A mecânica quântica, essa área da física que lida com partículas minúsculas desperta muita curiosidade. E neste artigo quero te contar sobre dois dos muitos conceitos dessa intrigante área do conhecimento: Eletrodinâmica Quântica e Emaranhamento Quântico.
À medida que formos conversando aqui pelo blog, quero te contar mais sobre os conceitos que nos ajudam a entender como se comportam as partículas no nível quântico do nosso universo! Acumular essas noções ajudam a entender um pouco mais sobre esse campo fascinante que é a física quântica!
Vamos começar pela eletrodinâmica quântica…
Nossa, assim, pelo nome, até assusta, né?! Mas ela é considerada a joia mais preciosa da física moderna!
Vamos nos aproximar disso entendendo, primeiro, que um campo é uma espécie de mapa, que mapeia a intensidade de uma força no espaço e no tempo. Como um imã, por exemplo. Pense em você mesmo: Sua presença no espaço, cria um campo ao seu redor.
A teoria quântica de campos, – uma teoria que uniu mecânica quântica com efeitos da relatividade especial –, nos diz que as forças são transmitidas por partículas mediadoras de força.
Muito bem. Agora então é hora de saber que os mediadores da força eletromagnética são os fótons. E o modo com que as interações de troca de fótons podem ser visualizadas é por meio de um diagrama de Feynman. Existe o modelo mais simples deste diagrama que mostra como partículas com cargas de mesmo sinal se repelem apontando então para a repulsão entre os elétrons, que têm a mesma carga negativa.
No diagrama fica elucidado que os elétrons se aproximam, trocam um fóton e se separam. Cada ponto do diagrama representa uma expressão matemática, dada em boa parte pela equação de Dirac. Cada perna vista no diagrama representa os elétrons (nas linhas iniciais) e o fóton se propagando (nas linhas finais), passando por um ponto de interação, é um vértice, representando onde as linhas do elétron se encontram, indicando o evento de aniquilação.
A eletrodinâmica quântica ou QED, em inglês, foi descoberta em 1949 de maneira independente pelos físicos Richard Feynman e Julian Schwinger, nos EUA e Shin’Ichiro Tomonaga, no Japão.
A QED é o ponto de partida para a construção de teorias quânticas de campo que descrevem outras forças da natureza, com grande sucesso experimental para as forças fraca e forte, mas ainda não para a gravidade.
A precisão da QED é impressionante. A previsão teórica da intensidade do campo eletromagnético é tão próxima do valor experimental que se a distância entre São Paulo e Rio de Janeiro fosse medida com a mesma precisão, teria uma margem de erro no intervalo da espessura de um fio de cabelo!
Dá pra entender o porquê isso é tão importante para entender a física de partículas, não é mesmo?
Emaranhamento quântico
Agora vamos abordar um outro assunto que vai fazer sua cabeça explodir!
Entre os muitos fenômenos estranhos no mundo quântico, o emaranhamento quântico é, sem dúvida, o mais incrível! E olha que não é algo teórico apenas, muitos experimentos já o comprovaram!
Quando duas partículas subatômicas, – como elétrons, por exemplo –, interagem uma com a outra, os seus estados, como velocidade, orientação do spin, etc, seus estados se tornam interdependentes. A gente diz que as partículas então ficam “emaranhadas”. O resultado disso é que alterar um estado de uma das partículas, instantaneamente irá alterar também o estado da outra partícula!
E tem mais: as partículas continuam conectadas mesmo quando são separadas fisicamente, por uma distância enorme!
E o curioso é que quando a gente mede as propriedades de uma partícula, obtemos informação sobre a propriedade da outra partícula. Por exemplo: Se o spin de uma delas é alterado, o da outra também se altera.
Esse fenômeno entre as partículas, que foi descrito inicialmente pela mecânica quântica como modo teórico, fez Einstein duvidar de que a teoria estivesse certa. Ele chamava o emaranhamento quântico de “ação fantasmagórica à distância”. Para ele, havia variáveis ocultas que dispensavam a descrição desse fenômeno, e para que uma partícula afetasse a outra desse jeito seria preciso um sinal mais rápido que a luz.
Mas, eis que o físico irlandês John Stweart Bell propôs um experimento que poderia testar se de fato as partículas emaranhadas quanticamente interagiam uma com a outra mais rápido que a luz.
Imagine isto: Um par de elétrons emaranhados, um deles com spin para cima e outro com spin para baixo. Pela teoria quântica, assim que o spin de um for medido, sabemos com certeza que o spin do outro tem de ser o oposto. Com isso, Bell utilizou as regras matemáticas de mecânica quântica e analisou com que frequência o spin de uma partícula se correlaciona com o da outra.
A distribuição estatística dos resultados de seus experimentos provou matematicamente que a ideia de “variáveis ocultas” do Einstein não estaria correta e que sim, há uma conexão instantânea entre as partículas emaranhadas quanticamente!
Outros experimentos, iniciados nos anos 1980, feitos pelo Alain Aspect, mostraram que a tal ação à distância é real! Incrível, não é?
Portanto, quando duas partículas estão emaranhadas, elas formam um só sistema, não importando a distância que estão separadas, é tudo uma questão só de função quântica!
Agora… Deixando os conceitos mais rigorosos de lado, eu fico pensando… Será que muitas partículas que estão nos átomos que compõem o meu corpo estariam emaranhadas com outras partículas que possam estar em você, em outra pessoa, ou numa estrela, numa galáxia muito, muito distante?
…É, muitas vezes a realidade parece mágica!
