O ENIGMÁTICO ELECTRÃO

 Os neutrinos são um dos muitos tipos de partículas criadas quando há colisões entre electrões e positrões. A imagem mostra trajectórias dessas partículas. Reproduzido de Nature, Vol. 498 (2013), 31, com autorização

O que é o electrão? 

Um século depois do físico dinamarquês Niels Bohr o ter imaginado como satélite do protão no átomo de hidrogénio, a nossa percepção do electrão continua a evoluir e a complicar-se misteriosamente. Descoberto como partícula em 1897 por Joseph John Thomson, foi confirmado experimentalmente que se propaga como uma onda (de De Broglie), pelo seu próprio filho George Thomson e, independentemente, por Davisson e Germer, (1927), em experiências de difracção.

Para todos os efeitos práticos, o electrão é uma partícula pontual (sem estrutura), com um momento angular intrínseco, o spin, e com massa e carga eléctrica. O spin do electrão contém em si vários mistérios. É hábito considerar que o spin do electrão corresponde a um movimento de rotação em torno de si próprio, o que, pelo facto de ter carga eléctrica, daria origem a um momento angular intrínseco e respectivo momento magnético.

Só que, os valores desse momento angular, medidos segundo qualquer direcção arbitrária, são metade do que seria de esperar se o spin fosse um verdadeiro momento angular. Por isso se diz que o spin do electrão é 1/2. Seria como se o electrão precisasse de dar duas voltas completas em torno de si próprio, para voltar à mesma configuração, o que não acontece a qualquer objecto comum, que apenas precisa de dar uma volta completa (i.e., de 360º).

O mais estranho ainda, é que, em muitas circunstâncias, se põe o problema de saber se a componente do spin segundo uma dada direcção existe a priori — se é uma grandeza física, antes de ser medida. O que se sabe é que quando é medida segundo uma dada direcção, seja ela qual for, dá um dos valores +1/2 ou -1/2. Parece, portanto, que neste e noutros casos da teoria quântica se põe em dúvida a existência de uma realidade a priori.

Há uma outra questão filosófica que se põe na teoria quântica e que é a questão da identidade das partículas elementares como o electrão. Essa questão é, não só, filosoficamente relevante, mas também, crucial na física, pois a entidade matemática, ou seja, a função de onda, que descreve, por exemplo, um par de electrões, tem de reflectir o facto de que os dois electrões do par não se distinguem um do outro, e podem estar constantemente a ser trocados.

A função de onda para o par de electrões emparelhados é uma soma, ou sobreposição, das duas possibilidades do spin. Além disso, a sobreposição é tal que a função de onda do par muda de sinal quando se trocam os dois electrões. Diz-se que os dois electrões estão entrelaçados, ou, se se preferir, entangled, termo inventado por Schrödinger para significar que o nosso conhecimento sobre um dos membros do par está inextricavelmente ligado ao conhecimento sobre o outro. A anti-partícula do electrão é o positrão, que tem carga positiva e a mesma massa.

Quando um positrão colide com um electrão a baixas energias, aniquilam-se e há emissão de raios gama. No entanto, se as colisões electrão-positrão forem a muito alta energia, são produzidos feixes de muitas outras partículas, como quarks, gluões, muões, leptões tau, fotões e neutrinos. Tais experiências foram feitas no Large Electron–Positron (LEP) um acelerador no CERN, em Geneva, instalado onde agora está o Large Hadron Colider, no qual foi detectado o que se pensa ser o bosão de Higgs.

A complexidade do electrão só é revelada quando se fornece energia suficiente para separar os pares electrão-positrão e que é, pelo menos, 1 megaelectrão volt (equivalente a uma temperatura da ordem de 10 mil milhões de graus). Os mais imponentes objectos constituídos por electrões são as estrelas anãs brancas. O nosso Sol converter-se-á numa anã branca daqui a cerca de cinco mil milhões de anos, quando se extinguir o seu combustível nuclear e colapsar, tornando-se numa esfera com o tamanho da Terra, mas um milhão de vezes mais densa.

O comportamento colectivo dos electrões é também estranho. A acção colectiva pode fragmentar a carga eléctrica dos electrões, em fenómenos que ocorrem em semicondutores a baixas temperaturas e sujeitos a campos magnéticos, dando origem ao chamado efeito de Hall quântico fraccionário — as correntes eléctricas geradas revelam a presença de partículas em que a carga eléctrica é uma fracção da carga do electrão.

Os electrões também perdem a sua identidade individual nos materiais supercondutores. No estado supercondutor, ou seja, abaixo da temperatura crítica, as vibrações dos átomos entram em acção e ajudam os electrões a formar pares, de spin zero, que se comportam como bosões, que não obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Abaixo da temperatura crítica, os electrões que estavam nos últimos níveis de energia do estado normal, vão todos atrás uns dos outros para o estado supercondutor, como carneiros quânticos — onde está um, querem estar os outros.

E como esse nível pode conter todos os pares de electrões que houver, quando se aplica um campo eléctrico, eles vão deslocar-se sem resistência. O que é afinal um electrão? Um electrão é uma partícula e uma onda; é simples e incrivelmente complexo; é compreendido com enorme precisão e absolutamente misterioso; é uma partícula verdadeiramente elementar e, no entanto, susceptível de decomposição. Nenhuma resposta faz justiça à realidade.

A questão da existência de uma realidade física objectiva no mundo quântico é um problema importante e não resolvido. Foi essa a questão posta num célebre artigo de Einstein, Podolsky, e Rosen com o título ”Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?” ("Pode a Descrição da Realidade Física pela Mecânica Quântica ser Considerada Completa?”) publicado na Physical Review em 1935, e que é conhecido na gíria por paradoxo de EPR. 

Foi na sequência desse artigo que Schrödinger publicou, poucos meses depois, um artigo não menos famoso, intitulado "A Presente Situação da Mecânica Quântica" no qual descreve uma experiência imaginária, cujo resultado parece um paradoxo — o célebre paradoxo do gato de Schrödinger". 

Luís Alcácer