O que é essa tal Física Quântica?

A Física Quântica surgiu como a tentativa de explicar a natureza naquilo que ela tem de menor: os constituintes básicos da matéria e tudo que possa ter um tamanho igual ou menor. Em outras palavras, pense o seguinte: tudo o que é maior do que um átomo está sujeito a leis da física que chamamos de “física clássica”. Por exemplo, elas sofrem a atração da gravidade, as leis da inércia, ação e reação, e por aí vai. Mas quando analisamos tamanhos menores que um átomo, tudo muda e as regras da física clássica já não valem mais. Foi preciso então admitir que era necessário outras leis para lidar com essa realidade, e também uma física totalmente nova, que ficou conhecida como Física Quântica.

Tudo começou em 1900, quando o físico alemão Max Planck introduziu a ideia de que a energia era enviada em “pacotes” chamados quanta (meio que parecido com a transmissão de dados pela internet), com o fim de derivar uma fórmula para a dependência da frequência observada com a energia emitida por um corpo negro. Em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico por um postulado sobre que a luz, ou mais especificamente toda a radiação electromagnética, pode ser dividida num número finito de “quanta de energia”, que são localizados como pontos no espaço.

Estes quanta de energia seriam chamados mais tarde de fótons, termo introduzido por Gilbert N. Lewis em 1926. A ideia que cada fóton teria de consistir de energia em termos de quantas foi um notável feito, já que efetivamente eliminou a possibilidade de que a radiação de um corpo negro alcançasse energia infinita, o que se explicou em termos de formas de onda somente. Em 1913, Niels Bohr explicou as linhas espectrais do átomo de hidrogênio, novamente utilizando a ideia dos quanta, em seu artigo On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas), publicado em julho de 1913.

A expressão “física quântica” foi usada pela primeira vez em Universe in Light of Modern Physics (O Universo à Luz da Física Moderna), de Max Planck, em 1931.

Em 1924, o físico francês Louis-Victor de Broglie apresentou a sua teoria de ondas de matéria, dizendo que as partículas podem exibir características de onda e vice-versa. Esta teoria era para uma partícula simples e derivada da teoria especial da relatividade. Baseando-se na aproximação de de Broglie, nasceu a mecânica quântica moderna em 1925, quando os físicos alemães Werner Heisenberg e Max Born desenvolveram a mecânica matricial e o físico austríaco Erwin Schrödinger inventou a mecânica de ondas e a equação de Schrödinger não relativista como uma aproximação ao caso generalizado da teoria de de Broglie. Schrödinger posteriormente demonstrou que ambas as aproximações eram equivalentes e ficou conhecido pelo clássico experimento mental* chamado “o gato de Schrödinger”, que ilustrava o relativismo quântico com a ideia de que um gato fechado dentro de uma caixa está tanto vivo quanto morto, enquanto não abrirmos a caixa e termos certeza de qual é o verdadeiro estado do gato.

A física quântica não é intuitiva, ou seja, isso significa dizer que muitas partes dela parecem não ser verdade. Por exemplo, a dualidade onda-partícula diz que partículas se comportam ora como partículas ora como ondas. É uma afirmação no mínimo estranha, bizarra, por que seria mais ou menos como dizer que a água pode ser, ao mesmo tempo, seca e molhada dependendo da ocasião. Mas é o que acontece no mundo real das partículas quânticas. No nosso dia-a-dia, parece que vivemos num planeta plano, o que você sabe que não é verdade; nosso mundo é uma esfera, e no espaço não existe direita e esquerda, cima ou baixo.

Por ser não intuitiva, ela foi considerada uma falsa teoria. O próprio Einstein (que foi um dos fundadores da física quântica) acreditava que a física quântica devia estar errada. Mas com o passar do tempo percebeu-se que ela explicava tão bem o resultado das experiências, que tinha de ser verdade.

Nosso dia ocorre numa escala dita macroscópica (tudo aquilo que podemos ver a olho nu, por assim dizer). São os objetos que podemos enxergar sem a ajuda de lentes ou microscópios atômicos. A física quântica lida com coisas muito, tremendamente pequenas. Muitíssimo menores que um milímetro. Existem várias particulas do átomo, como os nêutrons (que contém uma carga neutra e são formados por três quarks) e prótons (carga positiva, também formados por três quarks); juntos eles formam o núcleo atômico.

O mundo em que vivemos é feito de átomos. Os átomos são feitos de coisas ainda menores chamadas quarks e elétrons. Ainda não sabemos se os quarks são feitos de coisas ainda menores. Os átomos, elétrons, quarks e outra coisa tão pequena que ainda não sabemos muito sobre ela, chamada fóton, têm comportamentos bizarros de vez em quando: nunca podemos saber exatamente onde estão. Não é por falta de instrumentos potentes, é uma lei da física, chamada Princípio da Incerteza de Heinsenberg, que diz que nunca saberemos a exata posição das coisas. Nunca saberemos onde os elétrons de um átomo estão exatamente. Nunca. É algo estranhíssimo, mas é a verdade. Há elétrons que, inclusive, somem de um lugar e reaparecem em outro, algo como um teletransporte. Não dá para ver que caminho seguiram para ir de um lugar a outro, só sabemos que eles fazem isso.

No mundo macroscópico, o “nosso” mundo, ondas são muito diferentes de objetos. Porém, se tivéssemos o tamanho de átomos, tudo se comportaria como uma onda de vez em quando e como uma partícula outras vezes. Essa foi uma das consequências mais bizarras da física quântica.

Há átomos, como o de Urânio que, do nada, explodem. Nunca sabemos que átomos vão explodir, ou quando, só sabemos que alguns vão e outros não. Aparentemente, nada faz eles explodirem, mas eles explodem. Dizem que irritou tanto a Einstein que foi aí que ele pronunciou sua famosa frase “Deus não joga dados com o universo”.

Muito embora a Física quântica seja esquisitíssima, e ainda por cima seja, como gostam de apontar alguns (sempre aqueles que não conhecem nada de ciência), “apenas uma teoria”, sem ela não teríamos os avanços da nossa tecnologia atual. Até o computador, smartphone ou tablet no qual você está lendo esse texto deve muito à mecânica quântica em algum nível.

Fontes:
________. O que é Fisica Quântica. Wikibooks.
________. História da Mecânica Quântica. Wikipédia, a Enciclopédia Livre.
Zarate, Oscar; McEvoy, J.P. Entendendo a Teoria Quântica. Editora Leya, 2012.

* O que significa que isso não foi feito com um gato de verdade, apenas para constar.