5 conceitos para você começar a entender a Mecânica Quântica


A mecânica quântica é o ramo da física que estuda os objetos em escala muito pequenas, e a física moderna é dominada pelos seus conceitos.

Durante o século passado, o mundo físico era explicado de acordo com os princípios da mecânica clássica, ou newtoniana. No entanto, no final do século, essa mecânica já não era suficiente para explicar alguns questionamentos que começaram a aparecer. Por isso, foram desenvolvidas as Teorias da Relatividade e da Mecânica Quântica.

A Relatividade é a teoria que descreve a física de objetos muito maciços e de alta velocidade, enquanto a Mecânica Quântica, ou Física Quântica, estuda a física de objetos muito pequenos.

Muitas das equações da mecânica clássica, que descrevem como as coisas se movem em tamanhos e velocidades no nosso cotidiano, deixam de ser úteis na escala de átomos e elétrons, que agora pode ser explicada pelos princípios da mecânica quântica.

1. As partículas são ondas, e vice-versa

Na escala macroscópica, estamos habituados a dois tipos de fenômenos: ondas e partículas.

As partículas ocupam determinado lugar no espaço, transportando massa e energia à medida que se movem. Já as ondas se propagam por todo o espaço, transportando energia à medida que se movem, mas sem massa.

Quando as partículas colidem, elas assumem trajetórias definidas, que podem ser calculadas por meio das leis de movimento de Newton. Já as ondas, quando passam por fendas, geram novas ondas, que ao colidir, podem se reforçar ou se anular.

Porém, na mecânica quântica, essa distinção entre ondas e partículas já não existe. Os objetos que normalmente vemos como partículas, como os elétrons, podem comportar-se como ondas em certas situações, enquanto objetos que normalmente pensamos como ondas, como a luz, podem comportar-se como partículas.

Assim, os elétrons podem criar padrões de difração de onda ao passar por fendas estreitas, assim como as ondas surgem em um lago quando jogamos uma pedra na água. Por outro lado, o efeito fotoelétrico (ou seja, a absorção de luz por elétrons em objetos sólidos) só pode ser explicado se a luz estiver como partícula.

Tais ideias levaram De Broglie a concluir que todas as entidades tinham aspectos de onda e de partículas, e que diferentes aspectos eram manifestados de acordo com o tipo de processo submetido. Isso se tornou conhecido como o Princípio da Dualidade Partícula-onda.

2. Tudo que podemos saber são probabilidades 

Quando os físicos usam a mecânica quântica para prever os resultados de uma experiência, a única coisa que podem prever é a probabilidade de detectar um dos possíveis resultados.

Por exemplo, se fizermos um experimento onde um elétron irá parar no lugar A ou B, ao fim, poderemos dizer que existe uma probabilidade de 17% de encontrá-lo no ponto A e uma probabilidade de 83% de encontrá-lo no ponto B. Porém, nunca poderemos dizer com certeza que o elétron definitivamente acabará em A ou em B.

Não importa quão cuidadoso seja o preparo de cada elétron, não poderemos saber definitivamente qual será o resultado do experimento. Cada elétron é uma experiência completamente nova, e o resultado final é aleatório.

3. A medição determina a realidade

Até o momento em que o estado exato de uma partícula quântica é medido, esse estado é indeterminado. Somente depois que a medição é feita, o estado da partícula será determinado, e todas as medidas subsequentes naquela partícula produzirão exatamente o mesmo resultado.

Esse é problema que inspirou o experimento de Erwin Schrödinger, do gato na caixa que pode estar vivo e morto ao mesmo tempo.

O experimento com uma fenda dupla confirma essa indeterminação. Até que a posição do elétron seja medido no lado oposto da fenda, ele poderá existir em todos os caminhos possíveis.

Uma partícula quântica pode e vai ocupar vários estados até o momento em que for medida, e após sua medição ela existirá em apenas um estado.

4. As correlações quânticas não são locais

Uma das consequências mais estranhas e mais importantes dessa física é a ideia de "emaranhamento quântico".

Quando duas partículas quânticas interagem, seus estados irão depender um do outro, independentemente de quão distantes estejam.

Você pode segurar uma partícula no Brasil e enviar a outra para Portugal, e depois medi-las simultaneamente. O resultado da medição no Brasil determinará o resultado da medida em Portugal e vice-versa.

A correlação entre esses estados não pode ser descrita por qualquer teoria local, na qual as partículas possuem estados definidos.

Esses estados são indeterminados até o instante em que um é medido, porém no momento em que os estados de ambos forem determinados, não importa o quão distante eles estejam.

Isso foi confirmado experimentalmente dezenas de vezes ao longo dos últimos trinta anos, com átomos pares, e cada nova experiência reforçou essa teoria.

Apesar da medida em Portugal determinar o estado de uma partícula no Brasil, o resultado de cada medida será completamente aleatório.

Não há como manipular a partícula portuguesa para produzir um resultado específico no Brasil. A correlação entre as medidas só será evidente após a ação, quando os dois resultados forem comparados, e esse processo deve ocorrer em velocidades mais lentas do que a da luz.

5. A física quântica é real

Apesar da mecânica quântica ter muitos recursos que desafiam nossa intuição clássica, como os estados indeterminados, medidas probabilísticas e efeitos não locais, ela ainda está sujeita à regras.

Por mais estranhas que sejam suas previsões, a mecânica quântica não contraria os princípios fundamentais da física. Ou seja, você não pode explorar os efeitos quânticos para construir uma nave que viaje na velocidade da luz, ou inventar a telepatia.

A mecânica quântica é uma ciência matemática rigorosa e precisa, e todo efeito que você ouve sobre ela é real e confirmado por experiências.

E onde encontro a física quântica no meu dia-a-dia?

A física quântica está ao nosso redor, e determina tudo sobre o mundo em que vivemos. O brilho vermelho no metal quando aquecido e a cor da luz de uma lâmpada de néon são devidos à natureza quântica da luz e dos átomos.

O próprio Sol é alimentado pela física quântica! Se não fosse pelo efeito quântico conhecido como "tunelamento", o Sol não seria capaz de fundir hidrogênio em hélio, produzindo a luz que permite a vida na Terra.

Além disso, os computadores modernos que temos são construídos em chips de silício, que contém milhões de pequenos transistores. Sem entender a física quântica de como átomos e elétrons agem, seria impossível construir um único transistor, e muito menos milhões deles.

As redes de telecomunicações modernas, como a Internet, também dependem da Mecânica Quântica. Nelas, as informações são transmitidas por meio de pulsos de luz que viajam por cabos de fibra óptica. 

Esses pulsos de luz são produzidos por lasers de diodo, que usam pequenos chips de semicondutores para gerar feixes intensos de luz. A construção dos lasers que carregam a Internet seria impossível sem entender a física quântica dos semicondutores e a natureza quântica da luz.

Ou seja, muito da tecnologia que temos hoje em dia existe graças à Mecânica Quântica.