Física Quântica 40 - O Vácuo Quântico

 O Vácuo Quântico

por Osvaldo Pessoa Jr.

O que acontece quando toda matéria é evacuada de um recipiente? É possível atingir o vazio absoluto, ou a natureza tem horror ao vácuo?

Essa discussão se iniciou na Grécia Antiga: de um lado, atomistas como Demócrito defendiam que havia espaço totalmente vazio de matéria, enquanto do outro Aristóteles argumentava que não.

No século XVII, René Descartes concebia o Universo como um “pleno”, ou seja, sem espaços vazios, mas outros filósofos da natureza já começavam a produzir o vácuo.

Em 1643, o italiano Evangelista Torricelli encheu um longo tubo (selado em uma das pontas) com mercúrio, tapou-o, virou-o e o colocou num banho de mercúrio, retirando a tampa, como na figura abaixo.

A coluna de mercúrio desceu do ponto A para C, atingindo uma altura de 76 cm. Três anos depois, o francês Blaise Pascal mostrou que essa altura de mercúrio exerce uma pressão no banho de mercúrio que é igual à pressão atmosférica.

Confirmando que o espaço entre A e C é vazio! Em 1654, Otto von Guericke construiu a primeira bomba de vácuo, e desde então a qualidade das bombas vem melhorando progressivamente.

Para se ter uma ideia da qualidade dos vácuos, vamos contar quantas moléculas de um gás estão contidas em um centímetro cúbico (cm³) de uma certa região evacuada.

O ar que a gente respira tem em torno de 30 quintilhões de moléculas por cm³ (um quintilhão é o dígito 1 seguido de 15 zeros).

A melhor garrafa térmica já construída possui duas paredes separadas por um vácuo com aproximadamente um trilhão de moléculas por cm³.

O recorde atingido em uma câmara de vácuo na Terra é de apenas 100 mil moléculas por cm³, o que equivale à situação na superfície da Lua. Muito vazio!

Mas isso é uma multidão perto do que existe no espaço sideral. Entre os planetas há uma “densidade de número” de 10 moléculas por cm³.

Entre as estrelas de uma galáxia, 1 molécula por cm³. Parece pouco, mas no espaço entre as galáxias há em média somente 1 molécula por metro cúbico!

Se pudéssemos lançar um vidrinho de perfume vazio para longe de nossa galáxia (chamada Via Láctea), tapá-lo hermeticamente, e trazê-lo de volta, teríamos uma boa chance de não termos nenhuma molécula dentro da garrafa!

Teríamos assim o vácuo absoluto, com pressão zero! E agora, o que haveria dentro do vidrinho? Nada?

Nada disso! À temperatura ambiente, as paredes do vidrinho emitem radiação eletromagnética infravermelha, que permeia o interior do vidro.

Se decidíssemos jogar o vidrinho de volta para o espaço intergaláctico, mesmo assim haveria a chamada “radiação de fundo do Universo”, uma radiação eletromagnética remanescente do Big Bang, associada a uma temperatura de 3 kelvin (ao invés dos 300 kelvin na superfície da Terra), na faixa de micro-ondas.

E haveria também a radiação provinda das estrelas, a gravidade das estrelas, e os neutrinos que estão por toda parte.

Mas poderíamos talvez isolar o vidrinho de toda radiação eletromagnética, e abaixar a temperatura para próximo do zero absoluto. E aí? Teríamos nada?
Plenamente não!

O espaço vazio está sujeito a flutuações quânticas! Ele contém uma energia residual, mesmo numa temperatura de zero absoluto, descrita pela primeira vez por Albert Einstein & Otto Stern em 1913, e que recebe o nome de “energia de ponto zero”.

Em 1930, o físico inglês Paul Dirac estava tentando entender as equações que havia obtido para o elétron, ao juntar mecânica quântica e teoria da relatividade restrita.

Imaginou que haveria um mar de elétrons, e que a situação correspondente ao vácuo seria um mar calmo, com todos os elétrons abaixo da superfície do mar.

Porém, poderia acontecer de um elétron ganhar energia e pular para fora do mar, como uma gotinha de água que às vezes sai voando.

Neste caso, ficaria um buraco no mar, e este buraco acabou sendo interpretado como a “antipartícula” do elétron, o chamado “pósitron” (que tem todas as propriedades idênticas às do elétron, a menos da carga elétrica).

Esse modelo visual simples daria conta, então, do surgimento de um par elétron-pósitron a partir de energia (por exemplo, radiação eletromagnética na forma de raio gama).

O processo inverso, a aniquilação de um elétron por um pósitron (resultando em um par de fótons de raio gama), corresponderia, no modelo de Dirac, ao retorno da gotinha de água para dentro do mar.

Na década de 1930, tentou-se conciliar a teoria da relatividade com a teoria quântica de campos (indo além do que conseguira Dirac), e uma das chaves para conseguir isso foi perceber que o vácuo quântico podia ser “polarizado”, como se fosse um fluido dielétrico.

Com a consolidação desta teoria da “eletrodinâmica quântica” por Tomonaga, Schwinger, Feynman e Dyson, após a 2ª Guerra Mundial, o conceito de vácuo quântico passou a ser parte integrante do nosso retrato do Universo.

Na alegoria do mar de Dirac, então, o mar deve ser visualizado como uma superfície com pequenas mas constantes ondinhas, com uma energia de ponto zero.

As flutuações do vácuo são análogas às flutuações na superfície do mar, e há sempre a possibilidade de partículas materiais serem criadas a partir dessas flutuações, como gotinhas de água que pulam para fora, deixando um buraco dentro da água.

Em 1948, Hendrik Casimir previu um fascinante efeito cuja explicação envolve o conceito de vácuo quântico. O efeito envolve duas placas perfeitamente condutoras (mas sem carga elétrica) que são colocadas próximas e paralelas.

A previsão é que haverá uma atração entre as placas, bem maior do que a atração gravitacional.

A explicação é que a cavidade criada entre as placas suprime certos frequências de oscilação do vácuo, de forma que a pressão que o vácuo externo exerce sobre as placas acaba se tornando maior do que a pressão interna (onde certas ondas foram eliminadas pelas placas).

Em 1997, Steven Lamoreaux confirmou experimentalmente o efeito Casimir. Tal efeito é hoje um problema para a construção de dispositivos de nanotecnologia.

O primeiro efeito explicado pela eletrodinâmica quântica, a partir da noção de vácuo quântico, foi o chamado “deslocamento de Lamb” em raias espectrais de átomos (1947).

Outro fenômeno que é parcialmente explicado pelo vácuo eletromagnético é a força intermolecular de van der Waals. As flutuações do vácuo podem ser vistas também como as causas do decaimento espontâneo de elétrons em átomos.

A energia contida no vácuo parece estar associada à “energia escura” prevista pelas teorias cosmológicas atuais.

Tal energia se manifestaria em uma “constante cosmológica” na teoria da relatividade geral, e explicaria porque a expansão do Universo é acelerada.

Discute-se também se seria possível extrair energia do vácuo para fins humanos, mas o consenso entre a maioria dos cientistas é que isso não é possível.
No final das contas, quem tinha razão entre os pensadores antigos?

Os “vacuístas” (atomistas) ou os “plenistas”? Como geralmente acontece em controvérsias filosóficas que acabam sendo resolvidas pela ciência, ambos acertaram parcialmente.

Os vacuístas tinham razão em poder pensar um espaço sem moléculas, mas os plenistas talvez tenham ganho o debate, já que mesmo o espaço sem átomos é carregado de energia, e de partículas em potencial.

Voltar para Física Quântica Dezenas de Interpretações