Ser ou não ser, eis a física quântica!
Nos últimos tempos, a utilização do adjetivo "quântico" tem se tornado cada vez mais comum - inclusive, em contextos que não estão, necessariamente, relacionados ao estudo das ciências da natureza. Como era de se esperar, a crescente "fama" deste termo deu origem a aplicações um tanto polêmicas e equivocadas feitas por pessoas que, muitas vezes, não conhecem os conceitos e estudos que estão por trás desse. Tendo isso em vista, a publicação desta semana busca explorar o significado, a história e os principais conceitos que envolvem a mecânica quântica!
Fonte:
Em primeiro lugar, a fim de entendermos melhor os objetos de estudo desta postagem, acho interessante analisarmos o significado atual do termo "quântico".
A definição acima, obtida através de uma rápida pesquisa no Google, mostra-se bastante útil para isso: a mecânica quântica estuda sistemas físicos compostos por elementos muito pequenos (da escala de prótons e elétrons) que, em virtude de seu tamanho, não podem ser analisados adequadamente a partir da mecânica clássica - a qual se baseia, sobretudo, nas três Leis de Newton.
Uma breve história da Física Quântica
Assim como diversas outras áreas da ciência, a física quântica surgiu a partir da observação de um fenômeno que, a primeira vista, pode parecer bastante banal: quando cientistas queimavam amostras de diferentes elementos químicos, percebiam que cada um deles emitia luz dotada de cores distintas. Por exemplo, ao queimarem uma certa quantidade de sal de cozinha (
), eles observaram a emissão de uma luz amarela, ao passo que, quando queimavam sulfato de cobre (
) à mesma temperatura, a chama adquiria uma coloração esverdeada. Além disso, percebeu-se que a coloração associada à chama de cada elemento químico mudava conforme a alteração da temperatura.
Diante disso, com o intuito de tentar compreender a origem de tais padrões, decidiu-se comparar os espectros de absorção e de emissão de diferentes elementos químicos em diferentes temperaturas - isto é, analisaram-se os comprimentos de onda (cores) que eram absorvidos e, posteriormente, emitidos pelas chamas desses.
A partir dessa análise, tornou-se possível construir curvas de emissão eletromagnética - deveras semelhantes às curvas de sensibilidade espectral mostradas na postagem da semana passada. Em suma, tais gráficos nos permitem observar quais comprimentos de onda, e em que intensidade, são emitidos pela chama de um elemento químico em uma determinada temperatura.
Conforme pode ser observado no gráfico acima, o aumento da temperatura faz com que o pico de emissão - o comprimento de onda emitido em maior intensidade - não só se intensifique, mas também se desloque para a esquerda e, portanto, esteja associado a um menor comprimento de onda. Nesse contexto, de acordo com a física clássica, a intensidade e o comprimento de onda da luz emitida por um corpo deveriam, respectivamente, aumentar e diminuir de forma contínua – até que essa atingisse a faixa de radiação ultravioleta, invisível ao olho humano.
Contudo, na prática, observa-se que a intensidade da luz atinge um valor máximo, e em um comprimento de onda ainda associado a luz visível. Semelhante situação ficou conhecida como catástrofe ultravioleta, uma vez que as previsões embasadas na física clássica não se aplicavam à radiação ultravioleta.
Com o intuito de explicar esse fenômeno, Max Planck propôs, em 1900, que a radiação eletromagnética (luz) emitida por um objeto aquecido provinha da vibração de alguns de seus átomos (denominados osciladores), de tal forma que nem todos vibrariam em uma mesma frequência.
Para isso, Planck assumiu que cada oscilador era dotado de uma frequência fundamental (ν), podendo vibrar nessa ou em outra frequência múltipla dessa - ou seja, caso ν = 3Hz, o oscilador também poderia vibrar nas frequências 6 Hz, 9 Hz, 12 Hz, ... -. Com efeito, o cientista também propôs que a energia associada a cada oscilador seria proporcional à sua frequência de vibração e, portanto, também poderia assumir valores específicos!
Com sua teoria, Planck quantizou as energias, ou seja, propôs que apenas algumas energias são permitidas – algo que, vale ressaltar, revolucionou o estudo da física, e se tornou um dos pilares da mecânica quântica.
Com base da teoria de Planck, Niels Bohr foi capaz de elaborar o seu modelo atômico, Albert Einstein explicou o efeito fotoelétrico e Louis Victor Broglie pôde investigar e, posteriormente, comprovar a dualidade partícula-onda da matéria.
Os conceitos mais populares
Algo deveras interessante em relação a mecânica quântica é o fato de que essa foi, e continua sendo, amplamente incorporada ao ideário popular. Talvez em virtude se suas ideias que contradizem o senso comum, tal área da ciência é constantemente citada em séries, filmes e, inclusive, desenhos animados - sendo, nesses casos, abordada de forma bastante simples e, muitas vezes, permeada por um toque de humor. Nesse contexto, destacam-se os nomes de dois grandes cientistas: Werner Heisenberg e, principalmente, Erwin Schrödinger.
- O Princípio da Incerteza de Heisenberg:
Imagine um objeto extremamente pequeno, tão ínfimo que não pode ser observado sequer pelo microscópio mais potente. Agora, tente indicar exatamente a posição que esse ocupa no espaço e a energia que esse contém. Por mais que você tenha à disposição os instrumentos mais potentes, e saiba as melhores fórmulas para isso, tal tarefa mostra-se praticamente impossível, justamente, em virtude das minúsculas dimensões do objeto em questão.
No contexto da mecânica quântica, tal situação é bastante comum, e, por isso, Heisenberg propôs que não é possível determinar simultaneamente, e de forma precisa, a posição e a energia de uma partícula muito pequena (como, por exemplo, um elétron).
- O famoso "gato de Schrödinger":
O paradoxo do "gato de Schrödinger" consiste em um experimento mental criado pelo cientista para analisar o Princípio da Incerteza de Heisenberg. A fim de facilitar o entendimento da situação proposta, decidi inserir parte de uma reportagem "O que é a teoria do gato de Scrödinger", publicada pela revista Superinteressante. Sendo assim, reforço que o texto a seguir não é de minha autoria, e recomendo fortemente a leitura da reportagem completa😸
"1. Um gato é colocado em uma caixa selada onde um único átomo radioativo é ligado a um aparato medidor que, por sua vez, está conectado a um martelo. O martelo paira sobre um frasco de veneno. Se o medidor detectar que o átomo radioativo decaiu, ou seja, perdeu um elétron, o martelinho quebra o frasco, o veneno vaza e o gato morre.
2. A probabilidade de esse átomo perder ou não um elétron é incalculável. Pior: segundo o Princípio da Incerteza, a posição desse elétron é múltipla: ele está tanto perto do núcleo atômico (o átomo não decaiu) quanto longe (o átomo decaiu) ao mesmo tempo. Sua posição “definitiva” só é determinada se alguém observá-lo.
3. Como a vida ou a morte do gato está diretamente ligada à posição do elétron, e este está em mais de um lugar ao mesmo tempo, o gato também está em um estado múltiplo: tanto vivo quanto morto. O gato não tem capacidade de observar o átomo e, como a caixa está selada, ninguém pode ver nada ali dentro.
4. Se um observador abre a caixa e olha para dentro, ele imediatamente determina, por observação, em que posição o elétron está, o que também define a vida ou a morte do gato. O paradoxo está na estranha situação do gato: afirmar que a observação é que determina vida ou morte do bichano em vez de apenas registrar o estado dele soa absurdo."
Sendo assim, o enorme interesse atribuído a esse paradoxo gira em torno do fato de que só saberemos de fato se o gato está vivo ou morto após abrirmos a caixa. Até lá, tudo o que podemos fazer é elaborar teorias e especulações, as quais não podem ser comprovadas em virtude do Princípio de Incerteza de Heisenberg, que nos impede de saber onde o elétron se encontra, ou como ele se move.
Computadores quânticos: uma aplicação prática da "sobreposição quântica"
Após esta breve explicação acerca dos principais conceitos abordados pela física quântica, pode ser um tanto difícil imaginar possíveis aplicações práticas dessa área do conhecimento em nosso cotidiano, não é mesmo? Porém, elas não apenas existem, como também estão sendo desenvolvidas a todo o vapor: os computadores quânticos!
Tais computadores caracterizam-se por serem muito mais rápidos do que um supercomputador convencional - de acordo com pesquisadores do Google, esses são capazes de realizar, em apenas 200 segundos, uma tarefa que demoraria cerca 10000 anos para ser completada por um computador convencional.
Para entender melhor o motivo de semelhante velocidade, é necessário lembrar que, em nossos computadores e celulares, a informação é interpretada sob a forma de bits, os quais podem assumir apenas dois valores: 0 (verdadeiro) ou 1 (falso). Sendo assim, o texto desta publicação é transportado de meu computador até o seu dispositivo eletrônico através de uma longa "sequência de zeros e uns". Já no caso dos computadores quânticos, a informação está atrelada a qubits, os quais podem assumir os dois valores simultaneamente.
Sendo assim, de forma análoga ao gato de Scrödinger, um qubit pode ser, ao mesmo tempo, 0 (verdadeiro) e 1 (falso). Em outras palavras, um qubit carrega o dobro de informações associadas a um bit. Como consequência, um computador quântico pode realizar determinadas operações - sobretudo aquelas baseadas em testes e comparações como a fatoração de um número, ou a identificação de padrões - de maneira muito mais rápida e eficiente, quando comparado a um computador convencional.
Recomendações:
Nesta postagem, foram citados os conceitos como o Efeito Elétrico e a dualidade partícula-onda da matéria. Caso você tenha ficado curioso sobre esses conceitos, gostaria de recomendar dois vídeos:
O primeiro, é um vídeo retirado do canal "Ciência Todo Dia", o qual aborda os estudos realizados por Einstein em relação ao Efeito Fotoelétrico:
Já o segundo, retirado do canal "Universo Narrado", aborda os estudos de De Broglie a respeito da dualidade partícula-onda da matéria:
Além disso, caso tenha ficado curioso sobre o funcionamento dos computadores quânticos, recomendo o vídeo "Computação Quântica | Nerdologia Tech", do canal "Nerdologia", que, inclusive, mostra como eles podem ser utilizados no contexto da criptografia:
Excelente discussão! É importante diferenciar ciência verdadeira da tentativa que charlatães fazem de vender pseudociência.
ResponderExcluirQuer saber um pouco mais sobre como as mulheres contibuiram para o desenvolvimento deste ramo tão curioso da Física?
ResponderExcluirAcesse a publicação "Sonja Ashauer e a Eletrodinâmica Quântica" do blog Girls just wanna have science!
O link é: gjwhs2020.wixsite.com/science/post/sonja-ashauer-e-a-eletrodinâmica-quântica