Física atômica: perspectivas dentro do Ano Internacional da Física

Vanderlei S. Bagnato

O entendimento da natureza atômica da matéria foi um dos maiores passos para o estabelecimento da ciência moderna. Imaginem como seria a química se não fosse o bom entendimento dos elementos químicos. Seria uma ciência empírica, dominada por leis fenomenológicas, como já o era antes o avanço causado pela atomística. Hoje, dizer que tudo é constituído por átomos já faz parte de nosso cotidiano, ninguém mais fica assustado, passou a ser o óbvio. Crianças aprendem nos primeiros anos de sua educação que átomos existem e são importantes. O caminho percorrido pela ciência até chegar a este estágio não foi tão simples assim, e cada pequeno progresso que ele apresentou, causou uma verdadeira revolução. A procura dos tijolos fundamentais da natureza sempre foi fascinante e cheia de surpresas. Inicialmente imaginava-se que os átomos eram como bolas rígidas, montando a matéria macroscópica observável como se fosse um punhado de grãos de areia empilhados e ligados por uma cola mágica. Depois, verificou-se que na verdade o átomo tinha uma estrutura interna: elétrons, prótons e nêutrons convenientemente distribuídos. O entendimento de como estes componentes constituem os átomos de uma forma estável, deu origem a uma das mais brilhantes teorias de todos os tempo: a mecânica quântica. A mecânica quântica foi uma revolução nunca antes sofrida pela ciência. Com ela, a espécie humana dá um salto enorme, e cria o panorama atual de toda ciência. É praticamente impossível falar-se em qualquer uma das ciências básicas (matemática, biologia, química e física) sem que o conceito da natureza atômica da matéria esteja presente e com ela o conceito quântico. Na matemática, muito avanço ocorreu exatamente na procura de ferramentas para se poder expressar os átomos e seus constituintes através de funções e números.

Entendemos hoje muito da natureza dos átomos, e com isso temos sido capazes de realizar aventuras inéditas no mundo subatômico. O problema é que trata-se de um campo inesgotável de surpresas. Todas vez que achamos que temos todas as respostas, a natureza atômica nos supera, colocando novas perguntas.

Como estamos no Ano Internacional da Física, ano comemorativo dos trabalhos de Einstein, é interessante colocarmos suas contribuições à física atômica.

Uma das contribuições seminais para a atomística moderna foi dada por Einstein ao estudar o chamado movimento browniano. Este é o movimento de zig-zag observado em pequenos corpos colocados em suspensão, como os grãos de pólem etc. Einstein explicou que esse movimento era devido aos pequenos empurrões que essas partículas recebem devido ao fato do líquido ser constituído de moléculas em constante movimento. Corpos muito grandes não sofrem esse movimento pois sofrem tantos empurrões, em tantas direções, cuja média vai a zero.

Einstein investigou com muito cuidado a interação da luz com a matéria, e descobriu as leis fundamentais da troca de energia-campo de radiação-matéria. Estes estudos formariam as bases da moderna espectroscopia atômica, tão amplamente utilizada nos laboratórios de pesquisa e mesmo como técnicas analíticas industriais. As análises de Einstein da interação da radiação com os átomos mostrava a ocorrência da chamada emissão estimulada de radiação, fenômeno fundamental para o surgimento do laser, aparelho que conquistou a humanidade tanto nos aspectos científicos quanto tecnológicos.

Ao longo de sua carreira, Einstein realizou inúmeras contribuições para a física atômica, mas seu trabalho combinado com outro físico N. Bose, é que foi de extrema relevância para criar as novas perspectivas para a física atômica. A chamada condensação de Bose-Einstein, relevante para vários campos da ciências. Esse fenômeno previsto por esses dois cientistas há quase um século, só pôde ser demonstrado de forma clara e controlada recentemente, em 1995. A condensação de Bose-Einstein ocorre quando confinamos átomos neutros e os resfriamos, por técnicas modernas de resfriamento a laser, até próximo do zero absoluto de temperatura. Nessas condições, os átomos passam a se comportar de acordo com as leis da mecânica quântica, mesmo no mundo macroscópico. Trata-se, portanto, de tornar visível os efeitos da mecânica quântica, antes só observados no interior do átomo. Essa manifestacão quântica macroscópica é uma nova janela para que possamos explorar o intrigante mundo atômico. Toda vez que a mecânica quântica manifesta-se no mundo macroscópico novos efeitos inesperados são descobertos. Foi assim que descobriu-se a chamada supercondutividade e a superfluidez. A condensacão de Bose-Einstein, ainda é muito nova do ponto de vista experimental para que possamos saber que novas super-propriedades ela deverá nos revelar. Por essa razão, esse tópico é um dos mais importantes para os próximos anos e sem dúvida constituiu-se numa das maiores perspectivas de avanços para o campo da física atômica. Outro campo de grande perspectiva é o de entender como esses átomos, nesse regime quântico, interagem formando moléculas.

O entendimento dos átomos sempre foi a mola propulsora da ciência moderna. Entendê-los, cada vez com maior riqueza de detalhes, só promove o avanço da ciência como um todo. Hoje já estamos na área atômica, onde blocos de matérias semicondutores são criados, camada por camada, atômicas, produzindo matérias de propriedades inatingíveis de forma diferente. As moléculas biológicas também já entraram nesta era. Temos que manipular partes, ou mesmo átomos, dentro dessas moléculas para podermos controlar o percurso de certas etapas da vida. Cada vez mais o poder da ciência em dominar e controlar a espécie atômica determina seu próprio avanço.

Nunca escaparemos da necessidade de entender como as características do mundo que nos rodeia depende das propriedades do mundo atômico microscópico e, para isso, é preciso continuar trabalhando para entender cada vez melhor essa entidade fundamental, chamada de átomo.

Vanderlei S. Bagnato é professor do Instituto de Física de São Carlos – Universidade de São Paulo.