Imagem: Condensação de Bose-Einstein em um gás em função da temperatura.
À temperatura ambiente, o comprimento de onda das moléculas de ar (nitrogênio, oxigênio) é extremamente pequeno (cerca de 0,2 angström, 1Å=10−10 m).
A equação do comprimento de onda térmico nos diz que, à medida que a velocidade diminui, o comprimento de onda aumenta e, se o comprimento de onda aumenta, os pacotes de onda associados cada partícula fica cada vez maior. O volume no recipiente não varia, o λth aumenta até atingir a distância entre as partículas. Neste momento ocorre uma surpreendente transição de fase. Este fenômeno foi previsto em 1925 por Albert Einstein.
Mecânica quântica em escala macroscópica
A mecânica quântica foi desenvolvida na década de 1920 por uma dúzia de físicos europeus para descrever e entender como os átomos se unem para formar moléculas.
Embora descreva fenômenos físicos na escala do infinitamente pequeno, surpreendentemente, a física quântica às vezes se manifesta em escala macroscópica, em temperaturas muito baixas. Os dois exemplos emblemáticos são a supercondutividade e a superfluidez.
A supercondutividade ocorre dentro de certos materiais imersos em um banho de nitrogênio líquido próximo ao zero absoluto (-273,15°C). Nestas circunstâncias, a ausência de resistência elétrica e a expulsão do campo magnético (efeito Meissner) torna possível levitar um ímã sobre o supercondutor quase eternamente. As correntes induzidas podem fluir sem dissipação por efeito Joule.
A superfluidez é o estado de um fluido que a temperaturas muito baixas é desprovido de qualquer viscosidade. O hélio ultrafrio a 2,17 K (ponto lambda) torna-se superfluido e não é mais retido em nenhum recipiente. Hélio sem qualquer viscosidade fluirá através do material do recipiente.
É, portanto, em temperaturas muito baixas que a mecânica quântica se manifesta em escala macroscópica.
A temperatura da matéria está diretamente relacionada à velocidade de agitação molecular. Assim, as moléculas podem ser descritas como corpúsculos que se movem sob o efeito do calor.
No entanto, quando um gás ou um fluido é resfriado, a velocidade de seus átomos é gradualmente reduzida e a natureza ondulatória da matéria é favorecida.
O espalhamento espacial das partículas é caracterizado pelo comprimento de onda térmico (λth) de Louis De Broglie (matemático e físico francês 1892-1987).
λth=h/Mv (h=constante de Planck, M=massa da partícula e v=velocidade da partícula).
Quando o comprimento de onda térmico é muito menor que a distância entre as partículas, o gás pode ser considerado como um gás clássico consistindo de corpúsculos.
Mas quando λth é maior que a distância interpartícula, então aparecem efeitos quânticos.
Quando uma temperatura próxima a 0 K é atingida, todas as partículas se acumulam no estado de energia fundamental mais baixo possível e se condensam. É quando o condensado de Bose-Einstein é formado.
O fato de todas as partículas estarem no estado fundamental não é muito surpreendente, pois na temperatura zero não existe interação, a energia cinética é zero. O que é surpreendente é a transição de fase que aparece de repente no condensado de Bose-Einstein.
A uma temperatura suficientemente baixa, os átomos que têm um número de massa par (deutério, hélio 4, chumbo 208, etc.) podem ser considerados bósons idênticos e ocupam um único estado quântico de energia mais baixa. Este fenômeno foi previsto em 1925 por Albert Einstein.
N.B.: Satyendranath Bose (1894-1974) foi um físico teórico indiano conhecido por seu trabalho em mecânica quântica.
Em 1924, Bose escreveu um artigo (A Lei de Planck e a Hipótese dos Quanta de Luz) que enviou a Einstein, depois de ter sido rejeitado pela Philosophical Magazine. Einstein o recomendou para publicação no Zeitschrift für Physik, e ele mesmo o traduziu do inglês para o alemão. O artigo de Bose apresenta estatísticas quânticas sobre fótons da qual ele deriva a fórmula de Planck para radiação de corpo negro.
Einstein adotou a ideia, estendeu-a aos átomos e, assim, previu a existência do fenômeno que mais tarde seria chamado de condensado de Bose-Einstein.
A partícula subatômica de spin completo foi chamada de bóson por Paul Dirac em homenagem a Satyendranath Bose.