Entender física quântica é uma tarefa muito contra-intuitiva, embora tenha aplicações bastante práticas na nossa vida.
Você já parou para pensar sobre o que faz seu celular funcionar ou como aquelas luzes LED tão eficientes iluminam sua casa? Por trás desta e de muitas dessas maravilhas modernas, estão as relações do mundo quântico, que pode até ser bem complicado, mas a ideia aqui é uma aproximação básica para tentar descomplicar as coisas!
A física quântica, em sua essência, trata dos objetos mais minúsculos que podemos imaginar: átomos, elétrons e outras partículas que estão bem ali, no coração de quase tudo que usamos hoje em dia. Nesse mundo minúsculo, as coisas podem estar em dois lugares ao mesmo tempo, passar por barreiras sólidas e, ainda assim, estar conectadas independentemente da distância entre elas.
Mas não podemos cair na tentação de imaginar as moléculas e os elétrons do mundo quântico como minúsculas bolinhas de tênis quicando por aí. Em vez disso, imagine que tudo isso seja mais parecido com ondas que se formam quando você brinca com a água na piscina, empurrando a mão através da água.
Aqui vamos falar de três princípios da física quântica para dar uma ideia mais clara sobre esse campo misterioso da ciência. Você vai ver que esses fenômenos nem vão soar tão estranhos!
Antes de começar, que tal um olhar da física quântica sobre a Terra? Clica aqui e olha que irado a abordagem de alguns cientistas para tentar entender padrões climáticos!
1. A estranheza (não tão estranha) do Princípio da Incerteza de Heisenberg
Vamos pensar em um jogo de tênis. Quando você lança a bola, com um olhar atento, é possível rastrear a posição e a velocidade exatas da bola durante todo o seu trajeto, certo? Mas e se pegássemos essa mesma bolinha e a encolhêssemos até o tamanho de um átomo? Se isso acontecesse, a tarefa de rastreamento da trajetória se tornaria uma missão impossível!
É disso que se trata o curioso mundo do Princípio da Incerteza de Heisenberg. Esse princípio nos diz que é impossível saber com precisão a posição e o momento (ou seja, a velocidade multiplicada pela massa) de um objeto ao mesmo tempo.
Imagine que o momento de objetos como bolas de tênis é simplesmente sua massa multiplicada pela velocidade. Contudo, para ondas, determinamos o momento medindo a distância entre os picos consecutivos, algo que chamamos de comprimento de onda, e as ondas são voláteis, tornando impossível determinar com 100% de precisão tanto a posição da onda quanto o comprimento de onda ao mesmo tempo.
Pense em dois tipos extremos de ondas d’água para visualizar melhor. Primeiro, imagine uma onda que se repete infinitamente, de forma regular, criada pelo vento em um canal infinitamente longo. Aqui, você poderia medir o comprimento de onda observando o padrão que se repete. Mas, e quanto à posição da onda no canal? Aí está o dilema: como a onda não tem começo nem fim, não podemos precisar sua posição exata.
Em contraste, pense em um segundo tipo: uma onda que tem apenas um pico em um lago calmo. Aqui, a posição é clara, mas ela não tem um comprimento de onda bem definido porque ela nunca se repete!
Na prática, isso reflete todas as ondas, e as ondas quânticas também ficam entre esses dois extremos. E é aí que está o mistério da física quântica, por mais que tentemos, nunca conseguiremos medir com precisão simultaneamente a posição e o comprimento de onda de uma onda quântica.
2. A mágica (não tão mágica) da superposição e do entrelaçamento (ou emaranhamento)
Agora vamos falar sobre dois conceitos da física quântica que parecem tirados de um livro de ficção: superposição e entrelaçamento (ou emaranhamento, é a mesma coisa). E pode não parecer, mas eles são bem reais!
Primeiro, a superposição. Já ouviu alguém dizer que um objeto quântico pode “estar em dois lugares ao mesmo tempo”? É disso que estamos falando.
E vamos voltar às ondas. Se você pensar em um riacho, sabe que uma onda pode facilmente se dividir por um canal bifurcado e fluir por dois caminhos diferentes simultaneamente. Esse é o básico da superposição de estados quânticos, e, quando olhamos dessa forma, nem parece tão estranho assim, certo?
Agora, o entrelaçamento. Imagine um molho de salada em repouso, com o óleo flutuando sobre o vinagre. Se você criar uma onda no óleo, uma onda correspondente surgirá no vinagre, criando aqueles padrões ondulados onde as duas substâncias se encontram. A coisa interessante aqui é que, ao estudar a onda no óleo, você pode aprender sobre a onda no vinagre. Essa interconexão dos dois é o que chamamos de entrelaçamento. Em resumo, as duas ondas estão ligadas e as propriedades de uma dependem da outra onda, e vice-versa.
Para ilustrar ainda mais, pense em despejar esse molho de salada por um canal bifurcado. As ondulações combinadas de óleo e vinagre viajarão pelos dois canais ao mesmo tempo, e por mais incrível que pareça, ao medir a onda de óleo em um canal, você saberia tudo sobre todas as ondas nos dois canais, mesmo que estivessem a quilômetros de distância! No mundo da física quântica, diríamos que as ondas nos dois canais estão “entrelaçadas”.
Usamos entrelaçamento na tecnologia quântica para coisas como criar criptografias inquebráveis ou acelerar cálculos.
3. O tunelamento (não tão túnel) quântico
Outro fenômeno da física quântica é o “tunneling” ou “tunelamento”.
E para falar disso, vamos pensar na bolinha de tênis. Jogue-a contra uma parede, e o que acontece? Ela volta, certo? Mas imagine, por um momento, que em vez de uma bola de tênis, temos um átomo. Você esperaria que ele também voltasse após colidir com a parede, mas a surpresa é que ele pode, de alguma maneira, aparecer do outro lado.
E aqui vamos voltar às ondas. Podemos ver algo semelhante em um lugar tão comum quanto em uma banheira.
Imagine que dentro desta banheira você constrói uma pequena parede ou barreira submersa, que é alta, chegando muito perto da superfície da água, mas não a tocando completamente. Agora, ao criar uma onda de água e direcioná-la para essa barreira, algo interessante acontece. Se a onda for enviada com um ângulo específico em relação à parede, ela não consegue atravessar a barreira completamente, mas “rebate”, ou seja, é refletida. Esse comportamento é similar ao que acontece com a luz em algumas situações, onde ela sofre o que chamamos de “reflexão interna total”.
No entanto, aqui vem a parte intrigante. Mesmo que a maior parte da onda seja refletida pela barreira, uma pequena parte dela, que podemos imaginar como “a cauda da onda”, consegue “sentir” ou “sondar” o que está do outro lado da barreira. Se a barreira for suficientemente fina, essa “cauda” não só detecta o outro lado, mas também consegue continuar seu movimento e aparecer do outro lado como se tivesse “atravessado” a barreira, ou “tunelado” através da barreira. Em linguagem mais coloquial, é como se a onda tivesse feito uma pequena mágica para cruzar o obstáculo.
O mais fascinante é que esse comportamento não se limita apenas às ondas de água. Na verdade, algo semelhante ocorre no mundo da tecnologia, particularmente em algumas telas sensíveis ao toque.
Em vez de ondas de água, essas telas utilizam raios de luz. Quando a luz atinge a tela sob certas condições, ela pode ser refletida de maneira semelhante à onda na banheira, e parte dessa luz pode “atravessar” ou “ser detectada” do outro lado, permitindo que a tela detecte a localização exata do toque.
Esse conceito não é algo que fica na teoria da física quântica. Fenômenos parecidos com “tunelamento” também ocorrem com raios de luz e são aplicados na tecnologia que usamos todos os dias. Um dispositivo com tela sensível pode ter um sistema que um conceito semelhante!
O que é realmente estranho da física quântica
Essa é aquela parte da física quântica que realmente dá um nó na cabeça: a medição. Você pode até ver mais sobre o assunto clicando aqui!
Por mais que consigamos desmistificar muitos comportamentos quânticos imaginando partículas como ondas, essa estratégia tem seus limites, e a medição quântica é exatamente onde esse limite é traçado.
Quando medimos uma onda quântica – seja ela se movendo por dois canais diferentes ou após tunelar através de uma barreira – algo inesperado acontece. De repente, toda essa onda se manifesta em um único local específico, como se estivesse lá o tempo todo. Não é como se estivesse dividida, espalhada, ao contrário, ela se concentra inteiramente em um ponto, desafiando nossa lógica usual.
E complica um pouco mais: as equações matemáticas que usamos para descrever essas ondas quânticas simplesmente não dizem o que acontece durante essa medição.
Essas teorias robustas e estranhas da física quântica que nos deixam confusos, deixam até mesmo os físicos, que não têm um consenso sobre como interpretar esse processo.
Esta peculiaridade da medição quântica é o que realmente distingue o comportamento quântico de outros fenômenos ondulatórios, como as ondas que vemos na água.
Para fazer uma analogia, imagine isso: estar em um estádio, ouvindo um discurso. O som se espalha e todos podem ouvir. Mas no mundo quântico, assim que uma única pessoa “percebe” o som, todo o som se concentra nesse único ouvido e o estádio inteiro fica em silêncio. BIZARRO!
O mundo da física quântica é, sem dúvida, misterioso e desafiador, mas é também essa estranheza que torna essa ciência tão fascinante e, ao mesmo tempo, tão crucial para a tecnologia e o conhecimento que temos hoje.
Apesar de todas as aplicações, a física quântica realmente faz questionar toda realidade como conhecemos…
Fonte: Scientific American
