Por que a mecânica quântica é tão difícil de entender?

A mecânica quântica é difícil de entender porque é baseada em postulados sobre funções de onda que são difíceis de relacionar. Além disso, as partículas quânticas não obedecem às leis clássicas, tornando difícil prever seu comportamento. Além disso, a estrutura matemática da mecânica quântica é difícil de entender.

Se você já leu quadrinhos de ficção científica, deve ter notado algumas das palavras-chave que são usadas com bastante frequência. Palavras como “mecânica quântica”, “singularidade”, “decoerência quântica” e outros enfeites. Eles parecem chamar a atenção dos leitores de maneira diferente de qualquer outra coisa e introduzem uma sensação de mistério em relação aos fenômenos, fazendo com que o leitor se pergunte sobre o mundo quântico. Isso contribui para a narrativa de que a QM é “difícil” de entender. 

Bem, vamos tentar desmistificar o mundo quântico, pois a verdadeira beleza da ciência não está na maravilha de fenômenos misteriosos, mas nas repetidas tentativas de entendê-los e ultrapassar os limites do conhecimento.

Quantização de Energia: Quebrando Leis Estabelecidas

A palavra ‘quântico’ na física não é um adjetivo que descreveria uma determinada entidade. Em vez disso, quantum na verdade vem da palavra ‘quantizado’. Nos anos 1900, descobriu-se que a energia dos sistemas de microescala (uma coleção de moléculas, átomos, elétrons ligados a um metal , etc.) só pode ter certos valores permitidos .

Imagine jogar uma bola de tênis. A velocidade da bola poderia, em princípio, ter qualquer velocidade na faixa contínua de 0 km/h a 150 km/h (realisticamente, com base na força do braço). No entanto, se a bola estivesse sujeita às leis da mecânica quântica, a bola se moveria apenas em certos valores permitidos, por exemplo, em velocidades múltiplas de 2 km/h (ou seja, 2, 4, 6, 8, …) ou em velocidades que são expoentes de 3km/h (ou seja, 3, 9, 27, 81,…). Isso significaria que existem algumas velocidades proibidas nas quais a bola não pode se mover. Assim, o gráfico de velocidade versus tempo seria um gráfico descontínuo. Esse fenômeno bastante absurdo é realmente verdadeiro para partículas quânticas como elétrons e prótons. Isso é chamado de quantização da velocidade . Como a energia cinética depende da velocidade, a quantização da velocidade também leva aquantização de energia .

Catástrofe ultravioleta: primeira dica do mundo quântico

No final do século 19 ,  os físicos tentaram calcular a energia total emitida por um corpo negro ideal . Isso envolvia somar as energias de todos os átomos que constituem o corpo negro usando as leis da física clássica. O que se seguiu abalou os fundamentos da física em seu núcleo. Calculou-se que a energia emitida por um corpo negro em equilíbrio térmico com sua vizinhança é infinita . Em termos leigos, isso implicava que a energia emitida pelo corpo negro é maior do que a energia de todas as estrelas, planetas, cometas , asteróides , etc. no universo combinados .

Bodygraph preto

A ‘catástrofe’ foi a previsão incorreta feita pela teoria clássica em comprimentos de onda baixos/frequências altas. Isso indicava que algo estava fundamentalmente falho com a física clássica. (Crédito da foto: Larenmclan/Wikimedia commons)

Esse resultado absurdo levou os físicos a procurar teorias alternativas. O problema foi resolvido quando Max Planck assumiu que os átomos que compõem o corpo negro emitiam energia com apenas certos valores permitidos. Em termos simples, significava que a energia emitida por todos os átomos era quantizada. Simplificando ainda mais, cada átomo poderia emitir certas energias permitidas. Essa suposição simples resolveu o problema da energia infinita e cálculos teóricos (que anteriormente davam resultados absurdos) combinados com a observação prática.

Fenômenos estranhos na escala quântica

E se lhe dissessem que você tem uma onda associada a você? Bem, acredite ou não, o mesmo acontece com seu carro, sua casa e suas roupas. Na verdade, toda a matéria física no universo tem uma natureza ondulatória associada a ela.

Interferência de um único elétron

A interferência é a superposição (adição vetorial) de ondas de mesma frequência viajando na mesma direção.

Neste experimento , uma fonte emite elétrons em direção a um filme fotográfico que é mantido a certa distância. Entre a fonte ( S ) e o filme ( F ) encontra-se uma parede ( W ) com dois orifícios, também a alguma distância. A taxa de emissão de elétrons é controlada de tal forma que apenas um único elétron cruza  por vez. Uma analogia clássica seria um arremessador de bola de tênis atirando em direção a uma parede com dois buracos de tal forma que, a qualquer momento, apenas uma única bola atravessasse a parede. Uma folha atrás da parede registra a área onde a bola atinge.

Fenda dupla

O aparelho de dupla fenda. (Crédito da foto: NekoJaNekoJa/ Wikimedia Commons)

A teoria clássica (bola de tênis) previa que o padrão de rebatidas obtido na folha seria aleatório. Estendendo essa teoria para o mundo quântico (elétron único), seria esperado  um padrão de ataque aleatório no filme fotográfico ( F ).

No entanto, as observações surpreenderam os físicos. O padrão obtido em F consistiu em áreas de alta e baixa intensidade colocadas a uma distância regular. Esse padrão é semelhante a um padrão de interferência causado por ondas de luz. Depois de identificar um padrão claro característico de ondas sendo causadas por partículas (elétrons), concluiu-se que as partículas também têm um caráter de onda.

Tonomura

O padrão de interferência devido a um único elétron. (Crédito da foto: Dr. Tonomura/Wikimedia commons)

Decoerência Quântica: Destruindo a Observabilidade

Continuando ainda mais com o experimento de interferência de um único elétron, originalmente, o aparato foi mantido fora de observação enquanto funcionava. Isso significa que enquanto os elétrons estavam sendo emitidos e atingindo o filme F , nenhuma observação do processo foi feita. Depois que o experimento durou algumas horas, ele foi interrompido e o filme  foi recuperado. No entanto, e se o experimento foi gravado por uma câmera ? Ou observado a olho nu?

Bem, surpreendentemente, o padrão de interferência desapareceu, ou melhor, nenhum padrão como o anterior foi observado. Nesse caso, o padrão foi aleatório, assim como o experimento da bola de tênis. Em outras palavras, a observação destrói a interferência. Este não é o caso das bolas de tênis. Você pode manter quantas câmeras e espectadores quiser, mas o padrão não mudaria.

Isso acontece porque, na escala quântica, quando os fótons de luz atingem o elétron, o elétron é desviado de seu caminho original. Assim, na tentativa de fazer uma medição, perde-se a observação pura.

Tunelamento Quântico

Imagine que uma bola de tênis estivesse restrita a se mover em uma sala com paredes infinitamente altas. Não há como a bola atravessar as paredes, mesmo em alta velocidade (não é permitido quebrar a parede). Como cruzar a parede exige que a bola esteja mais alta que a altura da parede, é realmente impossível que a bola se mova. Da mesma forma, na escala quântica, se um elétron estiver restrito a um poço de potencial infinitamente profundo (semelhante a paredes), pode-se esperar que o elétron permaneça preso para sempre com zero chances (probabilidade de leitura) de cruzar a parede. No entanto, a QM está aqui para nos surpreender novamente. Existe uma probabilidade finita de que o elétron cruzará a parede potencialquando atinge. Isso é observado até mesmo na vida real. Dois condutores metálicos são soldados juntos para imobilizar uma junta. No entanto, a solda é apenas uma barreira potencial. Os elétrons têm uma probabilidade finita de cruzar a parede e, assim, o circuito permanece fechado e a eletricidade flui.

Animação de tunelamento quântico

O efeito de tunelamento pode ser explicado assumindo que uma natureza de onda está associada ao elétron e alguma matemática inteligente. (Crédito da foto: Yuvalr/Wikimedia commons)

Pensamento Condicionado com Física Clássica

Como a física introdutória e de nível intermediário envolve a física clássica, é mais fácil se relacionar com os fenômenos diários usando essas teorias. No entanto, quando a mecânica quântica é introduzida pela primeira vez, ela invariavelmente começa com postulados sobre a função de onda que são difíceis de relacionar. Além disso, como as partículas quânticas não obedecem às leis clássicas, é difícil prever seu comportamento, assim como entender a estrutura matemática de QM . Não é fácil pensar em operadores e funções de onda sem tentar encontrar uma analogia clássica… que simplesmente não existe!

 

Equação de Schrödinger.svg

Se você não está acostumado a equações diferenciais, números complexos e álgebra de nível UG, então QM parecerá desnecessariamente difícil, pois a matemática é a linguagem da física. (Crédito da foto: Inkscape/Wikimedia commons)

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