Física quântica: Uma breve introdução desse mundo

Prepare-se para uma breve aventura (e bota breve nisso) ao mundo do microcosmo, o mundo dos prótons, quarks, do princípio da incerteza e de outras maluquices que só encontramos na escala subatômica.

Atenção! Ao seguir com a leitura abaixo, você está sujeito às leis da física quântica, então fique calmo, não se espante com nada.

A física quântica e seus gênios

A forma mais clara de começar a explicar sobre um assunto tão complicado é pelo seu contexto histórico, então vamos voltar ao período de ouro do século 20 e reviver alguns gênios da época.

Max Planck

Em 1900, Max Planck, ao brincar com alguns conceitos chamados de radiação do corpo negro,  notou que o seu modelo matemático só faria sentido se a energia da radiação eletromagnética envolvida na experiência fosse discreta, ou em outros nomes, quantizada. Como assim? Isso significa que a energia, absorvida ou emitida, não se dava por um processo contínuo, ou seja, ela se dava em minúsculos fragmentos de energia, que mais tarde foram chamados de quanta.

Apesar de considerar isso em seus cálculos, nem o próprio Planck acreditava que de fato a energia fosse quantizada, para ele era apenas um artifício matemático para contornar seu modelo teórico (uma gambiarra)!

Uma boa analogia, para deixar mais claro a diferença entre algo discreto e contínuo, é pensar na corrente de água que sai de uma mangueira, ela é contínua. Em nossa escala macro você pode pegar um volume de água e dividir quantos volumes quiser e ainda assim será água. Já os projéteis disparados por uma metralhadora são fragmentos, disparos discretos, cada tiro é uma bala, então a rajada de tiro não é contínua, é quantizada.

Corpo Negro: Em física, corpo negro, é um objeto material que pode ser tratado como um emissor/absorvedor ideal de ondas eletromagnéticas (oem). Isso significa que toda oem incidente é absorvida por ele. Objetos como esse possuem uma curva de distribuição espectral de radiação bem conhecida pelos físicos.

Albert Einstein

Em 1905, Albert Einstein, que todos vocês já devem ter ouvido falar, conseguiu explicar o efeito fotoelétrico partindo do postulado de que toda onda eletromagnética possui energia fragmentada, quantizada! Para Einstein, o que Planck fez não se resumia apenas a um modelo matemático, a própria natureza da onda eletromagnética possuía essa característica quântica. A energia de toda oem é distribuída em pacotes indivisíveis de energia, os quantums!

Efeito fotoelétrico: Resumidamente, o efeito fotoelétrico se dá no processo de interação da onda eletromagnética com algum metal, que dependendo das circunstâncias energéticas envolvidas no problema, pode absorver a oem, desprendendo os elétrons do metal.

Bem, nestes poucos parágrafos que percorremos eu acredito que você já possa entender o que significa o termo quântica da Física Quântica. A Física Quântica é então a física que surge do estudo de fenômenos que possuem energias discretas, pacotes de energia que são indivisíveis.

A partir daí, várias ideias relacionadas foram surgindo. Vários físicos, químicos e até historiadores foram entrando no jogo colaborando na formulação de novos conceitos.

A experiência de dupla fenda de Thomas Young, realizada a um século antes da era de ouro, foi outro divisor de águas. Com ela, foi possível concluir que a onda eletromagnética (mencionada mais de 8 mil vezes) não é uma onda. Na verdade, a oem é algo que possui dualidade de onda – partícula, às vezes se comporta como onda, e as vezes como partícula, tudo depende das condições do que está acontecendo.

Louis de Broglie

Em 1924, Louis de Broglie, historiador e posterior amante/estudante de física, em sua tese, defendeu que não só as oem tinham dualidade onda-partícula, mas sim todas as partículas. Então elétrons, por exemplo, antes tratados como partículas, tinha também características ondulatórias.

Isso quer dizer que a matéria sólida, como a ponta do seu dedo, é composta de minúsculos fragmentos que também possuem propriedades de ondas, como as ondas do mar, que percorrem o espaço distribuída numa região, se sobrepõem com outras ondas, ou se anulam. Imagine seu dedo polegar sobrepondo a parede, por exemplo. É muito anti-intuitivo.

Nessa altura a física começou a seguir caminhos obscuros. Antes da física quântica, os físicos da época achavam que a física já estava por ser concluída e que todo o conhecimento necessário para entender o universo estava próximo de ser arquitetado.

A nova física não só trouxe novos conceitos como trouxe também conceitos bem distantes do nosso senso de intuição, como a superposição de partículas, ondas de matéria, antimatéria, ondas de probabilidade, princípio da incerteza, e muitas outras coisas que prefiro deixar para outro artigo.

Ainda não vou me despedir, existe um assunto bem polêmico que sempre aparece nas mesas de discussões sobre física quântica, é o tal do gato de Schroedinger.

Para entender, devemos saber que, pelo fato de toda partícula possuir essa dualidade onda-partícula, deve existir uma equação fundamental que governe o movimento dessas partículas no mundo quântico, da mesma forma que existe a segunda lei de Newton para partículas na nossa escala. Essa equação, que foi formulada em 1925, é conhecida como Equação de Schroedinger, e ela descreve como o estado quântico de um sistema muda com o tempo.

A questão é que, para essas partículas, o mundo que as governa é o mundo das probabilidades, sendo que uma partícula assume diversos estados probabilísticos de realidades até que alguém ou algo interaja com essa partícula, “quebre” a função de onda probabilística e determine o estado real dessa partícula em nosso mundo.

O que eu quero dizer é que, essa partícula existe num estado indefinido, ninguém sabe como ela está até que alguém faça uma medição do sistema e determine sua verdadeira face, até que isso seja feito ela existe num estado de superposição das várias possibilidades do sistema.

O gato de Schroedinger

O gato de Schroedinger é nada mais que um experimento mental que brinca com esse conceito, mas sob um ponto de vista macro. Imagine por exemplo a seguinte situação:

1. Coloque um gato vivo dentro de uma caixa (gatos adoram caixas e jamais irão se recusar a ficar lá dentro).
2. Junto com o gato, coloque um dispositivo constituído de um contador Geiger acoplado a um átomo instável (urânio, por exemplo), de modo que, se o átomo se desintegrar emitindo qualquer partícula, o contador Geiger é acionado e um martelo ligado a ela quebra um frasco com veneno que mata o gato.
3. Lacre tudo e tente adivinhar se o gato está vivo depois de 10 segundos, por exemplo.

Acontece que, como a natureza da radiação nuclear é quântica, pode-se afirmar que, até que alguém abra a caixa e constate se o gato está vivo ou morto, ele está num estado de superposição, vivo e morto ao mesmo tempo. É exatamente essa interpretação probabilística da física quântica que desde o século passado vem fazendo muito cientista perder cabelo e barba até os dias de hoje.

Mesmo com todo esse aparente paradoxo que gira em torno do mundo quântico, vale ressaltar que, a física quântica é hoje uma das áreas de física mais bem estabelecidas e comprovadas, sendo que inúmeras aplicações tecnológicas já comprovaram sua veracidade.