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A vida no limite – Como o mundo quântico se comporta quando ninguém está olhando – Jim Al-Khalili, Johnjoe McFadden

Este livro levou três anos para ser escrito, embora durante quase duas décadas os autores tenham colaborado na pesquisa desse campo novo e empolgante que une a física quântica, a bioquímica e a biologia. Mas, quando se trata de uma área da ciência tão interdis- ciplinar quanto a biologia quântica, é impossível se especializar a ponto de explicar com profundidade e confiança suficientes toda a ciência necessária para pintar o quatro completo – ainda mais quando se vai escrever o primeiríssimo livro sobre o tema para o público leigo. É verdade, sem dúvida, que nenhum dos autores conseguiria escrever este livro sozinho, uma vez que cada um de nós contribuiu com nossos conhecimentos sobre os mundos, respectivamente, da física e da biologia. É mais verdade ainda que não seríamos capazes de produzir este livro, do qual ambos nos orgulhamos imensamente, sem a ajuda e a orientação de muita gente, na maioria líderes mundiais em suas áreas de pesquisa. Somos gratos a Paul Davies por muitas discussões frutíferas que teve conosco nos últimos quinze anos sobre a mecânica quântica e sua possível relevância na biologia. Também somos gratos aos muitos físicos, químicos e biólogos que vêm dando grandes passos nesse novo campo e cuja experiência e profundo conhecimento de suas áreas de especialização não tínhamos nem temos. Especificamente, agradecemos a Jennifer Brookes, Gregory Engel, Adam Godbeer, Seth Lloyd, Alexandra Olaya-Castro, Martin Plenio, Sandu Popescu, Thorsten Ritz, Gregory Scholes, Nigel Scrutton, Paul Stevenson, Luca Turin e Vlatko Vedral. Também queremos agradecer a Mirela Dumic, coordenadora do Institute of Advanced Studies (IAS; Instituto de Estudos Avançados, em português) da Universidade de Surrey, que, quase sozinha, organizou naquela cidade, em 2012, nossa oficina internacional “Quantum Biology: Current Status and Opportunities” (Biologia quântica: situação atual e oportunidades), um grande sucesso financiado conjuntamente pelo IAS, pelo BBSRC (Biotechnology and Biological Sciences Research Council, ou Conselho de Pesquisa emBiotecnologia e Ciências Biológicas) e pelo projeto MILES (Models and Mathematics in Life and Social Sciences, ou Modelos e Matemática nas Ciências da Vida e Sociais). Essa oficina reuniu muitos personagens importantes – este ainda é um campo em surgimento e o número dos que trabalham nele é relativamente pequeno – envolvidos hoje na pesquisa em biologia quântica no mundo inteiro e nos ajudou a sentir que realmente fazíamos parte dessa empolgante comunidade de pesquisa. Quando o livro estava na fase de rascunho, pedimos a vários colegas supracitados que lesseme nos dessem sua opinião. Portanto, somos especialmente gratos a Martin Plenio, Jennifer Brookes, Alexandra Olaya-Castro, Gregory Scholes, Nigel Scrutton e Luca Turin. Também gostaríamos de agradecer a Philip Bali, Pete Downes e Greg Knowles por lerem o rascunho final, no todo ou emparte, e fazerem tantos comentários úteis e pertinentes que melhoraram tremendamente o livro. Umgrande muito obrigado vai para nosso agente Patrick Walsh, sem o qual o livro não decolaria, e para Sally Gaminara, da Random House, por sua fé em nós e por ficar tão empolgada com o projeto. Um“muito obrigado” ainda maior tem de ir para Patrick e Carrie Plitt, da Conville & Walsh, pelos conselhos e sugestões sobre a estrutura e o formato do livro e por ajudarem a moldá-lo numa versão final que fica a anos-luz de distância de seu desajeitado estado inicial. Também somos gratos a Gillian Somerscales pela genialidade editorial. Finalmente, e com a mesma importância, desejamos agradecer a nossas famílias o apoio irrestrito, principalmente naqueles períodos em que precisávamos cumprir prazos impostos por nós ou pelos editores e tivemos de pôr de lado todos os outros compromissos e nos isolar com nossos laptops. Perdemos a conta das noites, dos fins de semana e das férias em que a biologia quântica teve que ficar em primeiro lugar. Esperamos que o livro valha a pena. Por nós dois e pelo novo campo da biologia quântica, esperamos que essa jornada tenha apenas começado. Jim Al-Khalili e Johnjoe McFadden Agosto de 2014 1. Introdução Este ano, o gelo do inverno chegou cedo à Europa, e há um frio penetrante no ar da noite. Bem no fundo da mente de uma jovem fêmea de pisco-de-peito-ruivo, a sensação de propósito e decisão, antes vaga, fica mais forte. O passarinho passou as últimas semanas devorando muito mais que o quinhão normal de insetos, aranhas, minhocas e frutinhas, e agora pesa quase o dobro de quando sua ninhada voou do ninho em agosto. Esse peso a mais é principalmente uma reserva de gordura, da qual ela precisará como combustível na árdua viagem que está prestes a começar. Essa será sua primeira migração para longe da floresta de abetos no centro da Suécia, onde passou toda a sua curta vida e onde criou seus filhotinhos poucos meses antes.


Para sua sorte, o inverno anterior não foi rigoroso demais, pois um ano antes ela ainda não estava adulta e não teria força suficiente para uma viagem tão longa. Mas agora, com as responsabilidades maternas encerradas até a próxima primavera, ela só precisa pensar em si e está pronta para fugir do inverno iminente, seguindo para o sul em busca de um clima mais quente. Passaram-se algumas horas desde o pôr do sol. Em vez de se instalar para dormir, ela saltita na escuridão crescente até a ponta de um galho perto da base da árvore imensa que se tornou seu lar desde a primavera. Ela sacode rapidamente o corpo, como o maratonista que relaxa os músculos antes da corrida. O peito alaranjado brilha ao luar. Agora, o esforço e o cuidado meticulosos investidos na construção do ninho – a pouca distância dali, parcialmente escondido junto à casca coberta de musgo do tronco da árvore – são uma lembrança apagada. Ela não é o único passarinho que se prepara para partir, pois outros piscos-de-peito-ruivo, machos e fêmeas, também decidiram que esta é a noite certa para começar a longa migração para o sul. Nas árvores em volta, ela ouve o canto alto e agudo que abafa os sons comuns das outras criaturas noturnas do bosque. É como se as aves se sentissem obrigadas a anunciar a partida, enviando aos outros habitantes da floresta a mensagem de que é melhor pensar duas vezes antes de invadir o território e os ninhos vazios dos passarinhos enquanto estiverem fora. Porque esses piscos certamente planejam voltar na primavera. Ela vira rapidamente a cabeça de um lado para o outro para se certificar de que o caminho está livre e sobe no céu noturno. As noites têm ficado mais longas com o avanço do inverno, e ela tem pela frente umas boas dez horas de voo até poder descansar de novo. Ela parte num rumo de 195° (15° a oeste do sul propriamente dito). Nos próximos dias, ela continuará voando mais ou menos na mesma direção e percorrerá uns trezentos quilômetros num dia bom. Ela não tem ideia do que esperar durante a viagem nem a mínima noção de quanto tempo levará. O terreno em torno do bosque de abetos é conhecido, mas depois de alguns quilômetros ela estará sobrevoando uma paisagem estrangeira enluarada, com lagos, vales e cidades. Em algum ponto próximo ao Mediterrâneo, ela chegará a seu destino; embora não vá para nenhum local específico, quando chegar a um ponto favorável, ela vai parar e decorar os marcos locais para retornar em anos vindouros. Se tiver forças, pode até mesmo chegar ao litoral norte da África. Mas essa é sua primeira migração, e agora a única prioridade é escapar do frio penetrante do inverno nórdico que se aproxima. Ela parece não perceber os piscos em torno, todos voando mais ou menos na mesma direção, alguns dos quais já fizeram a viagem muitas vezes. Sua visão noturna é excelente, mas ela não procura nenhum marco geográfico – como faríamos nós se empreendêssemos uma jornada dessas – nem acompanha o padrão das estrelas no limpo céu noturno consultando seu mapa celeste interno, como fazem muitos outros pássaros que migram à noite. Em vez disso, ela tem uma habilidade extraordinária e vários milhões de anos de evolução a agradecer pela capacidade de fazer a migração anual de outono, uma viagem de mais de três mil quilômetros. É claro que a migração é comum no reino animal. Todo inverno, por exemplo, o salmão desova nos rios e lagos do norte da Europa e deixa alevinos que, depois de eclodirem, seguem o curso do rio até o mar e chegam ao norte do Atlântico, onde crescem e amadurecem; três anos depois, esses jovens salmões voltam para desovar nos mesmos rios e lagos onde nasceram.

As borboletasmonarcas do Novo Mundo migram milhares de quilômetros para o sul no outono, atravessando os Estados Unidos de ponta a ponta. Então, elas ou seus descendentes (já que procriarão pelo caminho) retornam ao norte, às mesmas árvores onde foram pupas na primavera. As tartarugas-verdes das praias da ilha de Ascensão, no sul do Atlântico, nadam milhares de quilômetros pelo oceano antes de voltar, de três em três anos, para procriar na mesmíssima praia cheia de cascas de ovos de onde eclodiram. A lista continua: muitas espécies de pássaros, baleias, caribus, lagostas, rãs, salamandras e até abelhas são capazes de realizar viagens que seriam um desafio para os maiores exploradores humanos. O modo como os animais conseguem se orientar pelo globo tem sido um mistério há séculos. Hoje sabemos que eles empregam vários métodos: alguns usam navegação solar durante o dia e navegação celeste à noite; alguns decoram marcos geográficos; outros conseguem até farejar o caminho pelo planeta. Mas o sentido de navegação mais misterioso de todos é o do pisco-de-peitoruivo: a capacidade de perceber a direção e a intensidade do campo magnético da Terra, chamada de magnetorrecepção. E, embora hoje conheçamos algumas outras criaturas com essa capacidade, o modo como o pisco-de-peito-ruivo (Erithacus rubecula) encontra seu caminho pelo globo é o que mais interessa em nossa história. O mecanismo que permite à nossa fêmea de pisco saber em que direção e até onde voar está codificado no DNA que herdou dos pais. Essa capacidade é sofisticada e incomum: um sexto sentido que ela usa para traçar sua rota. Afinal, como muitos outros pássaros, e até insetos e criaturas marinhas, ela tem a habilidade de perceber o fraco campo magnético da Terra e tirar dele informações direcionais usando um sentido de navegação embutido, que, em seu caso, exige um tipo inovador de bússola química. A magnetorrecepção é um enigma. O problema é que o campo magnético da Terra é fraquíssimo, entre 30 e 70 microteslas na superfície: o suficiente para mover a agulha de uma bússola, delicadamente equilibrada e quase sem fricção, mas com apenas cerca de um centésimo da força de um ímã de geladeira comum. Isso nos apresenta um enigma: para ser percebido por umanimal, o campo magnético da Terra precisa influenciar de algum modo uma reação química num ponto do corpo do animal; afinal de contas, é assim que todas as criaturas vivas – nós, inclusive – sentem qualquer sinal externo. Mas a energia fornecida pela interação do campo magnético da Terra com as moléculas dentro de células vivas é menos de um bilionésimo do necessário para romper ou formar ligações químicas. Então, como o campo magnético é percebido pelo pisco? Os mistérios, por menores que sejam, são fascinantes, porque há sempre a possibilidade de que sua solução provoque uma mudança fundamental em nosso entendimento do mundo. Por exemplo, no século XVI, as ponderações de Copérnico sobre um problema relativamente menor da geometria do modelo geocêntrico do sistema solar o levaram a deslocar o centro de gravidade de todo o universo para longe da humanidade. A obsessão de Darwin com a distribuição geográfica das espécies animais e com o mistério das espécies de tentilhões e mimídeos que, em ilhas isoladas, tendem a ser tão especializadas o levou a propor a teoria da evolução. E a solução do físico alemão Max Planck para o mistério da radiação de corpo negro, relativo ao modo como objetos quentes emitem calor, levou-o a sugerir que a energia era emitida em lotes discretos chamados “quanta”, o que trouxe o nascimento da teoria quântica no ano de 1900. Será que a solução do mistério de como as aves acham o caminho pelo globo provocaria uma revolução na biologia? A resposta, por mais estranho que pareça, é: sim. Mas mistérios como esse também são um ponto de encontro de místicos e pseudocientistas; como o químico de Oxford Peter Atkins afirmou em 1976, “o estudo dos efeitos do campo magnético sobre as reações químicas tem sido há tempos local de estripulias de charlatães”. 1 Na verdade, explicações exóticas de todos os tipos, da telepatia e das antigas linhas de Ley (vias invisíveis que interligam vários sítios arqueológicos e geográficos supostamente dotados de energia espiritual) ao conceito de “ressonância mórfica” inventado pelo controverso parapsicólogo Rupert Sheldrake, foram propostas em algum momento como mecanismos usados pelas aves migratórias para se orientar ao longo das rotas. Portanto, as reservas de Atkins na década de 1970 são compreensíveis e refletem o ceticismo predominante nos cientistas da época diante de qualquer sugestão de que os animais fossem capazes de sentir o campo magnético da Terra. Simplesmente parecia não haver nenhum mecanismo molecular que permitisse a um animal uma coisa dessas – pelo menos, não no campo da bioquímica convencional. Mas, no mesmo ano em que Peter Atkins declarou seu ceticismo, Wolfgang e Roswitha Wiltschko, um casal de ornitologistas alemães de Frankfurt, publicaram um artigo inovador na Science, uma das principais revistas acadêmicas do mundo, que determinava, sem sombra de dúvida, que os piscos realmente conseguem perceber o campo magnético da Terra.

2 De modo ainda mais extraordinário, eles demonstraram que esse sentido dos pássaros não funcionava do mesmo modo que as bússolas normais, pois, enquanto as bússolas revelam a diferença entre os polos magnéticos norte e sul, o pisco só consegue distinguir o polo do Equador. Para entender como uma bússola dessas funciona, precisamos considerar as linhas do campo magnético, as trilhas invisíveis que definem sua direção e com as quais a agulha da bússola se alinha quando colocada em algum ponto desse campo – que conhecemos melhor como o padrão formado pela limalha de ferro em cima de uma folha de papel posta sobre um ímã retangular. Agora, imagine a Terra inteira como um ímã retangular gigantesco, com as linhas do campo saindo do polo sul e se irradiando para fora, curvando-se em alças e entrando no polo norte (Figura 1.1). Perto de cada polo, a direção dessas linhas é quase vertical, entrando no chão ou saindo dele, mas elas ficam mais planas e quase paralelas à superfície do planeta conforme se aproximam do Equador. Assim, uma bússola que meça o ângulo de inclinação entre as linhas do campo magnético e a superfície da Terra, a chamada bússola de inclinação, permite distinguir o sentido do polo e o sentido do Equador; mas não permite distinguir os polos norte e sul, já que as linhas do campo formam com o chão o mesmo ângulo nas duas extremidades do globo. O estudo de 1976 dos Wiltschko determinou que a percepção magnética do pisco funcionava exatamente como uma bússola de inclinação. O problema era que ninguém fazia ideia de como essa bússola de inclinação biológica funcionaria, porque na época não havia nenhum mecanismo conhecido, nem mesmo concebível, para expbcar como o ângulo de inclinação do campo magnético da Terra poderia ser percebido dentro do corpo de um animal. A resposta estava numa das teorias científicas mais espantosas dos tempos modernos e tinha a ver coma estranha ciência da mecânica quântica. Faça uma pesquisa informal entre os cientistas de hoje: pergunte-lhes qual é a teoria mais bem-sucedida, de maior alcance e mais importante de toda a Ciência e, provavelmente, a resposta dependerá da área de atuação do entrevistado: as ciências físicas ou as ciências da vida. A maioria dos biólogos considera a teoria de Darwin de evolução por seleção natural a ideia mais profunda já concebida. No entanto, é provável que um físico defenda que a mecânica quântica deva ocupar o lugar de destaque; afinal de contas, ela é a base sobre a qual se constrói boa parte da física e da química e nos dá um quadro extremamente completo dos componentes do universo como um todo. Na verdade, sem seu poder explicativo, boa parte de nosso entendimento atual do funcionamento do mundo desapareceria. Quase todo mundo já ouviu falar de “mecânica quântica”, e a ideia de que é uma área difícil e desconcertante da ciência, só entendida por uma minoria bem pequena de seres humanos inteligentíssimos, está entranhada na cultura popular. Mas na verdade a mecânica quântica faz parte de toda a nossa vida desde o início do século XX. A ciência se desenvolveu como teoria matemática em meados da década de 1920 para explicar o mundo pequeníssimo (o micromundo, como é chamado), ou seja, o comportamento dos átomos que formam tudo o que vemos à nossa volta e as propriedades das partículas ainda menores que formam esses átomos. Por exemplo, por descrever as regras obedecidas pelos elétrons e o modo como eles se arrumam dentro dos átomos, a mecânica quântica está por trás de toda a química, da ciência dos materiais e até da eletrônica. Apesar da estranheza, suas regras matemáticas estão no âmago da maioria dos avanços tecnológicos do último meio século. Sem a explicação da mecânica quântica do movimento dos elétrons através dos materiais, não teríamos entendido o comportamento dos semicondutores, a base da eletrônica moderna, e sem entender os semicondutores não desenvolveríamos o transistor de silício e, mais tarde, o microchip e o computador moderno. A lista continua: sem os avanços de nosso conhecimento graças à mecânica quântica, não haveria lasers e, portanto, nenhum leitor de CD, DVD nem Blu-ray; sem a mecânica quântica, não teríamos smartphones, navegação por satélite nem exames de ressonância magnética. Na verdade, já se estimou que mais de um terço do produto interno bruto do mundo desenvolvido depende de aplicações que simplesmente não existiriam sem nossa compreensão da mecânica do mundo quântico. E isso é apenas o começo. Podemos esperar um futuro quântico, com toda a probabilidade ainda durante nossa vida, em que eletricidade quase ilimitada ficará disponível com a fusão nuclear a laser; em que máquinas moleculares artificiais realizarão uma série imensa de tarefas no campo da engenharia, da bioquímica e da medicina; em que computadores quânticos fornecerão inteligência artificial; e em que, potencialmente, até a tecnologia do teletransporte da ficção científica será usada de forma rotineira para transmitir informações. A revolução quântica do século XX está se acelerando no século XXI e transformará nossa vida de um jeito inimaginável. Mas exatamente o que é a mecânica quântica? Essa é uma questão que esmiuçaremos no decorrer deste livro; como aperitivo, comecemos aqui com alguns exemplos da realidade quântica por trás de nossa vida.

Nosso primeiro exemplo ilustra uma das características estranhas do mundo quântico, provavelmente a característica que o define: a dualidade onda-partícula. Estamos familiarizados como fato de que nós e tudo o que nos cerca somos compostos de muitas partículas minúsculas e discretas, como átomos, elétrons, prótons e nêutrons. Talvez você também saiba que a energia, como a luz ou o som, vem em ondas em vez de partículas. As ondas são espalhadas e não particuladas, e se deslocam pelo espaço como… bom, como ondas, com picos e vales, como as ondas do mar. A mecânica quântica nasceu quando se descobriu, nos primeiros anos do século XX, que as partículas subatômicas podem se comportar como ondas e que as ondas luminosas podem se comportar como partículas. Embora ninguém precise pensar nela todo dia, a dualidade onda-partícula é a base de muitas máquinas importantíssimas, como os microscópios eletrônicos, que permitem que médicos e cientistas vejam, identifiquem e estudem objetos minúsculos, pequenos demais para aparecer emmicroscópios ópticos tradicionais, como os vírus que causam AIDS ou resfriados. O microscópio eletrônico foi inspirado pela descoberta de que os elétrons têm propriedades ondulatórias. Os cientistas alemães Max Knoll e Ernst Ruska perceberam que, como o comprimento de onda (a distância entre picos ou vales sucessivos de qualquer onda) associado aos elétrons era muito menor que o comprimento de onda da luz visível, um microscópio baseado em elétrons seria capaz de captar muito mais detalhes que um microscópio óptico, porque qualquer objeto ou detalhe minúsculo com dimensões menores que a onda que cai sobre ele não influenciará nem afetará a onda. Pense nas ondas do oceano, com comprimento de onda de vários metros, caindo sobre os seixos da praia. Não é possível descobrir nada sobre o formato ou o tamanho de um único seixo estudando as ondas. Seria preciso um comprimento de onda muito menor, como o produzido numa cuba de ondas, do tipo que encontramos em aulas de ciência da escola, para “ver” o seixo pelo modo como as ondas se refletemou se difratam. Assim, em 1931, Knoll e Ruska construíram o primeiro microscópio eletrônico do mundo e usaram-no para produzir as primeiras fotografias de vírus, e por isso Ernst Ruska recebeu o Prêmio Nobel, talvez bastante atrasado, em 1986 (dois anos antes de morrer). Nosso segundo exemplo é ainda mais fundamental. Por que o Sol brilha? A maioria provavelmente sabe que, em essência, o Sol é um reator de fusão nuclear que queima hidrogênio para liberar o calor e a luz que sustentam toda a vida na Terra; mas menos gente sabe que ele não brilharia de jeito nenhum se não fosse uma propriedade quântica extraordinária que permite que partículas “atravessem paredes”. O Sol, e na verdade todas as estrelas do universo, consegue emitir essa quantidade imensa de energia porque os núcleos dos átomos de hidrogênio, cada um composto de uma única partícula de carga positiva chamada próton, são capazes de se fundir e, em consequência, liberar energia sob a forma da radiação eletromagnética que chamamos de luz do Sol. Dois núcleos de hidrogênio têm de chegar muito perto um do outro para se fundir; mas, quanto mais próximos ficam, mais aumenta a força de repulsão entre eles, já que ambos têm carga elétrica positiva e cargas “iguais” se repelem. Na verdade, para se aproximarem o suficiente para a fusão, as partículas têm de passar pelo equivalente subatômico de um muro de tijolos: uma barreira de energia aparentemente impenetrável. A física clássica ( em termos convencionais, as teorias físicas deterministas que precederam a mecânica quântica, inclusive a relatividade especial e geral, são chamadas, coletivamente, de física clássica, em oposição à mecânica quântica não clássica) – construída com base nas leis de movimento, mecânica e gravitação de Isaac Newton, que descrevem muito bem o mundo cotidiano de bolas, molas e motores a vapor (e até dos planetas) – preveria que isso não deveria acontecer; as partículas não deveriam ser capazes de atravessar paredes e, portanto, o Sol não deveria brilhar. Mas as partículas que obedecem às regras da mecânica quântica, como os núcleos atômicos, têm um belo truque na manga: elas conseguem passar facilmente por essas barreiras por um processo chamado “tunelamento quântico”. Em essência, sua dualidade onda-partícula é que lhes permite fazer isso. Assim como fluem em torno dos objetos, como os seixos na praia, as ondas também podem fluir através de objetos, como as ondas sonoras que atravessam sua parede quando você escuta a TV do vizinho. É claro que, na verdade, o ar que transporta as ondas sonoras não atravessa a parede propriamente dita. São as vibrações do ar – o som – que fazem a parede comum vibrar e forçam o ar da sua sala a transmitir as mesmas ondas sonoras até seu ouvido. Mas quem conseguisse se comportar como um núcleo atômico seria capaz, às vezes, de atravessar uma parede maciça (embora esteja errado pensar que o tunelamento quântico provoque o vazamento de ondas físicas através das barreiras; na verdade, ele se deve a ondas matemáticas abstratas que nos dão a probabilidade de encontrar instantaneamente a partícula quântica do outro lado da barreira. Neste livro, tentamos oferecer, sempre que possível, analogias intuitivas para explicar os fenômenos quânticos, mas a realidade é que a mecânica quântica é absolutamente contraintuitiva e corremos o risco de supersimplificar com o propósito de esclarecer), como umfantasma.

O núcleo de hidrogênio no interior do Sol consegue fazer exatamente isso: espalhar-se e “vazar” através da barreira de energia, como um fantasma, aproximando-se o suficiente do parceiro do outro lado da parede para se fundir. Assim, quando voltar à praia para tomar sol, olhando as ondas se quebrarem na areia, lembre-se um pouquinho dos movimentos ondulatórios fantasmagóricos das partículas quânticas que, além de permitirem que você aprecie a luz solar, possibilitam todas as formas de vida de nosso planeta. O terceiro exemplo está relacionado, mas ilustra uma característica diferente e ainda mais esquisita do mundo quântico: um fenômeno chamado superposição, por meio do qual as partículas podem fazer duas – ou cem, ou um milhão – de coisas ao mesmo tempo. Essa propriedade é responsável pelo fato de nosso universo ser ricamente complexo e interessante. Pouco depois do Big Bang que deu origem a este universo, o espaço ficou cheio de um só tipo de átomo: o de estrutura mais simples, hidrogênio, formado por um próton com carga positiva e um elétron com carga negativa. Era um lugar bastante sem graça, sem estrelas nem planetas e, definitivamente, sem nenhumorganismo vivo, porque os constituintes elementares de tudo à nossa volta, incluindo nós mesmos, não consistem em apenas hidrogênio e incluem elementos mais pesados, como carbono, oxigênio e ferro. Por sorte, esses elementos mais pesados foram preparados dentro das estrelas cheias de hidrogênio; e seu ingrediente inicial, uma forma de hidrogênio chamada deutério, deve sua existência a um tiquinho de magia quântica. O primeiro passo da receita é aquele que já descrevemos, no qual dois núcleos de hidrogênio – prótons – se aproximam o suficiente, pelo tunelamento quântico, para liberar parte daquela energia que se transforma na luz do Sol e aquece nosso planeta. Em seguida, os dois prótons têm de se ligar, e isso não é simples, porque as forças entre eles não proporcionam uma colagem muito forte. Todos os núcleos atômicos são compostos de dois tipos de partículas: prótons e seus parceiros eletricamente neutros, os nêutrons. Quando um núcleo tem muito mais um tipo que outro, as regras da mecânica quântica ditam que o equilíbrio tem de ser obtido e que as partículas em excesso se transformarão no outro tipo: os prótons se tornarão nêutrons, ou os nêutrons, prótons, por umprocesso chamado decaimento beta. É exatamente o que acontece quando dois prótons se reúnem: umcomposto de dois prótons não pode existir, e um deles sofrerá decaimento beta num nêutron. Então, o próton remanescente e o nêutron recém-transformado podem se unir para formar um objeto chamado dêuteron (núcleo do átomo do isótopo pesado de hidrogênio chamado deutério), [todos os elementos químicos têm variedades chamadas isótopos. Os elementos são definidos pelo número de prótons no núcleo dos átomos: o hidrogênio tem um, o hélio, dois, e assim por diante. Mas o número de nêutrons contidos no núcleo pode variar. Portanto, há três variedades (isótopos) de hidrogênio: o átomo de hidrogênio normal tem apenas um único próton, e o dos isótopos mais pesados, deutério e trítio, tem também um e dois nêutrons, respectivamente) e depois disso outras reações nucleares permitem a construção dos núcleos mais complexos de outros elementos mais pesados que o hidrogênio, de hélio (com dois prótons e um ou dois nêutrons) a carbono, nitrogênio, oxigênio e assim por diante. O fundamental é que o dêuteron deve a existência à capacidade de existir em dois estados ao mesmo tempo em virtude da superposição quântica. Isso porque o próton e o nêutron conseguem se grudar de duas maneiras que se distinguem pelo modo como “rodopiam” – por seu spin, palavra inglesa que significa “giro”, “rodopio”. Mais adiante veremos que, na verdade, esse conceito de “spin quântico” é muito diferente do conhecido rodopio de um objeto grande, como uma bola de tênis; mas, por enquanto, sigamos nossa intuição clássica de uma partícula que rodopia e imaginemos o próton e o nêutron girando juntos dentro do dêuteron numa combinação cuidadosamente coreografada de uma valsa lenta e íntima com um veloz samba de gafieira. No final da década de 1930, descobriu-se que, dentro do dêuteron, essas duas partículas não dançam juntas num ou noutro desses dois estados, mas em ambos ao mesmo tempo – estão num borrão de valsa e samba simultâneos – e isso é que permite sua união (em termos técnicos, o dêuteron deve sua estabilidade a uma característica da força nuclear que une o próton e o nêutron, a chamada “interação tensorial”, que força o par a uma superposição quântica de dois estados de momento angular chamados onda-S e onda-D). Uma reação óbvia a essa afirmativa é: “Como é que a gente sabe?”. Claro, os núcleos atômicos são pequenos demais para serem vistos; não seria mais sensato, portanto, supor que falta algo em nossa compreensão das forças nucleares? A resposta é não, pois foi confirmado várias vezes, em muitos laboratórios, que, se o próton e o nêutron realizassem o equivalente a uma valsa quântica ou um samba quântico, a “cola” nuclear entre eles não teria força para uni-los; só quando esses dois estados se superpõem – as duas realidades existindo ao mesmo tempo – a força de união é suficientemente forte. Pense nas duas realidades superpostas mais ou menos como misturar duas tintas coloridas, azul e amarela, para fazer a cor combinada resultante, verde. Embora saibamos que o verde é formado pelas duas cores primárias que o constituem, ele não é uma nem a outra. E proporções diferentes de azul e amarelo formarão tons de verde diferentes.

Do mesmo modo, o dêuteron se une quando o próton e o nêutron estão unidos principalmente numa valsa, com só umpouquinho de samba de gafieira misturado. Portanto, se as partículas não pudessem sambar e valsar ao mesmo tempo, nosso universo continuaria a ser uma sopa de hidrogênio e nada mais; nenhuma estrela brilharia, nenhum dos outros elementos se formaria e você não estaria lendo estas palavras. Existimos em razão da capacidade dos prótons e nêutrons de se comportar dessa maneira quântica e contraintuitiva. Nosso último exemplo nos leva de volta ao mundo da tecnologia. A natureza do mundo quântico pode ser explorada não só para ver objetos minúsculos como os vírus, mas também para enxergar dentro dos nossos corpos. A ressonância magnética é um tipo de exame médico que gera imagens maravilhosamente detalhadas dos tecidos moles. As ressonâncias são usadas de forma rotineira para diagnosticar doenças, principalmente para perceber tumores dentro de órgãos internos. A maioria das descrições não técnicas da ressonância magnética evita mencionar o fato de que a técnica depende do funcionamento esquisito do mundo quântico. Esse tipo de exame emprega ímãs grandes e potentes para alinhar o eixo dos núcleos rodopiantes dos átomos de hidrogênio dentro do corpo do paciente. Então, esses átomos são bombardeados com um pulso de ondas de rádio, o que força os núcleos alinhados a existirem naquele estranho estado quântico de girar nos dois sentidos ao mesmo tempo. É inútil tentar visualizar o que isso provoca, porque é muito distante de nossa experiência cotidiana! O importante é que, quando voltam a relaxar em seu estado inicial – o modo como estavam antes de receber o pulso de energia que os jogou numa superposição quântica -, os núcleos atômicos liberam essa energia, captada pelo sistema eletrônico da máquina de ressonância magnética e usada para criar aquelas imagens detalhadíssimas de nossos órgãos internos. Portanto, se um dia se encontrar deitado numa máquina de ressonância magnética, talvez escutando a música transmitida pelos fones de ouvido, reserve um momento para ponderar sobre o comportamento quântico contraintuitivo das partículas subatômicas que possibilitam essa tecnologia. Biologia quântica O que toda essa esquisitice quântica tem a ver com o voo do pisco-de-peito-ruivo que se orienta pelo globo? Bom, você se lembra da pesquisa dos Wiltschko que, no início da década de 1970, determinou que o sentido magnético do pisco funcionava como uma bússola de inclinação. Isso era um enigma extraordinário porque, na época, ninguém tinha a mínima ideia de como funcionaria uma bússola de inclinação biológica. No entanto, mais ou menos na mesma época, um cientista alemão chamado Klaus Schulten se interessou pela transferência de elétrons nas reações químicas que envolvem radicais livres. Estes são moléculas com elétrons solitários em sua órbita externa, ao contrário da maioria dos elétrons, que ficam emparelhados nas órbitas atômicas. Isso é importante quando se pensa naquela propriedade quântica esquisita do spin, já que os elétrons emparelhados tendem a rodopiar em sentidos opostos para que o spin total seja zero. Mas, sem um gêmeo para cancelar seu spin, os elétrons solitários dos radicais livres têm um spin total que lhes dá uma propriedade magnética: seu spin pode se alinhar a um campo magnético. Schulten propôs que pares de radicais livres gerados por um processo conhecido como reação rápida de tripletos poderiam ficar com seus elétrons correspondentes em “emaranhamento quântico”. Por razões sutis que mais tarde ficarão mais claras, esse delicado estado quântico dos dois elétrons separados é extremamente sensível à direção dos campos magnéticos externos. Então Schulten propôs que a enigmática bússola das aves talvez usasse esse tipo de mecanismo de emaranhamento quântico. Ainda não mencionamos o emaranhamento porque é provável que seja a característica mais estranha da mecânica quântica. Ele permite que partículas que já estiveram juntas permaneçam emcomunicação instantânea e quase mágica entre si, apesar de separadas por distâncias imensas. Por exemplo, partículas que já foram próximas, mas depois se tornaram tão separadas que ficaram empontos opostos do universo podem, pelo menos em princípio, ainda estar ligadas. De fato, cutucar uma partícula faria sua parceira distante pular instantaneamente (temos de esclarecer que físicos quânticos não usam esse tipo de linguagem simplista.

Mais corretamente, diz-se que duas partículas distantes, mas emaranhadas, estão ligadas não localmente porque fazem parte do mesmo estado quântico. Mas explicar assim não ajuda muito, não é?). Os pioneiros quânticos demonstraram que o emaranhamento surge naturalmente em suas equações, mas as consequências eram tão extraordinárias que até Einstein, que nos deu os buracos negros e o espaço-tempo curvo, recusou-se a aceitá-lo, zombando dele como “fantasmagórica ação à distância”. E é mesmo essa fantasmagórica ação a distância que tanto fascina os “místicos quânticos”, que fazem afirmativas extravagantes sobre o emaranhamento; por exemplo, ele explicaria “fenômenos” paranormais como a telepatia. Einstein era cético porque o emaranhamento parecia violar a teoria da relatividade, que afirmava que nenhuma influência ou sinal pode viajar pelo espaço mais depressa que a luz. De acordo com ele, as partículas distantes não deveriam ter ligações fantasmagóricas instantâneas. Nisso, Einstein estava errado: hoje sabemos empiricamente que as partículas quânticas têm mesmo vínculos instantâneos de longa distância. Mas, caso você esteja se perguntando, o emaranhamento quântico não pode ser invocado para validar a telepatia. No início da década de 1970, a ideia de que a esquisita propriedade quântica do emaranhamento estaria envolvida em reações químicas comuns foi considerada um disparate. Na época, muitos cientistas concordavam com Einstein e duvidavam que existissem partículas emaranhadas, já que até então ninguém as detectara. Mas, nas décadas passadas desde então, muitas experiências engenhosas em laboratório confirmaram a realidade dessas ligações fantasmagóricas; a mais famosa delas foi realizada ainda em 1982 por uma equipe de físicos franceses encabeçada por Alain Aspect, na Universidade Paris-Sul. A equipe de Aspect gerou pares de fótons (partículas de luz) com estados de polarização emaranhados. A polarização da luz é provavelmente mais familiar por causa dos óculos de sol polarizados. Cada fóton de luz tem um tipo de direcionalidade, o ângulo de polarização, que é meio parecido com a propriedade do spin que já apresentamos*. Os fótons da luz do sol vêm em todos os ângulos de polarização possíveis, mas os óculos de sol polarizados os filtram, só deixando passar os que têm um ângulo específico. Aspect gerou pares de fótons com polarizações que, além de diferentes – digamos, um para cima, outro para baixo -, estavam emaranhados; e, (no entanto, como a luz pode ser pensada como onda e como partícula, a noção de polarização [ao contrário do spin quântico] pode ser mais fácil de entender como a direção em que oscila a onda luminosa) como nossos dançarinos anteriores, nenhum dos parceiros emaranhados realmente apontava para cá ou para lá: ambos apontavam nos dois sentidos ao mesmo tempo, até serem medidos. A medição é um dos aspectos mais misteriosos – e, sem dúvida, o mais discutido – da mecânica quântica, já que diz respeito à questão que, com certeza, já lhe ocorreu: por que todos os objetos que vemos não fazem as mesmas coisas maravilhosas e esquisitas que as partículas quânticas? A resposta é que, no microscópico mundo quântico, as partículas só conseguem se comportar desse jeito estranho, como fazer duas coisas ao mesmo tempo, atravessar paredes e manter ligações fantasmagóricas, quando não há ninguém olhando. Assim que são observadas ou medidas de algum modo, elas perdem a esquisitice e se comportam como os objetos clássicos que vemos à nossa volta. Mas aí, é claro, isso só provoca outra pergunta: o que há de tão especial na medição que a faz converter o comportamento quântico em comportamento clássico?’” A resposta a essa pergunta é fundamental em nossa história, porque a medição está na fronteira entre os mundos quântico e clássico, o limite quântico onde, como você já adivinhou pelo título do livro, afirmamos que tambémestá a vida. Exploraremos a medição quântica em todo este livro, e esperamos que, aos poucos, você faça as pazes com as sutilezas desse processo misterioso (em busca de clareza, aqui estamos sendo, mais uma vez, demasiada e deliberadamente simplistas. Medir certa propriedade de uma partícula quântica, sua posição, digamos, significa que não estamos mais incertos sobre sua posição; em certo sentido, ela entra em foco e deixa de ser nebulosa. No entanto, isso não significa que agora ela se comporte como uma partícula clássica. Em virtude do Princípio da Incerteza de Heisenberg, agora ela não tem mais velocidade fixa. Na verdade, numa posição definida naquele instante, a partícula estará numa superposição de se mover em todas as velocidades possíveis, em todas as direções possíveis. No caso do spin quântico, como essa propriedade só é encontrada no mundo quântico, medi-lo com certeza não fará a partícula se comportar classicamente).

Por enquanto, consideraremos apenas a interpretação mais simples do fenômeno e diremos que, quando medida por um instrumento científico, uma propriedade quântica como o estado de polarização é instantaneamente forçada a esquecer sua capacidade quântica, como a de apontar várias direções ao mesmo tempo, e tem de adotar uma propriedade clássica convencional, como apontar apenas uma direção. Assim, quando Aspect mediu o estado de polarização de um dos fótons de qualquer par emaranhado, observando se conseguia passar por uma lente polarizada, instantaneamente esse fóton perdeu a ligação fantasmagórica com o parceiro e adotou uma única direção de polarização. E o mesmo fazia o parceiro, instantaneamente, por mais longe que estivesse; pelo menos, é o que previam as equações da mecânica quântica, e é claro que foi exatamente isso que deixou Einstein pouco à vontade. Aspect e sua equipe realizaram sua famosa experiência com pares de fótons separados por vários metros no laboratório, distantes o suficiente para que nem mesmo uma influência que se deslocasse na velocidade da luz – e a relatividade nos diz que nada pode se deslocar mais depressa que a luz – pudesse ter passado entre eles para coordenar seus ângulos de polarização. Mas a medição das partículas emparelhadas estava inter-relacionada: quando a polarização de um fóton apontava para cima, a do outro apontava para baixo. Desde 1982, a experiência foi repetida compartículas separadas até por centenas de quilômetros, e elas ainda dispor daquela fantasmagórica ligação emaranhada que Einstein não conseguia aceitar. O experimento de Aspect ainda estava para acontecer dali a alguns anos quando Schulten propôs que o emaranhamento estava envolvido na bússola das aves e o fenômeno ainda era controverso. Além disso, Schulten não fazia ideia de como uma reação química obscura como essa permitiria que o pisco visse o campo magnético da Terra. Aqui dizemos “ver” por causa de outra peculiaridade descoberta pelos Wiltschko. Apesar de o pisco-de-peito-ruivo ser um migrante noturno, a ativação de sua bússola magnética exigia uma pequena quantidade de luz (perto da extremidade azul do espectro visível), uma pista de que os olhos do pássaro tinham papel importante em seu funcionamento. Mas, além da visão, como os olhos também ajudavam a lhe dar um sentido magnético? Com ou sem um mecanismo de pares de radicais, esse mistério era total. A teoria de que a bússola das aves tinha um mecanismo quântico ficou mais de vinte anos esquecida no fundo da gaveta científica. Schulten voltou aos Estados Unidos, onde fundou um grupo muito bem-sucedido de físico-química teórica no campus de Urbana-Champaign da Universidade de Illinois. Mas ele nunca esqueceu sua teoria inusitada e reescreveu continuamente um artigo que propunha biomoléculas (moléculas feitas por células vivas) candidatas a gerar os pares de radicais necessários para a reação rápida de tripletos. Mas nenhuma se encaixava direito no papel: não conseguiam gerar radicais livres ou não estavam presentes nos olhos dos pássaros. Mas, em 1998, Schulten leu que um enigmático receptor de luz chamado criptocromo fora encontrado em olhos de animais. Isso fez seu alarme científico soar imediatamente, porque se sabia que o criptocromo era uma proteína com potencial de gerar pares de radicais. Um talentoso doutorando chamado Thorsten Ritz entrara recentemente no grupo de Schulten. Durante a graduação na Universidade de Frankfurt, Ritz tinha assistido a uma palestra de Schulten sobre a bússola das aves e se interessado. Quando surgiu a oportunidade, ele aproveitou a chance de fazer o doutorado no laboratório de Schulten, a princípio trabalhando com fotossíntese. Com a publicação da notícia sobre o criptocromo, ele passou a trabalhar com magnetor- recepção e, em2000, escreveu com Schulten um artigo intitulado “A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds” (Um modelo de magnetorrecepção com base em fotorreceptores em aves) descrevendo como o criptocromo poderia fornecer aos olhos das aves uma bússola quântica. (Voltaremos ao assunto com mais detalhes no Capítulo 6.) Quatro anos depois, Ritz se juntou aos Wiltschko num estudo de piscos-de-peito-ruivo que obteve as primeiras provas experimentais a favor dessa teoria de que as aves usam o emaranhamento quântico para se orientar pelo planeta. Parece que Schulten estava certo desde o princípio. Seu artigo de 2004, publicado na prestigiada revista Nature, do Reino Unido, provocou um interesse descomunal, e a bússola quântica das aves se tornou instantaneamente o símbolo da nova ciência da biologia quântica.

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