'Achava meio chato': brasileiro citado no Nobel de Física trabalhou por acaso na teoria que o transformou em referência internacional

Os experimentos, que abriram caminho para a computação quântica, usaram a base teórica desenvolvida por Caldeira junto a seu orientador, o britânico Anthony Leggett (que ganhou o Nobel de Física em 2003), na Universidade de Sussex, no Reino Unido, no fim dos anos 1970.

Curiosamente, a dissipação quântica (entenda melhor abaixo), tema do doutorado de Caldeira, que acabou transformando o físico brasileiro em referência internacional na área, não era o que ele tinha em mente quando saiu do Rio de Janeiro para a Inglaterra para fazer o PhD naquela época. Ele achava o tema “meio chato”.

“Não era o que eu queria pesquisar”, diz, dando risada e emendando que o acaso acabou colocando o tema no centro da sua vida acadêmica mais de uma vez.

Caldeira, Leggett e o trio do Nobel se dedicam ao estudo da mecânica quântica, teoria que completa seu centenário em 2025 e busca descrever o comportamento de objetos muito pequenos, menores que o átomo.

Isso porque as leis da física clássica não conseguem explicar o mundo subatômico, que está recheado de fenômenos “estranhos”, “bizarros” e “chocantes”, adjetivos usados com frequência por Caldeira e por seus colegas.

Por exemplo: é impossível saber ao mesmo tempo a posição e a velocidade de uma partícula subatômica, como um fóton ou um elétron.

Quanto mais preciso é o conhecimento da posição de uma partícula, mais imprecisa é a medição de sua massa e de sua velocidade, e vice-versa.

É o “princípio da incerteza”, formulado pelo físico alemão Werner Heisenberg, fundador da teoria da mecânica quântica.

Outra propriedade estranha é a da “superposição quântica”, que torna possível que um objeto subatômico esteja em dois estados ao mesmo tempo, manifestando-se tanto como partícula quanto como onda — mas apenas quando ela não é observada. A partir do momento em que é vista por um observador, ela assume um dos dois estados.

Essa ideia incomodou profundamente o físico austríaco Erwin Schrödinger, que em 1935 tentou refutá-la propondo um paradoxo, um experimento mental em que um gato era fechado em um caixa por uma hora junto de um objeto que poderia ou não matá-lo.

Passada uma hora, o que se encontraria seria uma situação absurda, com o gato em estado de superposição, ao mesmo tempo vivo e morto, já que para o observador do experimento não seria possível ter certeza sobre a situação do animal até que alguém de fato abrisse a caixa.

Depois de quase um século de experimentos, a mecânica quântica mostrou que a ideia do “gato de Schrödinger”, como o experimento ficou conhecido, é absurda para o mundo macro (ou clássico), mas que se aplica aos objetos menores que o átomo.

O trabalho que ganhou o Nobel neste ano tem relação com outra propriedade bizarra dessa área da física, o tunelamento quântico, no qual uma partícula é capaz de atravessar uma barreira aparentemente intransponível.

No mundo macro, seria o equivalente a jogar uma bola contra a parede e, em vez de ela bater e voltar, atravessar para o outro lado.

Em 1985, Clarke, Devoret e Martinis descobriram que seria possível reproduzir essa propriedade em objetos maiores do que partículas subatômicas — não tão grandes como uma bolinha, mas grandes o suficiente para, em teoria, não estarem sujeitos às leis esquisitas da física quântica.

A descoberta só foi possível graças ao trabalho de doutorado de Caldeira, publicado cinco anos antes. O físico brasileiro estudou a dissipação quântica, que é a perda de propriedades quânticas em sistemas maiores à medida em que eles estão conectados ao ambiente — a resistores, por exemplo, no caso de circuitos elétricos.

Quanto maior a dissipação, menor a taxa de tunelamento, que pode chegar a ser inteiramente suprimida.

A partir do modelo Caldeira-Leggett, como ficou conhecida a teoria, Clarke, Devoret e Martinis entenderam o que poderia gerar a dissipação, conseguiram controlá-la e, a partir daí, reproduzir as propriedades quânticas em circuitos elétricos.

“O trabalho de Caldeira e Leggett foi crucial porque circuitos reais, como as junções Josephson [dispositivo estudado pelo brasileiro e usado pelos físicos que ganharam o Nobel], nunca estão completamente isolados — sempre existe algum grau de acoplamento ao ambiente, o que leva à dissipação”, explica o físico Roberto Venegeroles, professor da Universidade Federal do ABC.

A descoberta abriu caminho para uma série de inovações.

O exemplo mais conhecido é a computação quântica, onde partículas quânticas supercondutoras derivadas de junções Josephson utilizam o tunelamento macroscópico para armazenar e manipular informação quântica.

Isso permite que os computadores processem um volume muito maior de informações e resolvam problemas complexos.

Outra aplicação é nos sensores quânticos, dispositivos que podem ser usados em áreas que vão da medicina (com a técnica da magnetoencefalografia, que mede de forma não invasiva a atividade neural e é usada para diagnóstico de diversas doenças) à geofísica e à exploração espacial.

Essas possibilidades, contudo, não passavam pela cabeça de Caldeira quando ele começou a estudar dissipação quântica nos anos 1970.

Naquela época, as aplicações práticas derivadas desse ramo da física não eram tão óbvias — como, aliás, costuma ser a regra quando se fala de ciência, ressalta o professor.

“A universidade deveria focar mais em ensinar a história da ciência, mostrar como ela não se desenvolve de forma linear… Não é assim: ‘Vamos juntar esses caras e queremos o produto na prateleira em dois anos’. Não é assim que funciona”, ele comenta.

Seu primeiro contato com a dissipação quântica foi no mestrado, por sugestão de seu orientador, Nicim Zagury, que estudava o assunto.

“Eu até torci o nariz quando ele me propôs isso na época. Eu falava assim: ‘Isso é meio chato’… Porque eu estava interessado em transições de fase, que era teoria da moda daquele momento”, diz Caldeira à BBC News Brasil.

O caminho foi parecido no doutorado. O tema não era o candidato inicial para a tese, mas uma sequência de acasos, que começou com um outro professor de Sussex que na época trabalhava com as junções de Josephson e procurou seu orientador com uma lista de perguntas intrigantes sobre o tema, acabaram levando o físico de volta ao assunto.

Depois de publicados os primeiros artigos com base no trabalho, ele se surpreendeu com a repercussão.

“Você teve uma avalanche de pessoas começando a trabalhar nessa área e começando a citar muito o trabalho. O número de citações dispara. Falei: ‘Nossa! Eu sabia que tinha resolvido um problema, mas não sabia que tinha tanto interesse nesse negócio'”, relembra.

Caldeira é um apaixonado por física teórica — “Gosto de entender como a coisa está funcionando” — e brinca que é um péssimo físico experimental: “Eu entro num laboratório, eu taco foco naquilo”.

Fala sobre mecânica quântica com a mesma empolgação tanto para iniciados quanto para o público leigo. Uma palestra de duas horas que ele deu em 2016 no campus da Universidade de São Paulo em São Carlos com o tema “A mecânica quântica através de exemplos simples” é o segundo vídeo mais visto do YouTube da USP, com 1,2 milhão de visualizações.

Na longa carreira como professor, formou dezenas de pesquisadores, alguns que estão hoje chefiando laboratórios em diferentes partes do mundo. Orientou 17 dissertações de mestrado e 13 teses de doutorado.

Uma delas foi a do atual chefe do departamento de Física da Matéria Condensada da Unicamp, Ricardo Luís Doretto: “Quando eu saí do Brasil e dizia que tinha feito doutorado com ele, as pessoas diziam: ‘Nossa, você fez doutorado com o Caldeira”, ele conta.

“Isso era uma coisa muito bacana, você ver que era um cara brasileiro muito conhecido.”

Doretto é um dos organizadores do evento de três dias em homenagem a Caldeira que começa nesta segunda-feira (13/10) na Unicamp com a presença de pesquisadores de diversos países, muitos ex-alunos do professor.

Ele conta que na Física é comum que orientandos organizem eventos comemorativos dos 70 anos de seus orientadores. Amir fez 70 anos em 2020, mas a pandemia atrapalhou os planos da celebração, que tiveram de ser postergados.

Resolveram deixar para os 75 anos do professor, recém-completados agora em outubro.

Às vésperas do início da conferência (batizada de Frontiers in Quantum Mechanics and the 45 years of the Caldeira-Leggett Model; “Fronteiras na Mecânica Quântica e os 45 anos do Modelo Caldeira-Leggett” em português) veio a surpresa da menção no Nobel.

O evento é também uma oportunidade de celebrar a ciência brasileira, da qual Caldeira é ferrenho defensor.

Para ele, caso o Brasil tivesse escolhido investir nas pessoas e nos projetos certos, teria tido plena capacidade de criar o computador quântico, hoje desenvolvido especialmente pelas big techs nos Estados Unidos.

“Quando a gente fala de high tech, tem gente que diz: ‘Nem pensa que a gente não consegue fazer’. Mas, quando o país fez a coisa certa, funcionou. Um exemplo é a Embraer, ou o nosso vizinho aqui, o Cnpem [Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais], que começou com o síncrotron e agora é o Sirius”, diz ele, referindo-se ao acelerador de partículas brasileiro em Campinas.

“Ele é exemplo para o mundo. Trago qualquer estrangeiro aqui e as pessoas olham e falam: ‘Nossa, o Brasil conseguiu fazer isso’.”

Caldeira se aposentou, mas continua vinculado à universidade como professor sênior. O que significa que ele não precisa mais cumprir obrigações administrativas e está livre para ensinar o pesquisar o que quiser.

“Eu me aposentei dos ossos do ofício, de toda e qualquer chatice. Agora posso curtir”, diz ele, animado para estudar assuntos aos quais não teve oportunidade de se dedicar durante a carreira.

“Tem certas coisas sobre as quais eu tenho a maior curiosidade… Por exemplo, quantização da gravidade. Por que não, entende? Sei lá, vou ler, vou tentar entender essa brincadeira.”

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