O que é a física quântica ?

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Nesse artigo vamos ver o que é a física quântica. De fato, a física quântica hoje constitui um dos pilares da física contemporânea. Em especial, hoje o entendimento da natureza propiciado por essa teoria fundamenta diversas áreas do desenvolvimento tecnológico e científico da humanidade.

Tendo isso em vista, vamos agora ver o que é essa área da física. Ademais, vamos entender seu início e alguns dos seus fundamentos, bem como, algumas previsões da mesma que desafiam a realidade. Então, vem comigo gurunauta que hoje a MeuGuru preparou esse texto especialmente para você.

O início da física quântica

O século XX é marcado pelo início da ruptura das leis físicas vigentes. De fato, ao longo desse período tivemos o desenvolvimento tanto da relatividade geral quanto da mecânica quântica. A primeira teoria nós já escrevemos um texto especialmente para ela e você pode acessá-lo aqui.

Já a segunda teoria, surge num contexto diferente da relatividade, agora, nosso objeto de estudo será o mundo microscópico. Em suma, o início dessa área se dá através de um famoso problema chamado, a catástrofe do ultravioleta, que consistia numa discrepância observada entre a teoria clássica e a experimentação. Esse problema levou Max Planck a ganhar o prêmio Nóbel de física uma vez que explicou que a emissão de radiação eletromagnética por um corpo totalmente escuro deveria ser feita de forma discreta.

Noção de quantização e do termo quântico

Todavia, esse marco histórico abre margem para o início da quantização da física. Aqui, a quantização refere-se a quantidades bem definidas, isto é, quantificar tomar múltiplos inteiros de algo. Por exemplo, pense nos números naturais, veja que temos

1 = 1×1, 2= 2 x 1, 3 = 3×1, 4=4×1 , …, n = nx1

e temos que os números naturais são todos múltiplos do número 1. Na física quântica, a quantidade fundamental de energia é a seguinte.

energia fundamental na física quântica.

Assim, é importante que você entenda que o termo quântico refere-se a essa noção de quantificar de forma discreta quantidades física.

Alguns fenômenos quânticos

No entanto, esse fato é extremamente contra intuitivo e desafio por completo as bases da física Newtoniana, a qual prevê que as energias de sistemas sejam sempre contínuos.

De fato, a física quântica também chamada de mecânica quântica possui diversas outras estranhezas que a fazem ser uma teoria totalmente contra intuitiva. Em particular, podemos citar alguns fenômenos estranhos previstos por essa teoria:

  • O tunelamento quântico: É o fenômeno que garante que há uma probabilidade de que uma partícula num sistema quântico ao atingir uma barreira pode tunelar (atravessar) a barreira. Pense em jogar uma bola em uma parede e a bola aparecer do outro lado da parede, estranho não é?.
  • O comportamento ondulatório da matéria. A física quântica prevê que toda a matéria pode comportar-se como onda, inclusive nossos corpos são ondas (mas cuidado).
  • É impossível conhecer com exatidão a posição e velocidade de uma partícula quântica.

Esses, são apenas alguns dos fenômenos quânticos que desafiam as usuais percepções da realidade que nós temos.

Alguns tópicos fundamentais da física quântica

Entendendo o início da física quântica, é imprescindível que adentremos nos fundamentos da teoria quântica. Nesse sentido, vamos explorar alguns desses fundamentos. Com efeito.

A quantização da energia

O primeiro fundamento que vamos citar, ou melhor, enfatizar é a quantização. De fato, a física quântica estabelece-se sobre a ideia de que nos sistemas microscópicos as energias podem assumir valores discretos. Esse fato é importante e significativo para a teoria, pois, na física newtoniana entendemos a energia apenas de forma contínua.

É nesse contexto, que evocamos a explicação de Einstein para o chamado efeito fotoelétrico. Em suma, Albert Einstein resolveu o problema de entender como ocorria a emissão de fótons de uma placa metálica iluminada por uma radiação eletromagnética. A solução do problema, considerava uma nova forma de entender os fótons (partículas que compõem a luz), a qual baseava-se na ideia de que a emissão de fótons se dava por meio de pacotes de energia e esses pacotes eram quantizados. Isto é, múltiplos inteiros de uma quantidade fundamental que é a seguinte:

Expressão 2. Quantidade fundamental de energia de um fóton. Aqui omega é a frequência e h é a constante de Planck.

Assim, estabelece-se ainda que o fóton possui o caráter corpuscular, comportando-se como matéria.

Dualidade onda-partícula da luz

Além disso, a mecânica quântica prevê o chamado comportamento dual da matéria, em verdade, essa descrição diz respeito basicamente que os corpos (matéria) também possui propriedades de ondas (ondulatórias).

Esse fato foi comprovado através do experimento da dupla fenda de Young para fótons. Em suma, ele constatou que fótons apresentam o comportamento de onda e partícula ao mesmo tempo. Aliás, esse é um experimento simples de ser feito e que inclusive você gurunauta pode realizá-lo em sua casa. Para isso, basta pegar um fio de cabelo e um laser, ligue o laser e coloque o fio de cabelo na frente do mesmo.

O perfil de visualização que você obterá será algo vários espaçamentos escuros e outros coloridos (da cor do seu laser é claro). Isso, mostra que os fótons tem caráter ondulatório pois sofreram interferência destrutiva que é um fenômeno apenas ondulatório. Você pode ver esse experimento aqui.

Assim, unindo o resultado anterior a conclusão da mecânica quântica é que a luz (fótons) tem caráter dual tanto matéria quanto onda.

Dualidade onda-partícula e a função de onda

Todavia, o resultado do caráter dual pode ser expandido de modo a contemplar todos os corpos existentes, inclusive você mesmo gurunauta. Decerto, essa contribuição se deu através de Louis de De Broglie o físico, em sua tese de doutoramento, mostrou que na verdade todos os corpos comportariam-se de forma ondulatória.

Entretanto, esse comportamento ondulatório seria perceptível apenas na escala microscópica. Além disso, o físico ainda conseguiu expressar quantitativamente esse comportamento ondulatório através do comprimento de onda que seria dado por

Comprimento de onda de De Broglie na física quântica.
Expressão 3. Comprimento de onda de De Brolige.

onde h é a constante de Planck, p é o momento linear, m é a massa e v é a velocidade do corpo. Mas note que dado que h, a constante de planck, é um valor muito pequeno o comportamento do comprimento de onda de um corpo macroscópico também o é e assim não temos a percepção objetiva do comportamento ondulatório.

Ademais, o físico ainda estabelece a existência um objeto matemático complexo chamado de função de onda. Essa função de onda seria um objeto que carregaria a informação física de qualquer sistema quântica, usualmente, denotamos a função de onda pela letra grega psi como a baixo

Expressão 4. Notação para a função de onda na física quântica.
Expressão 4. Notação para a função de onda.

Em geral, essa função de onda é uma função que depende das coordenadas x e do tempo t.

A equação de Schrödinger

Tendo em mãos os fundamentos que citamos anteriormente, bem como vários outros aspectos da física quântica o físico-matemático Erwin Schrödinger concebeu uma equação fundamental para a física quântica. Em verdade, a equação de Schrödinger é uma equação diferencial, similar a segunda lei de Newton, isto é, todos os corpos no regime da mecânica quântica possuem uma função de onda psi e essa satisfaz a seguinte equação diferencial.

Equação de schrodinger para a física quântica.
Expressão 5. equação de Schrödinger para a mecânica quântica.

onde V é uma função chamada de potencial que contém informação sobre a física do sistema, h cortado é a constante de planck divida por 2 pi e i é a unidade imaginária.

Em verdade, a Expressão 5 é um grão mestre da física quântica. Em vários problemas, o objetivo de determinar uma função psi que satisfaz a expressão 5 permite a nós obtermos a descrição de um sistema quântico. Entretanto, a função de onda psi não tem sentido físico pois é um número complexo em sí, na verdade, na física olhamos para a seguinte quantidade:

Expressão 6. Densidade de probabilidade da função de onda.

que denota a densidade de probabilidade de uma partícula estar no intervalo dx e x+dx. Isto ocorre em virtude do princípio da incerteza de Heinsenberg, o qual garante a impossibilidade do conhecimento da posição precisa da partícula. Assim, a teoria quântica estabelece-se como uma teoria probabilística onde, nossos resultados versam sobre probabilidades e densidades de probabilidades.

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