Seis coisas que todos devem saber sobre a Física Quântica

A Física Quântica geralmente é apenas intimidante desde o início. É um pouco estranho e pode parecer contra-intuitivo, mesmo para os físicos que lidam com isso todos os dias. Mas não é incompreensível. Se você está lendo algo sobre física quântica, há realmente seis conceitos-chave sobre isso que você deve ter em mente. Faça isso, e você vai achar a física quântica muito mais fácil de entender.

Tudo é feito de ondas; Além disso, Partículas

Há muitos lugares para iniciar este tipo de discussão, e isto é tão bom quanto qualquer outro: tudo no universo tem natureza de partícula e de onda, ao mesmo tempo. Há uma linha na duologia da fantasia de Greg Bear (The Infinity Concerto e The Serpent Mage), onde um personagem descrevendo o básico da magia diz “Tudo são ondas, sem nada acenando, sem distância alguma”. Eu sempre gostei muito disso como uma descrição poética da física quântica – no fundo, tudo no universo tem natureza de onda.

Obviamente, tudo no universo também tem natureza de partícula. Isto parece completamente louco, mas é um fato experimental, trabalhado por um processo surpreendentemente familiar:

(há também uma versão animada disto que eu fiz para TED-Ed).

Obviamente, descrever objetos reais como partículas e ondas é necessariamente um pouco impreciso. Falando correctamente, os objectos descritos pela física quântica não são partículas nem ondas, mas uma terceira categoria que partilha algumas propriedades das ondas (uma frequência e comprimento de onda característicos, alguns espalhados pelo espaço) e algumas propriedades das partículas (são geralmente contabilizáveis e podem ser localizadas até certo ponto). Isto leva a um debate animado dentro da comunidade de educação física sobre se é realmente apropriado falar da luz como uma partícula nos cursos de física introdutória; não porque haja alguma controvérsia sobre se a luz tem alguma natureza de partícula, mas porque chamar os fótons de “partículas” em vez de “excitações de um campo quântico” pode levar a alguns equívocos dos estudantes. Eu tendo a não concordar com isso, porque muitas das mesmas preocupações poderiam ser levantadas sobre chamar os elétrons de “partículas”, mas isso faz com que seja uma fonte confiável de conversas em blogs.

Essa natureza de “porta número três” dos objetos quânticos se reflete na linguagem às vezes confusa que os físicos usam para falar sobre fenômenos quânticos. O bóson Higgs foi descoberto no Large Hadron Collider como uma partícula, mas você também ouvirá físicos falando sobre o “campo Higgs” como uma coisa deslocalizada preenchendo todo o espaço. Isto acontece porque em algumas circunstâncias, tais como experimentos de colisão, é mais conveniente discutir as excitações do campo de Higgs de uma forma que enfatize as características semelhantes às partículas, enquanto em outras circunstâncias, como a discussão geral do porquê de certas partículas terem massa, é mais conveniente discutir a física em termos de interações com um campo quântico que preenche um universo. É apenas uma linguagem diferente descrevendo o mesmo objeto matemático.

Física Quântica É Discreta

Está bem ali no nome – a palavra “quantum” vem do latim para “quanto” e reflete o fato de que modelos quânticos sempre envolvem algo vindo em quantidades discretas. A energia contida em um campo quântico vem em múltiplos inteiros de alguma energia fundamental. Para a luz, isto está associado à frequência e ao comprimento de onda da luz – luz de alta frequência, luz de comprimento de onda curto tem uma grande energia característica, que luz de baixa frequência, luz de comprimento de onda longo tem uma pequena energia característica.

Em ambos os casos, no entanto, a energia total contida num determinado campo de luz é um múltiplo inteiro dessa energia – 1, 2, 14, 137 vezes – nunca uma fração estranha como uma e meia, π, ou a raiz quadrada de duas. Esta propriedade também é vista nos níveis discretos de energia dos átomos, e nas faixas de energia dos sólidos – certos valores de energia são permitidos, outros não. Os relógios atómicos funcionam devido à discrição da física quântica, usando a frequência da luz associada a uma transição entre dois estados permitidos no césio para manter o tempo a um nível que requer o muito discutido “salto segundo” acrescentado na semana passada.

Espectroscopia ultra-precisa também pode ser usada para procurar coisas como matéria escura, e é parte da motivação para um instituto de física fundamental de baixa energia.

Isso nem sempre é óbvio – mesmo algumas coisas que são fundamentalmente quânticas, como a radiação de corpo negro, parecem envolver distribuições contínuas. Mas há sempre uma espécie de granularidade na realidade subjacente, se você se aprofundar na matemática, e isso é uma grande parte do que leva à estranheza da teoria.

A Física Quântica é Probabilística

Um dos aspectos mais surpreendentes e (historicamente, pelo menos) controversos da física quântica é que é impossível prever com certeza o resultado de um único experimento sobre um sistema quântico. Quando os físicos prevêem o resultado de algum experimento, a previsão toma sempre a forma de uma probabilidade de encontrar cada um dos resultados possíveis, e as comparações entre teoria e experimento sempre envolvem inferir distribuições de probabilidade de muitos experimentos repetidos.

A descrição matemática de um sistema quântico tipicamente toma a forma de uma “função de onda”, geralmente representada em equações pela letra grega psi: Ψ. Há muito debate sobre o que, exatamente, esta função wavefunction representa, dividindo-se em dois campos principais: aqueles que pensam na função wavefunction como uma coisa física real (o termo jargão para estes é teorias “ontic”, levando alguma pessoa espirituosa a chamar seus proponentes de “psi-ontologistas”) e aqueles que pensam na função wavefunction como meramente uma expressão de nosso conhecimento (ou falta dele) em relação ao estado subjacente de um objeto quântico particular (teorias “epistêmicas”).

Em qualquer das classes do modelo fundacional, a probabilidade de encontrar um resultado não é dada diretamente pela função wave, mas sim pelo quadrado da função wave (de qualquer forma, falando vagamente; a função wave é um objeto matemático complexo (o que significa que envolve números imaginários como a raiz quadrada de um negativo), e a operação para obter a probabilidade é ligeiramente mais envolvida, mas “quadrado da função wave” é suficiente para obter a idéia básica). Isto é conhecido como a “Regra Nascida” depois do físico alemão Max Born, que sugeriu isto pela primeira vez (numa nota de rodapé de um artigo em 1926), e atinge algumas pessoas como uma adição ad hoc feia. Há um esforço ativo em algumas partes da comunidade de fundações quânticas para encontrar uma maneira de derivar a regra Born de um princípio mais fundamental; até hoje, nenhuma delas tem sido totalmente bem sucedida, mas gera muita ciência interessante.

Este é também o aspecto da teoria que leva a coisas como partículas estarem em múltiplos estados ao mesmo tempo. Tudo o que podemos prever é a probabilidade, e antes de uma medição que determina um determinado resultado, o sistema a ser medido está num estado indeterminado que mapeia matematicamente para uma sobreposição de todas as possibilidades com diferentes probabilidades. Se você considera que o sistema realmente está em todos os estados ao mesmo tempo, ou apenas em um estado desconhecido, depende em grande parte de seus sentimentos sobre modelos ônticos versus epistêmicos, embora ambos estejam sujeitos a restrições do próximo item da lista:

Física Quântica Não é Local

A última grande contribuição que Einstein fez à física não foi amplamente reconhecida como tal, principalmente porque ele estava errado. Em um trabalho de 1935 com seus colegas mais jovens Boris Podolsky e Nathan Rosen (o “EPR paper”), Einstein forneceu uma clara declaração matemática de algo que o vinha incomodando há algum tempo, uma idéia que agora chamamos de “emaranhamento”

O trabalho EPR argumentou que a física quântica permitia a existência de sistemas onde as medições feitas em locais amplamente separados poderiam ser correlacionadas de maneiras que sugeriam que o resultado de um fosse determinado pelo outro. Eles argumentaram que isso significava que os resultados das medições deveriam ser determinados antecipadamente, por algum fator comum, pois a alternativa exigiria transmitir o resultado de uma medição para o local da outra a velocidades mais rápidas do que a velocidade da luz. Assim, a mecânica quântica deve ser incompleta, uma mera aproximação a alguma teoria mais profunda (uma teoria da “variável oculta local”, em que os resultados de uma medição em particular não dependem de nada mais distante do local da medição do que um sinal poderia viajar à velocidade da luz (“local”), mas são determinados por algum fator comum a ambos os sistemas em um par enredado (a “variável oculta”)).

Esta foi considerada uma nota de rodapé estranha durante cerca de trinta anos, pois parecia não haver forma de a testar, mas em meados dos anos 60, o físico irlandês John Bell trabalhou as consequências do trabalho EPR com mais detalhe. Bell mostrou que você pode encontrar circunstâncias nas quais a mecânica quântica prevê correlações entre medidas distantes que são mais fortes do que qualquer teoria possível do tipo preferido por E, P e R. Isto foi testado experimentalmente em meados dos anos 70 por John Clauser, e uma série de experimentos por Alain Aspect no início dos anos 80 é amplamente considerada como tendo mostrado definitivamente que estes sistemas enredados não podem ser explicados por qualquer teoria local de variáveis ocultas.

A abordagem mais comum para entender este resultado é dizer que a mecânica quântica não é local: que os resultados das medições feitas em um determinado local podem depender das propriedades de objetos distantes de uma forma que não pode ser explicada usando sinais que se movem à velocidade da luz. Isto não permite, no entanto, o envio de informação a velocidades superiores à velocidade da luz, embora tenha havido várias tentativas para encontrar uma forma de utilizar a não-localidade quântica para o fazer. Refutar estas tentativas revelou-se um empreendimento surpreendentemente produtivo – veja o livro de David Kaiser How the Hippies Saved Physics para mais detalhes. A não-localidade quântica também é central para o problema da informação na evaporação de buracos negros, e a controvérsia do “firewall” que tem gerado muita atividade recente. Existem até algumas idéias radicais envolvendo uma conexão matemática entre as partículas enredadas descritas no papel EPR e os buracos de minhoca.

Física Quântica é (na maioria das vezes) Muito Pequena

A física quântica tem a reputação de ser estranha porque as suas previsões são dramaticamente diferentes da nossa experiência diária (pelo menos, para os humanos – o conceito do meu livro é que não parece tão estranho para os cães). Isso acontece porque os efeitos envolvidos ficam menores à medida que os objetos ficam maiores – se você quer ver comportamento quântico sem ambigüidade, você basicamente quer ver partículas se comportando como ondas, e o comprimento de onda diminui à medida que o momento aumenta. O comprimento de onda de um objeto macroscópico como um cão andando pela sala é tão ridiculamente pequeno que se você expandisse tudo de forma que um único átomo na sala fosse do tamanho de todo o Sistema Solar, o comprimento de onda do cão seria aproximadamente do tamanho de um único átomo dentro desse sistema solar.

Isso significa que, na maioria das vezes, os fenômenos quânticos estão confinados à escala de átomos e partículas fundamentais, onde as massas e velocidades são pequenas o suficiente para que os comprimentos de onda fiquem grandes o suficiente para serem observados diretamente. Há um esforço ativo em um monte de áreas, no entanto, para empurrar o tamanho dos sistemas que mostram efeitos quânticos para tamanhos maiores. Eu bloguei um monte de experimentos do grupo de Markus Arndt mostrando comportamento ondulatório em moléculas cada vez maiores, e há um monte de grupos na “cavidade opto-mecânica” tentando usar a luz para retardar o movimento de pedaços de silício até o ponto em que a natureza quântica discreta do movimento se tornaria clara. Há até mesmo algumas sugestões de que seria possível fazer isso com espelhos suspensos tendo massas de várias gramas, o que seria incrivelmente legal.

Física Quântica Não é Mágica

O ponto anterior leva muito naturalmente a este: por mais estranho que possa parecer, a física quântica não é, enfaticamente, mágica. As coisas que ela prevê são estranhas pelos padrões da física diária, mas são rigorosamente limitadas por regras e princípios matemáticos bem compreendidos.

Então, se alguém vem até você com uma idéia “quântica” que parece boa demais para ser verdade – energia livre, poderes místicos de cura, impulsos espaciais impossíveis – quase certamente é. Isso não significa que não podemos usar a física quântica para fazer coisas incríveis — você pode encontrar alguma física realmente legal na tecnologia mundana — mas essas coisas ficam bem dentro dos limites das leis da termodinâmica e apenas do senso comum básico.

Então aí você tem: o essencial da física quântica. Eu provavelmente deixei algumas coisas de fora, ou fiz algumas afirmações que não são suficientemente precisas para agradar a todos, mas isto deve pelo menos servir como um ponto de partida útil para discussão posterior.