O que é mecanica quantica

Para entender como funciona a Mecânica Quântica é importante deixar de lado premissas básicas da nossa realidade, como uma coisa não pode ser outra e o que está aqui não pode estar lá.

Se essas colocações parecem impossíveis para você, saiba que elas são corriqueiras no universo das partículas atômicas e subatômicas. Vamos entender um pouco melhor?

O que é Mecânica Quântica?

A Mecânica Quântica permitiu explicar fenômenos não explicados pela física clássica, como as órbitas estáveis do elétron e a radiação de corpo negro. O foco desse ramo da física é o estudo dos sistemas de escala atômica e subatômica, como átomos, prótons, elétrons, moléculas, dentre outras partículas. 

Devemos fazer o adendo de que a Mecânica Quântica pode ser empregada para explicar fenômenos macroscópicos, cujo entendimento depende da consideração do comportamento microscópico da matéria que é quântico. A Mecânica Quântica pode ser chamada também de Física Quântica ou Teoria Quântica. Sua base teórica e experimental foi iniciada no século XX.

Por que quântica?

A palavra quântica é originária do latim quantum, que significa quantidade. Na Mecânica Quântica essa palavra diz respeito a uma unidade atribuída pela teoria a determinadas quantidades físicas como a energia presente em um elétron de um átomo em repouso. 

Em 1900, o físico alemão Max Planck desenvolveu o conceito de “quantum”. Ele percebeu que alguns fenômenos poderiam ser descritos por uma equação desde que a energia fosse tratada como um conjunto de pacotes com quantidades limitadas que fossem indivisíveis. Cada pacote desses é um quantum. 

Luz: onda e partícula

Em 1905, Albert Einstein decidiu aplicar a ideia de Planck à luz e descobriu que ela poderia ser onda e partícula. Estudos posteriores identificaram que o comportamento da luz não dizia respeito ao que ela era de fato e sim a forma como ela era tratada. Para entender essa colocação, precisamos relembrar o experimento clássico da dupla fenda de Thomas Young realizado pela primeira vez em 1803.

Imagine que você posicionou uma lanterna diante de um anteparo com duas fendas. O padrão criado na parede terá franjas escuras e iluminadas. Esse resultado se dá porque as fendas atuam como duas passagens de luz. As ondas luminosas de cada fenda interferem umas nas outras, algumas vezes as amplificam e outras vezes as cancelam. 

Porém, e se colocássemos em cada fenda um detector para saber de uma partícula de luz passou por ali? Fazendo isso acabamos levando a luz a agir como partícula e não como onda. Cada quantum de luz (chamado de fóton) age como partícula e não como onda, o resultado é que as franjas vistas anteriormente se tornam uma mancha consistente de luz.

Realidade determinada pelo observador

A partir do experimento mencionado, podemos concluir que a realidade, no mundo das partículas elementares, é determinada pelo observador. Para que fique mais clara essa constatação, imagine que o detector foi retirado das fendas e colocado na parede para identificar onde cada fóton chegou. A luz será enviada a “conta-gotas”.

As primeiras marcas aparecerão de forma aleatória, porém, conforme forem sendo realizadas as rodadas, poderemos ver o padrão de franjas surgir. Isso significa que cada quantum de luz passou pelas fendas como ondas simultaneamente e interferiu em si mesmo para que pudesse ser encontrado pelo detector. 

Tudo é probabilístico

O experimento da dupla fenda descrito acima não pode ser explicado pela Física Clássica. O que podemos apreender é que na Mecânica Quântica tudo é probabilístico, ou seja, é impossível saber como será o comportamento de qualquer partícula. O que se pode fazer é prever a probabilidade de um ou outro desfecho. 

Em linhas gerais, a conclusão é a de que a realidade é fluida, sendo formada por muitas alternativas que se sobrepõem até o momento em que um experimento a sorteia de forma aleatória. 

Universos paralelos

O austríaco Erwin Schrödinger foi um dos grandes nomes da Mecânica Quântica e em 1952 ele fez uma sugestão bastante curiosa. De acordo com o físico, uma das formas de interpretar esse caráter probabilístico é que existem inúmeras realidades paralelas.

Nesses universos paralelos, haveria a manifestação das histórias possíveis de cada partícula existente. As menores escalas do universo levaram à formulação da ideia de multiverso.

Pelo caráter absurdamente contraintuitivo de todas essas ideias seria fácil descartá-las. No entanto, essa descrição nada convencional da realidade é o que permite compreendê-la com a maior precisão. A Mecânica Quântica é constituída por incertezas que nos permitem ter acesso à descrição mais completa do mundo já realizada pelo ser humano. 

Conheça alguns teóricos da Mecânica Quântica

Max Planck

Max Planck é tido como o pai da Física Quântica, dedicou-se aos estudos a respeito de radiações eletromagnéticas. Foi o responsável pela criação da Constante de Planck, uma das mais relevantes da física.

Nessa constante, a energia contida em um fóton é determinada pela equação E=h .v. Essa equação é empregada para indicar a energia e a frequência de radiações eletromagnéticas. 

Albert Einstein

O físico alemão Albert Einstein é um dos principais teóricos da Física Quântica. O destaque fica para os seus estudos a respeito do tempo e espaço. Einstein foi o responsável por desenvolver a Teoria da Relatividade que identificou a relação de equivalência massa-energia que é expressa pela fórmula: E = mc2. 

Niels Bohr

Ao propor uma nova teoria atômica, o físico dinamarquês Niels Bohr preencheu uma importante lacuna deixada por Rutherford. Também realizou estudos sobre a radiação.

Partindo da descoberta de que a eletricidade passa por meio do átomo, Bohr propôs que o elétron pula para a órbita maior seguinte, retornando depois para a sua órbita convencional. Por isso, o modelo atômico é chamado de modelo Rutherford-Bohr.

Werner Heisenberg

O físico alemão Werner Heisenberg foi determinante para que os estudos da Mecânica Quântica evoluíssem. O modelo quântico do átomo foi desenvolvido por ele. Foi responsável ainda pelo desenvolvimento de teorias relacionadas aos átomos, raios cósmicos e partículas subatômicas.

A Mecânica Quântica ainda está sendo estudada e compreendida pelo homem!

A Física quântica, também conhecida como mecânica quântica, é uma grande área de estudo que se dedica em analisar e descrever o comportamento dos sistemas físicos de dimensões reduzidas, próximos dos tamanhos de moléculas, átomos e partículas subatômicas.

Por meio da Física quântica, foi possível compreender os mecanismos dos decaimentos radioativos, das emissão e absorção de luz pelos átomos, da produção de raios x, do efeito fotoelétrico, das propriedades elétricas dos semicondutores etc.

Veja também: Física moderna

Física quântica para leigos

Quando entramos na escala dos átomos e moléculas, as leis da Física macroscópica, que são perfeitamente capazes de descrever os estados de movimento dos corpos que cotidianamente vemos ao nosso redor, tornam-se obsoletas e incapazes de determinar quaisquer grandezas físicas relacionadas a partículas tão diminutas.

O que acontece no mundo quântico é que as leis da Física não são mais determinísticas, isto é, não são capazes de predizer exatamente onde algum objeto encontra-se, ou em qual velocidade: nada aqui é determinístico, as medidas obtidas de sistemas quânticos são expressas em probabilidades.

Atualmente, temos sistemas de medida capazes de fornecer-nos a posição de um objeto com precisões extremamente acertadas. Entretanto, mesmo com a mais avançada das tecnologias, não seríamos capazes de determinar a posição exata de um átomo, por exemplo. Essa impossibilidade não está relacionada à resolução de um aparelho ou à habilidade de um instrumentador, mas sim à própria natureza da Física quântica.

Veja também: Modelo-padrão da Física de partículas

Essa tal natureza da Física quântica vem mostrando-se ao longo do tempo como uma verdadeira incógnita, por muito tempo incompreendida, que acabou levando muitos físicos a questioná-la, dar-lhe diferentes interpretações ou até mesmo negá-la por completo. Não obstante, também contribuiu para que diversos mitos e crenças fossem criados em torno do conceito da Física quântica.

Apesar de parecer “estranha”, a mecânica quântica é uma das teorias da Física de maior sucesso, a precisão dos resultados alcançados por essa teoria chega a ser assustadora. Atualmente a interpretação da mecânica quântica mais popular e aceita é chamada de interpretação de Copenhague, desenvolvida por alguns dos maiores nomes da ciência, como Niels Bohr, Max Born, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg e outros.

De acordo com essa interpretação, todos os sistemas quânticos têm uma função de onda que os descreve completamente. Essa função de onda é uma expressão matemática complexa e virtual (sem realidade própria), da qual é possível extrair toda a informação desse sistema.

Os resultados obtidos com base nas funções de onda, por sua vez, tratam-se de probabilidades de que algo seja observado ou de que encontremos um átomo em algum nível de energia específico. Ainda, podem ser probabilidades de que um átomo realize uma emissão radioativa, ou de que um nêutron sofra um decaimento, transformando-se em um nêutron e um elétron. As possibilidades são enormes.

O desafio dos físicos é o de encontrar a função de onda para o sistema, e isso não é nada fácil — é necessário resolver uma ou mais equações de Schröedinger, essa equação relaciona as energias cinética e potencial dos sistemas quânticos.

Veja também: Einstein e a bomba atômica

Aplicações da Física quântica

Por meio da Física quântica, é possível compreender

• as emissões de luz pelos átomos;

• os fenômenos de decaimento radioativo;

• o funcionamento do Laser, o efeito fotoelétrico;

• a atração entre nêutrons e prótons no núcleo atômico;

• o modelo padrão da Física de partículas;

• a dualidade onda partícula;

• todas as leis da Física clássica que conhecemos (uma vez que, por serem mais gerais, as leis da mecânica quântica são capazes de derivar das leis que regem o nosso mundo clássico).

Origem

O surgimento da Física quântica moderna deu-se em 1920, quando o físico alemão Max Planck logrou explicar o mecanismo da emissão de corpo negro e a sua relação com um bizarro erro nos cálculos da época, chamado catástrofe ultravioleta.

Acontece que os corpos negros, objetos capazes de absorver toda a radiação que é direcionada a eles, reemitindo-a em forma de radiação térmica, não a emitiam da forma como era esperado pela teoria eletromagnética vigente. Para resolver a situação, Max Planck sugeriu que a energia do campo eletromagnético fosse quantizada, isto é, subdividida em pequenos pacotes de energia, que, pouco mais tarde, viriam a ser chamados de fótons — os quanta de energia.

A interpretação dada por Planck à radiação de corpo negro não foi bem aceita (nem mesmo por ele), entretanto, alguns anos depois, Albert Einstein fez uso do mesmo argumento e obteve sucesso ao explicar o efeito fotoelétrico.

Em 1905, Einstein publicou uma série de artigos que marcou a data como o “ano miraculoso da Física”, mas a sua consagração veio pelo seu prêmio Nobel de Física, por explicar o mecanismo por trás da fotoeletricidade. Einstein havia concluído que a luz tanto se comporta como partícula, quanto como onda. Esse comportamento ficou conhecido como a natureza dual da luz.

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Em 1924 foi a vez de Louis de Broglie contribuir com a mecânica quântica. De Broglie publicou, em sua tese de doutorado, que as partículas quânticas também apresentam um comprimento de onda, assim como a luz e, portanto, deveriam apresentar comportamento ondulatório em determinadas condições.

O físico francês previu que os elétrons deveriam apresentar um padrão de interferência ao serem submetidos ao experimento de dupla fenda, assim como as ondas apresentam. Em 1927, sua hipótese foi confirmada pelo experimento de Davisson-Germer: estava estabelecida a dualidade entre onda e matéria.

O motivo por trás do comportamento dual da matéria permaneceu desconhecido até que, em 1927, Werner Heisenberg enunciou um princípio físico derivado das propriedades matemáticas da teoria quântica. De acordo com esse princípio, conhecido como o princípio da incerteza, há pares de variáveis que não podiam ser medidos simultaneamente com total precisão. A essas variáveis dá-se o nome de variáveis conjugadas.

Posição e velocidade, por exemplo, são grandezas físicas que não podem ser determinadas com total precisão no mundo quântico: se soubermos com grande precisão a velocidade em que um átomo encontra-se, perdemos completamente a precisão em sua posição, de maneira similar, se conseguíssemos medir a velocidade de um átomo, não poderíamos dizer qual é a sua posição naquele mesmo instante.

Para compreender o princípio da incerteza, basta pensar em como enxergamos as coisas: a luz que emana dos objetos deve chegar aos nossos olhos, para que essa informação seja traduzida por nosso cérebro. Em outras palavras, para vermos, precisamos trocar fótons com os arredores. No caso de átomos e partículas, isso é mais sério do que parece: imagine que você queira saber onde está um átomo, para fazê-lo você precisaria emitir um fóton em sua direção, mas, ao fazer isso, o átomo ganharia velocidade por causa da colisão, de modo que você não saberia dizer mais onde ele está.

Logo, o princípio da incerteza permite entendermos um pouco melhor a dualidade onda matéria: no mundo quântico, as grandezas físicas comportam-se de forma não determinística, como se fossem ondas, cujas amplitudes são, na verdade, probabilidades.

Veja também: Física nuclear

Física quântica, espiritualidade e pseudociência

Hoje em dia, tornou-se comum lermos anúncios de cursos, curas milagrosas, produtos revolucionários, terapias infalíveis, orações para atrair dinheiro, e até métodos de cura em que se empregam termos relativos à Física quântica.

No entanto, é necessário salientar que em nenhum desses casos há relação direta com os conhecimentos que resultaram da pesquisa em Física quântica. Tratam-se, na verdade, de uma apropriação indevida, que só se tornou possível graças à ignorância de uma grande parte da população, quando se trata da Física moderna e contemporânea.

A compreensão da Física quântica envolve o domínio de um grande formalismo matemático e muito conhecimento de Física, Álgebra, Geometria, Eletrodinâmica e etc. Por isso, são necessários muitos anos de estudo para compreendê-la de maneira minimamente aceitável para os padrões acadêmicos.

É verdade também que muitas pessoas acreditam que suas práticas são pautadas nos fenômenos quânticos, e não é incomum encontrarmos depoimentos de pessoas que se sentiram melhores ao recorrerem a essas ações. Entretanto, podemos citar razões que desmentem a eficácia das chamadas práticas quânticas:

• Os fenômenos quânticos só se tornam relevantes e observáveis em escalas atômicas. A partir de um certo tamanho, tudo passa a comportar-se de acordo com a Física clássica, a Física da escala macroscópica.

• Os benefícios sentidos pelas pessoas que adquirem produtos ou passam a realizar algum tipo de atividade relacionada ao “quântico” podem ser vistos em alguns experimentos, nos quais se observa melhoras nos pacientes tratados com placebo. Esses efeitos acontecem porque os pacientes acreditam estar melhores, e condicionam-se a isso.

Em razão da grande falta de conhecimento acerca do real significado atrelado à palavra quântico, é natural que essa se envolva de misticismo, fazendo com que a vejamos ser frequentemente usada nos contextos mais improváveis: palestras motivacionais, cursos de coaching quântico, orações quânticas, cosméticos quânticos, curas quânticas etc.

Apesar de muito distintos, todos esses anúncios têm algo em comum: são pseudocientíficos e, em sua maioria, visam lucro. Portanto, em alguns casos, podem ser chamados de charlatanismo, cujo objetivo é o de agregar valor e confiabilidade a produtos, serviços ou costumes ordinários em sua essência.

Quando você perceber o emprego de conceitos muito abstratos em contextos pouco prováveis, desconfie e procure buscar informações em fontes confiáveis, como em sites educacionais consagrados, páginas vinculadas a instituições de educação ou em artigos científicos. A informação é a única forma de prevenir-se de golpes, charlatanismo e outros tipos de crendices que usam, de maneira indevida, o nome de áreas do conhecimento que são consagradas, mas conhecidas por poucos.

Veja também: Teoria das cordas

Livros

Se você tem interesse em entender melhor como funciona a Física quântica, mas é leigo, ou gostaria de consultar fontes confiáveis sobre essa área da Física, confira alguns livros que podem ajudar-te a compreender melhor o estranho mundo quântico:

• O mistério quântico - Andrés Cassinello e José Luiz Sánchez Gomez

• Entendendo a teoria quântica: um livro ilustrado - J.P. Mcevoy e Oscar Zarate

• O Universo elegante - Brian Greene

• O enigma quântico: o encontra da Física com a consciência - Charles Townes

[1] Créditos da imagem: Benjamin Couprie, Institut International de Physique de Solvay / Wikimedia Commons.

Por Me. Rafael Helerbrock