O que realmente é a física quântica?

A física quântica é, talvez, uma das áreas mais incompreendidas da ciência. Quando se trata da física quântica, estamos falando de um dos ramos mais difíceis da Física, até mesmo para físicos e matemáticos, mas que cujo assunto que está no linguajar e na cultura popular.

Filmes e séries de ficção científica costumam jogar o termo “física quântica” como uma solução mágica para problemas e inconsistências científicas, obviamente, se aproveitando da ignorância de grande parte da população para essa área da ciência. Os princípios fundamentais da física quântica, como a natureza ondulatória da matéria, a incerteza, o entrelaçamento e a superposição, são frequentemente mal utilizados para estabelecer conexões absurdas com a consciência, a espiritualidade ou outros conceitos metafísicos. A física quântica também é usada como forma de ludibriar as pessoas com pseudociência, como sais quânticos, mentalidade quântica, curas quânticas, etc. Esta é uma deturpação absurdamente grosseira.

Então, o que realmente é a física quântica? Eu, como físico, professor e pesquisador, sinto-me na obrigação de esclarecer essa área tão mistificada, mas que não tem nada de mística. É muita ciência e muita matemática aplicada envolvida.

Sei que é um assunto extenso, mas se você quiser entender realmente o que é a física quântica e quais seus pontos-chave, vamos começar! São apenas 15 minutos de leitura.

Física clássica vs. Física quântica

Para definir melhor o que realmente é a física quântica, precisamos dividir toda a Física em duas grandes áreas: a física clássica e a física moderna.

• A física clássica lida com os fenômenos macroscópicos, como a mecânica e as leis do movimento, a óptica, o eletromagnetismo, a termodinâmica, a mecânica dos fluidos e a gravitação. Até o início do século XX praticamente toda a física era regida por essas leis e princípios.
• A física moderna é como chamamos a física que surgiu a partir do século XX. Essa grande área abrange concentrações como a relatividade, a física nuclear, a física da matéria condensada, a astrofísica, a física de altas energias, a física de plasmas, e de diversas outras ramificações menores que muitos nem imaginam que existam.

A física quântica é uma das ramificações da física moderna. A física quântica é a área especializada no estudo da natureza e do comportamento da matéria e da energia em seu nível fundamental, menor que o atômico. De tudo aquilo que é tão minúsculo que as leis que conhecemos da física clássica (como leis newtonianas do movimento e o eletromagnetismo clássico) não funcionam mais.

NOTA: não entrarei aqui no conceito do que é energia. De qualquer forma, energia não tem nada a ver com algo invisível e sobrenatural, mas uma propriedade física capaz de realizar trabalho, como energia cinética, potencial, elástica ou térmica.

Como a física clássica não conseguia explicar os fenômenos subatômicos, um novo conjunto de leis para o “nanoscópico” foi necessário, criando a área da física quântica.

O nascimento da física quântica

Para entender o que realmente é a física quântica, precisamos entender a sequência das descobertas científicas que levaram ao surgimento dessa nova área da ciência. A história do nascimento da física quântica se mistura com a história do problema da radiação de corpo negro.

O início de tudo: a radiação de corpo negro

Imagine que você tem um objeto que pode absorver e emitir perfeitamente todos os tipos de luz. Este objeto não deixa escapar nenhuma luz, então parece completamente preto. Mas aqui está a parte interessante: quando você aquece esse objeto, chamado de corpo negro, ele começa a emitir luz.

Se você continuar aquecendo, algo interessante acontece: a cor da luz que emite muda. No início, ele pode brilhar em vermelho, depois em laranja, depois em amarelo e assim por diante, ficando mais brilhante e mudando de cores à medida que fica mais quente. Esse fenômeno é denominado radiação de corpo negro.

Por décadas, diversos físicos tentaram entender a origem deste fenômeno. Qual a relação entre temperatura, energia e radiação?

Os maiores frutos vieram do físico alemão Wilhelm Wien. Usando seus conhecimentos de calor e eletromagnetismo, postulou a Lei de Deslocamento de Wien, correlacionando temperatura e radiância. Mas essa teoria era incompleta. Apesar da Lei de Wien explicar as emissões no infravermelho e luz visível, ela se invalidava com ondas muito longas, como ondas de rádio.

De forma independente, outros dois pesquisadores trabalharam no que ficou conhecida como a Lei de Rayleigh-Jeans, mas que também era incompleta, dessa vez na faixa de ondas mais curtas, como o ultravioleta.

Isso gerava um grande problema, pois, apesar de todo o trabalho realizado, ainda não havia uma lei unificada que explicasse a radiação de corpo negro. Algo estava faltando.

Lei de Planck: resolvendo o problema

No ano de 1900, ao tentar desvendar o problema da radiação de corpo negro, o físico alemão Max Planck ajustou as equações com a hipótese de que a energia não era contínua, mas discreta, ou seja, emitida em pacotes com quantidades específicas de energia, que ele chamou de quanta. É como se a energia total de um sistema devesse existir apenas em valores inteiros, como 1, 2 ou 3, mas nunca como 1,7 ou 2,3.

E funcionou! Para curtos comprimentos de onda, substituir esse fator na nova equação de Planck resultava na Lei de Wien; para os comprimentos de onda mais longos, o resultado era a Lei de Rayleigh-Jeans. Para chegar nesse resultado, Planck determinou uma nova constante física, a constante de Planck, que estabelece a relação entre a energia e a frequência de onda de um quanta. Essa solução brilhante foi batizada de Lei de Planck, e ela se parece com isso:

$$B_\nu (T) = \frac{2h\nu^3}{c^2} \frac{1}{e^{\frac{h\nu}{kT}} – 1}$$

Efeito fotoelétrico: o Nobel de Albert Einstein

Quando um fóton atinge um material, a energia desse fóton é transferida para um elétron. Se a energia do fóton for alta o suficiente, o elétron é arrancado do material. Esse fenômeno é chamado de efeito fotoelétrico, descrito por Heinrich Hertz em 1887.

Em 1905, buscando uma explicação para esse fenômeno, Albert Einstein abraçou as ideias de Planck e postulou que a própria luz deveria ser feita desses quanta de energia — que, posteriormente, receberiam o nome de fótons. A luz é, simultaneamente, uma onda e uma partícula. A teoria de Einstein era tão revolucionária que nem o próprio Max Planck pôde acreditar.

$$E = hf = \phi + \frac{1}{2}mv^2_{max}$$

Einstein ganhou o prêmio Nobel de Física por explicar o efeito fotoelétrico, além de comprovar a quantização de energia. Ele explica como os painéis solares, máquinas fotográficas, sensores de câmeras, controles remotos e até o acendimento automático das luzes nos postes da sua rua.

Essa sequência de descobertas desempenhou um papel fundamental na formação da base da física quântica moderna e revolucionou nossa compreensão do comportamento da luz e da matéria nos níveis atômico e subatômico.

O desenvolvimento da física quântica

Em 1923, já era consenso científico de que a luz, uma onda eletromagnética, também poderia se comportar como uma partícula, os fótons. Essa dupla personalidade da luz é conhecida como a dualidade onda-partícula.

Mas, nesse ano, o físico francês Louis de Broglie deu um passo adiante e levantou a hipótese inovadora de que o contrário também é verdade: de que uma partícula também pode se comportar como onda. A hipótese lançada por de Broglie (que recebeu o Nobel por esse trabalho) era um complemento da dualidade onda-partícula e formou o grande centro da mecânica quântica moderna, a natureza ondulatória da matéria.

As ondas de matéria foram confirmadas pela primeira vez experimentalmente como ocorrendo no experimento de difração de George Paget Thomson e Alexander Reid (entre 1925 e 1927) e no experimento de Davisson-Germer, ambos para elétrons. A hipótese de de Broglie e a existência de ondas de matéria foram confirmadas para outras partículas elementares, átomos neutros e até moléculas demonstraram comportamentos semelhantes a ondas.

Mas ainda restava uma questão: se uma partícula é uma onda, então qual a equação matemática que descreve essa onda?

A equação de Schrödinger

Foi o físico austríaco Erwin Schrödinger que teve em vista responder essa pergunta, desenvolvendo uma equação diferencial que satisfaz todas as hipóteses relativas à equação de uma onda na física quântica. Essa equação ficou conhecida como a equação de Schrödinger, considerada a equação mais importante de toda a física quântica, que rendeu a ele o prêmio Nobel de 1933.

$$-\frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2 \Psi(x,t)}{\partial x^2} + V(x,t) \Psi (x,t) = i\hbar \frac{\partial\Psi (x,t)}{\partial t}$$

No domínio da física quântica, a equação de Schrödinger é paralela à segunda lei de Newton na mecânica clássica. Enquanto a segunda lei de Newton fornece uma fórmula matemática para prever o movimento futuro de um sistema físico a partir das suas condições iniciais, a equação de Schrödinger determina a evolução temporal da função de onda de um sistema.

Quando Schrödinger estava trabalhando na função de onda para o átomo de hidrogênio, ele percebeu que os níveis de energia encontrados na função de onda batiam perfeitamente com os níveis obtidos experimentalmente. Um impacto para a comunidade científica: os elétrons não são como planetas orbitando o Sol, como o modelo atômico de Bohr sugeria, mas como uma nuvem de ondas de probabilidade ao redor do núcleo atômico.

Mas se os elétrons são como ondas, o que de fato são essas ondas? Por que não conseguimos observar essas ondas, mas vemos tudo como partículas pontuais?

Densidade de probabilidade

Foi o físico e matemático alemão Max Born que respondeu essa questão, interpretando que essas ondas, na verdade, indicam uma densidade de probabilidade, nomeada matematicamente de P(x) — e adivinhe qual prêmio famoso ele ganhou por isso.

$$P(x,t) = \Psi^*(x,t) \Psi (x,t)$$

Para Born, o elétron é uma partícula, mas a função de onda de Schrödinger indica a probabilidade de se encontrar o elétron em uma determinada posição. Quanto maior a amplitude da onda, maior a chance de encontrar um elétron ali.

As equações de Schrödinger também podem ser operadas não apenas para definir sua probabilidade de posição, mas também para se encontrar a energia potencial ou o momento linear de uma partícula. Em essência, a função de onda descreve a energia e o comportamento de qualquer partícula.

O amadurecimento da física quântica

Desse momento em diante, a física, que antes descrevia fenômenos determinísticos e bem assertiva quanto aos resultados, agora se tornava probabilística, virando do avesso até a cabeça dos físicos mais experientes.

A mecânica quântica é certamente imponente. Mas uma voz interior me diz que ainda não é a coisa real. A teoria diz muito, mas não nos aproxima realmente do segredo do ‘antigo’. Eu, de qualquer forma, estou convencido de que Ele não está jogando dados.

Albert Einstein, em sua carta para Max Born

Posteriormente, muitos desses trabalhos que serviram de alicerce para a mecânica quântica, foram passados para as mãos de grandes mentes como Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Richard Feynman e muitos outros que moldaram o que chamamos hoje de física quântica.

O princípio da incerteza de Heisenberg

O princípio da incerteza de Heisenberg é um conceito fundamental na mecânica quântica introduzido por Werner Heisenberg em 1927.

O ponto-chave do princípio da incerteza é que é impossível saber com precisão a posição ($\Delta x$) e o momento ($\Delta p$) de uma partícula simultaneamente. A equação diz que multiplicar estes dois valores nunca poderá resultar em um valor menor do que $\frac{h}{4\pi}$. Quanto mais precisa a medição de uma dessas propriedades, menos precisamente podemos conhecer a outra.

$$\Delta x \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}$$

Por exemplo, se medirmos a posição de um elétron com muita precisão, perderemos a precisão do seu momento linear, e vice-versa. Isto não se deve a uma falha nos instrumentos de medição, mas a uma propriedade fundamental da física quântica. É como tentar medir a velocidade e a localização exatas de uma partícula minúscula e em movimento rápido: focar em um aspecto confunde o outro.

Outro ponto é que esta incerteza não é apenas uma hipótese, ela tem efeitos reais. Um exemplo é o fato de ser impossível atingir a temperatura de zero absoluto (-273,15 °C). O zero absoluto representa um estado de total imobilidade das partículas, o que é impossível devido ao princípio da incerteza. Uma partícula sempre terá algum movimento, a chamada energia de ponto-zero.

Tunelamento quântico

Na física clássica, se uma partícula não tem energia suficiente para atravessar uma barreira, ela não irá. É como impulsionar uma bolinha para atravessar um morro: precisamos jogar a bolinha com energia suficiente para subir todo o morro e atravessá-lo.

Mas esse é o conceito da física clássica, no universo macroscópico. Na física quântica, as partículas se comportam como ondas de probabilidade.

O princípio da incerteza de Heisenberg nos diz que não podemos saber com precisão a posição e o momento de uma partícula. Essa imprecisão intrínseca desempenha um papel no tunelamento. Para ocorrer o tunelamento, a partícula deve enfrentar uma barreira. Esta é normalmente uma barreira de energia que, na física clássica, a partícula não deveria conseguir ultrapassar.

O tunelamento quântico ocorre quando uma partícula se move através de uma barreira que classicamente não deveria ser capaz. Como a função de onda é uma probabilidade, a função de onda permite uma pequena probabilidade de que a partícula possa existir do outro lado da barreira. Esse efeito se chama tunelamento quântico, ou efeito túnel.

Novamente, não é nada “apenas teórico”. Esse princípio é usado nas células de memória de SSDs e cartões de memória. As células dos bits são como poços de potencial, com elétrons fluindo do lado de fora. O efeito de tunelamento é usado para fazer um elétron atravessar a barreira, aprisionando o elétron dentro desse poço. Uma célula com elétron aprisionado é lido como bit 1. Uma sequência de bits forma o 11001001. Sim, código binário! 🙂

Entrelaçamento quântico

O entrelaçamento quântico é um dos fenômenos mais complexos da física quântica. Refere-se a uma conexão peculiar que pode existir entre partículas elementares, como elétrons ou fótons, que interagem de uma forma que o estado de cada partícula não pode ser descrito independentemente do estado das outras, mesmo quando as partículas estão separadas por grandes distâncias.

Para compreender o entrelaçamento quântico, é crucial relembrar alguns princípios da mecânica quântica:

Na mecânica quântica, as propriedades físicas de uma partícula são representadas por um objeto matemático denominado estado quântico. Este estado é descrito por uma função de onda, que fornece as probabilidades de encontrar uma partícula em várias posições ou estados.

Quando duas partículas ficam entrelaçadas, seus estados quânticos estão ligados, não importando o quão longe estejam separadas no espaço. O entrelaçamento ocorre quando as partículas interagem fisicamente e depois se separam. O estado quântico de cada partícula não pode ser descrito independentemente — elas formam um único estado quântico.

Se você medir uma propriedade (como spin) de uma partícula entrelaçada, o resultado afetará o estado da outra partícula instantaneamente, independentemente da distância que as separa. Se uma partícula estiver no estado de spin up, a outra partícula estará no estado de spin down e vice-versa. Isso não significa que a informação viaja mais rápido que a luz; em vez disso, é uma manifestação do estado entrelaçado.

Agora a parte em que eu, como físico, preciso dar uma bronca…

O entrelaçamento quântico é ciência real

O entrelaçamento quântico, muitas vezes mal representado na cultura popular e nos círculos pseudocientíficos como um fenômeno metafísico ou espiritual, é, na realidade, um aspecto da física quântica rigorosamente testado e cientificamente validado. A má interpretação do entrelaçamento como um elo místico que transcende o tempo e o espaço não apenas interpreta mal a ciência real, mas também mina os princípios peculiares, mas muito reais, da física quântica.

Na verdade, o entrelaçamento é um efeito quântico demonstrável, onde partículas entrelaçadas, independentemente da distância que as separa, exibem propriedades correlacionadas de uma forma que desafia a intuição clássica. Esta correlação, no entanto, não implica uma ligação mística ou a transmissão de informações mais rapidamente do que a velocidade da luz, como muitas vezes é retratado erroneamente. Em vez disso, é uma manifestação de estados e probabilidades quânticas que, embora contraintuitiva, opera nos limites da teoria quântica e não viola as leis estabelecidas de causalidade e localidade.

Por fim…

O fascínio do entrelaçamento quântico e de outros conceitos da física quântica como metáfora espiritual pode ser até compreensível dado o nível de abstração necessário, mas é importante distinguir as interpretações poéticas da realidade científica, que também é fascinante e continua a ser objeto de investigação de alto nível na ciência da computação, criptografia, física de partículas e engenharia de materiais.

Ao fundir conceitos científicos com crenças metafísicas, corre-se o risco de obscurecer a verdadeira natureza e potencial da física quântica, que se baseia em experimentação rigorosa, formalismo matemático e validação empírica. A física quântica como ciência em linguagem matemática é belíssima por si só. Difícil? Sim, muito! Capaz de deixar físicos experientes muito loucos (na minha graduação, sofri bastante).

A física quântica não tem absolutamente nada a ver com espiritualismo, curas quânticas, estados de consciência ou de espírito. É ciência real que possibilitou o desenvolvimento de painéis solares, HDs e SSDs, microcontroladores e semicondutores, telas QLED, exames de ressonância magnética, sensores fotográficos e muitas outras tecnologias. É a ciência que explica a interação dos elétrons, dos quarks, dos glúons, dos fótons, da matéria e energia em seu menor estado.

Isso não é fantástico por si só?