A mecânica quântica é o ramo da física relacionado com os muito pequenos.

Crédito da imagem: YAY Media AS / Alamy

Isso resulta no que podem parecer algumas conclusões muito estranhas sobre o mundo físico. Na escala de átomos e elétrons, muitas das equações da mecânica clássica, que descrevem como as coisas se movem em tamanhos e velocidades cotidianas, deixam de ser úteis. Na mecânica clássica, os objetos existem em um lugar específico em um momento específico. No entanto, na mecânica quântica, os objetos existem em uma névoa de probabilidade; eles têm uma certa chance de estar no ponto A, outra chance de estar no ponto B e assim por diante.

Três princípios revolucionários

A mecânica quântica (MQ) se desenvolveu ao longo de muitas décadas, começando como um conjunto de explicações matemáticas controversas de experimentos que a matemática da mecânica clássica não conseguia explicar. Tudo começou na virada do século 20, na mesma época que Albert Einstein publicou sua teoria da relatividade, uma revolução matemática separada na física que descreve o movimento das coisas em altas velocidades. Ao contrário da relatividade, no entanto, as origens da MQ não podem ser atribuídas a nenhum cientista. Em vez disso, vários cientistas contribuíram para a fundação de três princípios revolucionários que gradualmente ganharam aceitação e verificação experimental entre 1900 e 1930. Eles são:

Propriedades quantizadas: certas propriedades, como posição, velocidade e cor, às vezes só podem ocorrer em valores definidos e específicos, como um dial que "clica" de um número para outro. Isso desafiou uma suposição fundamental da mecânica clássica, que dizia que tais propriedades deveriam existir em um espectro suave e contínuo. Para descrever a ideia de que algumas propriedades "clicaram" como um mostrador com configurações específicas, os cientistas cunharam a palavra "quantizado".

Partículas de luz: a luz às vezes pode se comportar como uma partícula. Isso foi recebido inicialmente com duras críticas, pois contrariava 200 anos de experimentos mostrando que a luz se comportava como uma onda; muito parecido com as ondulações na superfície de um lago calmo. A luz se comporta de maneira semelhante porque ricocheteia nas paredes e se curva nos cantos, e as cristas e vales da onda podem se somar ou se cancelar. As cristas de onda adicionadas resultam em uma luz mais brilhante, enquanto as ondas que se cancelam produzem escuridão. Uma fonte de luz pode ser vista como uma bola em uma vara sendo ritmicamente mergulhada no centro de um lago. A cor emitida corresponde à distância entre as cristas, que é determinada pela velocidade do ritmo das esferas.

Ondas da matéria: a matéria também pode se comportar como uma onda. Isso vai contra os cerca de 30 anos de experimentos mostrando que a matéria (como os elétrons) existe como partículas.

Propriedades quantizadas?

Em 1900, o físico alemão Max Planck procurou explicar a distribuição das cores emitidas ao longo do espectro no brilho de objetos em vermelho-quente e objetos Branco-quente, como filamentos de lâmpadas. Ao dar sentido físico à equação que ele derivou para descrever essa distribuição, Planck percebeu que isso implicava que combinações de apenas certas cores (embora um grande número delas) fossem emitidas, especificamente aquelas que eram múltiplas de números inteiros de algum valor de base. De alguma forma, as cores foram quantizadas! Isso foi inesperado porque a luz foi entendida como uma onda, o que significa que os valores das cores deveriam ser um espectro contínuo. O que poderia ser átomos proibitivos de produzir as cores entre esses múltiplos de números inteiros? Isso parecia tão estranho que Planck considerava a quantização nada mais do que um truque matemático. De acordo com Helge Kragh em seu artigo de 2000 na revista Physics World, "Max Planck, the Reluctant Revolutionary", "Se uma revolução ocorreu na física em dezembro de 1900, ninguém pareceu notar. Planck não foi exceção..."

A equação de Planck também continha um número que mais tarde se tornaria muito importante para o desenvolvimento futuro da MQ; hoje, é conhecida como "Constante de Planck".

A quantização ajudou a explicar outros mistérios da física. Em 1907, Einstein usou a hipótese de quantização de Planck para explicar por que a temperatura de um sólido mudava em diferentes quantidades se você colocasse a mesma quantidade de calor no material, mas mudasse a temperatura inicial.

Desde o início de 1800, a ciência da espectroscopia mostrou que diferentes elementos emitem e absorvem cores específicas de luz chamadas de "linhas espectrais". Embora a espectroscopia fosse um método confiável para determinar os elementos contidos em objetos como estrelas distantes, os cientistas ficaram intrigados sobre por que cada elemento emitia essas linhas específicas em primeiro lugar. Em 1888, Johannes Rydberg derivou uma equação que descrevia as linhas espectrais emitidas pelo hidrogênio, embora ninguém pudesse explicar por que a equação funcionava. Isso mudou em 1913, quando Niels Bohr aplicou a hipótese de quantização de Planck ao modelo "planetário" do átomo de Ernest Rutherford de 1911, que postulava que os elétrons orbitavam o núcleo da mesma maneira que os planetas orbitam o sol. Física 2000 (um site da Universidade do Colorado), Bohr propôs que os elétrons eram restritos a órbitas "especiais" em torno do núcleo de um átomo. Eles podiam "pular" entre órbitas especiais, e a energia produzida pelo salto causava cores de luz específicas, observadas como linhas espectrais. Embora as propriedades quantizadas tenham sido inventadas apenas como um mero truque matemático, elas explicaram tanto que se tornaram o princípio fundador da MQ.

Partículas de luz?

Em 1905, Einstein publicou um artigo, "Concerning an Heuristic Point of View to the Emission e Transformation of Light", no qual ele imaginava a luz viajando não como uma onda, mas como uma espécie de "quanta de energia". Esse pacote de energia, sugeriu Einstein, poderia "ser absorvido ou gerado apenas como um todo", especificamente quando um átomo "salta" entre as taxas de vibração quantizadas. Isso também se aplicaria, como seria mostrado alguns anos depois, quando um elétron "salta" entre órbitas quantizadas. Sob esse modelo, os "quanta de energia" de Einstein continham a diferença de energia do salto; quando dividida pela constante de Planck, essa diferença de energia determinava a cor da luz transportada por esses quanta.

Com essa nova forma de visualizar a luz, Einstein ofereceu insights sobre o comportamento de nove fenômenos diferentes, incluindo as cores específicas que Planck descreveu como sendo emitidas por um filamento de lâmpada. Também explicou como certas cores de luz podem ejetar elétrons de superfícies metálicas, um fenômeno conhecido como "efeito fotoelétrico". No entanto, Einstein não estava totalmente justificado em dar esse salto, disse Stephen Klassen, professor associado de física da Universidade de Winnipeg. Em um artigo de 2008, "O efeito fotoelétrico: reabilitando a história para a sala de aula de física", Klassen afirma que os quanta de energia de Einstein não são necessários para explicar todos esses nove fenômenos. Certos tratamentos matemáticos da luz como uma onda ainda são capazes de descrever tanto as cores específicas que Planck descreveu serem emitidas de um filamento de lâmpada quanto o efeito fotoelétrico. Na verdade, na polêmica vitória de Einstein em 1921 Prêmio Nobel, o comitê do Nobel apenas reconheceu "sua descoberta da lei do efeito fotoelétrico", que especificamente não se baseou na noção de quanta de energia.

Cerca de duas décadas após o artigo de Einstein, o termo "fóton" foi popularizado para descrever os quanta de energia, graças ao trabalho de 1923 de Arthur Compton, que mostrou que a luz espalhada por um feixe de elétrons mudava de cor. Isso mostrou que partículas de luz (fótons) estavam de fato colidindo com partículas de matéria (elétrons), confirmando assim a hipótese de Einstein. A essa altura, estava claro que a luz poderia se comportar tanto como onda quanto como partícula, colocando a "dualidade onda-partícula" da luz na base da MQ.

Ondas de matéria?

Desde a descoberta do elétron em 1896, as evidências de que toda matéria existia na forma de partículas foram se acumulando lentamente. Ainda assim, a demonstração da dualidade onda-partícula da luz fez os cientistas questionarem se a matéria estava limitada a agir apenas como partículas. Talvez a dualidade onda-partícula pudesse soar verdadeira para a matéria também? O primeiro cientista a fazer avanços substanciais com esse raciocínio foi um físico francês chamado Louis de Broglie. Em 1924, de Broglie usou as equações da teoria da relatividade especial de Einstein para mostrar que as partículas podem exibir características semelhantes às de ondas e que as ondas podem exibir características semelhantes às das partículas. Então, em 1925, dois cientistas, trabalhando independentemente e usando linhas separadas de pensamento matemático, aplicaram o raciocínio de Broglie para explicar como os elétrons zuniam nos átomos (um fenômeno que era inexplicável usando as equações da mecânica clássica). Na Alemanha, o físico Werner Heisenberg (em parceria com Max Born e Pascual Jordan) fez isso desenvolvendo a "mecânica de matriz". O físico austríaco Erwin Schrödinger desenvolveu uma teoria semelhante chamada "mecânica ondulatória". Schrödinger mostrou em 1926 que essas duas abordagens eram equivalentes (embora o físico suíço Wolfgang Pauli tenha enviado um resultado não publicado a Jordan mostrando que a mecânica da matriz era mais completa).

O modelo de átomo de Heisenberg-Schrödinger, no qual cada elétron atua como uma onda (às vezes chamada de "nuvem") em torno do núcleo de um átomo, substituiu o modelo de Rutherford-Bohr. Uma estipulação do novo modelo era que as pontas da onda que forma um elétron deveriam se encontrar. Em "Quantum Mechanics in Chemistry, 3rd Ed."(WA Benjamin, 1981), Melvin Hanna escreve," A imposição das condições de contorno restringiu a energia a valores discretos. "Uma consequência dessa estipulação é que apenas números inteiros de cristas e valas são permitidos, o que explica por que algumas propriedades são quantizadas. No modelo de átomo de Heisenberg-Schrödinger, os elétrons obedecem a uma "função de onda" e ocupam "orbitais" em vez de órbitas. Ao contrário das órbitas circulares do modelo de Rutherford-Bohr, os orbitais atômicos têm uma variedade de formas.

Em 1927, Walter Heitler e Fritz London desenvolveram ainda mais a mecânica ondulatória para mostrar como os orbitais atômicos poderiam se combinar para formar orbitais moleculares, mostrando efetivamente por que os átomos se ligam uns aos outros para formar moléculas. Esse era mais um problema que não tinha solução usando a matemática da mecânica clássica. Essas percepções deram origem ao campo da "química quântica".

O princípio da incerteza

Também em 1927, Heisenberg deu outra grande contribuição à física quântica. Ele raciocinou que, como a matéria atua como ondas, algumas propriedades, como a posição e a velocidade de um elétron, são "complementares", o que significa que há um limite (relacionado à constante de Planck) para quão bem a precisão de cada propriedade pode ser conhecida. Sob o que viria a ser chamado de "princípio da incerteza de Heisenberg", foi raciocinado que quanto mais precisamente a posição de um elétron é conhecida, menos precisamente sua velocidade pode ser conhecida e vice-versa. Esse princípio de incerteza também se aplica a objetos de tamanho cotidiano, mas não é perceptível porque a falta de precisão é extraordinariamente pequena. De acordo com Dave Slaven do Morningside College (Sioux City, IA), se a velocidade de uma bola de beisebol estiver dentro de uma precisão de 0,1 mph, a precisão máxima com a qual é possível saber a posição da bola é 0,000000000000000000000000000008 milímetros.

Avante

Os princípios de quantização, dualidade onda-partícula e o princípio da incerteza inauguraram uma nova era para MQ. Em 1927, Paul Dirac aplicou uma compreensão quântica de campos elétricos e magnéticos para dar origem ao estudo da "teoria quântica de campos" (QFT), que tratava as partículas (como fótons e elétrons) como estados excitados de um campo físico subjacente. O trabalho em QFT continuou por uma década até que os cientistas encontraram um obstáculo: muitas equações em QFT pararam de fazer sentido físico porque produziram resultados infinitos. Após uma década de estagnação, Hans Bethe fez uma descoberta em 1947 usando uma técnica chamada "renormalização". Aqui, Bethe percebeu que todos os resultados infinitos relacionados a dois fenômenos (especificamente "auto-energia do elétron" e "polarização a vácuo"

Desde a descoberta da renormalização, QFT tem servido como base para o desenvolvimento de teorias quânticas sobre as quatro forças fundamentais da natureza:

1) eletromagnetismo

2) a força nuclear fraca

3) a força nuclear forte e

4) gravidade.

O primeiro insight fornecido pelo QFT foi uma descrição quântica do eletromagnetismo por meio da "eletrodinâmica quântica" (QED), que avançou no final dos anos 1940 e no início dos anos 1950. Em seguida, foi feita uma descrição quântica da força nuclear fraca, que foi unificada com o eletromagnetismo para construir a "teoria eletrofraca" (EWT) ao longo da década de 1960. Finalmente, veio um tratamento quântico da força nuclear forte usando a "cromodinâmica quântica" (QCD) nas décadas de 1960 e 1970. As teorias de QED, EWT e QCD juntas formam a base do Modelo Padrão da física de partículas. Infelizmente, o QFT ainda não produziu uma teoria quântica da gravidade. Essa busca continua até hoje nos estudos da teoria das cordas e da gravidade quântica em loop.

Recursos adicionais

• Este vídeo TED-Ed explica o Princípio da Incerteza de Heisenberg.
• Faça um curso online em Física Quântica I do Massachusetts Institute of Technology.
• Saiba mais sobre o modelo da mecânica quântica do átomo e como ele difere do modelo de Rutherford-Bohrs.

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Referência: 

COOLMAN, Robert. What Is Quantum Mechanics?. Live Science, 26, set. 2014. Disponível em: <https://www.livescience.com/33816-quantum-mechanics-explanation.html>. Acesso em: 24, jun. 2021.