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janeiro 10, 2005
A Vida, após 100 anos de física quântica…
A chegada de 2005, venho falar-vos de física. Para um blogue de biologia, eis as minhas desculpas: 1º, acima de biólogos somos cientistas; 2º, o objectivo é sugerir um livro que tenta fazer o elo entre biologia e física.
Parabéns, Mr. Einstein!
Celebra-se este ano o centenário das duas primeiras contibuições extraordinárias de Albert Einstein: a explicação do efeito fotoeléctrico; e a proposta da teoria da relatividade restrita (que antecedeu por uma década a sua teoria da relatividade geral).
A primeira estabeleceu que a luz pode ter uma natureza corpuscular (para além da ondulatória fundamentada pela física clássica), e está na base da produção de electricidade a partir de metais sensíveis à luz. Esta interpretação, associada à definição de “quanto” (parcela individual de energia) proposta por Max Planck em 1900, produziu a relação de Planck-Einstein, E=hν (E, energia; h, constante de Planck; ν , frequência da radiacao) e marcou o início da mecânica quântica.
A segunda introduziu o conceito de espaço-tempo, no qual o tempo não é absoluto mas depende do espaço, e estabeleceu a velocidade da luz como a velocidade máxima atingível por qualquer objecto. Forneceu-nos também a equação mais conhecida em Ciência, E=mc2. O maior problema desta teoria da relatividade restrita (muito exacta para objectos com velocidades próximas da da luz) consistia na sua incompatibilidade com as leis gravitacionais de Newton, tão precisas na descrição do comportamento de planetas (a velocidades muito inferiores a da luz). Einstein demorou 10 anos a encontrar a solução para este problema: a descoberta que o espaço-tempo nao é plano, mas curvo. A presença de um corpo com massa altera o espaço-tempo, de tal modo que os raios de luz que atravessam o corpo se ‘dobram’. Estas considerações, substanciadas por um formalismo matemático notável, permitiram a Einstein prever com sucesso as órbitas dos planetas do sistema solar (até melhor do que Newton, para o caso de Mercúrio), dando corpo à teoria da relatividade geral.
Bruno Silva-Santos
Depois da Maya, é a vez do Bruno fazer a sua estreia no Conta. As nossas portas continuam abertas.
Adeus, determinismo. Olá, incerteza.
Em mecânica quântica, tudo é quantificável em parcelas individuais (“quanta”); não só a energia, mas também o calor (entalpia) e a desordem (entropia) que a compõem. Como consequência, o mundo não é contínuo (como se pensava em física clássica), mas descontínuo: apenas algumas quantidades são possíveis. E é um descontínuo incerto, pois quanto melhor se conhece a posição de uma partícula, menos se sabe acerca da sua velocidade - o famoso princípio da incerteza de Heisenberg (1926). Como tal, a mecânica quântica não prevê um resultado único e definitivo para uma observação, mas antes oferece um número de resultados descontínuos possíveis, e as suas relativas probabilidades de serem observados (isto é, medidos). Associada a uma concepçção pragmática da realidade (uma teoria é verdadeira se funciona), a mecânica quântica veio destruir o determinismo científico (proposto por Laplace no século XIX, inspirado pela obra de Newton) e a sua aspiração a um modelo de previsão exacta do futuro.
Além disso, a teoria quântica contém a espantosa dualidade onda-partícula, observada por Einstein para a luz (não só onda, mas também partícula) e por Dividson e Greimer (1923) para o electrão (não só partícula, mas também onda), e formalizada para qualquer partícula em movimento por Louis de Broglie (1924). O comportamento ondulatório de uma partícula só é observável quando esta é de pequenas dimensões e move-se num espaço da mesma ordem de grandeza do seu comprimento de onda. Este é o caso do electrão no átomo, pelo que a sua descrição necessita de uma função de onda, como a proposta por Erwin Schrödinger (para o átomo de hidrogénio) em 1926. Apesar de ser uma entidade puramente matemática, a função de onda foi interpretada por Max Born (1926) como correspondendo a uma função de densidade de probabilidade da posição do electrão no átomo.
A Vida, segundo Schrödinger
Com Schrödinger (Prémio Nobel da física em 1933) chego à minha sugestão de leitura: o seu livro “O que é a Vida?”, da Editorial Fragmentos (ou o original “What is Life?”). Trata-se de uma colecção de conferências dadas por Schrödinger no Trinity College de Dublin em 1943, sobre as perspectivas de um físico (brilhante) sobre a célula e o organismo vivo. Eis algumas das ideias interessantes avançadas por Schrödinger:
- Apesar da tendência para a desordem (entropia) da mobilidade térmica a 37°C (lembre-se a segunda lei da termodinâmica: um sistema tende para o estado de entropia máxima), um gene, agregado de milhares de átomos, é extraordinariamente estável. Por exemplo, o gene responsável pelo “Habsburger Lippe” (deformação do lábio inferior da dinastia dos Habsburgos) foi conservado funcionalmente desde há mais de meio milénio.
- A estabilidade de um gene deve-se ao facto de ser uma (macro)molécula: parte de DNA, em que os átomos estão agregados em nucleótidos. E as moléculas são incrivelmente estáveis (algumas porventura inalteradas desde o início dos tempos).
- A estabilidade molecular só e explicada pela teoria quântica, aplicada a quimíca das ligacões atómicas por Heitler e London.
- “A vida parece ser um comportamento ordenado e regrado da matéria”. A matéria viva “alimenta-se de entropia negativa” para atingir o “equilíbrio através da ordem”. A morte é o estado de entropia máxima do organismo.
- A forma de como o organismo vivo se liberta da entropia que produz é a troca de matéria (envolvendo o exterior) que designamos por metabolismo.
- O desafio da física e biologia teóricas é a interpretação dos dois mecanismos possíveis para atingir o equilíbrio: o mecanismo estatístico, que cria ordem a partir da desordem (como observado no mundo inanimadp, estudado exaustivamente por físicos e químicos); e o mecanismo biológico, que cria ordem a partir de ordem.
O livro inclui ainda um segundo capítulo, “Espírito e Matéria”, em que Schrödinger (em 1956) abordou questões como a base física da consciência, ciência e religião, e o futuro da compreensão do mundo. Escrito para todos por uma mente brilhante, eis um livro indispensável*.
Para contrariar a hegemonia das mais famosas fotografias de Einstein - Einstein de bicicleta e Einstein com a língua de fora- eis uma fantástica colecção de fotografias do físico.
* O livro escolhido pelo Bruno havia já sido mencionado no Conta pelo Santiago, sob uma perspectiva diferente, embora igualmente elogiosa.
Bruno Silva-Santos
Publicado por Conta Natura às janeiro 10, 2005 01:35 AM
Comentários
Obrigado pela sugestao de leitura. E por ter despertado curiosidade em revisitar os livros sobre fisica que deixei na estante desde ha tanto tempo. Ja agora, uma pergunta: em que medida e que uma concepcao pragmatica da realidade (funcionalidade das teorias) pode satisfazer a necessidade espiritual de um 'proposito' (razao de ser) para as coisas? E em que medida e essa concepcao incompativel com crenca (religiao)?
Publicado por: mario às janeiro 10, 2005 05:41 PM
Mario,
A concepcao pragmatica inerente a teoria quantica foi a resposta de Niels Bohr e Werner Heisenberg a concepcoes existencialistas (propostas por Everett, Ludwig e Wigner) que atribuiam um significado absoluto a funcao de onda (sugerindo coisas como universos multiplos ou accao da mente sobre a materia para explicar a diversidade de medicoes possiveis para a mesma). Bohr e Heisenberg avancaram entao com a "interpretacao de Copenhaga" (anos 20), segundo a qual a teoria quantica e verdadeira porque funciona. A inspiracao foi a concepcao do filosofo William James de que "uma ideia e verdadeira se funciona". James admitia que a verdade consiste na concordancia com a realidade. Porem, como qualquer ideia esta restrita pelas capacidades do cerebro humano (cogniscencia), e como a realidade em si e exterior a(o) mesmo(a), uma ideia nao pode concordar com a realidade! Uma ideia so pode concordar com outras ideias - e, num sentido pratico, sera "verdadeira" se nao for contradita pela generalidade das outras ideias (ou, em Ciencia, das observacoes experimentais). Como tal, o objectivo do fisico quantico nao e descrever o mundo com exactidao, mas conceber um modelo que funcione. O que pode significar a ausencia de uma representacao mental do mundo satisfatoria para o comum mortal. Mas este pode, por exemplo, recorrer a Deus para preencher tais lacunas. E chegamos a sua questao sobre a religiao. Nao me parece que a concepcao pragmatica da realidade seja incompativel com crenca religiosa, pois esta pode ser, na sua interpretacao extrema, muito pragmatica ("Deus fez o mundo, e pronto"). Mas nao posso divagar mais sobre esse aspecto, por nao ser crente. Remeto-o para a minha sugestao de leitura, pois Schroedinger tem um capitulo sobre "Ciencia e Religiao" na parte sobre "Espirito e Materia"...
Publicado por: Bruno Silva-Santos às janeiro 12, 2005 12:12 AM