Paul Sutter é astrofísico da Universidade do Estado de Ohio e cientista chefe do centro de ciências COSI. Sutter é também apresentador de Ask a Spaceman e da Rádio Espacial, e lidera a AstroTours em todo o mundo. Sutter contribuiu com este artigo para o Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
P>Pensa-se que os electrões seriam suficientemente fáceis de descrever. Massa. Carga. Pronto para ir. Estes dois pequenos números podem ser usados para descrever toda uma série de fenómenos electromagnéticos. Mas os investigadores aprenderam que essas partículas são muito mais complicadas do que isso.
Isso tornou-se claro quando Otto Stern e Walther Gerlach dispararam alguns átomos de prata através de um campo magnético variado em 1922 e viram algo que não conseguiam explicar. A configuração exigia átomos de prata que eram electricamente neutros – com a carga dos seus electrões a equilibrar perfeitamente a dos prótons. Se se fizesse esta experiência e não se soubesse nada sobre mecânica quântica (a la Stern e Gerlach), seria de esperar um de dois resultados.
No entanto, se os componentes do átomo se comportassem como pequenas bolas de metal que não tivessem apenas massa e carga, mas também pudessem girar no seu próprio eixo, então esse impulso angular iria de facto interagir com o campo magnético circundante, produzindo um binário. Este é um efeito electromagnético totalmente normal e bem conhecido que se pode tentar em casa, assumindo que se tem fortes campos magnéticos e bolas de metal girando rapidamente.
Desde que cada átomo individual teria um torque aleatório numa direcção aleatória, essa interacção espalharia as trajectórias dos átomos, enviando-os contra um ecrã após a saída do campo magnético.
Stern e Gerlach ficaram surpreendidos porque não obtiveram nenhum deles.
Tentando um garfo na estrada
Em vez disso, os dois cientistas alemães viram-se a olhar para duas manchas distintas de átomos de prata depositados. Em vez de irem em linha recta, e em vez de se espalharem uniformemente, parecia que os átomos de prata tinham conspirado para se separarem em dois campos distintos, com um grupo a subir e o outro a descer.
Os experimentadores testemunharam uma das primeiras pistas na sua cara de que o reino subatómico funciona com regras que estão longe de ser as familiares. Neste caso, os efeitos quânticos estavam em plena força, e os investigadores cedo perceberam que os átomos (ou mais precisamente, as partículas que compõem os átomos) têm uma propriedade anteriormente desconhecida que só se revela na presença de um campo magnético.
E uma vez que esses átomos se comportavam como bolas giratórias de metal carregado electricamente, esta nova propriedade foi apelidada de “spin”. E assim, partículas como electrões de repente tinham três propriedades: massa, carga e centrifugação.
Fazendo-o para uma “centrifugação”
E tal como massa e carga, podemos realizar experiências para descobrir a natureza da propriedade de centrifugação e como esta interage com as outras forças e partículas no universo. E acontece que o spin tem algumas propriedades bastante estranhas.
Para um, a magnitude do spin de uma determinada partícula é fixa. Por definição, os electrões têm um spin igual a 1/2. Outras partículas podem ter um spin de 1, 3/2, 2 ou mesmo 0. E a magnitude do spin de uma partícula determina que direcção do spin podemos realmente medir.
Por exemplo, um spin 1/2 de partícula como um electrão só pode ser medido para ser +1/2 ou -1/2, correspondendo aos desvios para cima e para baixo da experiência Stern-Gerlach. Uma partícula spin 1, tal como um fotão, pode ser medida para ter direcções +1, 0, ou -1, e é isso mesmo. Sei que é uma notação confusa, mas vai ter de culpar os físicos que a descreveram pela primeira vez há cem anos.
Cuidado de que a direcção real do spin pode apontar para qualquer lado – imagine uma pequena seta marcada em cada uma das partículas. O comprimento dessa seta é fixo para cada tipo de partícula, mas só nos é permitido medir um número limitado de direcções. Se a seta estiver a apontar mesmo ligeiramente para cima, irá registar-se em qualquer experiência como +1/2. Se estiver um pouco para baixo ou muito para baixo, não importa, ficamos com -1/2. E é isso.
É como a navegação GPS mais inútil do mundo: Em vez de lhe dar direcções precisas, apenas lhe dizem: “Vá para norte 500 degraus”, ou “Vá para sul 500 degraus”. Boa sorte em encontrar aquele restaurante.
Levando-o ao limite
Que ali mesmo está a natureza de bedeviling da mecânica quântica: Limita fundamentalmente a nossa capacidade de medir coisas a pequenas escalas.
Após suficiente experimentação, as “regras” do spin foram acrescentadas aos conhecimentos dos cientistas em física quântica, sendo simultaneamente desenvolvidas nos anos 20. Mas não era exactamente um ajuste natural. A formulação do mundo quântico que a maioria das pessoas conhece – digamos, a famosa equação da onda de Schrodinger que nos permite calcular as probabilidades de localização de partículas – não inclui naturalmente o conceito de spin.
O problema deriva da abordagem que Erwin Schrodinger adoptou quando foi descobrir todo este negócio quântico. No início da década de 1920, a teoria da relatividade especial de Einstein já era uma notícia antiga, e os físicos sabiam que qualquer lei da física deve incorporar isso. Mas quando Schrodinger escreveu uma versão relativisticamente correcta da sua equação, não conseguiu fazer cabeças ou caudas dela, e abandonou-a pela versão menos correcta, mas ainda assim exequível, que conhecemos e adoramos. Embora incrivelmente útil, a imagem da mecânica quântica de Schrodinger não inclui automaticamente qualquer descrição de spin – tem de ser abordada de forma deselegante.
Mas, por volta da mesma altura, um certo físico teórico chamado Paul Adrien Maurice Dirac estava também a intrigar o mundo quântico e foi completamente aborrecido com uma abordagem à mecânica quântica que incluía uma relatividade especial. E ao contrário do seu amigo Erwin, ele foi capaz de decifrar o código matemático e descobrir as suas implicações. Uma dessas implicações de unir a mecânica quântica com a relatividade especial foi – adivinhou-o – girar. A sua matemática incluía automaticamente uma descrição do spin. Se ele a tivesse trabalhado alguns anos antes das experiências de Stern e Gerlach, poderia ter previsto os seus resultados!
Em vez disso, descobrimos o spin quântico através da experimentação, mas Dirac ensinou-nos que para compreender esta estranha propriedade de partículas temos de nos colocar num estado de espírito totalmente relativista, e quântico. Por mais tentador que seja, temos de descartar totalmente quaisquer pensamentos de partículas subatómicas sendo minúsculas, pequenas bolas de metal girando; o seu comportamento é muito mais complexo do que essa metáfora poderia sugerir. De facto, provavelmente não há metáforas úteis.
Não há simplesmente uma descrição clássica desta propriedade enigmática. Em vez disso, a fiação é uma propriedade fundamental do nosso universo, manifestada apenas na intersecção da mecânica quântica e da relatividade especial, sem metáforas macroscópicas. É apenas através da maquinaria matemática de Dirac que podemos fazer previsões sobre os comportamentos de spin que precisamos para fazer física. Assim, temos um caso infeliz em que a única forma de responder à pergunta “O que é spin?” é simplesmente apontar para a matemática de Dirac e encolher os ombros.
p>Aprenda mais ouvindo o episódio “Como devemos entender spin quântico?” no podcast Ask A Spaceman, disponível no iTunes e na Web em http://www.askaspaceman.com. Obrigado ao Reitor B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale, e @sowjuinil pelas perguntas que conduziram a esta peça! Faça a sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Siga-nos @Spacedotcom, Facebook e Google+. Artigo original em Space.com.
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