A mecânica quântica é o ramo da física relacionado ao muito pequeno.
A mecânica quântica é um subcampo da física que descreve o comportamento das partículas – átomos , elétrons, fótons e quase tudo no reino molecular e submolecular.
Desenvolvido durante a primeira metade do século 20, os resultados da mecânica quântica são muitas vezes extremamente estranhos e contra-intuitivos.
COMO A MECÂNICA QUÂNTICA É DIFERENTE DA FÍSICA CLÁSSICA?
Na escala de átomos e elétrons, muitas das equações da mecânica clássica, que descrevem o movimento e as interações das coisas em tamanhos e velocidades cotidianas, deixam de ser úteis.
Na mecânica clássica, os objetos existem em um lugar específico em um momento específico . Na mecânica quântica, os objetos existem em uma névoa de probabilidade; eles têm uma certa chance de estar no ponto A, outra chance de estar no ponto B e assim por diante.
QUANDO A MECÂNICA QUÂNTICA FOI DESENVOLVIDA?
A mecânica quântica se desenvolveu ao longo de muitas décadas, começando como um conjunto de explicações matemáticas controversas para experimentos que a matemática da mecânica clássica não conseguia explicar, de acordo com a Universidade de St. Andrews, na Escócia.(abre em nova aba). Tudo começou na virada do século 20, na mesma época em que Albert Einstein publicou sua teoria da relatividade , uma revolução separada na física que descreve o movimento das coisas em altas velocidades. Ao contrário da relatividade, no entanto, as origens da mecânica quântica não podem ser atribuídas a um único cientista. Em vez disso, vários cientistas contribuíram para uma fundação que gradualmente ganhou aceitação e verificação experimental entre o final dos anos 1800 e 1930.
Em 1900, o físico alemão Max Planck estava tentando explicar por que objetos em temperaturas específicas, como o filamento de uma lâmpada de 1.470 graus Fahrenheit (800 graus Celsius), brilhavam em uma cor específica – neste caso, vermelho, de acordo com o Perimeter Instituto(abre em nova aba). Planck percebeu que as equações usadas pelo físico Ludwig Boltzmann para descrever o comportamento dos gases poderiam ser traduzidas em uma explicação para essa relação entre temperatura e cor. O problema era que o trabalho de Boltzmann se baseava no fato de que qualquer gás era feito de partículas minúsculas, o que significa que a luz também era feita de bits discretos.
Essa ideia contrariou as ideias sobre a luz da época, quando a maioria dos físicos acreditava que a luz era uma onda contínua e não um pequeno pacote. O próprio Planck não acreditava nem em átomos nem em pedaços discretos de luz, mas seu conceito recebeu um impulso em 1905, quando Einstein publicou um artigo, ” A respeito de um ponto de vista heurístico para a emissão e transformação da luz.(abre em nova aba)”
Einstein imaginou a luz viajando não como uma onda, mas como uma espécie de “quanta de energia”. Esse pacote de energia, sugeriu Einstein em seu artigo, poderia “ser absorvido ou gerado apenas como um todo”, especificamente quando um átomo “salta” entre taxas de vibração quantizadas. É daí que vem a parte “quântica” da mecânica quântica.
Com essa nova maneira de conceber a luz, Einstein ofereceu insights sobre o comportamento de nove fenômenos em seu artigo, incluindo as cores específicas que Planck descreveu como sendo emitidas por um filamento de lâmpada. Também explicou como certas cores de luz podem ejetar elétrons de superfícies metálicas – um fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico .
O QUE É DUALIDADE ONDA-PARTÍCULA?
Na mecânica quântica, as partículas podem às vezes existir como ondas e às vezes existir como partículas. Isso pode ser visto mais notoriamente no experimento da dupla fenda, onde partículas como elétrons são disparadas em uma placa com duas fendas cortadas, atrás da qual fica uma tela que acende quando um elétron a atinge. Se os elétrons fossem partículas, eles criariam duas linhas brilhantes onde impactaram a tela depois de passar por uma ou outra das fendas, de acordo com um artigo popular na Nature(abre em nova aba).
Em vez disso, quando o experimento é realizado, um padrão de interferência se forma na tela. Esse padrão de bandas escuras e brilhantes só faz sentido se os elétrons forem ondas, com cristas (pontos altos) e vales (pontos baixos), que podem interferir uns nos outros. Mesmo quando um único elétron é disparado através das fendas de cada vez, o padrão de interferência aparece – um efeito semelhante a um único elétron interferindo em si mesmo.
Em 1924, o físico francês Louis de Broglie usou as equações da teoria da relatividade especial de Einstein(abre em nova aba)para mostrar que as partículas podem exibir características semelhantes a ondas e que as ondas podem exibir características semelhantes a partículas – uma descoberta pela qual ele ganhou o Prêmio Nobel alguns anos depois(abre em nova aba).
COMO A MECÂNICA QUÂNTICA DESCREVE OS ÁTOMOS?
Na década de 1910, o físico dinamarquês Niels Bohr tentou descrever a estrutura interna dos átomos usando a mecânica quântica. A essa altura, já se sabia que um átomo era feito de um núcleo pesado, denso e carregado positivamente cercado por um enxame de elétrons minúsculos, leves e carregados negativamente. Bohr colocou os elétrons em órbitas ao redor do núcleo, como planetas(abre em nova aba)em um sistema solar subatômico, exceto que eles só poderiam ter certas distâncias orbitais predefinidas. Ao saltar de uma órbita para outra, o átomo poderia receber ou emitir radiação em energias específicas, refletindo sua natureza quântica.
Pouco depois, dois cientistas, trabalhando de forma independente e usando linhas separadas de pensamento matemático, criaram uma imagem quântica mais completa do átomo, de acordo com a American Physical Society.(abre em nova aba). Na Alemanha, o físico Werner Heisenberg conseguiu isso desenvolvendo a “mecânica matricial”. O físico austríaco-irlandês Erwin Schrödinger desenvolveu uma teoria semelhante chamada “mecânica das ondas”. Schrödinger mostrou em 1926 que essas duas abordagens eram equivalentes.
O modelo do átomo de Heisenberg-Schrödinger, no qual cada elétron atua como uma onda ao redor do núcleo de um átomo, substituiu o modelo anterior de Bohr. No modelo do átomo de Heisenberg-Schrödinger, os elétrons obedecem a uma “função de onda” e ocupam “orbitais” em vez de órbitas. Ao contrário das órbitas circulares do modelo de Bohr, os orbitais atômicos têm uma variedade de formas, variando de esferas a halteres e margaridas, de acordo com um site explicativo do químico Jim Clark.
O QUE É O PARADOXO DO GATO DE SCHRÖDINGER?
O emaranhamento quântico é uma das consequências da teoria quântica.
Duas partículas parecerão ligadas no espaço e no tempo, com mudanças em uma das partículas (como uma observação ou medição) afetando a outra.
Esse efeito instantâneo parece ser independente do espaço e do tempo, o que significa que, no reino quântico, o efeito pode preceder a causa. (Crédito da imagem: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)
O gato de Schrödinger é um experimento mental muitas vezes incompreendido que descreve os escrúpulos que alguns dos primeiros desenvolvedores da mecânica quântica tiveram com seus resultados. Enquanto Bohr e muitos de seus alunos acreditavam que a mecânica quântica sugeria que as partículas não têm propriedades bem definidas até que sejam observadas, Schrödinger e Einstein foram incapazes de acreditar em tal possibilidade porque levaria a conclusões ridículas sobre a natureza da realidade. Em 1935, Schrödinger propôs um experimento no qual a vida ou a morte de um gato dependeria do giro aleatório de uma partícula quântica, cujo estado permaneceria invisível até que uma caixa fosse aberta. Schrödinger esperava mostrar o absurdo das ideias de Bohr com um exemplo do mundo real que dependia da natureza probabilística de uma partícula quântica, mas produzia um resultado sem sentido.
De acordo com a interpretação da mecânica quântica de Bohr, até que a caixa fosse aberta, o gato existia na impossível posição dupla de estar vivo e morto ao mesmo tempo. (Nenhum gato real jamais foi submetido a esse experimento.) Tanto Schrödinger quanto Einstein acreditavam que isso ajudava a mostrar que a mecânica quântica era uma teoria incompleta e acabaria sendo substituída por uma que concordasse com a experiência comum.
Schrödinger e Einstein ajudaram a destacar outro resultado estranho da mecânica quântica que nenhum dos dois conseguiu entender completamente. Em 1935, Einstein, juntamente com os físicos Boris Podolsky e Nathan Rosen, mostrou que duas partículas quânticas podem ser configuradas de modo que seus estados quânticos estejam sempre correlacionados um com o outro, de acordo com a Enciclopédia de Filosofia de Stanford.(abre em nova aba). As partículas essencialmente sempre “sabiam” sobre as propriedades umas das outras. Isso significa que medir o estado de uma partícula diria instantaneamente o estado de seu gêmeo, não importa o quão distantes estivessem, um resultado que Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância”, mas que Schrödinger logo apelidou de “ emaranhamento ”.
O emaranhamento tem se mostrado um dos aspectos mais essenciais da mecânica quântica e ocorre no mundo real o tempo todo. Pesquisadores freqüentemente realizam experimentos usando emaranhamento quântico e o fenômeno é parte da base para o campo emergente da computação quântica .
No momento, os físicos não têm uma explicação completa para todas as partículas e forças observadas no universo, o que muitas vezes é chamado de teoria de tudo. A relatividade de Einstein descreve coisas grandes e massivas, enquanto a mecânica quântica descreve coisas pequenas e insubstanciais. As duas teorias não são exatamente incompatíveis, mas ninguém sabe como encaixá-las.
Muitos pesquisadores buscaram uma teoria da gravidade quântica, que introduziria a gravidade na mecânica quântica e explicaria tudo, desde os reinos subatômicos até os supergaláticos. Existem muitas propostas de como fazer isso, como inventar uma partícula quântica hipotética para a gravidade chamada gráviton, mas até agora nenhuma teoria foi capaz de encaixar todas as observações de objetos em nosso universo. Outra proposta popular, a teoria das cordas, que postula que as entidades mais fundamentais são pequenas cordas vibrando em muitas dimensões, começou a se tornar menos amplamente aceita pelos físicos desde que poucas evidências a seu favor foram descobertas. Outros pesquisadores também trabalharam em teorias envolvendo a gravidade quântica em loop(abre em nova aba), em que tanto o tempo quanto o espaço vêm em pedaços discretos e minúsculos, mas até agora nenhuma ideia conseguiu ganhar uma grande influência entre a comunidade da física.
Este artigo foi originalmente escrito pelo colaborador da Live Science, Robert Coolman, e foi atualizado por Adam Mann em 2 de março de 2022.
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