O que é Física Quântica e qual é seu objeto de estudo? - Médico - 2023

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"Se você pensa que entende a mecânica quântica, você não entende a mecânica quântica."

Foi assim que Richard Feynman, astrofísico americano ganhador do Prêmio Nobel e um dos pais da Física Quântica, descreveu a complexidade dessa disciplina científica. Com a mecânica quântica, estamos entrando no reino mais complicado, mas ao mesmo tempo mais incrível e emocionante da ciência.

A Teoria Quântica nasceu de um problema que os físicos enfrentaram há cerca de um século, terminando de ser descrito há 50 anos. O problema em questão é que, no nível subatômico, as leis físicas clássicas não se ajustavam. Se formos para um nível inferior do átomo, as regras do jogo mudam.

Estamos no mundo quântico. O mundo das partículas subatômicas. Um mundo em que a relatividade geral e as leis clássicas de Newton não se encaixam. Essas partículas se comportam de uma maneira totalmente diferente do que dita nossa lógica e bom senso.


Mas o que exatamente é Física Quântica? O que ele está estudando? Por que é tão complicado? Por que não podemos unificar os mundos quântico e macroscópico? No artigo de hoje responderemos a essas e muitas outras questões, pois descreveremos de forma simples o objeto de estudo da mecânica quântica.

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O que exatamente é Física Quântica?

Assim que começamos, encontramos um problema. Nem mesmo os especialistas nesta disciplina sabem exatamente o que é Física Quântica. Ainda assim, a primeira definição é bastante direta: a mecânica quântica é a física dos pequenos. Pode parecer infantil, mas é importante manter isso em mente.

E agora, o mais preciso: A Física ou Mecânica Quântica é uma teoria probabilística que estuda a natureza em escalas atômicas e subatômicas, um nível de organização da matéria que não está sujeito às leis da relatividade especial..


Nesse sentido, a Física Quântica se concentra em analisar as interações que ocorrem entre as diferentes partículas subatômicas e que explicariam a natureza mais primitiva das quatro forças fundamentais do Universo: a gravidade, o eletromagnetismo, o nuclear fraco e o nuclear forte.

Em outras palavras, a mecânica quântica é a disciplina que estuda como as partículas subatômicas se comportam, uma vez que seu comportamento não segue as regras do jogo da física clássica. Portanto, o mundo quântico precisava de suas próprias leis. Novas equações matemáticas e novas abordagens. E foi assim que nasceu a física quântica.

Em suma, a Física Quântica é o ramo da Física que estuda a natureza e as interações fundamentais que ocorrem ao nível atómico e especialmente subatómico, com partículas que não seguem as leis clássicas e que se comportam de uma forma que viola o nosso bom senso. A Mecânica Quântica é um olhar sobre o menor e mais primitivo do Cosmos que nos permite entender a natureza mais fundamental do Universo.


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Por que a Física Clássica e a Física Quântica não se dão bem?

Como comentamos, as bases da física quântica foram estabelecidas há cerca de um século, com algumas primeiras aproximações que surgiram do trabalho de físicos como Albert Einstein. Ainda assim, a princípio, muitos cientistas (incluindo Einstein) acreditaram que a mecânica quântica era um disparate.

Mas vamos nos colocar em contexto. Albert Einstein, em 1915, apresentou uma teoria que mudaria o mundo da ciência para sempre: a relatividade geral ou relatividade especial. Com essa teoria, Einstein afirmava que a única constante no Universo era a velocidade da luz e, portanto, que tudo o mais era relativo (inclusive o tempo). E, além disso, esse espaço e tempo estavam tão intimamente relacionados que formavam um único pacote imóvel: o espaço-tempo.

Com o advento dessa teoria, os cientistas tiveram sorte. E é que, pela primeira vez, uma única teoria explicava a razão da existência das quatro forças fundamentais do Universo: a gravidade, o eletromagnetismo, o nuclear fraco e o nuclear forte.

A relatividade geral tornou possível fazer previsões, deduções lógicas e aproximações matemáticas de todos os corpos do Universo em todos os níveis: de um superaglomerado galáctico a nós mesmos e até mesmo no nível molecular. Tudo o que aconteceu no Universo no nível macroscópico se encaixou perfeitamente com a relatividade geral.

Mas o que aconteceu quando a estrutura do átomo foi descrita? Que tudo desmoronou. Seguindo as leis da relatividade geral, os elétrons do átomo, ao girar, deveriam emitir luz. E ao emitir luz, eles perderiam energia. E se eles perdessem energia, eles cairiam no núcleo e o átomo se quebraria. Tínhamos acabado de ver que, ao passarmos do nível atômico e chegarmos ao das partículas subatômicas, as leis físicas clássicas não se encaixaram.

Tudo o que funcionava no nível macroscópico (do átomo para cima), "por mágica", deixou de funcionar no nível das partículas subatômicas. O nível subatômico segue regras de jogo totalmente diferentes das nossas, indo contra não apenas as previsões das leis físicas clássicas, mas até mesmo nossa lógica e bom senso.

Isso fez com que, na década de 30, os princípios da mecânica quântica começassem a ser estabelecidos. O mundo das partículas subatômicas era diferente do nosso. E sendo um mundo diferente, precisava de suas próprias leis.Mas como é possível que haja uma fronteira tão grande entre o mundo da relatividade geral e o mundo quântico? Como pode ser que não haja conexão entre eles se os corpos macroscópicos são feitos, em princípio, de partículas subatômicas? Não fazemos parte do mundo quântico?

Boas perguntas. Na verdade, respondê-las é a maior ambição da física moderna. E é isso a partir de sua própria formulação, estamos procurando por uma teoria que une a física clássica e quântica. Uma teoria de tudo que consegue unificar o mundo da relatividade geral e o quântico. Uma teoria que, por fim, nos faz entender a natureza fundamental do Universo.

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O que a mecânica quântica estuda?

O objeto de estudo da mecânica quântica é muito claro: o comportamento das partículas subatômicas. Agora, além disso, quanto mais pensamos que descobrimos sobre eles, mais misteriosos eles se tornam e mais perguntas sem resposta aparecem. Mesmo assim, esses são os fundamentos e áreas de estudo mais importantes da Física Quântica.

1. Quantização de energia

Como já comentamos, o mundo quântico é governado por leis que vão contra nosso bom senso. Portanto, de agora em diante, devemos abrir nossas mentes e ter em mente que as partículas subatômicas não seguem nenhum princípio lógico nem estão sujeitas às leis físicas clássicas.

E começamos com um dos fenômenos mais importantes e mais estudados da Física Quântica. Na verdade, é precisamente isso que lhe dá o nome. Mas o que é a quantização de energia? Vamos nos colocar em contexto. Em nosso mundo relativístico sujeito às leis físicas clássicas, quando você está indo de trem, por exemplo, este trem está acelerando continuamente. Ou seja, para ir de uma velocidade X a outra Y, é necessário percorrer todos os valores entre as duas velocidades. A energia é contínua, no sentido de que não salta.

No mundo quântico, as coisas mudam completamente. Digamos que um "trem quântico", ao acelerar, não passasse por todos os valores entre X e Y, mas sim saltaria entre os valores. Nesse sentido, as partículas subatômicas apresentam um comportamento energético que é definido como discreto, ou seja, não é contínuo. No mundo quântico, a energia flui em saltos. Em pacotes de energia. E cada um desses pacotes é um quantum. Daí o nome da teoria.

2. Superposição quântica

Se o primeiro ponto lhe pareceu estranho, espere até ver este. O princípio da superposição nos diz que uma partícula nunca está em um ponto específico do espaço. Uma partícula subatômica está, simultaneamente, em todos os lugares do espaço onde pode estar. Somos nós, como observadores, que, ao olharmos, veremos que está em um ou em outro. A mecânica quântica é uma teoria da probabilidade, o que significa que somente quando você olha para uma partícula ela aparecerá em um dos estados possíveis. Mas, no nível quântico, ele existe ao mesmo tempo em todos os lugares onde pode existir.

3. Dualidade onda-partícula

Um dos princípios mais importantes e famosos da Física Quântica. Dualidade onda-partícula nos diz que objetos quânticos são, ao mesmo tempo, ondas e partículas. Não faz nenhum sentido de nossa perspectiva macroscópica, mas já avisamos que o mundo quântico segue suas próprias regras. Dualidade refere-se ao fato de que as partículas subatômicas se comportam, simultaneamente, como pontos esféricos no espaço e como ondas que viajam pelo espaço. A luz, sem ir mais longe, é uma partícula (o fóton), mas também uma onda.

4. Efeito de túnel

O efeito túnel é outro dos princípios mais importantes da Física Quântica e consiste em um fenômeno quântico em que uma partícula é capaz de penetrar uma barreira de impedância maior que a energia cinética da referida partícula. Em outras palavras: partículas subatômicas podem atravessar paredes. Se nosso corpo fosse quântico, você poderia atravessar paredes. Isto faz algum sentido? Não. Nada na mecânica quântica o faz, mas o fato é que as partículas subatômicas se comportam assim.

5. Princípio da incerteza

O princípio da incerteza é um dos pilares da Física Quântica. Nos diz que é fisicamente impossível saber, simultaneamente, a posição e velocidade exatas de uma partícula subatômica. Da nossa perspectiva, apesar de sabermos que uma partícula específica tem probabilidades específicas de estar em um local A e certas probabilidades de estar em um local B, nunca podemos saber exatamente em qual ela está porque, basicamente, está nos dois ao mesmo tempo. tempo. Se você estiver em dois lugares simultaneamente, nunca poderemos saber sua posição exata.

6. Emaranhamento quântico

O emaranhamento quântico é um fenômeno pelo qual os estados quânticos de duas ou mais partículas subatômicas estão ligados. Em outras palavras, este princípio defende que os diferentes estados sobrepostos das partículas estão entrelaçados, de forma que se observarmos um determinado estado, imediatamente a próxima partícula terá o outro estado. Sim, é complicado. Mas é quântico. Nada é simples.

7. Teoria das cordas

Incluímos a Teoria das Cordas porque é o que nos aproxima de uma teoria de tudo. Esta hipótese defende a ideia de que a natureza mais primitiva da matéria não são as partículas subatômicas esféricas e tridimensionais, mas cordas vibratórias unidimensionais que, como resultado dessa vibração, nascem as forças fundamentais do Universo. Ao contrário do modelo padrão de partículas subatômicas, essa teoria explica a natureza da gravidade de um ponto de vista quântico.

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