A Física Quântica: o que é, e para que serve
Autor: Ronnie | Publicado: 2011-10-04T17:58:00-07:00

Já          faz cem anos que Planck teve de lançar mão de uma expressão inusitada          para explicar os seus resultados da medida da intensidade da radiação          emitida por um radiador ideal - o corpo negro - levando-o assim a estabelecer          o valor de uma nova constante universal que ficou conhecida como a constante          de Planck. A partir daí, e também em função de outras experiências          que apresentavam resultados igualmente surpreendentes no contexto da mecânica          de Newton e do eletromagnetismo de Maxwell, os pesquisadores do começo          do século passado se viram obrigados a formular hipóteses revolucionárias          que culminaram com a elaboração de uma nova física capaz de descrever          os estranhos fenômenos que ocorriam na escala atômica; a mecânica quântica.          Esta teoria, com a sua nova conceituação sobre a matéria e os seus intrigantes          postulados, gerou debates não só no âmbito das ciências exatas mas também          no da filosofia, provocando assim uma grande revolução intelectual no          século XX. Obviamente que, além das discussões sérias e conceitualmente          sólidas, as características não cotidianas dos fenômenos quânticos levaram          muitos pesquisadores, e também leigos, a formular interpretações equivocadas          da nova teoria, o que infelizmente, ainda nos nossos dias, atrai a atenção          das pessoas menos informadas. Mas,          no final das contas, quais são estes efeitos tão estranhos dos quais estamos          falando e qual é a sua relevância para o nosso cotidiano, se existe alguma?          Bem, para provar que não estamos falando de coisas inúteis, comecemos          pela segunda parte desta pergunta.          O leitor certamente se surpreenderia se disséssemos que sem a mecânica          quântica não conheceríamos inúmeros objetos com os quais lidamos corriqueiramante          hoje em dia. Só para se ter uma idéia podemos mencionar o nosso aparelho          de CD, o controle remoto de nossas TVs, os aparelhos de ressonância magnética          em hospitais ou até mesmo o micro-computador que ora usamos na elaboração          deste artigo. Todos os dispositivos eletrônicos usados nos equipamentos          da chamada high-tech só puderam ser projetados porque conhecemos          a mecânica quântica. A título de informação, 30% do PIB americano é devido          a estas tecnologias.           Esperando ter convencido o leitor de que estamos longe do terreno da especulação,          vamos, então, abordar a primeira parte da pergunta acima lançada. O que          é a mecânica quântica?          A mecânica quântica é a teoria que descreve o comportamento da matéria          na escala do "muito pequeno", ou seja, é a física dos componentes          da matéria; átomos, moléculas e núcleos, que por sua vez são compostos          pelas partículas elementares. Muito interessante mas…o que isto nos traz          de novo?          A fim de podermos apreciar as novidades que a física quântica pode nos          proporcionar, vamos estabelecer alguns conceitos clássicos que nos serão          muito úteis adiante.          O primeiro conceito é o de partícula. Para nós este termo significa          um objeto que possui massa e é extremamente pequeno, como uma minúscula          bolinha de gude. Podemos imaginar que os corpos grandes sejam compostos          de um número imenso destas partículas. Este é um conceito com o qual estamos          bem acostumados porque lidamos diariamente com objetos dotados de massa          e que ocupam uma certa região do espaço.          O segundo conceito é o de onda. Este, apesar de ser também observado          no nosso dia a dia, escapa à atenção de muitos de nós. Um exemplo bem          simples do movimento ondulatório é o das oscilações da superfície da água          de uma piscina. Se mexermos sistematicamente a nossa mão sobre esta superfície,          observaremos uma ondulação se afastando, igualmente em todas as direções,          do ponto onde a superfície foi perturbada.           O caso particular aqui mencionado é o de onda material, ou seja,          aquela que precisa de um meio material para se propagar (a água da piscina          no nosso caso). Entretanto, esse não é o caso geral. Há ondas que não          precisam de meios materiais para a sua propagação, como é o caso da radiação          eletromagnética. Aqui, a energia emitida por cargas elétricas          aceleradas se propaga no espaço vazio (o vácuo) como as ondas na superfície          da piscina.          Apesar da sua origem mais sutil, a radiação eletromagnética está também          presente na nossa experiência diária. Dependendo da sua frequência ela          é conhecida como: onda de rádio, FM, radiação infravermelha, luz visível,          raios-X e muito mais.          Pois bem, até o final do século XIX tudo o que era partícula tinha o seu          movimento descrito pela mecânica newtoniana enquanto que a radiação eletromagnética          era descrita pelas equações de Maxwell do eletromagnetismo.           O que ocorreu no primeiro quarto do século XX foi que um determinado conjunto          de experiências apresentou resultados conflitantes com essa distinção          entre os comportamentos de onda e de partícula. Estes resultados podem          ser resumidos em uma única experiência que passamos a descrever, em seguida,          na sua versão clássica.          Imagine que uma onda, material ou não, incida sobre um anteparo opaco          onde haja duas fendas (ver figura abaixo). Cada uma das fendas passa então          a ser fonte de um novo movimento ondulatório. Uma característica fundamental          deste movimento é o fenômeno de interferência, que reflete o fato          das oscilações provenientes de cada uma das fendas poderem ser somadas          ou subtraídas uma da outra. Colocando-se agora um segundo anteparo, distante          do primeiro, onde iremos detetar a intensidade da onda que o atinge, observaremos          como resultado uma figura que alterna franjas com máximos e mínimos da          intensidade da onda. Esta é a chamada figura de interferência.
                                
            a)                arranjo experimental           b)                visão frontal do segundo anteparo         
          Vamos          agora repetir a mesma experiência com a diferença que, ao invés de ondas,          incidimos partículas sobre o primeiro anteparo. O que ocorre nesta nova          situação é a presença de duas concentrações distintas de partículas atingindo          o segundo anteparo. Aquelas que passam por uma ou outra fenda, como mostra          a figura abaixo.
                     
Este          seria, portanto, o resultado esperado pela física clássica. Entretanto,          quando esta experiência é feita com partículas como elétrons ou nêutrons,          ocorre o inesperado: forma-se no segundo anteparo uma figura de interferência          na concentração de partículas que a atingem, como mostramos em seguida.          
                     
Ainda          mais estranho é a repetição desta mesma experiência com apenas uma partícula.          Ela passa pelo primeiro anteparo e atinge o segundo em apenas um ponto.          Vamos, então, repetir esta mesma experiência um número enorme de vezes.          O resultado é que em cada experimento o ponto de deteção no segundo anteparo          é diferente. Entretanto, sobrepondo todos os resultados obtidos nos segundos          anteparos de cada experiência obtém-se, novamente, a mesma figura de interferência          da figura anterior!          Assim, mesmo falando de apenas uma partícula, nos vemos obrigados a associá-la          a uma onda para que possamos dar conta da característica ondulatória presente          no nosso exemplo. Por outro lado, devemos relacionar esta onda à probabilidade          de se encontrar a partícula em um determinado ponto do espaço para podermos          entender os resultados de uma única experiência de apenas uma partícula.          Este é o chamado princípio da dualidade onda-partícula.           Um outro fato intrigante ocorre quando tentamos determinar por que fenda          a partícula passou. Para resolver esta questão podemos proceder fechando          uma das fendas para ter certeza que ela passou pela outra fenda. Outra          surpresa: a figura de interferência é destruida dando lugar a apenas uma          concentração bem localizada de partículas, a daquelas que passaram pela          fenda aberta! Portanto, ao montarmos um experimento que evidencia o carater          corpuscular da matéria, destruimos completamente o seu carater ondulatório,          ou seja, o oposto ao caso com as duas fendas abertas. Este é o princípio          da complementaridade.          De uma forma geral podemos interpretar os resultados do experimento aqui          descrito como os de um sistema sujeito a uma montagem na qual o seu comportamento          depende de alternativas A e B (no nosso caso, a passagem da partícula          por uma das fendas). Enquanto que na mecânica clássica o sistema escolhe          A ou B, aleatoriamente, na mecânica quântica estas duas alternativas interferem.          Entretanto, ao questionarmos, ou melhor, medirmos, por qual alternativa          o sistema opta, obteremos o resultado clássico.          Um sistema quântico, ao contrário do clássico, só pode ser descrito através          das possíveis alternativas (não necessariamente apenas duas) que a nossa          montagem apresente para ele. A onda associada ao sistema carrega a possibilidade          de interferência entre as diferentes alternativas e é a informação máxima          que podemos ter sobre o sistema em questão.          A aplicação desta teoria a problemas nas escalas atômicas e sub-atômicas          apresenta resultados como a quantização da energia ou o tunelamento          quântico que, por si só, já mereceriam a elaboração de um outro artigo          para que o leitor pudesse apreciá-los.          O mais interessante é que a mecânica quântica descreve, com sucesso, o          comportamento da matéria desde altíssimas energias (física das partículas          elementares) até a escala de energia das reações químicas ou, ainda de          sistemas biológicos. O comportamento termodinâmico dos corpos macroscópicos,          em determinadas condições, requer também o uso da mecânica quântica.          A questão que nos resta é então; por quê não observamos estes fenômenos          no nosso cotidiano, ou seja, com objetos macroscópicos? Bem, há duas razões          para isso. A primeira é que a constante de Planck é extremamente pequena          comparada com as grandezas macroscópicas que têm a sua mesma dimensão.          Baseados neste fato, podemos inferir que os efeitos devidos ao seu valor          não nulo, ficarão cada vez mais imperceptíveis à medida que aumentamos          o tamanho dos sistemas. Em segundo lugar, há o chamado efeito de descoerência.          Este efeito só recentemente começou a ser estudado e trata do fato de          não podermos separar um corpo macroscópico do meio onde ele se encontra.          Assim, o meio terá uma influência decisiva na dinâmica do sistema fazendo          com que as condições necessárias para a manutenção dos efeitos quânticos          desapareçam em uma escala de tempo extremamente curta.           Entretanto, as novas tecnologias de manipulação dos sistemas físicos nas          escalas micro ou até mesmo nanoscópicas nos permitem fabricar dispositivos          que apresentam efeitos quânticos envolvendo, coletivamente, um enorme          número de partículas. Nestes sistemas a descoerência, apesar de ainda          existir, tem a sua influência um pouco reduzida, o que nos permite observar          os efeitos quânticos durante algum tempo.           Uma aplicação importante para alguns destes dispositivos seria a construção          de processadores quânticos, o que tornaria os nossos computadores          ainda mais rápidos. Nesta situação a minimização dos efeitos da descoerência          é altamente desejável pois, em caso contrário, estes processadores de          nada iriam diferir dos processadores clássicos.          Como podemos ver, tudo indica que a mecânica quântica seja a teoria correta          para descrever os fenômenos físicos em qualquer escala de energia. O universo          macroscópico só seria um caso particular para o qual há uma forma mais          eficiente de descrição; a mecânica newtoniana. Esta pode ser obtida como          um caso particular da mecânica quântica mas a recíproca não é verdadeira.          Muitos autores, por não se sentirem confortáveis com a chamada interpretação          ortodoxa ou de Copenhagen da mecânica quântica, tentam criar          teorias alternativas para substituí-la. Entretanto, cabe notar que, apesar          da sua estranheza, a mecânica quântica não apresentou qualquer falha desde          que foi elaborada na década de 20, o que não nos proporciona evidência          experimental que aponte para onde buscar as questões capazes de derrubá-la.&nbsp;
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