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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escrito por:

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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