O Universo é um lugar estranho, sempre a avisar-nos sobre o perigo de apenas confiarmos no senso comum e, por extensão, nos nossos sentidos para explicar o que se passa em redor ou dentro de nós.
No mundo subatómico, o contraintuitivo efeito de túnel quântico permite que a matéria atravesse uma barreira como se esta não existisse. Eis uma pequena amostra de como o mundo à escala subatómica, explicado por uma teoria quântica que nos permitiu criar a televisão, o computador, o telemóvel, a Estação Espacial Internacional e até a simples lâmpada, é verdadeiramente fora do comum. As ideias e equações que nos deram objetos tão práticos e revolucionários são responsáveis, igualmente, pela extravagância de dizer, com toda a garantia, que um eletrão pode ser descrito como uma partícula e uma onda, tal como revelam diferentes experiências há mais de um século.
Um exemplo. Quando se dispara eletrões ou fotões (partículas de luz) para uma barreira com uma dupla fenda, uma partícula atrás da outra, o padrão que depois surge é o de interferência, semelhante ao que sucederia se uma onda (como a de água) passasse pelas duas fendas. É quase como atirar a um lago duas pedras, sendo que as ondas que depois se formam chocam entre si: a cava de uma onda pode coincidir com a crista da outra onda, anulando-se e aplanando a água; mas as cristas de duas ondas também se podem encontrar e amplificar a altura da nova onda que se gerou. Ou seja, na experiência das duas fendas ocorrem fenómenos de cancelamento e de amplificação (sendo que a intensidade desta última pode variar), típicos dos que são vistos em ondas, pese embora se esteja a usar partículas.
Como é possível um padrão de interferência? O senso comum diz-nos que ao enviarmos um eletrão contra uma barreira de duas fendas existe a probabilidade de passar por uma ou por outra, não pelas duas ao mesmo tempo e formar depois um padrão de interferência. Todavia, é precisamente isso que ocorre à escala subatómica, conforme provaram variadíssimas experiências, cada uma mais complexa e avançada tecnologicamente que a outra, provando que é assim que se comporta a Natureza. Já agora, não vale a pena atirar-se contra uma parede com dois buracos e ver se o fenómeno também acontece, pois à escala macro, e tendo em conta que o nosso corpo é formado por um número absurdo de átomos, a probabilidade de tal ocorrer está muito próxima do zero – se o tempo for infinito e o tentar sempre, isso pode eventualmente suceder.
Para tornar tudo ainda mais excêntrico, é preciso referir que a única exceção ocorre quando a partícula é observada (ou detetada) por um ser humano, antes de chegar às duas fendas, momento em que a sua 'função de onda' colapsa e se comporta como se fosse um corpúsculo: se dispararmos uma metralha de eletrões e os mesmos forem observados por humanos, usando detetores e antes de passarem as fendas, o padrão que depois se forma numa parede é o de duas linhas, equivalente aos que conseguiram passar. Perceber o que leva a esta mudança de comportamento, quando há um ato de observação, é um dos grandes mistérios da ciência: os investigadores mais práticos preferem ignorar o assunto e seguir em frente, apesar de todo o desconforto que provoca a um nível mais fundamental.
Atravessar a parede a uma velocidade maior que a da luz. A experiência que o provou
Uma das primeiras descrições do efeito de túnel quântico data de 1928, durante um dos períodos de ouro da física das partículas, pelo que não estamos perante nenhuma novidade. Essencialmente, este fenómeno ajudou a explicar muitos mistérios que então existiam, desde a existência de várias ligações químicas e decaimentos radioativos, até à forma como os núcleos de hidrogénio no Sol conseguem fundir-se e produzir radiação na forma de luz, quebrando a sua natural e mútua repulsão.
Subsistia a questão de quanto tempo demora uma partícula a atravessar uma barreira. Seria de forma instantânea – desaparecendo de um lado para surgir imediatamente do outro – ou demoraria um certo tempo? Em 1962, o engenheiro de semicondutores Thomas Hartman fez a matemática e chegou a uma conclusão de deixar a boca-aberta: a barreira por onde passa a partícula funciona como um atalho, sendo mais rápida a partícula quando passa pela barreira do que quando atravessa o espaço vazio em que poderia estar. Para tornar tudo mais bizarro, os seus cálculos concluíam que mesmo que se aumentasse a espessura da barreira isso em pouco aumentaria a velocidade da partícula. Portanto, mesmo perante uma barreira suficientemente espessa as partículas conseguem percorrê-la a uma velocidade maior do que a luz (que é de cerca de 300 mil quilómetros por segundo), uma impossibilidade, conforme dizem a Teoria da Relatividades de Einstein e todos as medições que se fizeram até hoje, em Terra e no espaço.
Nos últimos anos, vários investigadores têm recorrido a inovadores experimentos para tentar medir o tempo que uma partícula demora a passar por uma barreira, de forma a tirar a limpo o que antes era puramente teórico. Em julho, um artigo na revista Nature deu conta de uma nova medição, recorrendo a um método (que já existe há décadas, enquanto teoria) que permitiu registar quanto tempo demoram átomos de rubídio a passar por um campo laser repulsivo. A investigação, a cargo de uma equipa da Universidade de Toronto, no Canadá, determinou que o efeito de túnel quântico não é instantâneo, deitando por terra algumas das alegações de que o seria. As partículas viajaram pelo campo laser acima da velocidade na luz.
Indo mais longe, a equipa também verificou que quanto mais lento era o movimento da partícula, menos tempo passava no interior da barreira. O senso comum diz que deveria demorar mais, mas este fenómeno encontra-se previsto pela teoria quântica, pelo que não é para estranhar.
Tudo isto só faz sentido se explicarmos como é possível ocorrer, na Natureza, algo como o efeito de túnel quântico. Momento, portanto, de recuperarmos algumas das explicações anteriores. Segundo a teoria quântica, uma partícula consiste numa onda de probabilidades, ou numa função de onda, cujas propriedades ficam definidas na altura em que é medida: até atingir um detetor, uma partícula pode estar em qualquer sítio.
No contexto do efeito de túnel, podemos imaginar uma onda em forma de sino, representando as possíveis localizações (umas mais prováveis do que outras) de uma partícula, a deslocar-se em direção a um detetor, tendo pelo meio um obstáculo. As equações da teoria quântica descrevem que quando a onda bate na barreira esta divide-se em duas, com a onda maior a refletir para trás e a mais pequena – que não deixa de ser uma onda de probabilidades – a escorregar pela parede e a continuar o caminho iniciado pela grande onda inicial, havendo, por isso, hipóteses de ser registada no detetor que existe no fim da travessia.
Usando ainda outra forma de explicar, quando uma partícula é confrontada com uma barreira de energia a sua função de onda começa a decair exponencialmente, uma vez dentro dela. Mesmo assim, uma parte consegue passar. Existe, portanto, uma probabilidade, por mais pequena que seja, de a partícula se detetada para além da barreira.
Do nada, as leis da física mudam e o Universo como o conhecemos é destruído
O Grande Acelerador de Hadrões (LHC), do Centro Europeu para a Investigação Nuclear (CERN), o maior e mais complexo instrumento científico que alguma vez se criou, descobriu em 2012 o bosão de Higgs. Trata-se de uma partícula fundamental que está ligada ao chamado campo de Higgs, um campo energético embebido em todas as regiões do Universo e capaz de conferir massa às partículas, como o eletrão, usando o bosão em causa como intermediário para esse processo. É assim que, quase do nada, a matéria brota e ganha existência no vácuo, como um coelho que sai da cartola. Basicamente, a confirmação da existência do bosão de Higgs valida a do campo de Higgs, com implicações em toda a física das partículas.
Associado ao campo de Higgs está um determinado valor (representado por um número), correspondendo ao seu estado de vácuo, sendo que nos primórdios do Universo esse valor era diferente, pelo que existiriam outras partículas e outras forças da natureza em comparação com hoje. “Foi então que o campo de Higgs mudou [o valor que tinha alterou-se], definiu as regras para a física das partículas como agora a temos e fez com que seja possível existirem átomos e moléculas, e que a matéria se mantenha unida”, explica a cosmóloga Katie Mack, da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos EUA, ao site The Naked Scientists. E ainda bem que assim é, senão a humanidade nunca teria existido, tampouco o que vemos em nosso redor, desde as árvores até aos planetas, pelo que não é desejável que o valor do campo de Higgs volte a alterar-se e, com ele, as leis da física como as conhecemos, impossibilitando coisas tão simples como os átomos que dão forma ao nosso corpo.
“Contudo, existem evidências recentes, baseadas em medições ao bosão de Higgs e outras partículas, a sugerir que, talvez, o valor que o campo de Higgs tem agora não seja o mais estável e seguro que possa existir”, acrescenta Katie Mack. “Talvez exista outro valor que o campo prefira ter, e se ele for perturbado ou se ocorrer uma espécie de transição quântica, algures no Universo, pode ficar com um valor diferente. É como se tivéssemos uma bola num vale e ela estivesse num dos seus topos: a sua tendência é para rolar até ao fundo. Talvez o que tenha acontecido é que o Universo é esta bola a rolar pelo vale abaixo, mas ficou preso numa pequena saliência, não estando no fundo.”
É esta a situação, a crer em alguns estudos, em que está o campo de Higgs. Se assim for, talvez seja uma questão de tempo até que mude para o valor mais estável e seguro, porque poderá ocorrer algo que o perturbe, explica a cosmóloga. Felizmente para nós, “é difícil perturbar o campo de Higgs”, só que, ao mesmo tempo, ele é fundamentalmente quântico, pelo que está sujeito às incertezas quânticas, onde mesmo o improvável pode suceder, desde que a probabilidade não seja igual a zero.
O efeito de túnel quântico é, precisamente, o tipo de fenómeno que pode perturbar o campo de Higgs, avisa Katie Mack. “Este tipo de incerteza, de movimento aleatório, pode acontecer com o campo de Higgs”. Mais especificamente, pode suceder num ponto qualquer do espaço e mudar o estado de vácuo (o valor) que o campo de energia aí tem, a tal perturbação que pode destravar a bola e levá-la até ao fundo do vale.
“Se isso suceder nesse ponto [do campo de Higgs], teríamos um pequeno pedaço de espaço onde as leis da física seriam diferentes. Teríamos aí o que chamamos de verdadeiro estado de vácuo, o que criaria uma bolha com este vácuo e diferentes leis da física que se expandiria pelo Universo quase à velocidade da luz, destruindo tudo”. Seria o fim do Universo como o conhecemos, com a presença humana a ser obliterada.
Uma vez que se trata de um evento quântico aleatório, é impossível determinar quando ou onde pode ocorrer. Sossegue, pois os cálculos indicam que tal catástrofe provavelmente só poderá acontecer daqui a muito, muito tempo: o número de anos é igual a um seguido de cem zeros.
No fim restará um enorme espaço frio e anãs negras. Como sobreviverão elas?
“No futuro distante, muito depois de cessar a formação de estrelas, o universo será povoado por remanescentes dispersos, principalmente anãs brancas. Estas [estrelas] irão arrefecer, congelar por completo e tornar-se-ão anãs negras.”
É assim que começa o artigo científico de Matt Caplan, publicado em agosto na Monthly Reports of the Royal Astronomical Society. Mas o que interessa mesmo é uma das conclusões a que chega. Salienta ele que antes da desintegração de toda a matéria do Universo e do seu arrefecimento, os seus últimos grandes objetos, as anãs negras, ainda se manterão ativas – até explodirem numa supernova – devido ao efeito de túnel quântico.
O modelo teórico que Matt Caplan usou teve o propósito de olhar para o futuro das explosões estelares, as chamadas supernovas, que ocorrem quando nos estágios finais das estrelas, altura em que já queimaram a maior parte do seu combustível nuclear, se acumula demasiado ferro no seu núcleo, despoletando o seu colapso e explosão. Mas nem todas as estrelas têm este fim, só as maiores. Estrelas mais pequenas, como as anãs brancas, que derivam de estrelas como o Sol que esgotaram a sua capacidade de fusão termonuclear, não têm a força da gravidade e a densidade suficientes para produzir ferro.
O estudo do físico teórico da Universidade Estadual de Illinois, nos EUA, garante que, daqui a muito tempo, as anãs brancas podem tornar-se mais densas e transformar-se em anãs negras, capazes de produzir ferro.
“À medida que as anãs brancas arrefecem nos próximos biliões de anos, elas tornar-se-ão escuras, eventualmente congelarão por completo, e irão transformar-se em anãs negras que já não brilham”, explica em comunicado à imprensa. “As estrelas brilham por causa da fusão termonuclear. São suficientemente quentes para esmagar pequenos núcleos [atómicos] entre si para fazer núcleos maiores, libertando energia”. No centro do Sol, por exemplo, dois átomos de hidrogénio são fundidos e produzem um só átomo, de hélio, sobrando energia no processo que é depois libertada na forma de radiação: a luz quente que sentimos aqui na Terra.
“As anãs brancas são cinzas, elas apagaram-se, mas as reações nucleares ainda podem acontecer por causa do efeito de túnel quântico, mas de forma mais lenta”, esclarece Matt Caplan. Este tipo de fusão, segundo o seu modelo teórico, será fulcral para a criação de ferro no núcleo das futuras anãs negras e, portanto, causará no seu estertor uma explosão brilhante, provavelmente o último fogo-de-artifício a ter lugar no Universo.
‘Ver’ átomos em tempo real e ao pormenor. Assim se criam materiais revolucionários
Mais forte do que o diamante, flexível, transparente e um excelente condutor de eletricidade. Eis as grandes propriedades do grafeno, um material recente que valeu aos seus descobridores o Nobel da física de 2010. Por ser abundante e barato, pois é feito a partir da grafite, o grafeno promete revolucionar a indústria dos elétrodos transparentes, como os que são usados nos ecrãs táteis ou nos painéis fotovoltaicos, e trazer novidades na área dos transístores eficientes, das baterias, dos sensores e de outras tecnologias eletrónicas. Além do mais, abre portas a que se possa descartar o uso de materiais raros, de difícil extração e caros.
Em julho deste ano, uma equipa internacional, que juntou diversos cientistas de diferentes instituições, deu a conhecer na revista Science como consegiu sintetizar nanofitas de grafeno diretamente numa superfície de dióxido de titânio, usando um método atomicamente preciso com a ajuda de um… microscópio de efeito de túnel.
O objetivo em torno das nanofitas de grafeno passa por aplicá-las em aparelhos à nanoescala, ou seja, dentro da ordem de grandezas do nanómetro, o equivalente a um milésimo de milímetro. A equipa de investigadores, reunida nos EUA, num dos centros do Laboratório Nacional de Oak Ridge, desenvolveu uma técnica que corta uma folha de grafeno em fitas com um átomo de espessura, o que poderá acelerar o uso do grafeno para fins práticos – um dos problemas é, precisamente, a falta de ferramentas com a precisão atómica para o fazer.
O uso de microscópios de efeito de túnel foram imprescindíveis para que a equipa conseguisse os atuais resultados. Em declarações aos média, Marek Kolmer, o principal autor da pesquisa, explica que “estes microscópios permitem visualizar e manipular, diretamente, matéria à escala atómica”. A precisão necessária é tão grande que “a ponta da agulha”, com a qual se colou o grafeno ao dióxido de titânio, é quase do tamanho de um só átomo. “O microscópio move-se linha a linha e está constantemente a medir a interação entre a agulha e a superfície, disponibilizando um mapa atomicamente preciso da superfície da estrutura”, adianta Kolmer.
Só recorrendo a este nível de precisão se conseguiu que as nanofitas de grafeno mantivessem as características que a tornam tão especial. Por exemplo, basta um erro do tamanho de um ou dois átomos para mudar por completo as propriedades do sistema que se está a criar, fazendo com que deixe de ser semicondutor de eletricidade.
Em que consiste e como funciona um microscópio de efeito de túnel? Fundamentalmente, ele permite observar a estrutura de uma superfície com uma resolução cem vezes superior ao tamanho de um átomo. Como já deu para perceber pelo nome, esta ferramenta recorre ao efeito de túnel quântico, a diferença é que aqui “o fenómeno manifesta-se na existência de uma corrente elétrica (de túnel) entre a superfície [analisada] e a ponta de prova [do microscópio], sem que haja contacto”. Quer dizer, “os eletrões passam da superfície para a ponta de prova sem ter energia suficiente para ocupar o espaço intermédio”, pode-se ler no Projeto Faraday, um site didático da Fundação Calouste Gulbenkian e da Universidade do Porto dedicado à física.
O fluxo constante desta corrente elétrica, que varre a superfície analisada, permite obter um ‘desenho’ da sua estrutura, pelo que, na realidade, não a estamos a observar diretamente, apenas temos acesso a uma representação sua por via da informação dada pela corrente. É impossível observar um átomo com um microscópio de luz, muito menos a olho nu, pois o seu tamanho é menor que o comprimento de onda da radiação eletromagnética que o olho humano consegue captar.