Do multiverso aos buracos negros, aqui está o seu bloco de dicas para o lado assustador do universo. 

1. O mundo quântico é irregular

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O mundo quântico tem muito em comum com os tênis. Você não pode simplesmente ir a uma loja e escolher os tênis que combinem exatamente com seus pés. Em vez disso, você é forçado a escolher entre pares que vêm em tamanhos predeterminados.

O mundo subatômico é semelhante. Albert Einstein ganhou o Prêmio Nobel por provar que a energia é quantizada. Assim como você só pode comprar tênis em múltiplos de meio tamanho, a energia só vem em múltiplos do mesmo "quanta" - daí o nome física quântica.

O quanta aqui é a constante de Planck, em homenagem a Max Planck, o padrinho da física quântica. Ele estava tentando resolver um problema com nossa compreensão de objetos quentes como o sol. Nossas melhores teorias não podiam corresponder às observações da energia que elas expelem. Ao propor que a energia é quantizada, ele foi capaz de alinhar a teoria com o experimento.

2. Algo pode ser onda e partícula

Uma vela solar: no espaço, a luz exerce pressão como o vento na Terra. Crédito da imagem: getty

JJ Thomson ganhou o Prêmio Nobel em 1906 por sua descoberta de que os elétrons são partículas. No entanto, seu filho George ganhou o Prêmio Nobel em 1937 por mostrar que os elétrons são ondas. Quem estava certo? A resposta é ambos. Essa chamada dualidade onda-partícula é a pedra angular da física quântica. Isso se aplica tanto à luz quanto aos elétrons. Às vezes vale a pena pensar na luz como uma onda eletromagnética, mas outras vezes é mais útil imaginá-la na forma de partículas chamadas fótons. 

Um telescópio pode focalizar ondas de luz de estrelas distantes e também atua como um balde de luz gigante para coletar fótons. Isso também significa que a luz pode exercer pressão quando os fótons se chocam contra um objeto. Isso é algo que já usamos para impulsionar espaçonaves com velas solares, e pode ser possível explorá-lo para manobrar um asteroide perigoso para fora de uma rota de colisão com a Terra, de acordo com Rusty Schweickart, presidente da Fundação B612.

3. Os objetos podem estar em dois lugares ao mesmo tempo

Erwin Schrödinger usou a ideia de um gato em uma caixa para simplificar a superposição. Crédito da imagem: Mopic / Alamy Stock Photo

A dualidade onda-partícula é um exemplo de superposição. Ou seja, um objeto quântico existente em vários estados ao mesmo tempo. Um elétron, por exemplo, está "aqui" e "lá" simultaneamente. É apenas uma vez que fazemos um experimento para descobrir onde é que isso se estabelece em um ou outro. 

Isso torna a física quântica tudo sobre probabilidades. Só podemos dizer em qual estado um objeto tem maior probabilidade de estar quando olhamos. Essas probabilidades são encapsuladas em uma entidade matemática chamada função de onda. Diz-se que fazer uma observação "colapsa" a função de onda, destruindo a superposição e forçando o objeto a apenas um de seus muitos estados possíveis.

Essa ideia está por trás do famoso experimento mental do gato de Schrödinger. Um gato em uma caixa lacrada tem seu destino ligado a um dispositivo quântico. Como o dispositivo existe em ambos os estados até que uma medição seja feita, o gato está simultaneamente vivo e morto até que olhemos.

4. Pode nos levar a um multiverso

Poderíamos ser apenas uma bolha de muitas, cada uma contendo uma versão diferente do universo. Crédito da imagem: getty

A ideia de que a observação colapsa a função de onda e força uma 'escolha' quântica é conhecida como a interpretação de Copenhagen da física quântica. No entanto, não é a única opção disponível. Os defensores da interpretação de 'muitos mundos' argumentam que não há escolha envolvida. Em vez disso, no momento em que a medição é feita, a realidade se divide em duas cópias de si mesma: uma em que experimentamos o resultado A e outra onde vemos o resultado B se desdobrar. Isso contorna a espinhosa questão de precisar de um observador para fazer as coisas acontecerem, um cachorro conta como um observador ou um robô?

Em vez disso, no que diz respeito a uma partícula quântica, existe apenas uma realidade muito estranha que consiste em muitas camadas emaranhadas. À medida que nos aproximamos das escalas maiores que experimentamos no dia a dia, essas camadas se desembaraçam nos mundos da teoria de muitos mundos. Os físicos chamam esse processo de decoerência.

5. Ajuda-nos a caracterizar estrelas

Os espectros das estrelas podem nos dizer quais elementos eles contêm, dando pistas sobre sua idade e outras características. Crédito da imagem: getty

O físico dinamarquês Niels Bohr nos mostrou que as órbitas dos elétrons dentro dos átomos também são quantizadas. Eles vêm em tamanhos predeterminados chamados níveis de energia. Quando um elétron cai de um nível de energia superior para um nível de energia inferior, ele emite um fóton com uma energia igual ao tamanho da lacuna. Da mesma forma, um elétron pode absorver uma partícula de luz e usar sua energia para saltar para um nível de energia mais alto.

Os astrônomos usam esse efeito o tempo todo. Sabemos do que as estrelas são feitas porque, quando dividimos sua luz em um espectro semelhante ao do arco-íris, vemos cores que estão faltando. Diferentes elementos químicos têm diferentes espaçamentos de níveis de energia, então podemos descobrir os constituintes do sol e de outras estrelas a partir das cores precisas que estão ausentes.

6. Sem ele, o sol não brilharia

Tunelamento quântico é a possibilidade finita de que uma partícula pode romper uma barreira de energia. Crédito da imagem: getty

O sol produz sua energia por meio de um processo chamado fusão nuclear. Envolve dois prótons, as partículas carregadas positivamente em um átomo, que se unem. No entanto, suas cargas idênticas os fazem se repelirem, como os dois polos norte de um ímã. Os físicos chamam isso de barreira de Coulomb, e é como uma parede entre os dois prótons. 

Pense nos prótons como partículas e eles simplesmente colidem com a parede e se separam: sem fusão, sem luz solar. No entanto, pense neles como ondas, e é uma história diferente. Quando a crista da onda atinge a parede, a borda frontal já a atravessou. A altura da onda representa onde o próton tem maior probabilidade de estar. Portanto, embora seja improvável que esteja onde está a borda principal, às vezes ela está lá. É como se o próton tivesse atravessado a barreira e ocorresse a fusão. Os físicos chamam esse efeito de "tunelamento quântico".

7. Impede o colapso de estrelas mortas

É teorizado que os núcleos das anãs brancas podem se cristalizar à medida que envelhecem. Crédito da imagem: getty

Eventualmente a fusão no sol irá parar e nossa estrela morrerá. A gravidade vencerá e o sol entrará em colapso, mas não indefinidamente. Quanto menor ele fica, mais material é amontoado. Por fim, uma regra da física quântica chamada princípio de exclusão de Pauli entra em ação. Isso diz que é proibido que certos tipos de partículas, como elétrons, existam no mesmo estado quântico. Enquanto a gravidade tenta fazer exatamente isso, ela encontra uma resistência que os astrônomos chamam de pressão de degeneração. O colapso para e um novo objeto do tamanho da Terra, denominado anã branca, se forma. 

A pressão de degenerescência só pode oferecer muita resistência, no entanto. Se uma anã branca cresce e se aproxima de uma massa igual a 1,4 sóis, ela dispara uma onda de fusão que a estilhaça em pedaços. Os astrônomos chamam essa explosão de supernova Tipo Ia , e é brilhante o suficiente para ofuscar uma galáxia inteira.

8. Faz com que os buracos negros evaporem

Nem tudo que cai em um buraco negro desaparece - alguma matéria escapa. Crédito da imagem: getty

Uma regra quântica chamada princípio da incerteza de Heisenberg diz que é impossível saber perfeitamente duas propriedades de um sistema simultaneamente. Quanto mais precisamente você conhece um, menos precisamente conhece o outro. Isso se aplica ao momento e à posição, e separadamente à energia e ao tempo.

É um pouco como fazer um empréstimo. Você pode pedir muito dinheiro emprestado por um curto período de tempo ou um pouco de dinheiro por mais tempo. Isso nos leva a partículas virtuais. Se energia suficiente for "emprestada" da natureza, um par de partículas pode surgir momentaneamente, antes de desaparecer rapidamente para não deixar o empréstimo inadimplente.

Stephen Hawking imaginou esse processo ocorrendo na fronteira de um buraco negro, onde uma partícula escapa (como a radiação Hawking), mas a outra é engolida. Com o tempo, o buraco negro evapora lentamente, pois não está devolvendo o valor total que pediu emprestado. 

9. Isso explica a estrutura em grande escala do universo

Começando como uma singularidade, o universo vem se expandindo há 13,8 bilhões de anos. Crédito da imagem: getty

Nossa melhor teoria sobre a origem do universo é o Big Bang. No entanto, foi modificada na década de 1980 para incluir outra teoria chamada inflação. No primeiro trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo, o cosmos cresceu de um tamanho menor que um átomo até o tamanho de uma laranja. Isso é 1078 vezes maior. Inflar um glóbulo vermelho na mesma quantidade o tornaria maior do que todo o universo observável hoje.

Como era inicialmente menor que um átomo, o universo infantil teria sido dominado por flutuações quânticas ligadas ao princípio da incerteza de Heisenberg. A inflação fez com que o universo crescesse rapidamente antes que essas flutuações tivessem a chance de desaparecer. Esta energia concentrou-se em algumas áreas ao invés de outras, algo que os astrônomos acreditam que agiu como sementes em torno das quais o material poderia se reunir para formar os aglomerados de galáxias que observamos agora.

10. É mais do que um pouco 'assustador'

As propriedades de uma partícula podem ser 'teletransportadas' através do emaranhamento quântico. Crédito da imagem: getty

Além de ajudar a provar que a luz é quântica, Einstein argumentou a favor de outro efeito que ele apelidou de "ação fantasmagórica à distância". Hoje sabemos que esse 'emaranhamento quântico' é real, mas ainda não entendemos totalmente o que está acontecendo. Digamos que juntamos duas partículas de modo que seus estados quânticos sejam inexoravelmente ligados ou emaranhados. Um está no estado A e o outro no estado B.

O princípio de exclusão de Pauli diz que os dois não podem estar no mesmo estado. Se mudarmos um, o outro mudará instantaneamente para compensar. Isso acontece mesmo se separarmos as duas partículas uma da outra em lados opostos do universo. É como se as informações sobre a mudança que fizemos viajassem entre elas mais rápido do que a velocidade da luz, algo que Einstein disse ser impossível.

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Referência:  

STUART, Colin. 10 mind-boggling things you should know about quantum physics. Space, Nova York, 28, mai. 2021. All About Space magazine. Disponível em: <https://www.space.com/quantum-physics-things-you-should-know>. Acesso em: 28, mai. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.