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Física quântica, churrasco e um gato

Hoje quero te contar mais sobre física quântica, essa área que estuda o mundo subatômico, das partículas minúsculas, que desafiam nossa compreensão da realidade.

Imagina a seguinte situação: você está numa sala totalmente escura e lá dentro uma bolinha de ping pong está ricocheteando, batendo e rebatendo nas paredes, e o único instrumento que você tem para localizar essa bolinha é um martelo.

No momento em que o martelo encontra a bolinha, você sabe com certeza a posição dela, mas no mesmo instante, ao bater no martelo, a velocidade da bolinha muda e ela segue para outra direção, outra posição. Fica impossível saber com certeza a sua velocidade e a posição ao mesmo tempo.

Eu, você, nossos boletos, nossa casa, a pizza que eu comi ontem, toda matéria no Universo é feita de átomos. Esses átomos são feitos de outras partículas, os prótons e os nêutrons, e os elétrons. Pois é, o mundo macroscópico, esse que a gente consegue enxergar, sentir, é regido pelas leis da física clássica.

Como por exemplo, um carro numa rodovia. Se sabemos a posição e a velocidade dele num determinado instante, a gente consegue calcular qual vai ser a posição e a velocidade dele em qualquer instante posterior. Mas quando falamos de moléculas, átomos e partículas subatômicas, isso não acontece.

E olha que é só o começo… 

Já falamos de 2 conceitos importantes da Física Quântica, que você pode ver clicando aqui. E agora vamos a outros…

Física quântica no churrasco

Agora vamos pensar naquele belo churrasco, esse que você vai fazer no fim de semana, há um ingrediente principal que foi o motivo da física quântica ter sido descoberta! É aquele braseiro bonito, o brilho avermelhado do carvão em brasa. Ou também pode ser daquele forno à lenha espacial pra assar uma bela pizza!

Pois a física quântica teve início como uma proposta pra explicar por que objetos muito, muito quentes emitem essa cor vermelha tão característica. A física clássica que se conhecia no século XIX não explicava a chamada “radiação de corpo negro”, – nome dado a um meio ou substância que absorve toda energia incidente sobre ele.

Nesse caso, a luz e a radiação térmica emitidas são independentes da composição do material e, para resolver o problema, o genial Max Planck, lá em 1900, sugeriu uma nova expressão matemática para descrever o espectro de emissão de energia do corpo negro.

Essa fórmula estabelecia a energia sendo emitida em “pacotes”, com valores muito bem definidos (ou quantizados), e seus múltiplos. E na real, essa solução do Planck era pra ser assim, algo provisório, mas os experimentos só comprovaram que ele estava certo. Nascia aí uma das maiores revoluções da ciência, a Física Quântica, que passou a ser a nossa teoria para descrever o mundo dos átomos e suas partículas, muito diferente da física clássica. De lá pra cá, uma infinidade de fenômenos envolvendo o mundo dos átomos passou a ser descrito pela mecânica quântica e comprovado por experimentos reais.

Desde o início do século XX, a física quântica é usada para descrever fenômenos da natureza que a física clássica não dá conta de explicar. Muitos deles ocorrem em nível microscópico, invisíveis aos nossos olhos, mas com forte impacto na tecnologia. Em smartphones, computadores e TVs, por exemplo, há uma infinidade de fenômenos quânticos acontecendo. Bilhões de componentes nos minúsculos microprocessadores de um computador, no momento em que você lê este texto, trabalham de acordo com regras muito bem descritas e estabelecidas pela mecânica quântica.

O mundo quântico se comporta de maneira desafiadora à nossa intuição. Muitos fenômenos que ocorrem no nível atômico não têm paralelo na realidade macroscópica. Um deles é o tunelamento quântico, que permite a uma partícula ultrapassar uma barreira de energia muito maior que a energia que ela possui. Seria como estar de um lado de um muro e aparecer do outro sem precisar pulá-lo.

Outro exemplo é a superposição. Para um elétron, por exemplo, se soubermos com precisão a posição dele, não conseguimos ter a mesma certeza em relação à sua velocidade. Isso porque, no mundo quântico, o ato de medir altera o estado de uma partícula. É o princípio da incerteza, descoberto pelo físico alemão Werner Heisenberg, na década de 1920. Basicamente, esse princípio diz que um átomo, uma partícula ou mesmo uma molécula podem estar em dois ou mais lugares ao mesmo tempo — ou “superpostos”. E essa propriedade está relacionada à natureza que a matéria tem de também ser onda. Como uma onda é uma perturbação no espaço e no tempo, ela pode ser detectada de forma espalhada, isto é, em vários pontos do espaço.

Diz-se no jargão dos físicos que a função de onda “colapsa” quando fazemos a medição. Desse modo, é possível dizer que medir a partícula é quase como fazê-la existir

Pilar principal que sustenta a teoria quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg mostra, portanto, que é impossível medir simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula, e nem dá para saber o quanto de energia ela tem em um certo intervalo de tempo: é possível medir uma coisa ou outra, as duas juntas, não tem como! Pra resumir, antes de uma partícula ser observada, medida, localizada, há uma soma infinita de probabilidades, e assim ela pode estar em todos os lugares possíveis, com todas as velocidades e posições possíveis no Universo.

O que a natureza nos dá de concreto para mensurar é apenas a probabilidade de uma partícula estar em um lugar com determinada velocidade, ou a probabilidade de ter aquela energia, naquele instante.

Mas como tanta incerteza é capaz de gerar uma realidade tão previsível? Quando olhamos um carro ou uma cadeira, eles estão ali e parecem imutáveis, certo? Onde termina o mundo quântico e começa o da física clássica, no qual podemos medir tudo com exatidão? Eis a pergunta de 1 milhão de dólares (ou mais!).

Fato é que os fenômenos quânticos estão aí, amparando a vida e também a tecnologia que criamos a partir da sua descoberta. Acredite: eles fazem mais parte do seu dia a dia do que você imagina. 

Bem… Começamos no churrasco, vamos terminar no gato…

O Gato de Schrödinger 

Já ouviu falar né? Mas afinal o que é o tal Gato de Schrodinger? Vamos voltar ao fenômeno quântico da superposição, que é um dos comportamentos mais estranhos do mundo das partículas e dos átomos. E lembre-se de que tudo que vou falar aqui vale para a área da física dedicada ao mundo subatômico apenas!

Para começar, é bom dizer que a ideia de que o nosso pensamento poderia moldar a realidade é uma distorção muito grosseira do que em física a gente chama de superposição quântica. 

É assim ó: uma partícula, como um próton, é descrita como as mencionadas funções de onda. Assim, cada função de onda dessa partícula contém informações de sua energia, sua posição, sua velocidade, respeitada a incerteza. E como vimos, antes dessa partícula ser medida, isto é, ser observada matematicamente, ela é descrita por uma “superposição” de infinitas funções de onda, que são aquelas infinitas probabilidades, podendo ela pode estar em todos os lugares possíveis, com todas as velocidades e posições possíveis no Universo.

A execução da medida, que influi no resultado, e essa soma de probabilidades, dão lugar à medida de maior probabilidade para posição, velocidade energia, etc, apontando para o que chamamos “estados da partícula”. Complicado né? Difícil de imaginar que uma coisa possa ou não estar em todo lugar, ao mesmo tempo, e quando a observamos (e lembra que na física quântica “observar” quer dizer “medir”), ela passa a existir de fato.

Pois é aí que o nosso gato mais famoso entra. 

Pra tornar o conceito da superposição quântica mais didático ao público leigo, em 1935, durante uma palestra, o físico austríaco Erwin Schrödinger usou o exemplo de um gato dentro de uma caixa fechada. Antes de ser observado, em termos matemáticos, o gato poderia estar morto “e” vivo ao mesmo tempo. Ao abrir a caixa (observá-lo, portanto), ele estaria morto “ou” vivo

…Mas calma! Era só um exemplo! Não houve nenhum gato de verdade nessa situação…!

Ah, vale sempre lembrar que o próprio Niels Bohr, um dos pais da Física Quântica dizia que não é a mente humana, não é o observador do qual tratam as contas da mecânica quântica. O observador a que ele e outros pesquisadores se referem é o ato de medir, independentemente de quem o faça.

A mente não é um aspecto elementar da realidade. Afinal, o Universo, com seus átomos, partículas e subpartículas, existe há muito mais tempo do que nós e a Terra…

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Marcelo Lapola

Marcelo Lapola

Professor, pesquisador e físico na Unesp - Rio Claro; Doutor em cosmologia e astrofísica pelo ITA | Ciência, arte, e divulgação científica na veia! 🔭

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