A elementar natureza da Luz

Sérgio Ferraz Novaes, pesquisador brasileiro e integrante da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear – CERN, debate as partículas elementares e as propriedades de luz

Se você estivesse diante de Sherlock Holmes, o mais célebre personagem de Conan Doyle, e lhe perguntasse qual a propriedade da Luz, ele provavelmente começaria respondendo com seu famoso clichê: “Elementar, meu caro Watson”. Na física quântica boa parte das explicações se originam aí mesmo, nas partículas elementares. “Partículas elementares são os menores blocos que constituem a matéria que conhecemos. Até o início do século XX acreditávamos que os átomos fossem esses blocos fundamentais, mas hoje sabemos que os átomos são compostos de prótons e nêutrons, que constituem o núcleo, e de elétrons. Mais ainda, graças às investigações que foram feitas nos aceleradores de partículas, sabemos hoje que prótons e nêutrons são compostos de quarks, os verdadeiros componentes elementares da matéria nuclear”, ensina o professor e pesquisador Sérgio Ferraz Novaes, em entrevista por e-mail à IHU On-Line.

Para o professor, a celebração do Ano Internacional da Luz é importante, pois pretende despertar a consciência global sobre os impactos das tecnologias associadas e esta propriedade tão fascinante e misteriosa de nosso universo. “A iniciativa visou principalmente aumentar a consciência global sobre como a luz e suas tecnologias associadas podem ser capazes de promover o desenvolvimento sustentável e fornecer soluções para os desafios globais em energia, educação, agricultura, saúde, etc.”, coloca o entrevistado. “O eletromagnetismo, o efeito fotoelétrico, o laser, a óptica quântica e as fibras ópticas são alguns exemplos da importância da luz no desenvolvimento científico e tecnológico. Tudo indica que ela continuará desempenhando um papel essencial na ciência do século XXI”, projeta o professor.

Sérgio Ferraz Novaes é bacharel e doutor em Física pela Universidade de São Paulo – USP. Realizou pós-doutorado no Lawrence Berkeley National Laboratory, nos EUA, e foi pesquisador visitante na Universidade de Wisconsin, Madison, nos EUA, na Universidade de Valência, Espanha, e no Fermi National Accelerator Laboratory – Fermilab Chicago, nos EUA. No final da década de 1990 tornou-se membro da Colaboração DZero do Fermilab e atualmente faz parte da Colaboração Compact Muon Solenoid – CMS e da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear – CERN, onde são realizados experimentos no colisor de partículas.

Confira a entrevista. 

 

IHU On-Line – Como a Teoria Quântica mudou nossa forma de compreender o universo?

Sérgio Ferraz Novaes - A Mecânica Quântica revolucionou a forma com que vemos o mundo subatômico. A proposta da quantização da energia surgiu na virada do século XX e desde então descobrimos que muitos conceitos que fazem parte do senso comum na vida cotidiana não se aplicam em pequenas escalas (curtas distâncias). As partículas e as ondas passam a ser vistas como uma entidade única (“partícula-onda”), agora descritas por funções de onda que possuem uma interpretação probabilística; medidas de posição e momento (velocidade) não podem ser feitas simultaneamente com precisão absoluta; surge o conceito de emaranhamento quântico onde alguns sistemas, mesmo distantes entre si, mantêm-se correlacionados e devem ser descritos de forma conjunta. No entanto, é importante ter sempre em mente que esses efeitos não são perceptíveis na escala macroscópica uma vez que a constante que determina os fenômenos quânticos (constante de Planck ) é extremamente pequena.

 

IHU On-Line – O que são as partículas elementares?

Sérgio Ferraz Novaes - Partículas elementares são os menores blocos que constituem a matéria que conhecemos. Até o início do século XX acreditávamos que os átomos fossem esses blocos fundamentais, mas hoje sabemos que os átomos são compostos de prótons e nêutrons, que constituem o núcleo, e de elétrons. Mais ainda, graças às investigações que foram feitas nos aceleradores de partículas sabemos hoje que prótons e nêutrons são compostos de quarks, os verdadeiros componentes elementares da matéria nuclear.

 

IHU On-Line – Que relações há entre as partículas elementares e a Teoria do Campo?

Sérgio Ferraz Novaes - A Teoria Quântica de Campos - TQC associa a Teoria da Relatividade e Mecânica Quântica em um formalismo que é capaz de incorporar o carácter efêmero da Natureza, podendo descrever o surgimento e o desaparecimento de partículas. A TQC descreve a força entre duas partículas como a troca de uma partícula que intermedeia a interação entre elas. Por exemplo, a interação entre dois elétrons é descrita através da troca de fótons e a interação forte entres os quarks pela troca de glúons.  Na realidade as próprias partículas elementares são os quanta dos campos que as descrevem. O fóton é o quantum do campo eletromagnético assim como o elétron é o quantum do campo do elétron que permeia todo o espaço.

 

IHU On-Line – O que são as flutuações quânticas que preenchem o tempo-espaço no universo?

Sérgio Ferraz Novaes - Como a TQC consegue descrever bem o surgimento e desaparecimento de partículas, ela prevê a criação de pares virtuais (p. ex., elétron-pósitron) mesmo no vácuo. A criação e destruição desses pares virtuais (em oposição a “reais”) constituem essas flutuações.

 

IHU On-Line – Qual o funcionamento do mecanismo de Higgs?

Sérgio Ferraz Novaes - O mecanismo de Higgs foi criado para resolver um problema formal da teoria das interações eletrofracas gerando a massa das partículas elementares de uma forma consistente. Apesar de ser uma solução bastante artificial a comunidade científica em 45 anos de pesquisa não foi capaz de obter uma alternativa mais satisfatória. Agora, a descoberta do bóson de Higgs pelo Grande Colisor de Hádrons – LHC (Large Hadron Collider, em inglês) no CERN veio corroborar de forma decisiva esse mecanismo de geração de massa. O bóson de Higgs é na realidade o quantum do campo de Higgs que permeia todo o espaço. As diversas partículas interagem de forma distinta com esse campo e essa interação dá origem às suas respectivas massas.

 

IHU On-Line – Qual a importância do Ano Internacional da Luz na retomada dos debates acerca de física teórica?

Sérgio Ferraz Novaes - Criado pela assembleia geral da ONU em 2013, o Ano Internacional da Luz vem promover os diversos aspectos da luz que desempenha um papel tão essencial em nossa vida cotidiana e é um objeto de grande importância científica. A iniciativa visou principalmente aumentar a consciência global sobre como a luz e suas tecnologias associadas podem ser capazes de promover o desenvolvimento sustentável e fornecer soluções para os desafios globais em energia, educação, agricultura, saúde, etc. A luz teve uma importância fundamental para a medicina, permitiu ampliar e acelerar a comunicação global via Internet, e vem sendo essencial em diversos aspectos culturais, econômicos, políticos e sociais. O eletromagnetismo, o efeito fotoelétrico, o laser, a óptica quântica e as fibras ópticas são alguns exemplos da importância da luz no desenvolvimento científico e tecnológico. Tudo indica que ela continuará desempenhando um papel essencial na ciência do século XXI. ■

 

Leia mais...

- “É a única coisa que está faltando.” Entrevista com Sérgio Novaes reproduzida nas Notícias do Dia, de 14-12-2011, no sítio do IHU.