A Mecânica Quântica

por Miguel Furtado

Antes de mais, deixo claro que não vou explicar Mecânica Quântica. Teria muito gosto em fazê-lo de forma rápida e simples, mas não acho que isso seja possível.

“I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics.” 

Richard Feynman, 1965, The Charac­ter of Physical Law.

Esta célebre afirmação de Feynman, escrita no ano em que recebeu o prémio Nobel, dá a entender a grande dificuldade na percepção do tema. Sinceramente, eu também não consigo compreender esta teoria. O meu objectivo é cativar-vos para a mesma, dando a conhecer algumas noções e curiosidades, essas sim, mais ligeiras.

Este ramo da Física, de natureza probabilística, matemática, é indispensável para o estudo de sistemas de pequenas dimensões, por exemplo, moléculas, átomos, electrões ou outras partículas subatómicas. O seu nome provém da quantização da energia – as partículas possuem apenas valores energéticos bem definidos, discretos, e não um valor qualquer. Por isso, as ondas electromagnéticas (luz visível, raios X, microondas, ultravioleta, etc) podem ser explicadas como uma emissão de “pacotes” de energia, a que se deu o nome de quanta. É a existência dos quanta que impede as ondas de absorverem toda energia do Universo, pois devido a estes, apenas “aceitam” um determinado valor específico.

O exemplo que melhor ilustra a complexidade da Mecânica Quântica é o notável paradoxo do gato de Schrӧdinger. De uma forma muito simples: existe um gato dentro de uma caixa isolada e um veneno pode ou não ser libertado para o sistema, matando o gato (probabilidade de 50%). Os estados possíveis são dois – o gato estar vivo ou estar morto – no entanto, a Quântica afirma que até se abrir a caixa o gato encontra-se vivo e morto ao mesmo tempo, ou seja, todos os estados possíveis estão combinados. Quando a observação ocorre, então essa sobreposição de estados dá lugar a um estado bem definido. Intuitivamente achamos que o estado do gato é independente da observação, mas em Quântica isso não acontece. De facto, o estado de um sistema quântico é influenciado pelo processo de observação. Claro que também não podemos considerar um gato como um sistema quântico!

Este paradoxo levanta questões interessantes: o que força a Natureza a escolher um dos estados, isto é, a colapsar para uma das realidades? Ou será que ambas as hipóteses ocorrem em universos paralelos? Esta última pergunta vai de encontro à conhecida Teoria das Cordas.

A influência da observação no estado do sistema é evidente na experiência da dupla fenda usando electrões, explicada de forma muito interessante no seguinte vídeo:

Verifica-se que, incrivelmente, o electrão muda de comportamento conforme o modo como é observado! Além disso, ao obter-se os resultados esperados para uma onda, conclui-se que um único electrão passa inteiramente e em simultâneo pelas duas fendas, interferindo, posteriormente, com ele próprio. Algo incompreensível, mas, a meu ver, fascinante!

Tocando muito ao de leve no assunto, esta teoria está ligada ao Princípio da Incerteza de Heisenberg. Se estudarmos o movimento do electrão, conseguimos determinar com precisão a sua posição mas não a sua velocidade ou vice-versa, porque em Quântica não existe o conceito de trajectória. O princípio afirma que o produto das incertezas (erros associados à medição) das grandezas, neste caso, posição e velocidade, não pode ser inferior a uma constante (a de Planck normalizada). Como tal, se uma grandeza for muito precisa a outra, necessariamente, não o poderá ser.

A Quântica representa um ruptura com as ideias clássicas e uma nova e radical forma de percepção da realidade, por isso é considerada como a maior revolução científica do século XX. As suas aplicações vão muito para além da compreensão das partículas atómicas e subatómica. A alta tecnologia dos dispositivos electrónicos de hoje só é possível graças a esta teoria. Enumerando alguns exemplos tem-se: lasers, cd’s, dvd’s, blue-ray, controlo remoto, aparelhos de ressonância magnética, microscópio electrónico, transístores – componente indispensável de qualquer equipamento electrónico moderno. Actualmente, estuda-se o desenvolvimento de processadores e relógios quânticos, esperando rendimentos muito superiores aos actuais, bem como a área da criptografia, permitindo transmissões de informação de uma forma mais segura que a actual. Por fim, também permitiu a descoberta da superfluídez e supercondutividade. Ambos são estados anómalos da matéria caracterizados, respectivamente, por viscosidade e resistência eléctrica nula. 

Devido à falta de viscosidade, o líquido escorre livremente pela superfície de modo a igualar o nível entre os recipientes interior e exterior.

No vídeo encontra-se um exemplo de aplicação dos supercondutores. Actualmente existem comboios que funcionam através desta tecnologia, os Maglev – Magnectic Levitation Transport.

Devido ao seu forte cariz matemático e até metafísico, muitos dos que a estudam defendem que a Mecânica Quântica, em vários casos, não necessita de interpretação, motivando o surgimento do ditado: “Cale-se e calcule!”.

Espero ter-vos aguçado a curiosidade.