A Revolução Quântica - Parte I

Nota introdutória:

Este post do blog fará parte de um conjunto de publicações sobre algumas circunstâncias históricas que providenciaram a "revolução quântica" na Física do século XX.

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O século XX, o século da revolução da Física, iniciou-se com um choque gigantesco! Um físico alemão propôs algo impensável. O seu nome era Max Planck (1859-1947) e é, ainda hoje, considerado o pai da física quântica. Enquanto jovem, Planck nutria dois grandes gostos: a Música e a Física. No entanto, em ambas as áreas, os seus professores aconselharam-no a afastar-se. Note-se que, especificamente no caso da Física, pensava-se que o trabalho de descoberta estava feito (nas palavras de alguns, apenas seria necessário aperfeiçoar resultados experimentais já obtidos). No entanto, e felizmente para todos nós, Planck decidiu enveredar pelos sinuosos caminhos da Física e embrenhar-se numa forma de pensar ciência completamente diferente do, até então, pensamento puramente clássico.

A proposta da Planck surge das várias tentativas para explicar porque a radiação emitida por qualquer objecto obedecia sempre a um mesmo padrão, independentemente da substância em teste (a radiação de corpo negro). A investigação resultava do facto de que a maior parte da radiação proveniente de um objecto era irradiada numa frequência muito específica. No entanto, ao variar a temperatura desse objecto, a frequência a que ele emitia também se deslocava.

Muito embora os cientistas tivessem efectuado todas as medições que respeitavam aos gráficos da radiação de corpo negro, existiam somente explicações parciais para o fenómeno (propostas por Wilhelm Wien, Lord Rayleigh e James Jeans). Tanto a proposta de Wien (válida em frequências próximas do azul) como a proposta de Rayleigh e Jeans (válida em frequências próximas do vermelho) falhavam quando se caminhava para os extremos do espectro electromagnético. No caso específico da proposta de Rayleigh e Jeans, o seu modelo previa a libertação de uma quantidade infinita de energia quando um objecto emitisse no ultravioleta ou acima (uma falha convenientemente denominada de "catástrofe do ultravioleta").

Planck, por outro lado, não procurou modelos físicos e matemáticos que se adequassem ao observado nas experiências. Este investigador era uma apaixonado pelo purismo da Física e, por isso, desenvolveu uma teoria baseada nos princípios físicos básicos por trás do calor e da radiação. O fascínio pelas propostas inovadoras de Rudolf Clausius (a existência de uma nova grandeza universal, a entropia) e pelas elegantes equações de James Maxwell (que relacionavam campos eléctricos com campos magnéticos) permitiu a Planck desenvolver uma nova teoria que relacionava dois campos até então muito distintos.

O espírito de Planck sugeriu-lhe que deveria seguir o seu instinto matemático e chegar a conclusões que poderiam não ser aceites imediatamente pela comunidade científica. Para isso, ele teve que tratar a radiação como um conjunto de pequenos osciladores electromagnéticos. No fundo, Planck tratou matematicamente a radiação como se fossem pequenas partículas (a mesma maneira como os especialistas de termodinâmica tratavam o calor).

Esta era uma abordagem revolucionária e de difícil explicação. Todavia, Planck não se limitou a admitir um resultado que pudesse passar pelo crivo das grandes mentes mundiais. No seu esforço de conseguir concordância matemática, Planck teve que admitir que a energia apenas existia em pacotes definidos (os quanta). Além disso, essa energia deveria ser proporcional à frequência da radiação e afectada de uma constante de proporcionalidade invariante.

Ao estender o cálculo dos vários osciladores electromagnéticos possíveis à probabilidade da sua existência, Planck verificou que o cálculo coincidia com o espectro de corpo negro. Assim, em 1901, Planck abre o século XX com a publicação que conectava, pela primeira vez na história, a radiação com a probabilidade. Esta nova abordagem, além de resolver a "catástrofe do ultravioleta", justificava o espectro de corpo negro.

Foi semeada, nesse preciso momento, uma revolução na Física e desde 1901 esta disciplina nunca mais seria a mesma.

Baseado no livro 50 Ideias De Física Que Precisa Mesmo De Saber de Joanne Baker.