Estrutura molecular dos ácidos nucleicos

Após da descoberta, por parte de Miescher, de uma substância proveniente do núcleo celular encontrada no pus de ligaduras cirúrgicas descartadas, foi iniciada uma intensa investigação que viria a revolucionar o conhecimento sobre a transmissão dos traços hereditários. Estamos, pois, a falar do ácido desoxirribonucleico (ADN).

A respectiva molécula foi submetida a uma série de técnicas de análise físico-químicas incluindo, em particular, a difracção por intemédio de raios X. Esta técnica permitiu a Watson e a Crick aventar uma hipótese para a estrutura desta molécula num artigo que se tornou deveras famoso, Estrutura molecular dos ácidos nucleico. Investigações posteriores permitiram aprofundar o conhecimento daquilo que hoje recebe o nome de código genético.

Existência de ondas electromagnéticas-hidrodinâmicas

Se associarmos as equações do campo electromagnético à equação do momento em hidrodinâmica, tendo em conta a equação da continuidade) somos capazes de descrever um fluido electricamente carregado. Um exemplo fulgurante é encontrado nos plasmas, estado da matéria no qual grande parte dos electrões estão livres. O físico Alfvén empreendeu o trabalho Existência de ondas electromagnéticas-hidrodinâmicas no qual conclui a existência de uma onda combinada entre electromagnetismo e hidrodinâmica. Como aplicação, refere a possibilidade das manchas solares serem geradas no interior do sol e propagadas para a superfície como ondas do género.

Marie Curie e a radiactividade (tório, polónio e rádio)

Depois da descoberta dos raios X identificados pela primeira vez por Röentgen, Becquerel empenha-se em averiguar se os materiais fluorescentes seriam capazes de dar origem a esses tipos de raios, colocando-os sob a luz solar. De entre as substâncias que experimentou, apenas uma, o sulfato de potássio e uranilo (composto contendo urânio) produzia raios capazes de atravessar um papel negro e escurecerem uma chapa fotográfica.

Certo dia, Becquerel colocou numa gaveta e sobre uma chapa fotográfica uma amostra de sulfato de potássio e uranilo embrulhada em papel. Um par de dias mais tarde verificou que esta escurecera as placas. Descobrira algo que viria a revolucionar a concepção sobre a estrutura da matéria: a radiactividade. Por intermédio de experiências mais detalhadas mostrou que os raios emitidos por esses compostos se mantinham durante as reacções químicas.

No seguimento desta história, entra em cena uma mulher que se tornou uma das mais conhecidas no mundo científico, Marie Curie. Dedicou-se ao estudo dos raios de Becquerel para elaborar a sua tese de doutoramento. No decurso das suas primeiras pesquisas, descobre o tório.

Verificou também que a pecheblenda constituia uma material mais radiactivo do que o urânio. Esta observação levou-a a ela e ao seu marido Pierre Curie a descobrirem o polónio e, mais tarde, o rádio (ver Sobre uma nova substância fortemente radiactiva contida na pecheblenda).

Sobre a Teoria dos Quanta

Numa publicação anterior com o mesmo título (ver aqui), apresentei uma ligação para uma tradução que fiz de um artigo de Poincaré sobre a teoria quântica. O mesmo autor redigiu um, mais completo, com o mesmo título, Sobre a Teoria dos Quanta que também traduzi.

Escreveu o autor na sua introdução:

Sabemos qual foi a hipótese, à qual, Planck foi conduzido por intermédio das suas investigações sobre as leis da radiação. Depois dele, a energia dos irradiadores luminosos varia de uma maneira descontínua e é o que denominamos por teoria dos Quanta. É dolentemente necessário fazer notar o quanto esta concepção se afasta de tudo o que imaginámos até agora; os fenómenos físicos cessam de obedecer às leis exprimíveis por equações diferenciais e, sem margem para dúvidas, trata-se de uma maior e mais profunda revolução que a filosofia natural surgida depois de Newton. Não discorrerei sobre as dificuldades de detalhe, elas saltam imediatamente aos olhos e Planck foi o primeiro a ocupar-se do assunto.

Convém salientar que Planck alvitrou a hipótese dos quanta para explicar a curva que descreve a distribuição de energia no corpo negro. Contudo, Poincaré mostra, no artigo supracitado, que não é possível encontrar uma teoria baseada no conceito de equação diferencial que seja capaz de explicar sequer uma ligeira perturbação a essa curva. Para envidar o seu estudo, considerou que os átomos livres se podiam descrever como osciladores cujo comprimento de onda é muito grande - existe aqui uma analogia com a dualidade onda-partícula. No final do texto escreveu ainda:

Depois de ter formado o último multiplicador, torna-se conveniente procurar as equações diferenciais que admitem este último multiplicador, ou de ver quais são as equações aos saltos bruscos que poderão desempenhar o papel destas equações diferenciais quando o último multiplicador 𝑤 não é contínuo. Eis um problema que carrega, sem dúvida, alguma dificuldade. Não me ocuparei dele de momento.

Sabemos que estas equações foram aventadas por Heisenberg em 1925. Saliento ainda o facto de que apenas Born, cerca de 10 anos mais tarde voltou a sentir a necessidade de elaborar uma nova teoria. Como ele disse:

Ficámos cada vez mais convencidos que uma mudança radical dos fundamentos da física seria necessária, isto é, uma nova espécie de mecânica para a qual temos vindo a usar o termo "mecânica quântica". Ver Sources of Quantum Mechanics, página 20.

Observo que este foi um dos últimos artigos escritos por Poincaré.

Reinterpretação teórica quântica das relações cinemáticas e mecânicas

No seu artigo Reinterpretação teórica quântica das relações cinemáticas e mecânicas, Heisenberg inaugura a disciplina de mecânica quântica baseada em novos princípios e descartando os conceitos de posição e período de revolução por outras espécies de quantidades que designou por observáveis como é o caso das frequências de emissão e absorção dos átomos. Resta ainda enfatizar o facto de que este importante artigo conduziu Born e Jordan à formulação de mecânica das matrizes que, como mais tarde mostrou Schrödinger, é equivalente à formulação com base em operadores num espaço de Hilbert iniciada sobre as ideias de De Broglie sobre a dualidade onda-partícula.

Na ligação acima encontramos o artigo traduzido. No entanto aponho aqui a sua introdução.

É bem sabido que as regras formais que são usadas em teoria quântica para calcular quantidades observáveis como a energia do átomo de hidrogénio podem ser severamente criticadas com base no facto de que elas contêm, como elemento básico, relações entre quantidades que são, em princípio, aparentemente inobserváveis como o são exemplos, a posição e o período de revolução do electrão. Deste modo, tais regras carecem de um forte fundamento físico a não ser que queiramos manter a esperança de que quantidades que até agora não sejam observáveis podem mais tarde entrar no alcance da determinação experimental. Esta esperança pode ser encarada como justificável se as regras acima mencionadas fossem internamente consistentes e aplicáveis a um leque de problemas mecânicos quânticos. A experiência contudo mostra que apenas o átomo de hidrogénio e o seu efeito de Stark são amigáveis ao tratamento por estas regras formais da mecânica quântica. Já surgem dificuldades fundamentais no problema dos “campos cruzados” (átomo de hidrogénio em campos eléctricos e magnéticos com diferentes direcções). Além disso, as reacções dos átomos a campos periodicamente variáveis não são descritíveis por estas regras. Para finalizar, a extensão das regras quânticas para o tratamento dos átomos com vários electrões mostrou-se infrutífera.
Tem sido prática comum caracterizar esta falha das regras quânticas teóricas como um desvio da mecânica clássica uma vez que elas próprias tiveram origem nessa teoria. Esta caracterização tem, contudo, pouco significado quando nos apercebemos que a condição de frequência de Bohr-Einstein (que é válida em todos os casos) já representa um tão completo desvio da mecânica clássica ou mais (recorrendo ao ponto de vista da teoria de ondas), a partir da cinemática subjacente a esta mecânica, que mesmo para problemas quânticos simples não podem ser sustentados. Nesta situação parece sensato descartar qualquer esperança em observar quantidades até agora inobserváveis como a posição e o período do electrão e admitir que o acordo parcial das regras quânticas com a experiência é mais ou menos fortuito. Em vez disso, parece ser mais razoável tentar estabelecer uma mecânica quântica teórica, análoga à mecânica clássica, mas onde surgem apenas relações entre quantidades observáveis. Podemos encarar a condição de frequência e a teoria da dispersão de Kramers com as suas extensões em artigos recentes como sendo os primeiros passos importantes na direcção de uma mecânica quântica teórica. Neste artigo procuramos estabelecer algumas novas relações quânticas teóricas e aplica-las ao tratamento detalhado de uns poucos problemas especiais. Dever-nos-emos restringir a problemas que envolvem um grau de liberdade.