Sem Medo da Física, Parte II: Paul Dirac, um investigador que ajudou a descobrir as leis da mecânica quântica. Os resultados mais notáveis da física surgem ao não rejeitar as ideias e técnicas existentes, mas levá-las ousadamente às últimas consequências. Depois é ter coragem de explorar as implicações.

(1902-1984)

Bristol

Cortesia de wikipédia

Com a devida vénia a Lawrence Krauss, publico algumas passagens de Fear Physics.

«... A equação que amalgamou as leis da mecânica quântica conforme aplicadas aos electrões com relatividade especial foram escritas pela primeira vez em1928 pelo lacónico físico inglês Paul Adrian Maurice Dirac, Nobel de Física em 1933, um dos integrantes do grupo que ajudou a descobrir as leis da mecânica quântica vários anos antes, e eventual professor lucasiano de matemática, posição hoje ocupada por Hawking e, anteriormente, por Newton. Essa teoria combinada, chamada electrodinâmica quântica, só foi totalmente compreendida uns vinte anos mais tarde, devido ao trabalho de Feynman e outros.

Cortesia de particlephysics

Nunca dois físicos foram tão diferentes quanto Dirac e Feynman. O que Feynman tinha de extrovertido, Dirac tinha de introvertido. Filho de um professor de francês suíço em Briston, na Inglaterra, obrigado a seguir a regra do pai, tinha que se dirigir a ele somente em francês, para que aprendesse aquela língua. Como não conseguia expressar-se bem em francês, Paul optou por ficar calado, uma tendência que guardou consigo para o resto da vida. Diz-se (e pode ser verdade) que Niels Bohr, o físico mais famoso da sua época, e director do Instituto de Copenhague, onde Dirac trabalhou depois de receber o grau de PhD em Cambridge, foi visitar lorde Rutherford, o físico inglês, algum tempo depois da chegada de Dirac. Ele queixou-se desse novo investigador que nada dissera desde sua chegada.

Bohr, Dirac e Fritz Zwicke

Cortesia de AIP

Rutherford respondeu contando a Bohr a seguinte história: Um homem entra numa loja querendo comprar um papagaio. O funcionário lhe mostra três pássaros. O primeiro é esplêndido, amarelo e branco, e tem um vocabulário de 300 palavras. Ao perguntar o preço, o funcionário responde, tantos EUROS. O segundo pássaro era ainda mais colorido do que o primeiro, e falava bem quatro línguas! Novamente o homem perguntou o preço, e obteve a resposta de que o pássaro poderia ser comprado por metade dos EUROS anteriores. O homem, então, viu o terceiro pássaro, um tanto feio, noutra gaiola. Perguntou ao funcionário quantas línguas estrangeiras aquele pássaro falava, e o funcionário respondeu-lhe «nenhuma».

Consciente em questão de orçamento, o homem esperançosamente perguntou o preço do pássaro. O dobro dos EUROS do primeiro papagaio foi a resposta.

Incrédulo, o homem disse «O quê? Este pássaro está longe de ter o colorido do primeiro ou ser tão falante quanto o segundo. Como é que o senhor pode pedir tanto?» O funcionário sorriu educadamente e respondeu, «Este pássaro pensa!»

Seja lá como for, Dirac não era de fazer física por visualização. Ele sentia-se muito mais à vontade com as equações, e só depois de jogar com um grupo de equações durante vários anos é que ele descobriu uma notável relação que descrevesse correctamente o comportamento dos electrões no que diz respeito à mecânica quântica e à relatividade especial. Logo, ficou claro que essa equação previa a possível existência de um parceiro positivo do electrão, que poderia consistir numa partícula «virtual» produzida como parte de um par de partículas virtuais, mas que esse novo objecto devia também ser capaz de existir sob forma independente, como uma partícula real isolada.

Naquela época, a única partícula conhecida com carga positiva existente na natureza era o protão. Dirac e seus colegas, que viam que essa equação previa correctamente uma série de características dos fenómenos atómicos até então inexplicadas, mas que não queriam afastar-se tanto da ortodoxia da época, acabaram julgando que o protão devia ser a partícula positiva prevista pela teoria. O único problema era que o protão era quase 2.000 vezes mais pesado do que o electrão, embora a interpretação mais simples da teoria de Dirac fosse de que a partícula positiva devia ter a mesma massa do electrão.

Aí está um exemplo em que duas teorias bem conferidas do mundo físico, levadas às últimas consequências, induziram-nos a conclusões paradoxais, exactamente como a relatividade no caso da unificação das ideias de Galileu com o electromagnetismo.

Todavia, diferentemente de Einstein, os físicos em 1928 não estavam em condições de exigir que os fenómenos novos corroborassem as suas ideias. Foi somente em 1932 que, acidentalmente, o físico experimental americano Carl Anderson, observando os raios cósmicos - as partículas de alta energia que bombardeiam continuamente a Terra e cuja origem varia de labaredas solares próximas a estrelas que explodem em galáxias distantes - descobriu uma anomalia nos dados. Essa anomalia só poderia ser explicada se existisse uma nova partícula com carga positiva, cuja massa estivesse muito mais próxima da do electrão do que da do protão. Foi assim que o «positrão», a «antipartícula» do electrão prevista pela teoria de Dirac, foi descoberta. Hoje sabemos que as mesmas leis da mecânica quântica e da relatividade dizem que, para toda a partícula existente na natureza, deve existir uma antipartícula de massa igual e carga eléctrica oposta.

Bristol

Cortesia de physicsworld

Reflectindo sobre a sua timidez em aceitar as implicações do seu trabalho combinando a relatividade especial e a mecânica quântica, diz-se que Dirac pronunciou algumas raras palavras: «A minha equação foi mais inteligente do que eu!». Portanto também, estou relatando essa história com a finalidade de ilustrar novamente como os resultados mais notáveis da física geralmente surgem ao não rejeitar as ideias e técnicas existentes, mas levá-las ousadamente às últimas consequências, e depois, ter a coragem de explorar as implicações».  In Fear of Physics, Sem Medo da Física, editora Campus, pág 89 a 91, 1993 by Basic Books, 1995 editora Campus, ISBN 85-7001-970-X.

(A Função Delta de Dirac); (Equação de Dirac)
Cortesia de Lawrence Krauss/JDACT

Sem Medo da Física, Parte I: O espectáculo pirotécnico visual associado a uma supernova

Supernova

Cortesia de jcconwell.wordpress

Com a devida vénia a Lawrence Krauss, publico algumas passagens de Fear Physics.

«…finalmente, quando o hidrogénio que alimenta as reacções nucleares começa a esgotar-se, reinicia-se a lenta liberação interna, até que o núcleo da estrela esteja suficientemente quente para queimar o produto do primeiro grupo de reacções, o hélio. Para muitas estrelas, esse processo continua, a cada vez queimando o produto do grupo anterior de reacções, até chegar ao núcleo da estrela - hoje chamado de gigante vermelho ou azul, devido à mudança da cor da sua superfície, à medida que a concha se se expande e aumenta de tamanho ao mesmo tempo em que o núcleo interno se torna mais quente e denso, composto basicamente de ferro. Alcançado esse ponto, o processo deve parar, de uma forma ou de outra, porque o ferro não pode ser utilizado como combustível nuclear, pelo facto de os componentes de seu núcleo - os protões e os neutrões estarem tão intimamente ligados que se torna impossível prescindir de mais energia agregadora tornando-se parte de um sistema mais amplo. O que acontece nessa ocasião? Das duas uma: Ou a estrela vai lentamente perdendo intensidade como um fósforo que está chegando ao fim, ou, no caso de estrelas com massas elevadas, ocorre um dos mais surpreendentes espectáculos do universo: A estrela explode!

Supernova de Kepler

Cortesia de wikipédia

Uma estrela que explode, ou supernova, produz durante a sua curta evolução pirotécnica mais ou menos a mesma quantidade de luz que toda uma galáxia, o equivalente a mais de cem bilhões de estrelas normais. E difícil lidar de forma conclusiva com a potência pura liberada durante um evento como esse. Segundos antes do início da explosão final, a estrela queima calmamente os últimos resquícios de combustível, até que a pressão gerada pela última arfada da estrela não seja mais suficiente para sustentar o seu incrivelmente denso núcleo de ferro, que contém tanta massa quanto o nosso Sol, mas comprimida em uma região do tamanho da Terra - um milhão de vezes menor. Em menos de um segundo, toda essa massa implode, liberando nesse processo enormes quantidades de energia. Esse desmoronamento prossegue até que todo o núcleo esteja contido em uma bola com um raio de aproximadamente 10 quilómetros, mais ou menos o tamanho de New Haven, em Connecticut. Nesse ocasião, a matéria está tão densa, que um colher de chá de uma substância qualquer pesaria milhares de toneladas. E o que é mais importante, os núcleos atómicos extremamente densos do ferro começam a se aglomerar, «tocando-se» por assim dizer. Aí então, o material enrijece repentinamente, e toda uma nova fonte de pressão, devido às interacções d esses núcleos compactamente agrupados, adquire importância.

Cortesia depbs.org

O desmoronamento cessa, o núcleo «salta», e uma onda de choque é impulsionada para fora, atravessando o núcleo, milhares de quilómetros no sentido da camada externa da estrela, que literalmente aflora e se torna visível para nós como uma supernova.

Explosão duma supernova

Cortesia de allhatnocattle

Esse quadro da desintegração do núcleo de uma estrela explosiva foi se criando durante décadas de um esmerado trabalho analítico e numérico realizado por equipes de pesquisadores depois da primeira proposta de S. Chandrasekhar, em1939, de que uma situação imensurável como essa poderia ocorrer. É tudo fruto das ideias simples do equilíbrio hidrostático, que acreditamos governar a estrutura do Sol. Durante pouco mais de 50 anos depois de serem propostos pela pela primeira vez, os processos que regem o colapso estrelar continuam a ser pura especulação. Passaram-se. séculos da observação da última supernova da nossa galáxia, e mesmo naquela ocasião, tudo que podia ser visto eram os fogos externos, que ocorriam longe do ponto em que se passava a verdadeira acção, nas profundezas do interior da estrela.

A famosa supernova de 1987

Cortesia de wikipédia

Tudo isso mudou no dia 23 de Fevereiro de 1987. Naquela data, uma supernova foi observada nas grandes Nebulosas de Magalhães, um pequeno sistema-satélite situado na borda externa da nossa galáxia, a cerca de 150.000 anos-luz de distância. Essa foi a supernova mais próxima a ser observada nos últimos quatrocentos anos. O espectáculo pirotécnico visual associado a uma supernova vem a formar a pontinha de um iceberg. Acima de mil vezes mais energia é emitida, não sob a forma de luz, mas, sob a forma de neutrinos quase invisíveis. Digo quase invisíveis, porque, apesar de quase todo neutrino emitido Por uma supernova poder atravessar a Terra de maneira imperceptível, as Leis da probabilidade nos dizem que, embora raramente, um neutrino terá uma interacção mensurável num detector de menores dimensões. Aliás, pode-se estimar que, no momento em que a «explosão de neutrinos» da distante supernova atravessou a Terra, cerca de uma em cada um milhão de pessoas que por acaso estivessem de olhos fechados no momento exacto, pode ter visto um raio provocado pela luz produzida quando um neutrino saltou de um átomo nos seus olhos». In Fear of Physics, Sem Medo da Física, editora Campus, pág 15 a 17, 1993 by Basic Books, 1995 editora Campus, ISBN 85-7001-970-X

Cortesia de Lawrence Krauss/JDACT