Física Quântica: Movimento das ondas
Ondas transportam energias
Como escreveu Lulu Santos, “A vida vem em ondas como um mar, num indo e vindo infinito..." Num certo sentido, tudo é onda. Não só as ondas do mar, que conhecemos bem, e não só as ondas sonoras, as ondas eletromagnéticas (luz, raio X, microondas, etc.) e as ondas gravitacionais (que ainda não foram observadas): a matéria também tem um aspecto ondulatório, e portanto nós somos ondas, num certo sentido.
A melhor maneira de entender as ondas é olhando para elas*. Em cima de um rochedo em uma praia de surfista, vemos as ondas vindo de maneira regular, antes de quebrarem na areia. Como um surfista sente as ondas? Suponha que ele esteja atrás da arrebentação, no entardecer, olhando para as primeiras estrelas do céu, deitado em cima de sua prancha. Ele sentirá as ondas através de um movimento de sobe e desce. Isso é curioso: temos a impressão de que uma onda anda para frente, mas os objetos flutuando na água – e as próprias moléculas da água – não andam para frente (a não ser na arrebentação), mas apenas sobem e descem! Pode-se dizer que há transporte horizontal de energia, mas não de matéria.
No século XIX, acreditava-se que a luz fosse uma propagação ondulatória em um meio rígido e tênue chamado “éter” (por analogia à água para as ondas do mar, e ao ar para as ondas sonoras). Mas um movimento ondulatório não necessita de um meio que o sustente: imagine uma criança de noite com um ioiô luminoso. Se ela está parada, vemos o ioiô subindo e descendo, em um movimento oscilatório. Mas se ela estiver andando de bicicleta, ao mesmo tempo em que o ioiô oscila na vertical, vemos o ioiô luminoso traçar um percurso parecido com a onda na água, e parecido com o desenho abaixo:
A maneira mais fácil de ver uma onda desse tipo é amarrar uma corda a uma parede, esticá-la com a mão, e começar a mexer a mão rapidamente para cima e para baixo. Pulsos de ondas formarão e percorrerão a corda, de maneira semelhante à figura. Uma formiga sentada na corda ficaria bastante incomodada. Será que ela teria consciência desse incômodo, ou ela é só uma maquininha sem sentimentos? A coitada começará a oscilar para cima e para baixo sem parar.
Só que aí acontece uma coisa curiosa, que salva a formiga: os pulsos de onda que chegam até a parede são refletidos, e eles voltam. Ocorre então uma “superposição” de ondas indo e voltando, e o resultado disso é a chamada “onda estacionária”:
Nesta onda estacionária, há pontos (os chamados “nós”) que não oscilam! A formiga pode ir para esses pontos e descansar. Tem uma onda vindo de um lado e uma onda vindo do outro, mas uma cancela a outra, numa “interferência destrutiva”. Essa é uma característica curiosa das ondas: eu posso somar duas ondas e o resultado é zero. Isso nunca acontece com as partículas que vimos no texto anterior - clique aqui e e leia .
Imagine agora que você está à beira de um lago bucólico, e que você sobe em um galho de árvore que se debruça por cima da água. Aí você deixa cair uma pedra na água. O que você vê? Você vê ondas circulares se propagando para fora do ponto onde caiu a pedra:
(Cada círculo corresponde a um máximo da onda transversal da figura anterior.) O que esse experimento da pedra mostra é que basta um ponto da superfície da água oscilar para que se formem ondas circulares.
Imagine agora que uma frente de onda no mar encontre uma parede que tem apenas um furo. O que acontecerá? Uma onda pode ser dividida o quanto se queira: assim, uma pequena parte passará pelo furo. O furo é análogo ao ponto onde cai uma pedra, então teremos a formação de ondas circulares após o furo:
O que acontece se houver dois furos no paredão? Teremos a formação de duas ondas circulares. Porém, acontece uma coisa análoga à formação de nós na onda estacionária da corda: há uma interferência entre as ondas. Um surfista preguiçoso pode encontrar raias onde a água fica completamente parada! São locais onde uma das ondas sempre cancela a outra onda. O desenho abaixo é tirado de um artigo científico escrito pelo inglês Thomas Young em 1801. As raias marcadas com as letras C, D, E e F são os locais em que o surfista poderia descansar.
O objetivo do texto de hoje foi falar sobre ondas, que geralmente transportam energia. Ao contrário das partículas, elas são divisíveis o quanto se queira, e são espalhadas no espaço. Além disso, uma onda pode cancelar outra.
Estamos prontos para começar a adentrar os mistérios da física quântica, no próximo texto. Em poucas palavras, ela é a teoria que, de alguma maneira, concilia aspectos corpusculares (de partículas) com aspectos ondulatórios.
* Há alguns sites com animações de movimento ondulatório. Por exemplo: https://members.aol.com/nicholashl/waves/waves.htm e
https://www.walter-fendt.de/ph11br