Lições de Física de Feynman Volume 3 Mecânica Quântica Richard P. Feynman português

Lições de Física de Feynman Volume 3 Mecânica Quântica Richard P. Feynman português

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F435l Feynman, Richard P.

Lições de física de Feynman [recurso eletrônico] : edição defi nitiva / Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew

Sands ; tradução Antônio José Roque da Silva, Sylvio Roberto Accioly Canuto.– Dados eletrônicos. – Porto Alegre : Bookman, 2008.

Editado também como livro impresso em 2008. ISBN 978-85-7780-323-1 (v. 3).

1. Física. 2. Mecânica quântica. I. Leighton, Robert B. I. Sands, Matthew. I. Título.

CDU 53

Catalogação na publicação: Mônica Ballejo Canto – CRB 10/1023.

RICHARD P. FEYNMAN Professor Richard Chace Tolman de Física Teórica

ROBERT B. LEIGHTON Professor de Física, California Institute of Technology

MATTHEW SANDS Professor, Stanford University

Tradução:

Antônio José Roque da Silva

Doutor em Física pela University of California at Berkeley Professor Titular da Universidade de São Paulo

Sylvio Roberto Accioly Canuto

Doutor em Física pela Universidade de Uppsala, Suécia Professor Titular da Universidade de São Paulo

Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição:

Adalberto Fazzio

Doutor em Física pela Universidade de São Paulo Professor Titular da Universidade de São Paulo Membro da Academia Brasileira de Ciências

Versão impressa desta obra: 2008

Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S.A. (BOOKMAN® COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED® EDITORA S.A.) Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070

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Obra originalmente publicada sob o título The Feynman Lectures on Physics: The Defi nitive and Extended Edition, 2nd Edition ISBN 0-8053-9045-6

Authorized translation from the English language edition, entitled THE FEYNMAN LECTURES ON PHYSICS, THE DEFINITIVE AND EXTENDED EDITION, 2nd Edition by FEYNMAN, RICHARD P.; LEIGHTON, ROBERT B.; SANDS, MATTHEW, published by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2006. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc.

Portuguese language edition published by Bookman Companhia Editora Ltda., a Division of Artmed Editora S.A., Copyright © 2008

Tradução autorizada a partir do original em língua inglesa da obra intitulada THE FEYNMAN LECTURES ON PHYSICS, THE DEFINITIVE AND EXTENDED EDITION, 2ª EDIÇÃO de autoria de FEYNMAN, RICHARD P.; LEIGHTON, ROBERT B.; SANDS, MATTHEW; publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo de Benjamin Cummings, Copyright © 2006. Todos os direitos reservados. Este livro não poderá ser reproduzido nem em parte nem na íntegra, nem ter partes ou sua íntegra armazenado em qualquer meio, seja mecânico ou eletrônico, inclusive fotorreprografação, sem permissão da Pearson Education, Inc.

A edição em língua portuguesa desta obra é publicada por Bookman Companhia Editora Ltda., uma divisão da Artmed Editora S.A., Copyright © 2008

Preparação de originais: Renato A. Merker Leitura final: Rachel Garcia Valdez Capa: Gustavo Demarchi, arte sobre capa original Supervisão editorial: Arysinha Jacques Affonso e Denise Weber Nowaczyk Editoração eletrônica: Techbooks

Sobre Richard Feynman

Nascido em 1918 no Brooklyn, Nova York, Richard P. Feynman recebeu seu Ph.D. de Princeton em 1942. Apesar de jovem, desempenhou um importante papel no Projeto Manhattan, em Los Alamos, durante a Segunda Guerra Mundial. Posteriormente, lecionou em Cornell e no California Institute of Technology. Em 1965, recebeu o Prêmio Nobel de Física, junto com Sin-Itero Tomanaga e Julian Schwinger, por seu trabalho na área da eletrodinâmica quântica.

Feynman conquistou o Prêmio Nobel por resolver com sucesso problemas relacionados à teoria da eletrodinâmica quântica. Além disso, criou uma teoria matemática que explica o fenômeno da superfl uidez no hélio líquido. A partir daí, com Murray Gell-Mann, realizou um trabalho fundamental na área de interações fracas, tais como o decaimento beta. Em anos posteriores, desempenhou um papel-chave no desenvolvimento da teoria dos quarks, ao elaborar seu modelo de processos de colisão de prótons de alta energia.

Além desses feitos, Feynman introduziu no universo da física técnicas computacionais e notações novas e básicas, sobretudo os onipresentes diagramas de Feynman, que, talvez mais que qualquer outro formalismo na história científi ca recente, mudaram a maneira como os processos físicos básicos são conceitualizados e calculados.

Feynman foi um educador notadamente efi caz. De todos os seus numerosos prêmios, orgulhava-se especialmente da Medalha Orsted de Ensino, que ganhou em 1972. As Lições de Física de Feynman, originalmente publicado em 1963, foi descrito por um resenhista da Scientifi c American como “difícil, mas nutritivo e cheio de sabor. Passados 25 anos, é ainda o guia para os professores e os melhores estudantes principiantes”. Procurando facilitar a compreensão da física entre o público leigo, Feynman escreveu The Character of Physical Law e Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter. Ademais, foi autor de uma série de publicações avançadas que se tornaram uma referência clássica e de livros-texto destinados a pesquisadores e estudantes.

Richard Feynman foi um homem público dotado de espírito construtivo. Seu trabalho na comissão do Challenger é notório, especialmente sua famosa demonstração da suscetibilidade dos O-rings ao frio, uma elegante experiência que exigiu nada mais que um copo com água gelada. Menos conhecidos foram seus esforços no California State Curriculum Committee, na década de 1960, onde protestou contra a mediocridade dos livros-texto.

Uma exposição de suas inumeráveis realizações científi cas e educacionais não capta adequadamente a essência do homem. Como sabe qualquer leitor até mesmo de suas publicações mais técnicas, a personalidade viva e multifacetada de Feynman brilha através de sua obra. Além de físico, foi por vezes restaurador de rádios, colecionador de cadeados, artista, dançarino, tocador de bongô e mesmo decifrador de hieróglifos maias. Eternamente curioso de seu mundo, foi um empírico exemplar. Richard Feynman morreu em 15 de fevereiro de 1988, em Los Angeles.

Prefácio à Edição Definitiva

Mais de 40 anos se passaram desde que Richard Feynman ministrou o curso de introdução à física que deu origem a estes três volumes, As Lições de Física de Feynman. Nessas quatro décadas, nossa compreensão do mundo físico mudou signifi cativamente, mas as Lições de Feynman sobreviveram. Graças aos insights sobre física e à pedagogia singulares de Feynman, elas permanecem hoje tão vigorosas quanto o foram em sua primeira publicação. De fato, as Lições têm sido estudadas no mundo inteiro tanto por físicos principiantes quanto experientes e foram vertidas para no mínimo 12 línguas, com 1,5 milhão de exemplares impressos só no idioma inglês. Possivelmente nenhuma outra coleção de livros de física tenha exercido impacto tão grande e duradouro.

Esta Edição Defi nitiva das Lições de Física de Feynman difere das anteriores sob dois aspectos: todos os erros conhecidos foram corrigidos e com ela está sendo publicado um quarto volume inédito, Dicas de Física de Feynman. Esse suplemento contém materiais adicionais do curso de Feynman: três palestras sobre solução de problemas e uma quarta dedicada à orientação inercial, além de exercícios e respostas preparados pelos colegas de Feynman Robert B. Leighton e Rochus Vogt.

Como Nasceu esta Edição

Os três volumes originais de As Lições de Feynman foram produzidos com extrema rapidez por Feynman e seus co-autores, Robert B. Leighton e Matthew Sands, trabalhando a partir de gravações de áudio e ampliando fotos dos quadros-negros usados por Feynman em suas palestras de 1961-631. Inevitavelmente, os erros foram surgindo. Nos anos subseqüentes, Feynman acumulou longas listas de reclamações nesse sentido – erros identifi cados por estudantes e professores do Caltech, bem como por leitores do mundo todo. Nos anos 1960 e início dos 1970, ele reservou um tempo de sua vida intensa para verifi car a maior parte dos equívocos alegados dos Volumes I e I, corrigindo-os nas impressões subseqüentes. Entretanto, seu senso de dever jamais superou o prazer das novas descobertas a ponto de fazê-lo reparar os erros do Volume III2. Assim, após sua morte prematura, em 1988, listas de erros que não haviam sido verifi cados foram depositadas nos arquivos do Caltech, onde permaneceram esquecidas.

Em 2002, Ralph Leighton (fi lho do falecido Robert Leighton e compatriota de

Feynman) informou-me desses antigos erros e de uma nova lista compilada por seu amigo Michael Gottlieb. Leighton propôs ao Caltech que produzisse a Edição Defi nitiva das Lições de Feynman com todos os erros corrigidos e a publicasse juntamente com o volume suplementar que ele e Gottlieb preparavam. Além disso, procurou meu auxílio para certifi car-se de que não havia erros de física na transcrição editada por Gottlieb das quatro palestras do Dicas de Física e para obter o consentimento do Caltech para sua publicação ofi cial juntamente com esta Edição Defi nitiva dos três volumes originais.

Richard Feynman foi meu herói e amigo íntimo. Tão logo deparei com as listas de erros e o conteúdo do Dicas, prontamente concordei em ajudar. Por sorte eu conhecia a pessoa ideal para examiná-los: o Dr. Michael Hartl.

Hartl concluíra recentemente seu Ph.D. em física no Caltech, onde obtivera o “prêmio de realização vitalícia por excelência em ensino” jamais concedido a um estudante de pós-graduação do Caltech por nossos alunos de graduação. Hartl, um profundo conhecedor de física, está entre os físicos mais meticulosos que já conheci e, a exemplo de Feynman, é um notável pedagogo. Para descrições sobre a gênese das palestras de Feynman e destes três volumes, ver o Prefácio Especial, o Prefácio de Feynman e a Apresentação contidos neste volume e nos que o acompanham, além da seção Memória, de Matt Sands, no Dicas de Física. Em 1975, Feynman pôs-se a checar os erros do Volume I, mas acabou se distraindo com outras coisas e jamais concluiu a tarefa, de modo que nenhuma correção foi feita.

viii

Então fechamos negócio: Ralph Leighton e Michael Gottlieb prepararam o Dicas de Física (e o fi zeram admiravelmente bem), com a autorização dos fi lhos de Feynman Carl e Michelle, a quem pertencem as quatro conferências do Suplemento, bem como de Rochus Vogt e do próprio Leighton para seus exercícios e respostas. Leighton, Gottlieb e os Feynman cederam-me autoridade fi nal sobre o conteúdo do Suplemento. O Caltech (isto é, Tom Tombrello, Cátedra de Física, Matemática e Astronomia) concedeu-me permissão de supervisionar a nova Edição Defi nitiva dos três volumes originais, em companhia da qual consentiu que o Suplemento fosse publicado. Ademais, todos concordaram que Michael Hartl atuaria em meu nome, examinando cuidadosamente os erros da Edição Defi nitiva e editando o conteúdo de física e o estilo do Suplemento. Quanto a mim, caberia fazer uma rápida checagem do trabalho de Hartl e aprovar a versão fi nal dos quatro volumes, enquanto a editora Addison-Wesley concluiria o projeto.

Para minha satisfação, tudo fl uiu tranqüilamente! Feynman fi caria satisfeito e orgulhoso do resultado, não tenho dúvida.

A Errata

A errata corrigida nesta edição provém de três fontes: cerca de 80%, de Michael Gottlieb; outra grande parte, de uma lista elaborada por um estudante anônimo e submetida a Feynman, no início da década de 1970, por intermédio da editora; e o restante, de pequenas listas dispersas entregues a Feynman ou a nós por vários leitores.

Os erros corrigidos são basicamente de três tipos: (i) erros tipográfi cos contidos no texto; (i) aproximadamente 150 erros tipográfi cos e matemáticos em equações, tabelas e fi guras – erros de sinal, números incorretos (p. ex., 5 em lugar de 4) e ausência, nas equações, de subscritos, sinais de adição, parênteses e termos; (i) aproximadamente 50 referências cruzadas incorretas a capítulos, tabelas e fi guras. Erros dessa espécie, embora não sejam graves para um físico experiente, podem frustrar e confundir os estudantes, público que Feynman pretendia atingir.

nenhuma distribuição estática de cargas dentro de um condutor aterrado fechado

É incrível que a errata incluísse apenas dois erros de física: no Volume I, página 45-4, agora se lê “Quando um elástico é esticado, sua temperatura aumenta”, e não “diminui”, como escrito nas edições anteriores; e no Volume I, página 5-9, agora se lê é capaz de produzir quaisquer campos [elétricos] do lado de fora” (a palavra aterrado fora omitida nas edições anteriores). Esse segundo erro foi apontado a Feynman por numerosos leitores, entre os quais Beulah Elizabeth Cox, estudante do College of William and Mary, que se valera dessa passagem equivocada ao prestar um exame. À Sra. Cox, Feynman escreveu em 19753: “Seu professor acertou em não lhe dar nenhum ponto, pois sua resposta estava errada, conforme ele demonstrou usando a lei de Gauss. Em ciência, devemos acreditar na lógica e em argumentos deduzidos cuidadosamente, não em autoridades. De mais a mais, você leu o livro corretamente e o compreendeu. Acontece que cometi um erro, de modo que o livro também está errado. Provavelmente eu pensava numa esfera condutora aterrada, ou então no fato de que deslocar as cargas em diferentes locais no lado de dentro não afeta as coisas do lado de fora. Não sei ao certo como, mas cometi um erro crasso. E você também, por ter acreditado em mim”.

Feynman estava desconfortavelmente ciente desse e de outros equívocos. Em correspondência à editora em 1975, ele menciona “erros de física nos Volumes I e I que são mais que apenas tipográfi cos”. Não conheço os outros erros. Encontrá-los será um desafi o para os futuros leitores! Em vista disso, Michael Gottlieb está criando um website, w.feynmanlectures.info, no qual serão listados todos os equívocos corrigidos desta Edição, juntamente com outros encontrados por futuros leitores. Páginas 288-289 de Perfectly Reasonable Deviations from the Beaten Track, The Letters of Richard P. Feynman, ed. Michelle Feynman (Basic Books, New York, 2005).

O Suplemento

As Dicas de Física de Feynman é o fascinante quarto volume desta coleção. Seu destaque está nas quatro palestras mencionadas por Feynman em seu Prefácio aos volumes originais: “Embora no primeiro ano eu tenha dedicado três palestras sobre como resolver problemas, elas não estão incluídas aqui”, escreveu ele. “Além disso, havia uma conferência sobre orientação inercial que certamente aconteceu após a palestra sobre sistemas rotacionais, mas que, infelizmente, foi omitida”.

Michael Gottlieb preparou a versão escrita dessas quatro palestras contidas no

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