O que é a física quântica e a mecânica quântica? Professor ensinando.

O que é a física quântica?

Em Ciência por Rodrigo ZottisComentários

Minha última tra­du­ção no Ano Zero sobre o des­co­bri­mento de bósons da maté­ria escura me ins­pi­rou a tra­du­zir outros arti­gos que expli­cas­sem a física quân­tica de uma forma mais didá­tica, tanto para o público do AZ — que apre­cia muito o con­teúdo cien­tí­fico — quanto para a minha pró­pria com­pre­en­são acerca dessa ciên­cia.

A física quân­tica nada mais é do que a “lin­gua­gem” que rege o uni­verso a nível mole­cu­lar, e uma vez que você lê a defi­ni­ção que os cien­tis­tas encon­tra­ram sobre essa “lin­gua­gem”, sua maneira de enxer­gar a natu­reza muda com­ple­ta­mente.

Infe­liz­mente, ainda não esta­mos nem perto de enten­der essa lin­gua­gem tão com­plexa, mas com cer­teza fize­mos muito pro­gresso nos últi­mos 100 anos.

É por isso que hoje tra­ze­mos o artigo de Cecille de Jesus, ori­gi­nal­mente publi­cado em inglês no Futu­rism, tra­du­zido por mim, sobre as evo­lu­ções da física quân­tica até os dias de hoje.

 

A CIÊNCIA ACIDENTAL

Em 1900, o ale­mão físico-teó­rico Max Planck aci­den­tal­mente deu ori­gem ao campo da mecâ­nica quân­tica (aka física quân­tica), quando ten­tou inves­ti­gar por que os resul­ta­dos de seu expe­ri­mento de corpo negro não coin­ci­diam com as leis da física clás­sica.

Ele des­co­briu que a ener­gia é des­car­re­gada em peque­nos paco­tes (cha­ma­dos quanta) e pare­cia ser emi­tida em com­pri­men­tos de onda.

Desde então, Eins­tein e outros físi­cos usa­ram seu estudo e, ao fazê-lo, cau­sa­ram o avanço da física quân­tica, o campo da ciên­cia que lida com o com­por­ta­mento da maté­ria e da ener­gia nas meno­res esca­las atô­mi­cas (e subatô­mi­cas). Planck foi final­mente pre­mi­ado com um Prê­mio Nobel por seu tra­ba­lho.

Por outro lado, o mundo da física tem sido um poço de incer­te­zas desde então. Gra­ças a este tra­ba­lho, os nos­sos olhos foram aber­tos a um caó­tico uni­verso e onde as par­tí­cu­las apa­re­cem inex­pli­ca­vel­mente e da mesma forma dei­xam de exis­tir — em um cons­tante estado de fluxo.

Left to right: Walther Nernst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan, and Max Von Laue in November 11, 1931.

Da esquerda à direita: Walther Nernst, Albert Eins­tein, Max Planck, Robert Mil­li­kan, e Max Von Laue em 11 de novem­bro de 1931.

A fim de com­pre­en­der a física quân­tica, você tem que jogar todo o sen­tido da lógica pela janela. Mas por quê?

Ao con­trá­rio da física clás­sica, a física quân­tica não honra a mesma lógica que se aplica aos nos­sos ambi­en­tes coti­di­a­nos. Par­tí­cu­las quân­ti­cas seguem um con­junto dife­rente de leis, que até agora não enten­de­mos com­ple­ta­mente.

Por cerca de um século, os físi­cos de todo o mundo têm ten­tado tra­zer sen­tido aos fenô­me­nos quân­ti­cos.

Mas, até agora, todas as ten­ta­ti­vas de uni­fi­car a mecâ­nica quân­tica com as leis físi­cas comuns de nosso ambi­ente diá­rio têm sido em vão. Fica­mos com várias pro­ba­bi­li­da­des em vez de cer­te­zas.

 

THE ULTIMATE DIVAS

Para come­çar, a defi­ni­ção padrão parece bas­tante sim­ples: A mecâ­nica quân­tica é “o ramo da mecâ­nica que lida com a des­cri­ção mate­má­tica do movi­mento e a inte­ra­ção de par­tí­cu­las subatô­mi­cas”.

O pro­blema com isso é que medir posi­ções atô­mi­cas com pre­ci­são é uma tarefa ter­ri­vel­mente com­pli­cada (e pra­ti­ca­mente impos­sí­vel).

Como afirma o prin­cí­pio da incer­teza, medir posi­ções quân­ti­cas, mesmo quanto a algo tão deli­cado como a luz, inte­ra­gi­ria com áto­mos ao redor, por­que tudo (incluindo luz) tem momen­tum linear, tor­nando qual­quer medi­ção auto­ma­ti­ca­mente impre­cisa.

Como pode­mos real­mente avan­çar se não pode­mos real­mente obter medi­ções pre­ci­sas?

Infe­liz­mente, este é ape­nas o iní­cio do pro­blema.

Par­tí­cu­las quân­ti­cas (apa­ren­te­mente) fazem o que qui­se­rem, quando lhes agrada, o que torna pra­ti­ca­mente impos­sí­vel de repli­car resul­ta­dos de uma expe­ri­ên­cia — um requi­sito de vali­da­ção fun­da­men­tal do método cien­tí­fico.

Na ver­dade, até mesmo Eins­tein, que aju­dou a dar vida ao campo da física quân­tica, odi­ava física quân­tica. É um ramo impre­vi­sí­vel e, na mai­o­ria das vezes, iló­gico (ou pelo menos con­tra-intui­tivo).

Tome­mos, por exem­plo, a dua­li­dade onda-par­tí­cula, que mos­tra que a luz tem pro­pri­e­da­des tanto de par­tí­cu­las quanto de ondas.

A expe­ri­ên­cia da dupla fenda é uma das expe­ri­ên­cias mais bási­cas da física quân­tica, mas con­ti­nua a ser uma das mai­o­res con­fu­sões men­tais de todos os tem­pos.

Nesta expe­ri­ên­cia, áto­mos são vis­tos com­por­tando-se como uma par­tí­cula e uma onda depen­dendo da pre­sença de inter­fe­rên­cias. E parece que eles têm uma mente pró­pria, dis­tri­buindo-se e for­mando um padrão de inter­fe­rên­cia.

Se você pode expli­car isso usando o bom senso e lógica, deixe-me saber, por­que há um Prê­mio Nobel para você”, diz o físico teó­rico bri­tâ­nico Jim Al-Kha­lili.

 

E a seguir, as coisas ficam muito mais estranhas…

O vazio do uni­verso: Este é o tipo de coisa que os pri­mei­ros pio­nei­ros na mecâ­nica quân­tica acre­di­ta­vam — e era o tipo de coisa que a mai­o­ria das pes­soas ainda acre­di­tam. Mas esta ima­gem do uni­verso é errada… a física quân­tica nos diz isso.

Na década de 1920, os pes­qui­sa­do­res pen­sa­ram que o vazio — uma ausên­cia de maté­ria — é o que a mecâ­nica quân­tica estava falando. “As Duas Mesas” de Arthur Edding­ton dão um ótimo tra­ta­mento do assunto.

Nesta peça, Edding­ton essen­ci­al­mente argu­menta que exis­tem duas mesas:

Pri­meiro, há a mesa da expe­ri­ên­cia. É uma mesa que pode­mos ver e inte­ra­gir com ela. É rela­ti­va­mente per­ma­nente, é colo­rida e (acima de tudo) é subs­tan­cial.

Em segundo lugar, há a mesa da ciên­cia. Isso é algo que é intan­gí­vel. É, sobre­tudo, o vazio com várias car­gas elé­tri­cas, escas­sa­mente espa­lha­das que aco­to­ve­lam-se com grande velo­ci­dade.

No entanto, esta metá­fora é (obvi­a­mente) errada.

O átomo é como uma “sopa louca” de elé­trons, posi­trons, quarks, fótons, glúons, e assim por diante. Estes estão sur­gindo e ani­qui­lando uns aos outros.

Acon­tece que eles são tão uni­for­me­mente can­ce­la­dos que a ima­gem do “espaço vazio”, que foi dada a nós pela mecâ­nica quân­tica de 1920, des­creve-o muito bem. Como foi refe­rido, este vazio não é uma des­cri­ção exata do que está real­mente acon­te­cendo. Os des­vios, que pode­mos tes­tar, entram na Teo­ria Quân­tica de Cam­pos.

O que as pes­soas que vivem na década de 1920 não per­ce­bem é que o “espaço vazio” não é o que nós pen­sa­mos que seja — é uma “sopa” de um monte de coi­sas com média zero. Como equi­lí­brio ter­mo­di­nâ­mico, ou seja, “sem fluxo líquido”, está longe de ser o mesmo que “sem fluxo” em tudo!

Abaixo estão ape­nas algu­mas coi­sas muito impor­tan­tes que depen­dem de nossa com­pre­en­são dos fenô­me­nos quân­ti­cos para avan­çar.

 

Os computadores quânticos

Os com­pu­ta­do­res quân­ti­cos con­tam com o estado de super­po­si­ção para rea­li­zar tare­fas muito com­ple­xas usando menos eta­pas do que os com­pu­ta­do­res con­ven­ci­o­nais.

Teo­ri­ca­mente, os com­pu­ta­do­res quân­ti­cos podem exe­cu­tar mais ope­ra­ções do que a quan­ti­dade de áto­mos exis­tente no uni­verso. 

Um com­pu­ta­dor clás­sico tem uma memó­ria feita de bits. Cada bit guarda um “1” ou um “0” de infor­ma­ção. Um com­pu­ta­dor quân­tico man­tém um con­junto de qubits. Um qubit pode con­ter um “1”, um “0” ou uma sobre­po­si­ção des­tes.

Em outras pala­vras, pode con­ter tanto um “1” como um “0” ao mesmo tempo. O com­pu­ta­dor quân­tico fun­ci­ona pela mani­pu­la­ção des­tes qubits.

(Ative as legendas do vídeo em português)

 

Supercondutores

Estes mate­ri­ais trans­mi­tem ele­tri­ci­dade sem qual­quer perda de ener­gia, mas atu­al­mente só fun­ci­o­nam em tem­pe­ra­tu­ras cri­o­gê­ni­cas (tem­pe­ra­tu­ras abaixo de 150°C).

Os físi­cos estão atu­al­mente ten­tando des­co­brir como fazer super­con­du­to­res tra­ba­lha­rem à tem­pe­ra­tura ambi­ente.

(Vídeo acima sem tradução para o português)

 

Matéria escura / Energia escura

A iden­ti­dade des­tas par­tí­cu­las invi­sí­veis e mis­te­ri­o­sas faz parte de uma ener­gia que com­põe cerca de 98% do nosso uni­verso e per­ma­nece des­co­nhe­cida. Sabe­mos mais sobre o que não é do que o que é, e só pode ser detec­tada atra­vés de sua força gra­vi­ta­ci­o­nal.

(Vídeo acima sem tradução para o português)

 

Os buracos negros

Iro­ni­ca­mente, não só são as meno­res par­tí­cu­las conhe­ci­das pelo Homem, como tam­bém as mais difí­ceis de com­pre­en­der, que tam­bém gover­nam os mai­o­res fenô­me­nos, mais pode­ro­sos em nosso uni­verso.

(Sem tradução para o português)

Então, para res­pon­der à per­gunta “Onde esta­mos agora no campo da física quân­tica?” Embora tenha­mos per­cor­rido um longo cami­nho na com­pre­en­são dos pode­res de fenô­me­nos quân­ti­cos, a com­pre­en­são da mai­o­ria deles ainda é des­co­nhe­cida.

Se você acha que tem a capa­ci­dade men­tal e a resis­tên­cia para se jun­tar ao campo da física quân­tica e tor­nar tudo isso um pouco menos louco (ou pelo menos ten­tar), a huma­ni­dade vai agra­de­cer por isso. Além disso, prê­mios Nobel o aguar­dam.


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Rodrigo Zottis
Rapaz que só faz o que faz pois espera que um dia seu legado possa ser completamente auto-explicativo.

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