As estranhas regras da mecânica quântica levam a todos os tipos de fenômenos bizarros em escalas diminutas — partículas se teleportando através de paredes ou estando em múltiplos lugares ao mesmo tempo ou existindo e não existindo simultaneamente. Mas não seria incrível se pudéssemos ver alguns desses comportamentos mágicos em uma escala humana? Bem, hoje vou te ensinar como.

Tudo o que você precisa é do segundo elemento mais abundante no universo e frio absoluto. Ou, se você não tiver isso, o cadáver de uma estrela morta servirá perfeitamente.

Máquinas de movimento perpétuo são todas fraudes. Mas o movimento perpétuo em si é possível. Mais ou menos. Se você mexer uma xícara de chá, criará um vórtice que diminuirá com o tempo. Mas há um tipo de fluido no qual o vórtice nunca para — pelo menos teoricamente. Mesmo sem mexer, ele subirá pelas paredes sozinho e até vazará pelos canais microscópicos na porcelana que, de outra forma, seria à prova d’água. O fluido em questão é o hélio líquido resfriado a quase zero absoluto, quando se torna um estado exótico da matéria conhecido como superfluido.

A superfluidez é o comportamento mais característico do estado bizarro da matéria chamado Condensado de Bose-Einstein. Este é um estado da matéria no qual a estranheza do mundo quântico invade nossa realidade em grande escala. Para entender isso, precisamos de um pouco de contexto — e esse contexto está no nosso último texto, onde falamos sobre como o comportamento da matéria depende de como a natureza conta suas partículas, descrito no campo da mecânica estatística. Ler esse texto agora ou logo depois deste ajudará bastante a entender esse fenômeno. Também vamos nos referir a esse texto, mas você definitivamente pode ler depois.

Primeiro, vamos recapitular um pouco do que aprendemos no último texto. Vimos que podemos entender muito do comportamento da matéria contando o número de maneiras diferentes em que as partículas podem ser divididas nos estados de energia disponíveis. As partículas tendem a trocar energia entre si até que tenham a distribuição de energia mais provável. A forma dessa distribuição de energia determina a termodinâmica — o que significa, como coisas como temperatura, pressão, volume, etc., se relacionam entre si.

Também aprendemos que existem diferentes tipos de partículas — bósons e férmions — que trocam suas energias de maneiras diferentes. Para lembrar: nenhum dois férmions pode ocupar o mesmo estado quântico, o que significa que eles não podem ter exatamente as mesmas energias. Por outro lado, qualquer número de bósons pode ocupar o mesmo estado. Na vida cotidiana, essa diferença não importa. Tudo o mais sendo igual, uma nuvem de bósons e uma nuvem de férmions se comportam da mesma maneira.

Mas há circunstâncias onde as diferenças se tornam muito importantes. E isso inclui os mundos do muito pequeno — o mundo quântico. Mas também o mundo do muito frio. Lá, os comportamentos quânticos desses diferentes tipos de partículas são claros como o dia.

Em nosso outro texto anterior, falamos sobre a razão do comportamento diferente de bósons e férmions — vimos como o spin quântico determina a simetria da função de onda, e é essa simetria que determina se duas partículas podem ter funções de onda idênticas. No entanto, aquele texto foi mais matemático e também focado em férmions. Por enquanto, quero tentar te dar uma visão mais intuitiva — e uma que nos permita entender o comportamento dos bósons, que, afinal, é o que precisamos entender sobre superfluidos.

Na mecânica quântica, descrevemos partículas como funções de onda — objetos matemáticos que codificam a probabilidade de observarmos uma certa posição, velocidade, o que for, se tentarmos medir. Funções de onda são bem nomeadas, porque são onduladas. Por simplicidade, vamos apenas olhar para um componente da função de onda de posição de uma partícula, representando sua localização quântica borrada no espaço, que pode parecer esse pacote de ondas — uma onda senoidal que se atenua em ambos os lados. A altura da função de onda em qualquer ponto representa a probabilidade de a partícula realmente estar nessa localização.

Agora vamos pensar em duas partículas se movendo juntas. Em um certo ponto, suas funções de onda se sobrepõem — e o que acontece então depende da simetria da função de onda. Nesse contexto, quando você tem uma função de onda simétrica, quando elas estão no mesmo estado quântico, seus picos e vales se alinham perfeitamente. Um par de funções de onda simétricas pode se acumular, dobrando a altura dos picos e a profundidade dos vales. No caso de uma função de onda antissimétrica, se você tentar colocá-las no mesmo estado quântico, os picos de uma sempre se alinharão com os vales da outra, e vice-versa. Nesse caso, sobrepor as funções de onda faz com que todo o sistema se cancele, com os picos de uma sendo negados pelos vales da outra.

No caso da função de onda simétrica, tudo isso é bastante fácil de interpretar. O fato de que elas podem se acumular sem se cancelar significa que partículas desse tipo — bósons — podem ser colocadas no mesmo estado sem quebrar nenhuma lei da física.

Os férmions, por outro lado, com suas funções de onda antissimétricas, parecem se cancelar. Se a função de onda codifica suas possíveis posições no espaço, então quando elas se cancelam, há probabilidade zero de qualquer partícula estar em qualquer lugar. Isso não significa que pares de férmions se destroem. Isso quebraria várias leis de conservação — da conservação de energia, da conservação de carga e até da informação quântica. Uma função de onda não pode simplesmente ser deletada do universo. Então, em vez de nos dizer que as funções de onda dos férmions se cancelam quando se sobrepõem, esse efeito de cancelamento na verdade nos diz que os férmions nunca podem se sobrepor perfeitamente. Eles nunca podem ocupar o mesmo estado. Na verdade, se você tentar empurrar dois férmions do mesmo tipo para o mesmo estado, eles resistirão com uma força tão poderosa que, por exemplo, pode ajudar uma estrela morta a resistir ao colapso em um buraco negro. Mas essa é outra história.

Essa maneira de descrever a diferença entre bósons e férmions é extremamente heurística — é carregada de analogia e não deve ser interpretada de maneira muito literal. Por um lado, a parte da função de onda que é simétrica ou antissimétrica não se parece com uma onda senoidal simples — é a parte da função de onda associada ao estado de rotação, não ao estado de posição. Está conectada ao spin da partícula. Na verdade, o spin define se uma função de onda é simétrica ou antissimétrica. Todas as partículas com valores de spin quântico que são inteiros — então 0, 1, 2, etc. — são simétricas e são bósons. Aqueles com spin meio-inteiro — ½, 3/2, etc. — são férmions antissimétricos. Para uma descrição mais detalhada de tudo isso, incluindo muito mais sobre esse negócio de spin, confira o texto que mencionei antes.

Mas, por enquanto, vamos apenas levar um fato crítico de tudo isso: bósons, com seus spins inteiros e funções de onda simétricas, podem ser empilhados; férmions, com seus spins meio-inteiros e funções de onda antissimétricas, não podem. E, a propósito, todas as partículas elementares da matéria — tudo o que compõe a matéria física — são férmions. E a incapacidade deles de se sobreporem perfeitamente é o motivo pelo qual a matéria física é física em primeiro lugar — por exemplo, os átomos têm estrutura porque os elétrons não podem todos cair no orbital atômico mais baixo juntos. Por outro lado, os fótons e outros bósons podem se sobrepor completamente, e é isso que torna os lasers possíveis — um feixe de laser consiste em muitas funções de onda de fótons que estão perfeitamente sobrepostas, ou em fase umas com as outras.

Então, como seria se pudéssemos transformar férmions em bósons? Seria possível fazer um laser de elétrons? Poderíamos fazer átomos que colapsassem em estados superdensos? Na verdade, podemos transformar férmions em bósons, e um possível resultado é o condensado de Bose-Einstein, e esse negócio de superfluido que tenho mencionado nos últimos minutos.

Funções de onda de férmions têm spin meio-inteiro. Várias funções de onda de férmions que estão de alguma forma conectadas entre si têm spins iguais à soma desses spins. Por exemplo, um próton é feito de três quarks, dois com +½ e um com -½, somando esses você obtém um próton que também tem um spin de ½, então é um férmion. Mas e se pudéssemos conectar apenas duas partículas de spin ½? Isso nos daria um spin de 1, que é um inteiro e, portanto, deveria produzir um bóson.

Ou pegue o átomo de hélio-4. Ele tem dois prótons, dois nêutrons e dois elétrons — todas partículas de spin ½. Neste caso, 3 são spin +½ e 3 são spin -½, o que dá ao átomo um spin total de 0. Isso é um inteiro, portanto, o hélio-4 deve ser um bóson. Suas partículas componentes permanecem férmions e se comportam como férmions entre si dentro do átomo — elas têm diferentes estados de energia internos. Mas o átomo de hélio-4 como um todo age como um bóson em relação aos átomos de hélio-4 vizinhos. Isso não significa que eles se sobreponham no espaço físico ou de posição — seus férmions internos resistiriam a isso. Mas os átomos como um todo podem ocupar estados de energia idênticos.

Realmente, só vemos o efeito disso em temperaturas extremamente baixas. Então, vamos fazer um experimento e resfriar um pouco de hélio-4. Em pressão atmosférica e temperatura ambiente, o hélio é um gás. Neste ponto, não importa o que seja o gás — a forma dessa distribuição pareceria a mesma e só depende da temperatura. Mas à medida que a temperatura cai, mais e mais partículas se movem para energias mais baixas. Por volta de 5,2 K, o gás condensa em um líquido regular.

Mas, à medida que resfriamos ainda mais, as coisas começam a parecer diferentes. Se isso fosse um gás de férmions, a incapacidade das partículas de ocupar os mesmos níveis de energia impediria que todas as partículas caíssem nos estados de energia mais baixos. Isso tem seus próprios efeitos bizarros, especialmente em pressões muito altas, mas estamos falando de bósons aqui.

Para os átomos de hélio-4, não há nada impedindo que todas as partículas entrem no estado de energia mais baixo. Quando atingimos uma temperatura de 2,17 K, próximo ao zero absoluto, é exatamente isso que acontece. Em vez de ter uma distribuição de energias, todas as partículas têm a mesma energia — a menor energia possível. Na verdade, elas não podem ter qualquer outra energia porque, a essa temperatura baixa, não há energia suficiente para pular para estados mais altos. Mas elas também não podem perder energia — elas já têm a menor energia possível.

Em estados normais da matéria, quando dois átomos se aproximam, eles se repelem, trocando energia. Normalmente, um perde energia e outro ganha. Mas quando todas as partículas têm a mesma energia, interações que requerem a troca de energia não são possíveis. Por exemplo, um fluido feito dessas partículas perde todo o atrito. Normalmente, quando os fluidos fluem, correntes ou fluxos dentro deles que têm velocidades diferentes arrastam-se uns aos outros — chamamos isso de arrasto viscoso. Esse arrasto é causado por partículas nas fronteiras do fluxo colidindo e trocando energia, e causa a desaceleração dos fluxos. Um fluido assim tem viscosidade — quanto maior a viscosidade, mais arrasto, e menos facilmente o fluido flui.

Mas os fluxos em hélio-4 muito frio não trocam energia entre si — eles deslizam uns sobre os outros sem atrito, e assim o fluido tem zero viscosidade. Na verdade, é um superfluido.

E agora, finalmente, voltamos a mexer nossa xícara de chá. Interações de partículas com as paredes e entre si fazem com que as correntes circulares desacelerem e parem. Mas se seu chá for hélio-4 superfluido, essas interações não podem acontecer. Mexa a xícara e o vórtice deve durar para sempre. Na realidade, isso também exigiria que as paredes da xícara fossem perfeitamente lisas. De acordo com esta simulação legal, quando o superfluido flui ao redor das protuberâncias microscópicas da parede do recipiente, ele forma pequenos vórtices perfeitamente fluentes que realmente desaceleram o fluxo geral, mas de uma maneira diferente de um fluido regular.

A propósito, dizer que todas as partículas em um superfluido têm a mesma energia é um pouco simplista. Os estados de energia podem variar um pouco no fluido devido às diferentes velocidades de seus fluxos, diferentes alturas no campo gravitacional, etc. Mas o ponto é que partículas próximas umas das outras têm estados de energia extremamente próximos e, portanto, são restringidas em como podem interagir umas com as outras.

Há alguns outros comportamentos estranhos dos superfluidos. Todos os fluidos subirão pelas paredes de seus recipientes um pouco devido à atração leve entre os átomos do fluido e do recipiente. Mas em um superfluido, a ausência de atrito permite que o fluido literalmente suba pela parede, pelo menos uma vez que essa parede esteja coberta com fluido suficiente para ela própria ser sem atrito. Então, quando o fluxo desce do outro lado, ele age como um sifão e pode esvaziar seu recipiente de seu precioso hélio-4. Os superfluidos também fluirão através de fissuras microscópicas e poros em um recipiente, fazendo parecer que ele está vazando através de material aparentemente sólido.

Essa natureza de Houdini do hélio-4 me lembra do tunelamento quântico — como objetos quânticos podem se teletransportar por pequenas distâncias através de barreiras sólidas. Mas essa coisa de superfluido NÃO é tunelamento quântico, no entanto, é um verdadeiro efeito quântico, visível em uma escala macroscópica. Todos os comportamentos dos superfluidos são devido à natureza quantizada dos níveis de energia no fluido.

Os superfluidos não são apenas uma novidade encontrada em laboratórios de física. Eles acreditam que existam, por exemplo, dentro das estrelas de nêutrons, onde nêutrons férmions se juntam para agir como bósons e formam esses redemoinhos da superfície da estrela até seu núcleo, que mantêm quantidades insanas de energia. Eles duram por muito tempo porque são superfluidos, mas quando finalmente se rompem, acredita-se que causem os terremotos de estrelas de nêutrons que vemos nas falhas dos sinais dos pulsares. E a superfluidez é basicamente o que os elétrons estão fazendo dentro das grades de cristal de um supercondutor, como mostramos no nosso texto sobre quasi-partículas. Nesse caso, os elétrons se conectam uns aos outros em grandes distâncias para formar pares de Cooper, de modo que esses pares de férmions também agem como bósons, levando ao fluxo sem atrito dos elétrons. Isso se manifesta como supercondutividade.

Em um nível mais fundamental, os quarks férmions podem se unir em pares para se tornarem bósons, o que lhes permite servir como mésons portadores da força forte. A natureza bosônica do campo de Higgs permite que sua partícula forme um tipo ligeiramente diferente de condensado — um que preenche todo o universo e que é responsável por dar massa às partículas elementares. Agora, sinto que apontamos para textos anteriores ainda mais do que costumamos fazer neste texto. Mas, sim, temos um sobre o Higgs também. Mas agora acho que todos nós percebemos que, assim como com os bósons, não há limite para o número de referências sobrepostas