O nascimento da Física Quântica
A história dos cientistas e teorias que criaram um dos campos mais importantes para a modernidade.
A física quântica é necessária não apenas para explicar inúmeros fenômenos do universo, como ela também é diretamente responsável, e essencial, para o funcionamento de uma enorme quantidade de elementos do mundo moderno, desde tratamentos de câncer, até a própria internet e os dispositivos que você está usando para ler este texto!
A necessidade de um campo da física voltado somente para estruturas invisíveis ao olho humano surge uma vez que a ciência nota a inconsistência que partículas atômicas apresentam quando estudadas sob a teoria newtoniana. Esta, mesmo sendo capaz de explicar a maioria dos movimentos e os fenômenos que se aplicam aos corpos celestes, falha em descrever os eventos quase aleatórios e comportamentos instáveis dos microscópicos corpos da natureza.
Entretanto, esta não é a história das pequenas partículas que formam o universo, ou das leis que as regem desde o Big Bang, mas sim a história dos cientistas e das ideias que cunharam um dos campos mais importantes das ciências. Uma história sobre indivíduos profundamente humanos que muitas vezes não sabiam sequer o que fazer com os achados de seus experimentos, duvidavam das próprias pesquisas, que tinham suas rivalidades, seus projetos pessoais e suas próprias concepções sobre a natureza.
Conceitos importantes da física quântica
- Colapso da função de onda
- Spin das partículas
- Princípio da exclusão de Pauli
- Túnel quântico
- Gato de Schrödinger
- Constante de Planck
- Modelos de partículas e campos
- Mecânica matricial e de Schrödinger
Max Planck
Tudo começa com o cientista alemão Max Planck, considerado o pai fundador da teoria quântica, que em 1897 partiu em um projeto pessoal para provar que átomos não existem. Como ele pretendia fazer isso? Resolvendo uma série de problemas para os quais a física da época não tinha nenhuma explicação, mas sem utilizar pequenos corpos invisíveis como parte da solução.
Planck trabalhou por mais de três anos em sua hipótese sem atingir resultados que fossem sequer satisfatórios. Acabou desistindo da sua briga contra a existência de átomos e optou por utilizar estas pequenas partículas para tentar resolver os problemas da física contra os quais tinha passado os últimos anos lutando contra.
Assim, ele chegou a uma fórmula matemática que descrevia perfeitamente os resultados obtidos pelos seus experimentos. Sem ao menos ter uma explicação para o porquê das fórmulas funcionarem, passou os meses seguintes tentando justificar seus achados. Até os dias de hoje, não sabemos se Planck chegou a seus resultados por meio de uma análise cuidadosa, ou através de uma série de palpites educados até que um deles se encaixou. Mas independente disso, ele foi capaz de explicar seus resultados ao afirmar que a energia no universo é absorvida pelos átomos, ou irradiada por eles, não de forma contínua, mas somente em determinadas quantidades pré-estabelecidas (Quanta do latim). Planck publicou seus achados em 14 de Dezembro de 1900, data hoje considerada o nascimento da mecânica quântica.
Sua descoberta entretanto não teve muito impacto imediatamente, tanto que o próprio Planck desconsiderou sua pesquisa como algo significativo por mais de uma década. Foi necessário um dos cientistas mais famosos de todos os tempos para revelar a verdadeira importância destes achados.
[Texto de autoria de Thiago Araújo, estagiário no Núcleo de Astronomia do Espaço do Conhecimento UFMG]
Etapas para entender os fundamentos da física quântica
- Compreender o conceito de quantização de energia
Energia não é contínua, mas vem em "pacotes" chamados quanta. - Estudar o experimento da dupla fenda
Demonstra o comportamento dual (onda-partícula) da matéria. - Aprender sobre o princípio da incerteza de Heisenberg
Não é possível saber simultaneamente a posição e a velocidade exatas de uma partícula. - Entender o papel do observador
A simples observação pode influenciar o resultado de um experimento. - Explorar a superposição quântica
Partículas podem estar em múltiplos estados ao mesmo tempo até serem medidas. - Investigar o entrelaçamento quântico
Duas partículas podem permanecer conectadas mesmo a grandes distâncias.