Notícia

Gazeta Mercantil

Enorme esforço para classificar o mundo

Publicado em 27 agosto 1995

The Economist - A ciência classifica as coisas. Ela pergunta: "Que tipo de coisa é esta?", e com as respostas que obtém, organiza o mundo. Na Grécia antiga, na China e na Índia, as respostas organizaram o mundo em quatro elementos simples: terra, ar, fogo e água. Tudo - a carne, os figos, os fósseis e tudo o mais - era visto como uma mistura dessas substâncias fundamentais. Todas as propriedades refletiam à proporção em que eram misturadas. Maravilhosas transformações da matéria podiam ser efetuadas por alquimistas que sabiam como redistribuir tais combinações. Em parte, foi por conta do fracasso dessas manipulações alquimistas que uma nova teoria dos elementos surgiu durante o século XVII. Como um exemplo de organizar racionalmente o que se observa, as linhas e colunas ordenadas da tabela periódica em que essa teoria cresceu estão entre as realizações de que mais se orgulha a ciência. Mas, ao mesmo tempo em que essa nova teoria proporcionou ordem, sacrificou a simplicidade ao acrescentar continuamente tipos de coisas que podem existir. A tabela periódica foi expandida para conter 110 elementos. E os próprios átomos dos elementos desenvolveram subestruturas; e essas novas "partículas elementares'" fizeram o mesmo. Um pouco resfriado Há um meio mais simples de organizar as coisas: dividi-las em "estados"'. A matéria pode existir como sólida, líquida ou gasosa: três maneiras distintas em que as coisas podem ser, cada uma com características comuns a tudo o que existe naquele estado, qualquer que seja a química. E, como as simples categorias terra, ar e água, cada uma pode ser reconhecida sem ser necessário qualquer conhecimento profissional. Aumentando ainda mais a semelhança, neste século, a Física criou um novo fogo. Quando os átomos são suficientemente aquecidos, eles desprendem seus eléctrons e se tornam íons. Os íons e eléctrons produzem um plasma, como o fogo que é visto no sol. Hoje, fala-se de um quinto estado - uma quintessência. Ela chega a ser quase o oposto de um plasma - um estado em que os átomos se agregam, em vez de se separarem. Ao resfriar a matéria para exatamente acima do zero absoluto, os físicos esperam produzir um novo estado da matéria que, até onde se sabe, nunca foi visto diretamente: um condensado Bose-Einstein. Como será sua aparência, ninguém sabe dizer. Mas o rápido progresso nas técnicas de resfriamento de átomos criou o ambiente para essa descoberta. O zero absoluto é, à primeira vista, uma noção estranha. Por que haveria um patamar inferior, abaixo do qual a temperatura não pode cair? Por que -273,15°C, e não -300? A resposta é que temperatura mede atividade - o movimento interno das partículas constitui o calor - e não se pode ter menos do que nenhuma atividade. O zero absoluto é o ponto em que toda atividade é reduzida a uma paralisação. Como tal, é inatingível. Tudo tem algum grau de atividade. Mas ao tornar mais lentos os átomos, pode-se reduzir, em muito, esta atividade. Recentemente, duas técnicas provaram-se particularmente eficazes. Em maio passado, um grupo do Joint Institute for Laboratory Astrophysics, no Colorado, anunciou que resfriara uma coleção de átomos para 35 trilhonésimos de um grau acima do zero absoluto, utilizando um método chamado resfriamento evaporativo forçado. Em junho, em uma conferência em Estrasburgo, houve rumores de temperaturas ainda mais baixas - menores do que um trilhonésimo de um grau acima de zero. Eric Cornell e seus colegas no Colorado combinaram uma série de poderosos ímãs para produzir um campo magnético, forte nas extremidades, mas com um centro pequeno, de baixa atividade, em que o campo se encolhe para zero. Os átomos têm uma propriedade chamada "spin" (rotação), um pouco como a rotação de um pião; dependendo da direção para a qual seu eixo apontar, os átomos poderão ser "spin-up" ou "spin-down". Esta rotação os torna sensíveis ao magnetismo. O sistema do Colorado foi estabelecido de forma que os átomos "spin-up" procurariam os campos baixos, e dessa maneira acabariam no centro, sem disposição de sair. O efeito Doppler Quando uma coleção de átomos cai numa armadilha desse tipo, os mais velozes são separados ao reduzir, gradualmente, a força do campo que os circunda. Os átomos mais energéticos, assim, irrompem através dos limites crescentemente enfraquecidos da armadilha, deixando para trás somente os mais preguiçosos. A dificuldade é que, na região de campo zero, as partículas "spin-up" - aquelas que podem ser presas - têm mais energia do que as partículas "spin-down". À medida que cai a temperatura e o poder de domínio da armadilha torna-se mais frágil, existe o perigo de que os átomos da armadilha movam-se espontaneamente, e com rapidez de um estado "spin-up" para um estado "spin-down". Isso leva a uma perda de energia, mas também os deixa escapar. Os átomos do grupo do Colorado são mais frios do que os de qualquer outro grupo porque o dr. Cornell e sua equipe descobriram uma técnica para lidar com isso. Eles variam o campo de forma que o ponto em que este é zero constantemente se move em torno de um círculo apertado, no interior do volume da armadilha. Quaisquer dos átomos na armadilha experimentam um campo que se move entre zero e um valor mais elevado, mais rapidamente do que o átomo possa sucumbir à tentação de mover-se para um estado "spin-down" - tentação sentida somente quando o campo é exatamente zero. Mas os átomos permanecem presos porque o campo médio no interior da armadilha ainda é próximo de zero, e muito mais baixo do que nos campos circundantes. A outra técnica amplamente utilizada para se atingir temperaturas muito baixas é o resfriamento a laser - refinado por Steven Chu e Mark Kasevich na Universidade de Stanford, na Califórnia. Disparar um laser sobre um agregado de átomos costuma ser um modo de aquecê-los. No entanto, depende da freqüência: átomos absorvem luz de apenas algumas cores especiais. Se o laser operar em uma freqüência exatamente abaixo daquela que os átomos estão preparados para absorver, o efeito Doppler - processo que faz com que as sirenas das ambulâncias que se aproximam soem mais alto do que as das que se afastam - pode ser utilizado. Átomos movendo-se em direção ao laser "vêem" sua luz doppler-desviada para uma freqüência que podem absorver; então a absorvem. Isso mata o movimento, e assim os resfria. Disparar um laser sobre uma coleção de átomos, a partir de direções diversas, pode tornar todo o lote mais lento e reduzir a temperatura média. O problema aqui é que a luz absorvida pode ser emitida novamente, e pode impelir outros átomos no caminho errado. A solução é manter os átomos bem afastados, o que por sua vez torna difícil conseguir que formem um condensado. A identidade dos indiscerníveis Os efeitos da mecânica-quântica normalmente operam apenas quando as coisas são pequenas. Na condensação Bose-Einstein, pequena é a energia envolvida, e não o condensado em si. Em mecânica-quântica, cada partícula é associada a uma equação ondulatória; a equação ondulatória é o cômputo mecânico-quântico da posição da partícula. Ela define a probabilidade de a partícula estar em uma determinada posição. Ao mesmo tempo, define o possível momentum (quantidade de movimento em um corpo) da partícula -que está ligado à sua posição pelo princípio de incerteza de Heisenberg. Quanto menor a incerteza na quantidade de movimento da partícula, maior a incerteza quanto à sua posição - a partícula torna-se, na verdade, mais indistinta, sua equação ondulatória mais espalhada. Átomos ultrafrios como os do Colorado têm muito pouco momentum, de forma que suas funções ondulatórias espalham-se com grande amplitude, em termos de padrões atômicos. Caso venham a se espalhar até o ponto em que se sobreponham às funções ondulatórias dos átomos vizinhos, todos os átomos envolvidos se fundirão. O meio usual de distinguir átomos que têm propriedades idênticas é por posição ou momentum - pode-se dizer que dois átomos, de outra forma idênticos, são distintos porque estão em posições diferentes, ou se movendo em diferentes direções. Quando estão se movendo tão lentamente que o movimento não mais os distingue, e as funções ondulatórias espalharam-se com tanta amplitude que não se pode mais dizer que estejam em posições diferentes, torna-se impossível distingui-los. Os átomos também ficam confusos. Incapazes de distinguirem-se uns dos outros, passam a agir como se fossem um único. Perdem suas identidades individuais, e uma única função ondulatória os descreve a todos. Este é um condensado Bose-Einstein - uma coleção de átomos, todos em um estado quântico, compartilhando uma equação ondulatória. Em princípio, tais condensados poderiam ser grandes, permitindo comportamentos quânticos, normalmente confinados à escala de átomos individuais, operar em escalas muito maiores. O que isso poderá significar ainda não é claro. Alguns cientistas falam do condensado Bose-Einstein como um estado "coerente" da matéria, fazendo uma analogia com a luz "coerente" dos feixes de laser. Em um laser, todos os fótons quânticos carregam exatamente a mesma energia, e todos marcham coordenadamente. Quando os cientistas puserem as mãos em um condensado Bose-Einstein, ficarão ansiosos para atacá-lo com um laser. A luz poderá atravessar sem ser afetada, de forma que o condensado será perfeitamente transparente. E poderá ser perfeitamente refletido. Medir os átomos Uma bizarria generalizada se estabelece à medida que as coisas começam a resfriar - bizarria que a teoria raramente pode prever, e que nem sempre consegue explicar. Resfrie suficientemente o hélio e ele perderá toda a fricção, escalando negligentemente as laterais das provetas, e se tornando, em geral, travessos. Esta super-fluidez está relacionada ao condensado Bose-Einstein - uma espécie de meio caminho entre estados da matéria. Então ocorre a perda completa da resistência elétrica - conhecida como supercondutividade - que em parte depende de eléctrons se emparelhando para ficar sob o domínio de influência da estatística de Bose - regras de comportamento de partículas, descobertas pelo mesmo físico indiano, cujo nome está ligado ao de Einstein no caso dos condensados. A curiosidade acerca de quais possam ser as propriedades de verdadeiros condensados Bose-Einstein deixa os cientistas em grande expectativa sobre outras descobertas no reino do super-resfriamento. Os superiores do dr. Cornell no National Institute of Standards and Technology - NIST, dos Estados Unidos, que dirigem o laboratório do Colorado, também deverão beneficiar-se. Átomos presos em armadilha, e resfriados, por se moverem muito lentamente e poderem ser manipulados com precisão, podem ser usados para mensurações muito acuradas - cruciais para o trabalho do NIST como instituto que estabelece os padrões. É parte do grande processo de classificar o mundo.