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Física Quântica

A Física Quântica estuda a interação entre energia e matéria em escalas subatômicas.
Médico realizando ressonância magnética em uma pessoa.
Médico realizando uma ressonância magnética em uma pessoa. O dispositivo utilizado só existe devido aos avanços da Física Quântica.

A Física Quântica é o ramo da Física que estuda os fenômenos associados à interação entre energia e partículas cujas dimensões são inferiores às de um átomo. Suas aplicações englobam toda forma de tecnologia que utiliza microchips ou escalas inferiores.

Seus conceitos foram elaborados por um conjunto altamente capacitado de físicos, como Albert Einstein, Max Planck, Erwin Schrödinger e Louis de Broglie, tendo essa nova vertente de pesquisa iniciada no final do século XIX. A Física Quântica estuda a forma como a energia é transmitida por meio de pacotes inteiros de energia chamados quanta (plural de quantum).

Veja também: Constante de Planck — desenvolvida com o intuito de resolver o problema da catástrofe do ultravioleta.

Resumo sobre Física Quântica

  • A Física Quântica é o estudo da natureza em escala dimensional atômica e subatômica.
  • A Física Atômica não possui leis específicas, mas cada teoria que a compõe possui seus princípios.
  • A Física Quântica tem como objeto de estudo os pacotes de energia e sua interação com a matéria.
  • A Física Quântica teve como precursor Max Planck, que foi seguido por Albert Einstein, Louis de Broglie, Werner Heisenberg e Erwin Schroedinger.
  • A Física Quântica tem aplicações na construção de lasers, datação de carbono, dispositivos de armazenamento de dados de computadores e celulares e toda forma de dispositivo que envolve chips.

O que é Física Quântica?

A Física Quântica, que também pode ser chamada de Mecânica Quântica, é a área de Física que estuda como a matéria se relaciona com a energia transmitida em escala subatômica ou por corpos com temperaturas muito elevadas. Muitas vezes, tal comportamento foge à lógica do senso comum, porque o ser humano está acostumado com os princípios clássicos da Física.

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Porém, a Física Quântica estuda corpos com comportamentos tão incertos que, para uma mente despreparada, aproxima-se do irracional ou abstrato. Tal abstração é tão comum nesse ramo que o ganhador do Prêmio Nobel Richard Feynman disse a seguinte frase: “Se você acha que entendeu a Física Quântica é porque você não a entendeu.”

Leis da Física Quântica

A Física Quântica, por ser uma área de estudo composta por várias vertentes de pesquisa, não possui leis específicas, porém tais vertentes possuem seus próprios princípios. Os principais princípios que a norteiam são:

  • Postulado de Planck: a energia térmica é absorvida ou emitida na forma de pacotes de energia denominados quanta.
  • Dualidade do comportamento da luz de Einstein: a luz se comporta tanto como onda quanto como partícula. Ela se propaga como uma onda eletromagnética, ou seja, não precisa de um meio (sólido, líquido ou gasoso) para se propagar, porém, por ser uma onda, também transporta energia. Esta, por sua vez, é transmitida pelos fótons, que são os quanta propagados pela luz.
  • Postulado de Broglie: os elétrons podem apresentar um comprimento de onda quando se movem em determinada velocidade, logo apresentam um comportamento dual como o da luz. Esse postulado foi provado por meio do experimento de dupla fenda realizado por Lester Germer e Clinton Davisson anos depois.
  • Incerteza de Heisenberg: não é possível determinar simultaneamente a energia de uma partícula quântica (de dimensões iguais ou inferiores às dos átomos) e o tempo no qual ela possui essa determinada energia. Outra perspectiva é que não se pode determinar a posição e a quantidade de movimento (produto entre massa e a velocidade) das partículas quânticas.
  • O gato de Schrödinger: nessa proposta teórica, coloca-se um gato vivo dentro de uma caixa junto de um recipiente contendo gás venenoso que pode ou não ser liberado e lacra-se a caixa com o gato e o veneno dentro. Logo, o gato está vivo e morto simultaneamente dentro da caixa, sendo o resultado algo imprevisível, confirmado apenas se a caixa for aberta. Tal teoria permitiu constatar que os fenômenos associados às partículas quânticas podem ser influenciados pela mera presença do observador. Caso este não exista, o fenômeno ocorreria de forma distinta.

O que a Física Quântica estuda?

A Física Quântica estuda o comportamento de corpos com dimensões iguais ou inferiores às dos átomos (partículas subatômicas) e a energia transmitida por eles ou para eles. Outro ponto importante é a transmissão de energia térmica por corpos com temperatura elevada.

Por causa desses estudos foi possível comprovar que a luz transporta energia, que é transmitida por intermédio dos fótons, e que é possível atribuir um comprimento de onda (característica das ondas) à matéria.

Aplicações da Física Quântica

A Física Quântica tem aplicação em toda forma de tecnologia que envolva chips ou algum tipo de circuito muito pequeno. Em razão dos avanços da Física Quântica foi possível a criação dos computadores, smartphones, lasers, LEDs, aparelhos de ressonância magnética, aparelhos de raios X, telescópios e microscópios avançados, painéis solares, leitores ópticos; em suma, quase toda forma de tecnologia envolvendo algum tipo de circuito. Cada um desses itens mencionados só existe graças ao estudo do transporte de energia por partículas subatômicas.

Saiba mais: Curiosidades da Física Quântica

Principais pensadores da Física Quântica

A Física Quântica foi composta por várias mentes brilhantes. Dentre elas, vale destacar:

  • Max Planck — o pai da Física Quântica, com o modelo do quantum de energia;
  • Albert Einstein — efeito fotoelétrico;
  • Louis de Broglie — dualidade do comportamento da matéria;
  • Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger — reescrita das equações de energia e relação entre um evento quântico e um observador;
  • Werner Karl Heisenberg — incerteza de Heisenberg e remodelagem do átomo.

História da Física Quântica

Representação da distribuição da radiação de corpo negro.
Representação da distribuição da radiação de corpo negro.

A Física Quântica nasceu no final do século XIX, com o postulado de Max Planck (considerado posteriormente como o pai da Física Quântica), em 1900, sobre um estudo da radiação de corpo negro em que dizia que a energia térmica fornecida ou recebida por um corpo ocorria na forma de pequenos pacotes de energia que ele chamou de quanta/quantum (por isso o nome Física Quântica). Porém, a comunidade científica daquele tempo não aceitou tal ideia, já que a Física clássica ainda apresentava uma estrutura muito concreta.

Representação do efeito fotoelétrico.
Efeito fotoelétrico, em que a luz (onda amarela) incide em uma placa metálica e fornece energia para que o elétron se desligue do núcleo do átomo.

Entretanto, em 1905, Albert Einstein apresentou a teoria do efeito fotoelétrico, cuja premissa implicava que a energia que a luz transportava estava na forma de pequenos pacotes de energia denominados fótons, comprovando a natureza dual da luz.  

Em 1924, Louis de Broglie defendeu sua tese que afirmava que a matéria, em determinada velocidade, também poderia apresentar um comprimento de onda; sendo assim, possui comportamento de partícula e de onda.

Experimento da fenda dupla que comprovou que a matéria também pode possuir comportamento de onda. [1]
Experimento da fenda dupla que comprovou que a matéria também pode possuir comportamento de onda. [1] 

Tal tese foi confirmada, em 1927, por meio de um experimento de dupla fenda realizado por Lester Germer e Clinton Davisson.

Modelo quântico do átomo elaborado por meio da incerteza de Heisenberg.
Modelo quântico do átomo elaborado por meio da incerteza de Heisenberg.

Também em 1927 foi proposto o princípio da incerteza por Werner Heisenberg, que colaborou com a formulação do modelo atômico quântico. Ele é utilizado atualmente e possibilitou o desenvolvimento do tunelamento quântico, que permitiu que fossem construídos os sistemas de armazenamento físico, como as memórias físicas de computadores e celulares.

Representação teórica do gato de Schrödinger.
Representação teórica do gato de Schrödinger.

Em 1935, foi proposto, por Erwin Schrödinger, o experimento mental do gato de Schrödinger, que determinou que quando um evento quântico ocorre, a presença de um observador pode interferir no resultado.

Armadilha de íons de um computador quântico.
Armadilha de íons de um computador quântico.

Em 1992, foi conseguido o teletransporte quântico. Apesar do que é fantasiado no cinema, não foi transportada matéria, mas informações. Descobriu-se que utilizando fótons, mesmo que eles não estejam fisicamente ligados, é possível transmitir dados, o mesmo que ocorre em chips de computador.

Tal descoberta contribuiu bastante para a criação da computação quântica, utilizando pares de elétrons que teriam o mesmo comportamento, mesmo sem nunca terem se tocado. O nome desse fenômeno é entrelaçamento quântico, sendo algo impossível para dois elétrons próximos, já que suas posições ficariam se alternando, processo chamado de superposição.

Em 1995, foi descoberto o quinto estado físico da matéria, e esse novo estado foi chamado de “condensado de Bose-Einstein. Combinam-se átomos de elementos menos densos e faz-se com que atinjam temperaturas próximas ao zero absoluto (0 Kelvin = -273 °C). Utilizando partículas nessas condições físicas, pode-se construir dispositivos que captam ondas gravitacionais. Estas, por sua vez, são de difícil captação se consideradas as tecnologias atuais.

Leia também: A relatividade proposta por Einstein

Exercícios resolvidos sobre Física Quântica

Questão 1

Em relação à Física Quântica, marque a alternativa correta:

a) Albert Einstein é conhecido como o pai da Física Quântica.

b) Schrödinger elaborou o princípio da incerteza.

c) Max Planck elaborou a teoria de que a energia térmica pode ser emitida por meio de pequenos pacotes de energia.

d) Heisenberg elaborou um experimento mental que envolvia um gato.

e) Louis de Broglie elaborou a teoria do efeito fotoelétrico.

Resposta

Letra C

a) Errada: o pai da Física Quântica foi Max Planck.

b) Errada: quem elaborou o princípio da incerteza foi Heisenberg.

c) Correta: os pacotes eram chamados de quanta.

d) Errada: o experimento mental foi elaborado por Schrödinger.

e) Errada: o efeito fotoelétrico foi proposto por Albert Einstein.

Questão 2

Analise as afirmações a seguir:

I) O quantum é um pacote de energia com valor inteiro que pode ser emitido ou recebido por um corpo.

II) É possível medir com exatidão a quantidade de energia de uma partícula quântica e o tempo no qual ela possui tal quantidade.

III) O elétron, em determinada velocidade, apresenta um comportamento ondulatório.

IV) Os fenômenos quânticos não são afetados por um observador.

Marque a alternativa que representa a veracidade das afirmações anteriores.

a) VVFF

b) VFVF

c) FFVV

d) FVVF

e) VFFV

Resposta

Letra B

I) Verdadeira: ideia proposta por Max Planck.

II) Falsa: de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, não é possível fazer ambas as medições.

III) Verdadeira: os elétrons apresentam comportamento dual, pela proposição de Louis de Broglie.

IV) Falsa: a presença de um observador afeta a medição de um evento na escala quântica.

Crédito de imagem

[1] NekoJaNekoJa / Wikimedia Commons

Publicado por Gustavo Campos

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