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Os primórdios dos debates de Einstein com Niels Bohr

Coleção de textos mostra a pré-história das discussões entre os físicos

Foto © Museum Boerhaave, NL
Por George Musser 

Os pensamentos de Albert Einstein permanecem relevantes para físicos que tentam entender a mecânica quântica. “Esse homem foi quem percebeu mais rápida e profundamente os problemas que nos afligem atualmente”, contou-me um físico quântico. O último volume de “Collected Papers of Albert Einstein” [Textos Selecionados de Albert Einstein, em tradução aproximada] que contém as publicações, rascunhos, cartas e rabiscos de Einstein, de janeiro de 1922 a março de 1923, mostra que suas profundas preocupações com o quantum antecederam seus famosos duelos com Niels Bohr e tiveram um importante papel na formação da nova teoria. Muitos desses textos ainda não tinham sido publicados. Convidei Tilman Sauer do Caltech, editor sênior do Einstein Papers Project, para descrever algumas das novidades que apareceram. – George Musser

Albert Einstein e Niels Bohr tiveram um famoso embate no final da década de 20 e início da década de 30 sobre a interpretação da mecânica quântica e o fenômeno que atualmente chamamos de emaranhamento quântico.

Einstein, porém, já estava investigando a mecânica quântica há muitos anos, tanto teórica quanto experimentalmente. Propôs não apenas experimentos mentais, mas também experimentos reais que, quando conduzidos, foram cruciais para moldar a compreensão de físicos sobre a nova teoria. Detalhes das ideias de Einstein e novas observações sobre seu envolvimento com a teoria quântica vieram à luz durante o curso de nosso trabalho com seus textos.

Bohr havia postulado que elétrons se movem ao redor de núcleos atômicos apenas em órbitas estacionárias, e que só liberam radiação quando vão de uma dessas órbitas para uma de energia mais baixa. Equalizando a energia da luz emitida com a diferença energética das duas órbitas, ele conseguiu explicar o espectro do hidrogênio. Foi um avanço espetacular. Mas apesar de seu sucesso empírico, os postulados de Bohr desafiavam princípios básicos da eletrodinâmica clássica. Todos ficaram confusos. Bohr abrira a porta para um mundo de mistério e surpresa.

Einstein também foi desafiado e provocado pela ousada teoria de Bohr. Ele mesmo um dos fundadores da teoria quântica inicial e autor da hipótese do quantum de luz, Einstein sentiu que havia um problema que não poderia ser reconciliado com conceitos clássicos e que imperativamente exigia novas ideias e abordagens. 

No final de 1921, Einstein divisou o que acreditava ser um experimento crucial para determinar a natureza do processo de emissão de luz. Quando elétrons se movem de uma órbita para a seguinte, será que a luz é emitida por átomos ejetados instantaneamente, como um quantum, ou gradualmente, como uma onda contínua?

Ele propôs estudar o processo usando os chamados raios canais, que são partículas aceleradas por uma voltagem em um tubo de vidro; elas fluem por poros (“canais”) no cátodo do tubo. Depois de passar através dos cátodos, elas podem ou não se neutralizar, mas em qualquer caso nós podemos emitir luz (pelo mecanismo de Bohr, de elétrons saltando para uma órbita de energia mais baixa). A luz sofre uma mudança de frequência devido ao efeito Doppler, indicando que as partículas emissoras de luz estão se movendo rapidamente. 

Einstein previu que se alguém enviar luz produzida dessa maneira através de um meio dispersivo, as frentes de ondas deveriam ser defletidas se o processo de emissão fosse clássico.

Quando Hans Geiger e Walther Bothe conduziram o experimento, usando gás de dissulfeto de carbono como meio, não viram essa deflexão. Einstein tomou isso como evidência de que a luz é emitida como partícula em vez de onda.

O novo volume de Einstein’s Collected Papers deixa claro que Einstein havia cometido um erro. Como lhe apontou seu amigo Paul Ehrenfest (mostrado na foto acima com seu filho e Einstein), sua análise era falha. Ele não havia distinguido corretamente entre velocidade de grupo e velocidade de fase. Quando essa correção era aplicada, nenhuma das duas alternativas teóricas resultava em uma deflexão.

Recolhendo seu manuscrito original, Einstein graciosamente publicou uma análise de propagação de ondas clássicas em meios dispersivos, para que outros não caíssem na mesma armadilha.

Einstein, no entanto, não desistiu. Ele divisou vários experimentos projetados para esclarecer sobre a escolha entre conceitos quânticos e clássicos. Algumas ideias tinham vida curta, outras estavam sendo postas a prova.

Ehrenfest ficou fascinado. Ele sonhavaem trancar Einsteine Bohr em uma sala para que os dois brigassem sobre o assunto, assim antecipando os famosos debates entre eles sobre a interpretação de Copenhague alguns anos mais tarde, na conferência de Solvay de 1927.

De fato, no início da década de 20, Einstein examinou a maioria dos problemas sob a perspectiva quântica. Poucos fizeram investigações tão profundas quanto ele.

Tome a supercondutividade, por exemplo. A misteriosa perda completa e repentina de resistividade elétrica a temperaturas de hélio líquido só foi observada pela primeira vez 10 anos antes, em Leyden, para o caso do mercúrio, e até 1923 era apenas em Leyden que Kamerlingh Onnes tinha instalações adequadas para produzir o fenômeno.

Einstein levantou a hipótese de que corrente de carga em supercondutores era produzida por elétrons se movendo em correntes de órbitas de Bohr sem emitir radiação. Em metais supercondutores, átomos ficariam alinhados de maneira que suas órbitas se osculassem tangencialmente, assim permitindo que elétrons passassem suavemente da órbita de um átomo para a seguinte.

Se isso fosse verdade, deduziu ele, as interfaces entre metais diferentes não deveriam ser supercondutoras. Era uma ideia inteligente. Mas quando Onnes executou o experimento e encontrou supercondutividade em um anel consistindo de pedaços alternados de chumbo e estanho, Einstein suspirou: “E mais um vislumbre de esperança para a compreensão é abandonado”.

Em Frankfurt, ao mesmo tempo, Otto Stern e Walther Gerlach estavam enviando átomos de prata através de um campo magnético forte, não-homogêneo, para verificar se carregavam momento magnético e, se fosse o caso, se esse momento era quantizado no espaço, como postulava a teoria quântica.

Eles descobriram que o feixe de átomos de prata se dividia em dois raios, correspondendo a duas possibilidades diferentes de alinhar seu momento magnético no campo magnético. Quando Einstein e Ehrenfest discutiram o experimento durante uma das visitas de Einstein a Leyden, eles imediatamente perceberam que o experimento Stern-Gerlach não podia ser explicado classicamente.

Fizeram alguns cálculos estimando quanto tempo levaria para um átomo de prata se alinhar em um campo magnético por emissão clássica de radiação por rotação Larmor. Descobriram que isso levaria 100 anos, se comparado aos poucos microssegundos que os átomos tinham à disposição durante seu tempo de voo.

Confrontados com o primeiro exemplo de um processo genuíno de medição quântica, Einstein e Ehrenfest imediatamente perceberam o problema fundamental do que mais tarde se tornou o exemplo clássico do colapso da função de onda.

O Einstein Papers Project visa tornar acessíveis os textos e correspondência de Einstein em uma edição acadêmica cuidadosamente anotada. O projeto editorial se baseia nos Albert Einstein Archives, uma coleção de arquivos de seus textos publicados e não-publicados, e de sua extensa correspondência depositada na Universidade Hebraica de Jerusalém.

Um catálogo da coleção está acessível em uma base de dados com mais de 80 mil registros e muitos fac-símiles. O projeto editorial está organizado cronologicamente. Com o último volume, a série publicada agora cobre a vida e o trabalho de Einstein até seu 44º aniversário. Quem sabe que outras pepitas de sabedoria aparecerão nos próximos volumes?

Acesso ao catálogo: http://www.alberteinstein.info/