O que é física quântica e mecânica quântica?

O que é física quântica e mecânica quântica?

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 23 de Junho de 2021 às 09h20
Master Ron

A física quântica é uma das áreas mais bem-sucedidas da ciência humana, e graças à mecânica quântica temos hoje tecnologias de ponta que cabem na palma das nossas mãos. Mas o que é exatamente física quântica e mecânica quântica? Como isso pode ajudar a entender o universo? E por que a física quântica ficou estigmatizada como algo "impossível" de entender?

Como muitas teorias da física, a mecânica quântica foi prevista muito antes do momento marcado pelo nascimento da teoria em si. Durante o século XIX, alguns eventos prepararam o mundo para receber essa nova teoria, como a descoberta dos raios catódicos por Michael Faraday e a introdução do termo corpo negro, por Gustav Kirchhoff, um conceito que veio a ser muito importante mais tarde para que se rompesse de vez com a física clássica.

O problema do modelo determinista

Uma linha cronológica das descobertas da física quântica (Imagem: Reprodução/Beatriz Abdalla/Jornal da USP)

Em 1877, foi finalmente proposto que o mundo não funciona exatamente como as leis da Gravitação Universal de Newton e a Lei da Termodinâmica previam. Isso ocorreu quando Ludwig Boltzmann disse que os estados de energia de um sistema físico deveriam ser discretos, e não deterministas. Mas o que isso quer dizer?

Os sistemas físicos se caracterizam por:

  • Ter uma localização no espaço-tempo;
  • Ter um estado físico definido sujeito a evolução temporal;
  • Poder-lhe associar uma magnitude física, que é a energia.

Em um sistema como o de Newton, uma vez estabelecidas as condições iniciais do universo, todas as suas partículas seguiriam comportamentos estabelecidos pelas leis deterministas. Assim, é possível deduzir o passado ou o futuro dos elementos (nesse caso, das partículas) apenas com base nas condições iniciais.

Pense nisso da seguinte forma: se você aquecer uma chaleira de alumínio com água (para preparar um café matinal), podemos cronometrar o tempo que a água levará para atingir a temperatura que ela é capaz de atingir — ou o estado físico que ela pode adquirir através de uma evolução temporal. Ela começa a uma temperatura de, digamos, 20 graus, e é aquecida continuamente até 110 graus Celsius. Perceba que temos todos os elementos de um sistema físico listados acima.

Enquanto os segundos passam, a temperatura da água na panela assumirá todos os valores possíveis entre 20 e 110 graus, sem pular nenhum intervalo sequer. Isso recebe o nome de continuidade, ou seja, a água foi aquecida continuamente, e podemos dizer que todos os valores intermediários de temperatura foram igualmente atingidos em algum momento. Podemos até prever, a partir das condições ideais, o tempo que a água levará para atingir a temperatura desejada, usando matemática simples.

Cosmologia e evolução das partículas (Imagem: Reprodução/Beatriz Abdalla/Jornal da USP)

Para a física determinista, o mundo todo funciona dessa maneira. De certa forma, isto está correto, e por muito tempo o modelo determinista reinou como absoluto e insuperável. Afinal, é tentador coroar uma ideia através da qual podemos dizer que, finalmente, compreendemos o universo. Acontece que em escalas menores as tentativas de se descrever o mundo de modo determinista são completamente frustradas.

O que Boltzmann propôs em 1877 foi um modo diferente de encarar os estados de energia. É como se houvesse valores proibidos entre as temperaturas de 20 graus e 110 graus da água do nosso café. Dispensando a metáfora, vejamos o exemplo do hidrogênio. A menor energia que um elétron pode possuir ao orbitar em torno de um núcleo atômico de hidrogênio é -13,6eV, mas ele pode saltar para o nível seguinte (-3,4eV) e jamais possuirá uma energia intermediária. Os valores entre -13,6eV e -3,4eV estão proibidos!

Essa proposta não recebeu muito crédito e foi deixada de lado, até que outras mentes incrivelmente brilhantes no início do século XX resolvessem alguns problemas, trazendo uma física completamente nova.

O que é a física quântica e mecânica quântica?

Representação do Bóson de Higgs (Imagem: Reprodução/HumbertoCII)

Mecânica quântica é a parte da física que explica o mundo em escala atômica e sub-atômica, ou seja, as partícuas que formam as moléculas e o átomo, assim como as interações entre elas. Entre essas partículas estão o elétron, próton, nêutron, quarks, entre outros. Embora descreva como as partículas funcionam, a mecânica quântica também explica alguns fenômenos em grande escala.

Em 1913, Niels Bohr explicou as linhas espectrais do átomo de hidrogênio através de um modelo que consiste em um núcleo cercado por elétrons em uma órbita circular — só que apenas em determinadas órbitas permitidas. Se a energia dos elétrons é quantizada, ele não pode simplesmente “caminhar” de uma órbita para outra.

Isso significa que o elétron é autorizado apenas a "saltar", em órbitas (ou níveis energéticos) disponíveis em números como 1, 2, 3,... e nunca números quebrados, como 1,6. É como uma régua que conta apenas centímetros, e nunca milímetros. Na prática, os elétrons não poderiam fazer movimentos graduais, como a temperatura da água do nosso café que aumenta gradualmente.

O salto quântico segundo o modelo de Bohr, que mais tarde foi suplantado por modelos mais completos para explicar a mecânica quântica em átomos de outros elementos. Um fóton (quanta de luz) permite o salto quântico do elétron para o nível mais energético. Em seguida, o elétron volta à órbita menos energética e libera o fóton. Na barra do espectro de absorção, as lacunas pretas representam a "cor" da luz absorvida pelo átomo de hidrogênio (Imagem: Daniele Cavalcante/Canaltech)

Para se mover de uma órbita menos energética para outra mais energética, o elétron precisa absorver um fóton (partícula que produz a luz e as radiações de todos os comprimentos de onda do espectro eletromagnético, como microondas e raios X) com a energia exata necessária para realizar esse “salto quântico” (não, não tem nada a ver com os tais “saltos quânticos da mente" propagados por aí).

Para que serve a mecânica quantica?

Por falar nas supostas "aplicações da mecânica quântica" propagadas em contextos que não têm relação alguma com a ciência, vale mencionar que essa área do conhecimento serviu para uma compreensão muito mais ampla de toda a matéria do universo. É através dela que compreendemos do que nosso mundo é feito, como os fenômenos cósmicos ocorrem e muito mais.

Sem a mecânica quântica, não saberíamos como os átomos se fundem para formar novos elementos, ou como eles podem liberar uma quantidade estupenda de energia quando os "quebramos". Não saberíamos também como exatamente a radiação ionizante interage com os átomos em nossas moléculas, tempouco computadores e smartphones.

Portanto, é seguro dizer que a mecânica quântica é uma das mais importantes áreas da ciência moderna, e suas aplicações nos dias de são imensuráveis, desde a tecnologia que utilizamos no dia-a-dia até a medicina e nas pesquisas sobre o universo.

Quem é o pai da física quântica?

Max Planck é considerado um dos pais da física quântica, mas ele não fez o trabalho sozinho. Albert Einstein também contrinuiu muito para essa área da ciência, assim como Max Born, o criador da expressão "mecânica quântica" para extender a física das partículas para outros campos.

Em 1900, o físico alemão Max Planck resolveu um problema que nenhum outro físico foi capaz de resolver: o problema do corpo negro. Trata-se de um objeto teórico que não reflete luz, apenas emite e absorve. Tampouco, nenhuma luz o atravessa. Conforme aumenta a temperatura da fonte luminosa que envia radiação eletromagnética ao corpo negro, o espectro de corpo negro apresenta picos de emissão partindo dos menores comprimentos de onda, até a radiação gama.

Entretanto, calcular a curva formada pelo espectro de radiação emitido por um corpo negro para uma determinada temperatura era o maior desafio da física teórica no fim do século XIX. Planck o resolveu com a Lei de Planck da Radiação de Corpo Negro, que assume que a energia da radiação é quantificada (daí os termos Quanta e Quântico), como se ela viajasse em “pacotes”, e nunca com valores intermediários entre esses pacotes.

Esquema do efeito fotoelétrico, no qual um quanta de radiação eletromagnética de frequências específicas "ilumina" elétrons, que são emitidos na forma de fotoelétrons (Imagem: Reprodução/general-fmv)

Os espaços entre as órbitas dos elétrons e as diferenças de energias entre elas é diferente para cada elemento da tabela periódica. Isso significa que para cada elemento, o elétron precisa absorver um fóton de um quanta de energia diferente, enquanto emite outro fóton ao voltar para a órbita de baixa energia. O resultado é um espectro de absorção e outro de emissão, que os cientistas podem usar para identificar os elementos de objetos no universo, por exemplo.

Essas revoluções da física abriram as portas para outras descobertas, como o spin do elétron — a primeira propriedade fundamentalmente quântica, pois não existe nenhuma teoria na física clássica que o explique. O mesmo não ocorre com a luz, por exemplo, que pode ser explicada pela física clássica até certo ponto.

Albert Einstein trabalhou com ideia e propôs a quantificação da radiação eletromagnética em 1905 para explicar o efeito fotoelétrico, um feito que lhe rendeu o Prêmio Nobel da Física. Ele assume que a luz é emitida em “pacotes de energia” que eram quantizados. Não poderia haver “meio pacote” de energia de luz, ou 2,43 pacotes de energia. Apenas 1, 2, 3, e assim por diante. Mais tarde, esses pacotes, isto é, esses quanta de energia da radiação eletromagnética vieram a ser conhecidos como fótons.

A expressão "mecânica quântica" foi usada pela primeira vez só mais tarde, por Max Born, que aplicou as ideias do quanta em outros campos. Born solucionou a equação de Schrödinger para um problema de dispersão e, em 1954, foi premiado com o Nobel de Física por este trabalho. Por fim, a física quântica ganhou ainda mais relevância com o já mencionado modelo atômico de Niels Bohr.

Da física para a mecânica quântica

Cartaz do São Paulo Research and Analysis Center sobre o Modelo Padrão e as forças elementais da natureza (Imagem: Reprodução/São Paulo Research and Analysis Center)

Até aqui, essa nova física poderia ser chamada de física quântica, mas as próximas teorias e descobertas começaram a se desenvolver sem nenhuma relação com a física clássica. Isso nos trouxe coisas mais estranhas, como o princípio da incerteza, formulado em 1927 por Werner Heisenberg: você não pode determinar a posição e velocidade de uma partícula ao mesmo tempo. Se você acertar uma, errará a outra, porque, ao contrário da física determinística que vimos no início, é impossível prever o comportamento de um sistema quântico.

Mas como isso pode ser possível? É que se quisermos determinar a posição e a velocidade de uma partícula, precisamos fazer incidir luz sobre ela. Essa luz tem uma determinada frequência e, portanto, uma certa energia. Com isso, a posição/velocidade de uma partícula são alteradas de acordo com a frequência da luz usada para observá-la, ou seja, quanto mais você tenta determinar uma das propriedades, mais incerteza terá sobre a outra.

Isso também nos trouxe o famoso gato de Schrödinger. O problema do gato na caixa é sobre as várias possibilidades e o fato de que só podemos inferir qual delas se concretizou por meio da observação. Até que alguém resolva abrir a caixa, qualquer resposta para o problema “vivo ou morto” estaria correta, porque as possibilidades estão “sobrepostas”. Mas só saberemos realmente se abrirmos a caixa; entretanto, se o fizermos, estaremos alterando de modo concreto o estado do gato entre vivo ou morto.

Identificação do Bóson de Higgs pelo experimento Atlas (Imagem: Reprodução/Atlas Collaboration/Cern)

Desse modo, podemos responder a primeira pergunta do artigo da seguinte maneira: a mecânica quântica é a física das probabilidades, na qual não existe uma certeza. Isso nos leva a coisas mais “bizarras”, como o vácuo quântico, que substitui uma falsa ideia de vácuo absoluto no universo. Se o vácuo absoluto existisse, ele contrariaria o Princípio da Incerteza porque os campos eletromagnéticos e gravitacionais e, por consequência, a posição e a velocidade de uma partícula, seriam iguais a zero. Ou seja, ambas estariam determinadas.

Essa contradição é resolvida com um “vácuo” cheio de partículas potenciais, pares de matéria e antimatéria virtuais, que são constantemente criadas e destruídas. Elas não violam a lei da conservação da massa/energia porque existem em intervalos de tempo muito pequenos, muito menores do que o tempo de Planck (10^ -43s).

Por fim, a mecânica quântica trouxe sua maior contribuição com a teoria de campos e o Modelo Padrão de partículas, que é a melhor explicação que temos para o universo. Ela demonstrou com precisão como três das quatro forças fundamentais da natureza — a força forte, a força fraca o eletromagnetismo — atuam no nível sub-atômico, através de partículas intermediadoras: gluons, bósons e fótons, respectivamente.

Gráfico que ilustra o Modelo Padrão da física das partículas (Imagem: Reprodução/MissMJ/Wikimedia Commons)

O Modelo Padrão descreve cada partícula que conhecemos e como essas partículas interagem entre si por meio dessas forças fundamentais. Ele resistiu a décadas de testes, mas ainda falta algo: explicar a gravidade ao nível quântico. Albert Einstein demonstrou como a gravidade funciona no universo em grande escala, mas qual é a partícula mediadora dessa força, se é que essa partícula existe? Ainda não sabemos.

Devido à falta de algo na mecânica quântica que explique tudo o que Einstein demonstrou sobre a gravidade — em teorias que foram comprovadas inúmeras vezes através de observação — a mecânica quântica segue incompatível com a Relatividade Geral. Encontrar algo capaz de unificar ambas as teorias é um dos maiores desafios, se não o maior, da física moderna. Se os cientistas forem bem-sucedidos nessa tarefa, poderemos finalmente nos aproximar de uma Teoria de Tudo.

Como começar a estudar mecânica quântica?

Se você deseja realmente estudar mecânica quântica, saiba que não existem atalhos. Trata-se de uma área da ciência que surgiu para preencher lacunas da mecânica clássica, então talvez o melhor caminho seja estudar os problemas que levaram a essa necessidade, começando por Ludwig Boltzmann e o embate entre estados de energia discretos e não deterministas x o determinismo clássico.

Os primeiros passos podem ser a leitura de livros de autores como Richard Feynman, outro nome no elenco dos pioneiros da física quântica. Ele contribuiu com a eletrodinâmica quântica, que propõe a quantização dos campos, e com as teorias de interações fracas e fortes. Feynman escreveu livros introdutórios sobre física, que podem ser muito úteis para os interessados no assunto.

Funções de onda do elétron em um átomo de hidrogênio em diferentes níveis de energia. As áreas mais brilhantes representam uma maior probabilidade de encontrar o elétron, mas não podemos determinar sua localização exata (Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons)

Contudo, para realmente ser um estudante da área, talvez o melhor conselho seja se preparar para uma graduação em física. Isso não significa que você não possa entender um pouquinho mais sobre o assunto sem entrar em uma faculdade. Talvez o estigma de “impossível de entender” que a mecânica quântica carrega seja porque nós, humanos, temos muita dificuldade de compreender algo cuja natureza não se compara com absolutamente nada que podemos ver no dia-a-dia.

Mas os cientistas estão certos que todas essas “maluquices” estão corretas, tanto devido a incontáveis experimentos ao longo dos últimos cem anos, quanto por causa dos transmissores eletrônicos que propagam sinais eletromagnéticos, a ressonância magnética e os computadores quânticos. Eles funcionam graças às descobertas da mecânica quântica, então é correto afirmar que ela não apenas é real, como revolucionou a ciência e mundo.

Felizmente, alguns desses cientistas são dedicados na divulgação científica, que é a atividade de explicar ciência ao público "leigo", de modo didático. Conte também com canais de cursinhos no YouTube, onde geralmente as explicações são breves e fáceis de entender.

Fonte: The Feynman Lectures on Physics/CaltechThe Nobel Prize in Physics, Instituto de Física da UFRGS, Jornal da USP

Gostou dessa matéria?

Inscreva seu email no Canaltech para receber atualizações diárias com as últimas notícias do mundo da tecnologia.