Teoria quântica: veja tudo o que você precisa saber sobre a física quântica!

É provável que você não saiba, mas a física quântica é um ramo da física também conhecido como mecânica quântica ou teoria quântica. Assim, a mecânica é a parte da física que se preocupa com coisas que se movem, de balas de canhão a bolas de tênis, carros, foguetes e planetas. Além disso, a mecânica quântica é a parte da física que descreve os movimentos de objetos nos níveis molecular, atômico e subatômico, como fótons e elétrons.

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Embora a mecânica quântica seja uma teoria científica extraordinariamente bem-sucedida, da qual dependem muito de nossos estilos de vida modernos e obcecados por tecnologia, ela também é completamente maluca.

A teoria obviamente funciona, mas parece nos deixar perseguindo fantasmas, partículas que são ondas e ondas que são partículas, gatos que estão ao mesmo tempo vivos e mortos, muitos acontecimentos aparentemente assustadores e um desejo desesperado de “deite-se calmamente em uma sala escura”.

Portanto, se você já se perguntou o que há na teoria quântica que a torna tão desconcertante para muitos, aqui está um breve resumo dela em termos simples. Confira:

A história da mecânica quântica

Agora sabemos que toda matéria é composta de átomos. Cada átomo, por sua vez, é feito de elétrons “orbitando” um núcleo que consiste em prótons e nêutrons. Os átomos são discretos. Assim, eles “ficam”: ‘aqui’ ou ‘ali’.

Mas no final do século 19, os átomos eram realmente controversos. Na verdade, foi a determinação de refutar a existência de átomos que levou o físico alemão Max Planck a estudar as propriedades e o comportamento da chamada radiação de ‘corpo negro’.

O que ele encontrou em um ‘ato de desespero’ no final de 1900 o transformou em um atomista comprometido, mas levou mais alguns anos para que o significado real de sua descoberta fosse assimilado.

Planck concluiu que a radiação é absorvida e emitida como se fosse composta de bits discretos que ele chamou de “quanta”. Em 1905, Albert Einstein foi mais longe. Dessa forma, ele especulou que as “quantas” são reais – a própria radiação vem em pedaços discretos de energia luminosa. Hoje chamamos esses pedaços de fótons.

A luz é uma onda ou uma partícula?

A hipótese de Einstein representava um certo problema. Já havia um corpo de evidências bem estabelecido a favor de uma teoria ondulatória da luz. A observação principal se chama ‘experimento de dupla fenda’.

Assim, empurre a luz por uma abertura estreita ou fenda e ela se espremerá, dobrará nas bordas e se espalhará além. Ele ‘difrata’.

Corte duas fendas lado a lado e obteremos interferência. As ondas difratadas pelas duas fendas produzem um padrão alternado de faixas claras e escuras chamadas franjas de interferência. Esse tipo de comportamento não se limita à luz – essa interferência de ondas é facilmente demonstrada usando ondas de água.

Mas as ondas são inerentemente “deslocalizadas”: elas estão “aqui” e “lá”. A hipótese de Einstein não anulou todas as evidências das propriedades da luz semelhantes a ondas deslocadas. O que ele estava sugerindo é que uma descrição completa de alguma forma precisa levar em conta suas propriedades localizadas, semelhantes a partículas, também.

Portanto, a luz age tanto como uma onda quanto como uma partícula.

Em 1923, o físico francês Louis de Broglie fez uma sugestão ousada. Se as ondas de luz também podem ser partículas, as partículas como os elétrons também podem ser ondas? Era apenas uma ideia, mas ele foi capaz de usá-la para desenvolver uma relação matemática direta entre a propriedade de onda de um elétron (comprimento de onda) e a propriedade de partícula (momento).

Mas esta não era uma teoria da matéria de ‘onda-partícula’ totalmente desenvolvida. Esse desafio caiu para Erwin Schrödinger, cuja formulação – publicada pela primeira vez no início de 1926 e chamada de mecânica das ondas – ainda é ensinada a estudantes de ciências hoje.

O que é uma função de onda?

A teoria de Schrödinger é realmente a teoria clássica das ondas na qual introduzimos algumas condições quânticas usando a relação de Broglie. O resultado é a equação de onda de Schrödinger, na qual o movimento de uma partícula, como um elétron, é calculado a partir de sua função de onda.

Desde o início, os físicos questionaram a função de onda de Schrödinger.

Na mecânica clássica, não há problemas reais com a maneira como interpretamos os conceitos representados na teoria, como energia e momento (que são chamados de observáveis ??físicos) e sua relação com as propriedades dos objetos que os possuem.

Quer calcular o momento clássico de um objeto voando pelo ar a uma velocidade fixa? Fácil. Meça a massa do objeto e sua velocidade e multiplique-as. Tarefa concluída.

Mas e se você quiser saber o momento de um elétron movendo-se livremente no vácuo? Na mecânica quântica, calculamos isso realizando uma operação matemática específica na função de onda do elétron.

Essas operações são receitas matemáticas, que podemos pensar como ‘chaves’ que desbloqueiam a função de onda (representada nesta animação como uma caixa), liberando o observável antes de fechar novamente.

Assim, calculamos o momento abrindo a caixa usando a ‘chave do momento’. Um observável diferente exigirá uma chave diferente.

As partículas realmente se comportam como ondas?

Portanto, se os elétrons se comportam como ondas, eles podem ser difratados? Se empurrarmos um feixe de elétrons através de duas fendas lado a lado, veremos franjas de interferência em uma tela distante? E se limitarmos a intensidade do feixe de modo que, em média, apenas um elétron passe pelas fendas de cada vez. O que acontece então?

O que vemos é, a princípio, bastante reconfortante. Cada elétron que passa pelas fendas começa a ser como um único ponto na tela, nos dizendo que “um elétron atingiu aqui”. Isso é perfeitamente consistente com a noção de elétrons como partículas, pois parece que eles passam – um por um – por uma ou outra das fendas e atingem a tela em um padrão aparentemente aleatório.

Mas espere. O padrão não é aleatório. À medida que mais e mais elétrons passam pelas fendas, cruzamos um limiar. Começamos a ver os pontos individuais se agruparem, se sobreporem e se fundirem. Eventualmente, obtemos um padrão de interferência de duas fendas de franjas brilhantes e escuras alternadas.

Alternativamente, concluímos que a natureza ondulatória do elétron é um comportamento intrínseco. Cada elétron individual se comporta como uma onda, descrita por uma função de onda, passando por ambas as fendas simultaneamente e interferindo consigo mesmo antes de atingir a tela.

Então, como podemos saber precisamente onde o próximo elétron aparecerá?

Uma partícula pode estar em dois lugares ao mesmo tempo?

Schrödinger queria interpretar a função de onda literalmente, como a representação teórica de uma ‘onda de matéria’. Mas para entender a interferência de um elétron, devemos buscar uma interpretação alternativa sugerida mais tarde em 1926 por Max Born.

Born argumentou que, na mecânica quântica, a função de onda ao quadrado é uma medida da probabilidade de “encontrar” seu “elétron associado em um determinado local.

Os picos e vales alternados da onda de elétrons se traduzem em um padrão de probabilidades quânticas – neste local (que se tornará uma franja brilhante), há uma probabilidade maior de encontrar o próximo elétron, e neste outro local (que se tornará uma franja escura ) há uma probabilidade muito baixa ou zero de encontrar o próximo elétron.

Antes que um elétron atinja a tela, ele tem a probabilidade de ser encontrado “aqui”, “lá” e “em qualquer lugar” onde o quadrado da função de onda seja maior que zero. Essa probabilidade de muitos estados existirem ao mesmo tempo recebe o nome de ‘superposição quântica’.

Isso significa que um elétron individual pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo? Não, na verdade não. É verdade que ele tem a probabilidade de ser encontrado em mais de um lugar ao mesmo tempo. E, se quisermos interpretar a função de onda como uma coisa física real, há um sentido em que isso é deslocado ou distribuído.

Mas se por ‘elétron individual’ estamos nos referindo a um elétron como uma partícula, então há um sentido em que isso não existe como tal até que a função de onda interaja com a tela, momento em que ela ‘entra em colapso’ e o elétron aparece ‘aqui’, em apenas um lugar.

Por que a probabilidade é importante na física quântica?

Mais uma coisa. O fato de haver uma probabilidade de 50 por cento de que uma moeda lançada caia ‘cara’ significa simplesmente que ela tem dois lados e não temos como saber (ou prever facilmente) em que posição ela cairá. Esta é uma probabilidade clássica nascida da ignorância.

Podemos ter certeza de que a moeda continua a ter dois lados – cara e coroa – conforme ela gira no ar, mas não sabemos os detalhes exatos de seu movimento, por isso não podemos prever com certeza qual lado cairá voltado para cima. Em teoria, poderíamos, se soubéssemos exatamente com que força você o inverte, exatamente em que ângulo e em que altura exatamente você o pegaria.

A probabilidade quântica é considerada muito diferente. Quando jogamos uma moeda quântica, podemos na verdade estar bem informados sobre a maioria dos detalhes de seu movimento, mas não podemos presumir que ‘cara’ e ‘coroa’ existam antes de a moeda cair, e olhamos.

Portanto, não importa exatamente quantas informações você tenha sobre o sorteio, você nunca poderá dizer com certeza qual será o resultado, pois não é pré-determinado como em um sistema clássico.

Einstein deplorou esse elemento aparente de puro acaso na mecânica quântica. Ele declarou a famosa frase: ‘Deus não joga dados’.

E então, em 1927, os debates começaram. Qual é a função de onda e como ela deve ser interpretada? O que a mecânica quântica está nos dizendo sobre a natureza da realidade física? E o que é essa coisa chamada realidade, afinal?

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