O mundo quântico

É comum as pessoas acreditarem no senso comum. Na Física, existe um mundo que não é observável, mas lógico e determinante para nossas vidas. Este mundo é regido pela mecânica quântica, uma teoria física que obtém sucesso no estudo dos sistemas cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos.

A teoria quântica fornece descrições precisas para muitos fenômenos, tais como a radiação de corpo negro e as órbitas estáveis do elétron. Apesar de na maioria dos casos a mecânica quântica ser relevante para descrever sistemas microscópicos, os seus efeitos específicos não são somente perceptíveis em tal escala.

Por exemplo, a explicação de fenômenos macroscópicos como a superfluidez e a supercondutividade só é possível se considerarmos que o comportamento microscópico da matéria é quântico. A quantidade característica da teoria, que determina quando ela é necessária para a descrição de um fenômeno, é a chamada constante de Planck, que tem dimensão de momento angular ou, equivalentemente, de ação.

A mecânica quântica recebe esse nome por prever um fenômeno bastante conhecido dos físicos: a quantização. No caso dos estados ligados (por exemplo, um elétron orbitando em torno de um núcleo positivo) a mecânica quântica prevê que a energia (do elétron) deve ser quantizada, ou seja, não ocupa posições intermediárias. Este fenômeno é completamente alheio ao que prevê a teoria clássica.

Confiram alguns fenômenos da Física Quântica

1. Dualidade de ondas e partículas

O maior dos mistérios quânticos diz respeito a uma dúvida que o homem tem desde os tempos de Euclides. Afinal, do que a luz é feita? O palpite de Isaac Newton é que a luz é feita de partículas muito pequenas, chamadas de corpúsculos. No entanto, Thomas Young, um físico do século XIX, mostrou que a luz se espalhava após passar por uma fresta, se comportando como se fosse uma onda. Então a luz é uma onda ou uma partícula? Talvez as duas! Um elétron, por exemplo, é uma partícula, mas pode ser refratado ou interferir com si mesmo como se fosse uma onda. Essa é a explicação criada pelo físico quântico pioneiro, Louis de Broglie, em 1924. Mas então como algo pode ser onda e partícula ao mesmo tempo? Talvez porque a luz não é nenhuma das duas coisas. É o que acha o físico Markus Arndt. Para ele os termos “onda” e “partícula” são construções que fazemos na nossa mente a partir de convenções, para facilitar a compreensão do mundo.

2. O efeito Hamlet

Você já ouviu sua mãe dizer que uma panela de água não ferve enquanto você olhar para ela? Talvez você se ache muito esperto para acreditar nela, mas os físicos quânticos acreditam. A verdade é que panelas quânticas se recusam a ferver. Ou, só para te surpreender, elas fervem ainda mais rápido do que o normal. Também há vezes que elas entram em um dilema, como Hamlet: ferver ou não ferver, eis a questão! Parece loucura, mas tudo isso é uma consequência lógica da equação Schrodinger que descreve como os objetos quânticos evoluem em termos de probabilidade durante o tempo. Em termos básicos, simplesmente olhar para um objeto quântico interfere na forma com que ele se comporta.

3. Partículas que surgem do nada

Elas podem só dar uma “passadinha” no nosso plano para dar um oi e depois sumirem, mas cientistas acham que elas podem ser o combustível de nanomáquinas. Física quântica e Shakespeare andam juntos no efeito Hamlet, mas aqui é diferente. O rei Lear diz que “nada surge do nada”, mas na física quântica objetos podem surgir do nada sim. Especificamente, se você colocar duas placas de metal uma em frente da outra (sendo que elas não estão carregadas), elas se movem, se atraindo. Elas não se movem muito (apenas algumas mil partes de milímetro), mas o movimento pode ser percebido com aparelhos específicos – isso por causa de partículas que surgem do nada. De acordo com cientistas é porque não existe o que chamamos de vácuo. O espaço que pode parecer vazio não o está.

4. A bomba quântica

Se uma bomba pudesse ser ativada por um fóton, nós não estaríamos em uma situação boa. No momento em que a partícula de luz fosse percebida por nós, ela já teria interferido na bomba, ativando-a. Mas sabe como poderíamos contra-atacar? Com luz! Parece bizarro usar o que pode nos matar para sobreviver, mas usando esse truque quântico temos uma chance de 25% de nos sairmos bem. Pelo menos é isso o que propõem físicos israelenses. Vá entender.

5. Atividade assustadora a distância

Essa propriedade realmente modifica a forma com que entendemos o mundo. Em 1964 um físico suíço calculou uma inequação matemática que mostrava a correlação entre o estado de partículas remotas em experimentos e suas condições: que os cientistas que estão fazendo o experimento conseguirão arrumar as condições para a ocorrência, que as propriedades das partículas medidas são reais e que nenhuma influência no experimento viajaria mais rápido do que a luz. No entanto experiências quânticas violam estes princípios. Em 2008 um físico da Universidade de Geneva mostrou que, se o livre arbítrio dos cientistas e a realidade forem mantidas, a velocidade de uma mudança de estado quântico pode ser 10 mil de vezes mais rápida do que a velocidade da luz.

6. O campo que não está lá

Para entender física quântica você deve saber onde um campo eletromagnético não está para saber onde ele realmente está. Experimente pegar um imã em forma de rosquinha, cobri-lo com um metal para que não exista campo dentro dele, e jogar um elétron lá no meio. Se não há campo o elétron deveria se comportar como se não houvesse um, certo? Errado. A onda que é associada com o movimento do elétron vibra como se houvesse algo ali. Aparentemente, quando calculamos algo em escala quântica, não podemos buscar o efeito de uma partícula considerando as propriedades de onde a partícula se encontra. Também precisamos nos preocupar com as propriedades de onde a partícula não está.

7. Matéria miraculosa

Esqueça aranhas radioativas ou genes mutantes. É a física quântica que te dá superpoderes. O gás hélio, por exemplo. Quando está em temperatura normal você pode usá-lo para encher balões (ou então inalar o negócio e falar com voz de “Tico e Teco”). Mas quando é resfriado, ele fica em estado líquido e é regido por propriedades quânticas. Aí que a verdadeira diversão começa. O hélio “superlíquido” desafia as regras da gravidade, subindo pelas paredes. Ele também pode passar por buracos incrivelmente pequenos. E, o mais bizarro – se você colocar hélio superlíquido dentro de uma bacia e girar a bacia, o hélio não se move. Mas se você mexer no líquido e fizer com que ele gire dentro da bacia, ele irá girar eternamente.

Artigo baseado numa matéria da New Science

*Rosalvo Reis é editor do Portal Roteiro de Notícias

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