Cinco pontos-chave para entender a física quântica

Como disse o físico Richard Feynman, parafraseando Niels Bohr: “Se achas que entendes a mecânica quântica é porque, na verdade, não a entendes”. A física quântica é uma disciplina de elevada complexidade que, em diversas ocasiões, despertou muitas incógnitas e gerou grandes confusões àqueles que se aventuraram no seu estudo.

Por outro lado, não há dúvida de que se trata de um ramo muito fascinante da ciência, pois revela um mundo subatómico invisível aos nossos olhos, cheio de mistérios e maravilhas que desafiam a nossa compreensão do quotidiano. Por essa razão, apesar das lendas sobre a dificuldade e a confusão que a envolvem, vale a pena perceber quais são as bases do estudo da física quântica, uma vez que é essencial para compreender o comportamento e aparência real do mundo que nos rodeia.

Por conseguinte, desde a famosa dualidade onda-partícula ao Princípio da Incerteza determinado pelo físico alemão Werner Heisenberg, apresentamos-lhes estes cinco pontos-chave da física quântica que lhe permitirão compreender um pouco melhor os fundamentos da famosa disciplina.

1. A DUALIDADe ONDA-PARTÍCULA

Consegue imaginar ser duas coisas ao mesmo tempo? Parece impossível, não é? Pois bem, um dos princípios da física quântica indica que, para determinadas partículas, longe de ser fantasioso, é algo que acontece. É o caso da luz ou dos electrões, que podem comportar-se de duas maneiras diferentes em simultâneo enquanto viajam através do espaço.

Por um lado, podem funcionar como pequenas partículas, como se fossem bolinhas ou corpúsculos, com uma posição e propriedades muito bem definidas. No entanto, também podem comportar-se como ondas, como se fossem ondulações na água, propagando-se e difundindo-se pelo espaço sem uma localização precisa.

Trata-se de uma característica da matéria que se tornou visível em algumas experiências como, por exemplo, a experiência da dupla fenda. O seu criador foi o físico britânico Thomas Young, que em 1801, a utilizou para explicar certas propriedades da luz. Em 1961, com maiores conhecimentos e um planeamento mais moderno, a experiência foi utilizada para demonstrar a natureza dual da luz e outras partículas da natureza. Para tal, apontaram-se feixes de electrões para duas fendas, observando que, apesar de serem partículas corpusculares, comportavam-se como ondas quando passavam através das fendas, produzindo um padrão de interferência semelhante ao das ondas na água.

2. A SOBREPOSIÇÃO QUÂNTICA

Com certeza que já ouviu falar no paradoxo do gato de Schrödinger, uma experiência mental na qual um cientista apresenta um gato preso dentro de uma caixa com um frasco de veneno, que se abrirá se um átomo se decompuser. Por conseguinte, antes de abrirmos a caixa, o gato está simultaneamente vivo e morto, numa espécie de estado de sobreposição. Só quando abrimos a caixa e verificamos o estado do felino é que descobrimos que o sistema de caixa-veneno-gato conduziu a uma única solução: vivo ou morto.

Esta ideia representa outro dos pilares fundamentais da física quântica: um estado no qual um sistema quântico pode existir de muitas formas em simultâneo. Um exemplo mais fácil para entender como funcionam estes estados de sobreposição quântica é o comportamento de um electrão num átomo. Antes de o observarmos, um electrão pode encontrar-se em diversas posições em redor do núcleo, naquilo que podemos definir como um estado no qual se sobrepõem todas as possíveis localizações: por outras palavras, uma nuvem de probabilidades, em vez de um local definido na órbita. Só quando o observamos é que descobrimos a sua posição final – a posição para a qual o nosso electrão convergiu.

A sobreposição é um conceito básico em computação quântica, pois baseia-se no facto de os qubits, ou seja, as unidades básicas de informação quântica, poderem representar diversos estados em simultâneo. É isto que lhes permite realizar cálculos muito complexos de forma muito mais rápida e eficiente que os computadores clássicos.

3. O entrelaçamento quântico

O entrelaçamento é outro dos fundamentos nos quais se baseia a física quântica. Trata-se de uma propriedade possuída por determinadas partículas, que as vincula entre si, tornando possível que, ao medir uma, se conheça de automaticamente o estado da outra – independentemente da distância que as separe. Por exemplo, se dois electrões apresentarem entrelaçamento quântico e medirmos o spin de um deles (uma propriedade relacionada com o movimento rotativo dos electrões) e verificarmos que vai para cima, saberemos de imediato que o spin do seu electrão entrelaçado vai para baixo.

Uma forma de perceber melhor este fenómeno é um exemplo das duas caixas: numa coloca-se uma luva amarela e noutra uma luva vermelha. Quando abrimos uma caixa e encontramos a luva amarela, sabemos imediatamente que a outra contém a luva vermelha, sem precisarmos de a abrir ou estudar. Em linguagem quântica, devemos imaginar que, dentro de ambas as caixas, cada luva existe numa sobreposição de ambas as cores, ou seja, é simultaneamente amarela e vermelha. Devido a esta fascinante ligação, se aparecer uma das cores quando abrirmos a primeira caixa, poderemos afirmar que a cor oposta aparecerá quando abrirmos a segunda.

4. O princípio da incerteza de HEISENBERG

No ano 1927, o físico alemão Werner Heisenberg estabeleceu um dos pilares que marcariam o estudo da física quântica: o Princípio da Incerteza. Trata-se de uma espécie de regra que dita os limites da capacidade para medir certos pares de propriedades de uma partícula subatómica, como a posição e o momento ou a energia e o tempo.

Simplificando o conceito, o princípio da incerteza afirma que, quanto maior for a precisão do estudo da posição de uma partícula, mais imprecisão encontraremos no cálculo do seu momento e vice-versa. Esta norma também é aplicável à energia e ao tempo: quanto mais rigorosa for a medição do tempo num sistema quântico, menos rigorosa será a medição da energia nesse instante e vice-versa.

É um facto bastante revolucionário, pois a impossibilidade de medir certas propriedades das partículas com precisão é algo que não depende dos equipamentos de medição utilizados, como acontece no caso da física clássica, estando associada às características inerentes da própria matéria. Isto sugere, portanto, que o mundo quântico é algo completamente probabilístico.

Werner Heisenberg em 1926

5. a quantização da ENERGia

Se as “regras” que governam o estudo do mundo quântico que referimos até agora lhe pareceram um pouco disparatadas, este último ponto-chave, não lhes fica atrás: na física quântica, a energia dos sistemas não pode ter um valor qualquer – só alguns valores específicos.

Quais são, então, os valores que pode assumir? Para lá chegarmos, temos de compreender o modelo quântico do átomo. Proposto por Niels Bohr em 1913, o modelo estipula que os electrões que se deslocam em redor do núcleo só podem ocupar certos níveis permitidos, denominados “órbitas” ou “níveis quânticos”. Quando um electrão absorve energia, como a energia proveniente da luz, pode saltar de um nível para outro, superior, e o mesmo sucede quando a perde, descendo para uma órbita inferior.

No entanto, os electrões nunca podem ocupar níveis de energia intermédios, razão pela qual a energia que possuem – e, por conseguinte, os sistemas aos quais pertencem – é sempre proporcional à necessária para transitar de uns níveis para outros. Em física quântica, essa quantidade de energia necessária é conhecida como quantum, podendo assim afirmar-se que os sistemas quânticos só podem possuir determinados valores de energia: os quantificados.