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Como surgiu a teoria quântica?
Começou não como uma ideia louca, mas com uma lâmpada. No início da década de 90 do século XIX,
o Instituto de Padrões Alemão pediu a Max Planck para estudar como tornar as lâmpadas mais eficientes de modo a que
fornecessem o máximo de luz para o mínimo de potência elétrica.
A primeira tarefa de Planck era prever quanta luz um filamento quente fornece.
Ele sabia que a luz consistia em ondas eletromagnéticas, com as diferentes cores da luz transportadas
por ondas de diferentes frequências. O problema consitia em garantir o máximo de luz possível
na região das ondas visíveis e não no ultravioleta ou no infravermelho.
Ele tentou determinar quanta luz de cada cor um corpo quente emite, mas as suas previsões
baseadas na teoria do eletromagnetismo permaneciam em desacordo com as experiências.
Em alternativa, no que mais tarde chamou de “ato de desespero,” atirou a teoria existente
pela janela e trabalhou para trás, a partir dos dados experimentais. Os dados apontavam para uma nova
regra na física: as ondas de luz só transportam a energia em pacotes, em que a luz de alta frequência
consiste em grandes pacotes de energia e a luz de baixa frequência consiste em pacotes pequenos
de energia.
A ideia de que a luz vem em pacotes, ou "quanta", pode parecer louca, e era na época, mas
Einstein em breve relacionaria-a com um problema muito mais familiar: a partilha.
Se queres fazer uma criança feliz... dá-lhe uma bolacha! Mas se existirem duas crianças, e tu
tiveres apenas uma bolacha, só os poderás meio contentar. E se existirem
quatro, ou oito, ou dezasseis centenas de milhar, não conseguirás fazê-los muito felizes
se tiveres que partilhar uma bolacha entre todas.
De facto, se tiveres um quarto com um número infinito de crianças, mas não tiveres um número infinito de bolachas
se dividires as bolachas uniformemente, cada criança ficará apenas com uma migalha infinitesinal, e
nenhuma ficará satisfeita. E mesmo assim comerão todas as tuas bolachas.
A diferença entre as ondas de luz e as crianças é que não podes mesmo ter um número infinito
de crianças num quarto. Mas como as ondas de luz surgem em todos os tamanhos, podes ter ondas de luz
arbitrariamente pequenas, por isso cabem infinitas num quarto. E as ondas de luz
consumiriam todas as tuas bolachas… quero dizer, a energia.
De facto, todas estas ondas infinitesimais em conjunto teriam uma capacidade infinita de absorver
energia, e absorveriam, instantaneamente, toda energia de qualquer corpo que fosse colocado no quarto
congelando o chá na cháven, ou o Sol, ou mesmo uma supernova.
Felizmente, o universo não funciona desse modo… porque, como Planck adivinhou, as pequenas,
ondas de elevada frequencia só conseguem transportar energia em grandes pacotes. São como aquelas crianças espalhafatosas que
só aceitam trinta e sete bolachas, ou uma centena e sessenta e dois milhares de bolachas,
nem mais nem menos. Por serem tão exigentes, estas ondas agitadas de elevada frequencia perdem
a maior parte da sua energia que é transportada por pacotes de ondas de menor energia que estão desejosas de ficar com uma parte igual.
Esta energia média, comum, que os pacotes transportam, é de facto o que queremos significar por
"temperatura."
Assim uma temperatura mais alta apenas significa uma energia média mais elevada, e assim pela regra de Planck,
uma frequência mais alta emitida. É por esta razão que consoante um corpo aquece, brilha primeiro
no infravermelho, depois vermelho, amarelo, branco; cada vez mais quente em direção ao azul, violeta, ultravioleta…
e assim sucessivamente.
Especificamente, a teoria quântica de Planck da luz exigente diz-nos que o filamento da lâmpada deveria
ser aquecido a uma temperatura de cerca de 3200 Kelvin para assegurar que o máximo de energia é emitido
como ondas visíveis - muito mais quente, e começaríamos a bronzear-nos com luz ultravioleta.
Na verdade, a física quântica olhou para nós fixamente muito antes das lâmpadas
e camas para bronzeamento: os seres humanos fazem fogos há milénios, em que a cor das
chamas fala, desde sempre, "quantum".