No fundo de toda a matéria do universo, os elétrons estão zumbindo e se comportando como se estivessem girando em seus eixos como piões. Esses elétrons "girando" são fundamentais para a física quântica e desempenham um papel central em nossa compreensão de átomos e moléculas. Outras partículas subatômicas também giram, e o estudo do spin tem aplicações técnicas nos campos da química, física, medicina e eletrônica de computadores.

Mas muitos físicos dirão a você que os elétrons não estão realmente girando - eles simplesmente agem como se estivessem girando. Por exemplo, os elétrons têm momento angular, que é a tendência de algo continuar girando – como uma roda de bicicleta em movimento ou um patinador girando – e, por terem essa propriedade, pode-se concluir que estão girando. Outra evidência vem do fato de que os elétrons agem como pequenos ímãs e os campos magnéticos surgem da rotação de corpos carregados.

O problema com a noção de que os elétrons giram é que, devido ao seu tamanho minúsculo, os elétrons teriam que girar mais rápido que a velocidade da luz para corresponder aos valores de momento angular observados. (Pense em um elétron como um patinador girando com os braços dobrados para dentro: quanto menor o tamanho total, mais rápido ele gira.)

Chip Sebens, professor assistente de filosofia na Caltech, quer voltar à prancheta e repensar essa noção. Como filósofo da física, ele quer descobrir o que realmente está acontecendo nos níveis mais profundos da natureza.

"Os filósofos tendem a ser atraídos por problemas que não foram resolvidos por muito tempo", explica Sebens. "Na mecânica quântica , temos maneiras de prever os resultados de experimentos que funcionam muito bem para elétrons e explicam o spin, mas importantes questões fundamentais permanecem sem resposta: por que esses métodos funcionam e o que está acontecendo dentro de um átomo?"

Para esse fim, Sebens argumentou por que ele acha que os elétrons e outras partículas subatômicas estão, de fato, girando. A resposta tem a ver com campos.

Na natureza, existem partículas e campos. Os físicos tendem a pensar que os campos são mais fundamentais do que as partículas, mas os filósofos da física ainda debatem qual entidade é mais fundamental. Por exemplo, a luz pode ser descrita como um feixe de fótons ou como uma onda no campo eletromagnético. Esta área da ciência é chamada de teoria quântica de campos . O falecido Richard Feynman, físico da Caltech e Prêmio Nobel, trabalhou em aspectos dessa teoria criando seus famosos diagramas de Feynman, que mapeiam as interações entre partículas como elétrons e fótons, descrevendo campos indiretamente. "A teoria quântica de campos é a melhor física que temos", diz Sebens.

Em vários estudos, incluindo um artigo recente na revista Synthese , Sebens descreve por que ele acha que um elétron não é uma partícula de tamanho pontual que apenas age como se estivesse girando, mas sim uma bolha espalhada de carga que realmente gira. Voltando à analogia do patinador no gelo, o elétron é como um patinador com os braços estendidos para fora.

“Em um átomo, o elétron é frequentemente representado como uma nuvem mostrando onde o elétron pode ser encontrado, mas acho que o elétron está realmente fisicamente espalhado sobre essa nuvem”, diz Sebens.

Com o tamanho do elétron espalhado, o elétron agora é grande o suficiente para evitar o problema de ter que se mover mais rápido que a velocidade da luz. Nesse caso, explica Sebens, há dois campos importantes: o campo eletromagnético e também o que é conhecido como campo de Dirac, em homenagem ao físico Paul Dirac. "Assim como o campo eletromagnético descreve os fótons, o campo de Dirac descreve elétrons e pósitrons", diz ele. O pósitron é a antipartícula do elétron.

A pesquisa faz parte de um esforço geral de Sebens para responder à questão de saber se a natureza é, na raiz, construída a partir de campos ou partículas. No mesmo artigo da Synthese , Sebens argumenta que os campos são mais fundamentais por natureza.

Parte de seu argumento é baseado no spin. Como mencionado acima, uma abordagem de campo dá sentido à confusão que surge com os elétrons em rotação. Ele também argumenta que a abordagem de campo ajuda com outra questão importante em relação aos elétrons: como os elétrons respondem aos campos eletromagnéticos que eles criam? Se o elétron é uma bola de carga do tamanho de um ponto, o campo que ele cria é infinitamente forte no local do elétron. Isso significa que o campo não teria direção definida e, portanto, nenhuma força definida, o que leva a problemas no cálculo das forças. Mas se o elétron for um campo de carga estendido, as forças nas diferentes partes do elétron seriam finitas com direções bem definidas.

"Isso torna o problema de auto-interação menos grave", escreve Sebens em um ensaio da Aeon sobre os blocos de construção fundamentais da natureza. "Mas não está resolvido. Se a carga do elétron é espalhada, por que as várias partes do elétron não se repelem de modo que o elétron exploda rapidamente?"

Sebens está abordando esse problema de auto-repulsão em sua pesquisa em andamento. As respostas para este e outros problemas que ele está investigando podem levar a novas e melhores maneiras de calcular e medir quantidades na física quântica. O trabalho pode até levar a novas maneiras de responder a uma questão em andamento na física quântica chamada problema de medição quântica. Ao medir um sistema quântico, como um elétron em estado de superposição (em dois estados ao mesmo tempo), o sistema entrará em colapso e o elétron assumirá um estado ou outro. Os físicos ainda debatem por que isso ocorre. A pesquisa sobre os fundamentos de como as partículas e os campos funcionam pode ajudar a resolver o mistério.

Escreve Sebens no ensaio Aeon: "Às vezes, o progresso na física requer primeiro o apoio para reexaminar, reinterpretar e revisar as teorias que já temos. Para fazer esse tipo de pesquisa, precisamos de estudiosos que combinem os papéis de físico e filósofo, como foi feito há milhares de anos na Grécia Antiga."