – Parte I

Eu desde a minha infância tenho paixão por animais. Lembro-me de preferir livros que falavam sobre os animais em geral e seus comportamentos a livros de contos infantil. Sempre gostei de programas que favam sobre bichos. A aula que mais gostava era biologia, nem passava pela minha cabeça questões sobre a validade da teoria da evolução, eu só tinha olhos para os seres vivos.

Enfim, meu blog é muito dedicado a biologia, meu debate sobre ateísmo, naturalismo, materialismo; gira muito em torno dela, sou um defensor ferrenho da Teoria do Design Inteligente a TDI.

Vou continuar lendo e postando muito sobre biologia mas hoje eu quero publicar sobre algo que também vem me causando paixão, algo que sou leigo, ignorante, mas vem me fascinando, além é claro de desafiar nossa noção de espaço e tempo e envergonhar o materialismo reducionista, o materialismo filosófico e até quem sabe o naturalismo.

Do que eu estou falando?… Da mecânica quântica de campos.

Eu vou publicar uma matéria em partes, pois a matéria é grande e meu tempo para escrever é escasso; que foi publicada na revista Science American Brasil do Ano passado [2013], do mês de setembro, Ano 11, número 136; páginas 35 a 41.

É muito esclarecedora e interessante, espero que você goste, eu fiz alguns brevíssimos comentários que estão em vermelho, enfim é opinião minha e não da revista.

Boa leitura…

Não é que falte aos físicos uma teoria válida do domínio subatômico.Ela existe: é chamada teoria quântica dos campos. Teóricos a desenvolveram entre o fim dos anos 20 e o início da década de 50 misturando a antiga teoria da mecânica quântica com a teoria da relatividade especial de Einstein. A teoria quântica de campos fornece as bases conceituais do Modelo Padrão da física de partículas para descrever os blocos de construção fundamental da matéria e suas interações em um sistema comum. Em termos de precisão empírica é a teoria mais bem sucedida da história da ciência. Ela é rotineiramente usada pelos físicos para calcular o resultado de colisões entre partículas, explicar a síntese da matéria no big bang [eu não acredito no surgimento acidental do universo] e as condições extremas dentro do núcleo atômico entre vários outros fenômenos.

Por isso pode parecer surpreendente que os físicos não estejam muito certos sobre o que a teoria propõe, isto é, qual a sua “ontologia” ou qual o seu quadro físico básico. Essa perplexidade não está incluída entre os mistérios tão discutidos da mecânica quântica, como se um gato numa caixa lacrada possa estar vivo e morto ao mesmo tempo. A falta de uma interpretação bem fundamentada da teoria quântica de campos dificulta os avanços no sentido de provar o que quer que esteja além do Modelo Padrão, como a teoria de cordas [ a qual sou cético]. É perigoso formular uma nova teoria quando ainda não entendemos a de que já dispomos.

A primeira vista, a essência do Modelo Padrão parece óbvia. Ele consiste, fundamentalmente, em grupos de partículas elementares, como quarks e elétrons, e em quatro tipos de campos de força que intermedeiam as interações entre essas partículas. esse quadro encontra-senas paredes das salas de aula e em artigos da Science American Brasil. Mas, por atraente que possa parecer, não é, absolutamente, satisfatório.

Para iniciantes [como eu] as duas categorias se confundem. a teoria quântica de campos atribui um campo a cada tipo de partícula elementar; assim é possível garantir que existe um campo do elétron da mesma forma que existe um campo magnético. Além disso, os campos de força não são contínuos, mas quantizados, o que dá origem a partículas como o fóton. Por isso a distinção entre partículas e campo parece ser artificial e geralmente é tratada como se cada um fosse o ponto mais importante. O debate tem se concentrado em torno da teoria quântica de campo ser a última palavra sobre as partículas ou campos. A discussão se iniciou como uma batalha de titãs, com eminentes físicos e filósofos de cada lado. Ainda hoje os dois conceitos continuam a ser usados para fins ilustrativos, embora muitos físicos admitam que conceitos clássicos não se encaixam na teoria. Se as imagens mentais evocadas pelos termos “partícula” e “campo” não se ajustam ao que a teoria formula, físicos e filósofos devem pensar em que colocar no lugar.

Com as duas opções-padrão clássicas paralisadas, alguns teóricos propuseram alternativas mais radicais. Eles sugerem que os constituintes básicos do mundo material são entidades intangíveis, como relações ou propriedades. Uma ideia particularmente radical é que tudo pode ser reduzido apenas a intangíveis, sem qualquer referencia a objetos individuais. É uma ideia revolucionária e contraintuitiva, mas alguns sugerem que ela esta sendo imposta pela física [ou seja, os dados, rsrsrsrs]

PROBLEMAS COM PARTÍCULAS

Quando a maioria das pessoas, incluindo especialistas, idealiza a realidade subatômica normalmente imagina que as partículas comportam-se como pequenas bolas de bilhar em choque umas com as outras. Mas essa noção de partículas é remanescente de uma visão do mundo que remonta aos antigos atomistas gregos e que atingiu o auge com as teorias de Isaac Newton. Várias linhas de pensamento que se superpõem mostram que as principais unidades centrais da teoria quântica de campos não se comportam de forma alguma como bolas de bilhar.

Primeiro, o conceito clássico de partículas implica algo que existe em certo local. Mas as “partículas” da teoria quântica de campos não tem posição bem definida: uma partícula no interior de seu corpo não está rigorosamente dentro do seu corpo. Um observador que tentar medir sua posição terá uma probabilidade pequena, mas não nula, de detecta-la nos locais mais remotos do Universo.Essa contradição se tornou evidente com as primeiras formulações da mecânica quântica, mas se intensificou quando os teóricos juntaram a mecânica quântica a teoria da relatividade. Partículas quânticas relativísticas são extremamente ardilosas; elas não se localizam absolutamente em nenhuma região do Universo.

Segundo, suponha uma partícula localizada na cozinha de sua casa. Um amigo, passando de carra pela rua ao olhar para a casa vera a partícula se estender pelo universo inteiro. O que para você está localizado, parece não localizado para seu amigo.A localização da partícula depende não só do seu ponto de vista, mas também do fato de que a partícula tem uma localização. Nesse caso, não faz sentido supor partículas localizadas como entidades básicas da matéria.

Terceiro, mesmo que você desista de tentar identificar a partícula e queira simplesmente contá-las, ainda terás problemas. Imagine que queira saber o número de partículas de sua casa. Você percorre a casa e encontra três partículas na sala de jantar, cinco debaixo da cama, oito no armário da cozinha e assim por diante. Agora some, todas elas. Espantosamente, a soma não será igual ao número total de partículas. Na teoria quântica de campos esse número é uma propriedade da casa como um todo; para determina-lo, você precisa realizar a missão impossível de contar as partículas da casa inteira todas de uma vez só, e não cômodo por cômodo.

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Se está na hora de rever a Teoria da Relatividade (ciência dura com leis), o que dizer então da Teoria da Evolução (que não tem leis, só princípios)???

 
Às vésperas de completar 70 anos, um dos mais importantes físicos do Brasil é homenageado em simpósio e faz um balanço da ciência e seu futuro.
 
Um dos maiores físicos brasileiros da atualidade, o professor Mário Novello completa 70 anos no próximo dia 24. Em sua homenagem, a instituição onde trabalha, o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), promoveu um simpósio especial na última semana, em que pesquisadores do Brasil e de várias partes do mundo discutiram as principais ideias e teorias que ele apresentou nos seus anos de atuação na ciência.
 
Em entrevista, Novello resumiu algumas delas e comemorou a atenção cada vez maior que a física recebe do público em geral.
 
– Quais foram seus focos de estudo nos últimos anos?
 
Eu me interessei por cinco grandes questões de conhecimento da natureza. A primeira é se o Universo teve um começo singular há alguns bilhões de anos ou é muito mais velho, possivelmente eterno, ou seja, se teve um colapso anterior à fase atual de expansão ou não. A segunda é se é possível produzir um buraco negro não-gravitacional em laboratório. Os buracos negros são um conceito tipicamente de gravitação, mas mostramos, eu e minha equipe, desde 2001 que certos efeitos eletrodinâmicos não-lineares podem produzir um comportamento dos fótons, os grãos de luz, típico do que têm quando na vizinhança de um buraco negro, o que significa que em certas circunstâncias seria possível fabricar um buraco negro não-gravitacional, eletromagnético, no laboratório. Isso teria consequências muito interessantes, como, por exemplo, esconder o que se quiser dentro dele, pois a matéria lá dentro não consegue emitir fótons e, assim, não seria possível ser detectada. A terceira é a origem da massa, que ganhou tanta atenção recentemente com o anúncio da detecção do bóson de Higgs. A quarta envolve um trabalho que fiz há algum tempo sobre a hipótese de que as interações da física poderiam variar com a situação espaçotemporal, ou seja, que a física que a gente descobre na Terra não é necessariamente a mesma em qualquer lugar do Universo. Aprendemos que as leis da física foram geradas de uma maneira que não sabemos como e cabe a nós simplesmente descobri-las, isto é, elas são o que são e não podem ser emendadas ou mudadas. Mas se por acaso houver uma dependência das interações fundamentais com a situação do Universo, poderia se começar a pensar que talvez tenha havido outras configurações e esta que hoje chamamos de leis da física são na verdade um conjunto cuja coerência durou um certo tempo suficientemente grande para gerar o que a gente chama de Universo. É mais ou menos a mesma diferença entre Ptolomeu e Copérnico. Nós achávamos que a Terra era o centro do Universo, e agora achamos que as leis da física descobertas na Terra são as mesmas em todo Universo. Guardadas as devidas proporções, o que estamos discutindo é se isso é verdade mesmo. Isso não pode ser um dogma a priori, é preciso testar, e onde testamos isso é com a Cosmologia, que está produzindo uma refundação da física como não se viu desde o século XVI. Já a quinta é a geometria do microcosmos, que é delicada. O mundo quântico tem propriedades muito especiais. Desde os anos 20 que a gente considera que neste mundo não se deve falar em processos contínuos, mas discretos. Daí o famoso “salto quântico”, que foi caracterizado de forma bem clara nas órbitas dos átomos de hidrogênio, e nos outros também, em que os elétrons não fica em todos lugares, eles têm certas órbitas preferenciais, que são determinadas exatamente pelas equações que regem este mundo quântico. Mas nos anos 50 David Bohm (físico britânico de origem americana que também foi cidadão brasileiro e viveu no país no início dos anos 50) produziu um cenário com uma visão contínua do mundo quântico que é a única, ou pelo menos uma das poucas, que pode ser aplicada na Cosmologia. Isso porque quando se vai produzir um modelo quântico do Universo, não se pode usar a interpretação clássica da mecânica quântica, a da Escola de Copenhague, que exige que se tenha um observador externo ao sistema. Ora, como não pode haver um observador externo ao que a gente chama de Universo, não poderia haver, neste caso, uma Cosmologia quântica. Para que ela exista, é preciso sair desta interpretação e é daí que vem a ideia de Bohm e de De Broglie (Louis De Broglie, físico francês ganhador do Nobel de 1929). No nosso grupo de Cosmologia no CBPF, temos trabalhado muito nesta direção e fizemos uma mudança na estrutura métrica que envolve o microcosmos. Isso é curioso porque estamos acostumados a medidas euclidianas no cotidiano. A Relatividade Especial, no entanto, mostrou que essa geometria euclidiana pode ser alterada quando você tem objetos com velocidades extremamente elevadas. O que estamos construindo é uma terceira possibilidade que é uma geometria do tipo produzida pelo matemático e físico alemão Hermann Weyl que pode exatamente ser responsável por aquele tipo de coisas que a gente chama de efeitos quânticos. Neste modo de encarar, os efeitos quânticos seriam na verdade propriedades do fato de termos uma estrutura métrica no interior do microcosmos do tipo não-euclidiana, o que muda de forma fantástica várias interpretações que temos até agora. São estas as cinco questões que basicamente tenho me envolvido. E claro que neste meio tempo orientei mais de 50 teses de mestrado e doutorado de meus alunos.
 
– Entre 2014, a Copa do Mundo no Brasil, e 2016, as Olimpíadas do Rio, temos os 100 anos da Teoria da Relatividade Geral de Einstein em 2015. Como o senhor e o CBPF estão se preparando para comemorar a data?
 
Há algum tempo venho propondo para o governo brasileiro a criação de um instituto de Cosmologia. Nos últimos 10 anos, os países do chamado Brics (sigla em inglês para Brasil, Rússia, China, Índia e África do Sul), com exceção do Brasil, montaram seus instituto de Cosmologia mostrando que a ciência fundamental faz parte do seu desenvolvimento, mostrando que em alguns anos esperam estar na fronteira do conhecimento, pois os centros tradicionais, como a Europa, estão em decadência. O Brasil então deveria seguir os “Rics” se quiser também participar deste movimento. Não seria a primeira vez que o CBPF daria origem a outra instituição de excelência. O Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC); o Laboratório Nacional de Luz Síncroton, em Campinas, e o Instituto de Matemática Pura e Aplicada (Impa) vieram do CBPF. Ele é um gerador de institutos que, no entanto, não tiram um pedaço dele. Ao contrário, o CBPF engrandece cada vez mais quando faz uma coisa dessas. Devemos ter uma instituição nacional voltada para a Cosmologia.
 
– No mês passado, tivemos o anúncio da detecção do bóson de Higgs, que ganhou atenção da mídia e do público ao redor do mundo. Como o senhor vê este crescente interesse geral em ciências de ponta como a Física?
 
A maior parte das questões da Física envolvem também questões fundamentais do ser humano, como de onde viemos, para onde vamos. Tanto que o Higgs, ou a expansão do Universo, o Big Bang, os buracos negros, questões que as pessoas não entendem bem, chamam a atenção. São questões que estão no limite do conhecimento e estão interligadas na Cosmologia. Ao longo dos meus 35 anos de trabalho, sempre lidei com estes temas que estão na fronteira do conhecimento e têm um apelo popular notável, primeiro porque não sabemos totalmente a resposta. E segundo porque a visão que elas nos dão do Universo é maravilhosa. É como se estivéssemos vivendo uma época que está passando daquela visão estreita da Terra como centro de tudo para uma imagem grandiosa do Universo. Na semana passada estive em um evento organizado pelo rabino Nilton Bonder e foi muito bom ver o interesse das pessoas em assuntos que de uma certa maneira fogem de seu dia a dia. As pessoas perguntaram basicamente duas coisas: se o Higgs pode ter alguma importância na descrição do Universo e como se vê hoje a evolução do Universo. Eram 20h30 de uma quarta-feira e as pessoas lotaram um anfiteatro mostrando um interesse fantástico na ciência.
 
– Neste caso, o apelido marqueteiro do Higgs como “partícula de Deus” não teria influenciado esse interesse, apesar de na verdade sua busca não ter nada a ver com religião ou provar ou não a existência de Deus, mas sim decifrar as leis do Universo que está à nossa volta?
 
Destaquei lá que não há oposição entre ciência e religião. Religião trata de fé, enquanto a ciência é uma interpretação racional da natureza. Tem cientistas que acreditam em Deus e são religiosos, judeus, católicos, protestantes, muçulmanos, pois não há contradição. O debate não é religioso e as pessoas aceitaram isso muito bem. A questão não é como o cientista está vendo Deus, ele está produzindo um conhecimento do nosso Universo. É o que a gente pode fazer, porque o conhecimento de Deus não se pode dar através da razão (???), apenas de outra coisa que a gente chama de fé (a fé não é irracional). São dois modos como o homem pensa o mundo e interage com a sociedade distintas e que não são incompatíveis (Como não são incompatíveis – se um é racional e outro é irracional???). Cada coisa com seu próprio Universo.
 
– E quanto à evolução do Universo e a descoberta que sua expansão está se acelerando, o que trouxe a necessidade de encontrar explicações quase que esotéricas, como a misteriosa energia escura, que ninguém sabe o que é?
 
Essa é uma discussão importante, ainda mais tendo em vista os 100 anos da Relatividade. O momento é de começar a pensar em alterar um pouco a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, o que vai mudar nossa visão da Cosmologia. Assim como Einstein não provou que Newton estava errado, só incompleto, estamos vendo que ele também não está completo e é preciso encontrar algumas mudanças em sua teoria, principalmente na presença de campos gravitacionais muito intensos. Einstein não está errado, o que ele fez é observacionalmente correto, principalmente com os dados que ele tinha na época. Mas não explica uma série de novas observações e novos fenômenos que a gente tem que descobrir um modo de interpretar mudando a Relatividade Geral, e propostas estão sendo desenvolvidas no mundo todo. É interessante ver que 100 anos depois, o que Einstein classificou com um dos seus maiores erros, a constante cosmológica, talvez tenha que ser reintroduzida na sua teoria com outras propriedades. A gente sabe que não sabe tudo. (Menos quando é Darwin…)
 
(O Globo – 17/8)