Imagine pensar que você descobriu como o universo funciona - apenas para descobrir que tudo funciona de acordo com regras que parecem desafiar o senso comum. Foi exatamente isso que aconteceu com os físicos no início do século XX, quando começaram a estudar os átomos e a luz.
A física clássica tratava o mundo como uma máquina previsível. No entanto, os experimentos quebraram as suposições, forçando os cientistas a criar uma estrutura totalmente nova: a mecânica quântica. Continue lendo para explorar a diferença entre a física clássica e a mecânica quântica e saiba como a revolução revelou uma realidade muito mais estranha do que se imaginava.
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A diferença entre a mecânica clássica e a mecânica quântica
Em seu livro What Is Real?Adam Becker explica que, no início do século XX, os físicos acreditavam ter mapeado a estrutura básica da realidade. Mas os experimentos com átomos abalaram suas suposições mais fundamentais sobre o mundo. Becker relata que isso forçou os físicos a desenvolverem um ramo totalmente novo da física - e uma nova matemática para descrevê-lo. Isso revelou que os blocos de construção da natureza operam de acordo com regras tão estranhas que parecem violar a lógica. Vamos examinar o que os físicos achavam que sabiam sobre o mundo e como a mecânica quântica derrubou essas ideias.
O que os físicos achavam que sabiam
Becker explica que a física clássica se baseava em suposições intuitivas sobre a realidade que explicavam com sucesso o mundo observável. Os físicos viam os átomos como os blocos de construção fundamentais da matéria - pequenas esferas que se combinavam para criar compostos químicos. Na visão deles, cada átomo tinha uma posição, velocidade e energia específicas que só mudavam de acordo com as leis de Newton. Descobertas posteriores revelaram que os átomos não são realmente esferas sólidas, mas consistem principalmente de espaço vazio, com elétrons orbitando um núcleo denso contendo prótons com carga positiva. Esse "modelo planetário" sugeria que os átomos funcionavam como sistemas solares em miniatura, obedecendo às mesmas leis físicas que os planetas e as estrelas.
(Nota breve: O progresso em nossa compreensão do átomo ilustra o que os cientistas querem dizer com "teoria", uma explicação para observações que reúne muitos fatos e hipóteses e pode ser alterada ou abandonada à medida que é testada com base em novas evidências. Podemos ver essa progressão na teoria atômica: Os gregos antigos imaginavam os átomos como partículas indivisíveis. John Dalton os imaginava como bolas sólidas de pesos diferentes que se combinavam para formar compostos. O modelo "pudim de ameixa" de J.J. Thomson os imaginava como bolas de matéria positiva com elétrons negativos espalhados, como uvas passas em um pudim. Depois, os experimentos de Ernest Rutherford mostraram que os átomos consistem em um núcleo cercado por elétrons, daí o modelo planetário).
O modelo planetário dos átomos não era a única suposição que a física clássica tinha como certa. Os físicos acreditavam que a energia fluía continuamente, como a água de uma torneira - você poderia ter qualquer quantidade de energia, de muita a pouca ou qualquer fração intermediária. Eles faziam distinção entre ondas e partículas: As ondas se espalhavam pelo espaço e interferiam umas nas outras quando se encontravam, enquanto as partículas seguiam caminhos definidos e colidiam como objetos sólidos. Por fim, os físicos presumiram que todos os objetos tinham propriedades definidas, independentemente de serem observados ou não.
| As suposições por trás da física moderna Ainda hoje, a física se baseia em crenças fundamentais sobre o universo, embora reconheça que as suposições anteriores - como as da lista de Becker - foram derrubadas. Como Neil deGrasse Tyson explica em Astrofísica para pessoas com pressaa ciência moderna pressupõe que as leis físicas permanecem constantes no espaço e no tempo, de modo que as mesmas regras que regem os átomos aqui na Terra também regem as estrelas a bilhões de anos-luz de distância. Essa suposição de universalidade permite que os físicos façam previsões significativas sobre objetos distantes e eventos passados. Mas Tyson ressalta que a construção da ciência com base em suposições também requer a aceitação de que todo conhecimento científico é provisório e está sujeito a mudanças à medida que surgem novas evidências. Por exemplo, as leis de Newton pareciam funcionar perfeitamente por séculos - até que Einstein mostrou que elas foram construídas com base em suposições infundadas que as fizeram falhar em velocidades e massas extremas. Até mesmo as teorias de Einstein podem precisar de revisão algum dia. Isso revela algo incômodo sobre a ciência: Teorias bem-sucedidas não são descobertas da verdade absoluta, apenas nossas melhores descrições atuais dos padrões que observamos. Quando dizemos que "a energia flui continuamente", não podemos afirmar que descobrimos a verdadeira essência da energia: Estamos descrevendo como a energia parece se comportar. Nossas teorias organizam e preveem nossas experiências, mas elas continuam sendo construções humanas em vez de vislumbres diretos da realidade. |
O que a mecânica quântica revela em vez disso
Naquela época, a física estava no limiar de uma mudança de paradigma: Becker explica que os experimentos com átomos e luz revelaram um mundo microscópico em que a energia vem em pedaços discretos em vez de fluir suavemente, em que a matéria e a luz exibem propriedades de ondas e partículas simultaneamente e em que os elétrons podem ocupar apenas níveis de energia específicos em vez de qualquer valor de energia arbitrário. Quando os físicos desenvolveram uma nova matemática para explicar essas observações, descobriram que as partículas podem existir em vários estados ao mesmo tempo e influenciar umas às outras em grandes distâncias - fenômenos que parecem contradizer a experiência cotidiana.
(Nota breve: Becker descreve a mecânica quântica como representando uma "mudança de paradigma", um termo cunhado por Thomas Kuhn para explicar como a ciência progride. Um "paradigma" é uma estrutura de suposições, métodos e valores que orientam como os cientistas abordam os problemas. Kuhn escreveu em The Structure of Scientific Revolutions (A Estrutura das Revoluções Científicas) que a "ciência normal" acontece quando os pesquisadores acumulam fatos e resolvem quebra-cabeças dentro de um paradigma estabelecido. Mas quando encontram muitas anomalias que o paradigma atual não consegue explicar, eles precisam adotar um novo paradigma para explicar melhor suas observações. Kuhn mostrou que o "progresso" científico nem sempre é linear: Às vezes, para avançar é preciso abandonar o que achávamos que sabíamos).
A energia vem em pacotes chamados "quanta"
Becker relata que a primeira suposição da física clássica a cair foi a da continuidade da energia. Em 1900, o físico alemão Max Planck enfrentou um problema prático: melhorar as lâmpadas estudando como os objetos aquecidos emitem luz. Todos conheciam o padrão: Um atiçador deixado em uma lareira começa preto, depois brilha vermelho, laranja e depois branco-quente. A física clássica previa que os objetos aquecidos deveriam emitir todas as cores de luz igualmente, o que faria com que a luz parecesse branca em qualquer temperatura. Planck descobriu que poderia explicar as observações do mundo real apenas abandonando a suposição de continuidade e substituindo-a por uma nova: A energia vem em pacotes indivisíveis, que Planck chamou de "quanta", como moedas que não podem ser quebradas em denominações menores.
De acordo com Becker, a principal percepção de Planck foi que cores diferentes de luz exigem pacotes de energia de tamanhos diferentes. A luz de frequência mais alta (como o azul) exige pacotes de energia maiores do que a luz de frequência mais baixa (como o vermelho). Isso explica a progressão da cor do pôquer: Em baixas temperaturas, os objetos aquecidos não têm a energia necessária para criar os pacotes grandes que as cores de frequência mais alta exigem, por isso emitem luz vermelha e laranja. À medida que a temperatura aumenta, mais energia se torna disponível, mudando o brilho para o branco. Albert Einstein ampliou essa percepção em 1905, provando que a própria luz viaja em pacotes discretos e quantizados chamados "fótons".
| O Universo Pixelizado: O que "quantizado" realmente significa O que significa de fato a energia ser "quantizada"? Pense na tela do seu smartphone: À distância, as imagens parecem suaves, mas se você aproximar o suficiente, verá os pixels que compõem a imagem. A física quântica sugere que a energia funciona da mesma forma. A luz, que é uma forma de energia, só pode vir em fótons inteiros - não se pode ter metade de um fóton, assim como não se pode ter metade de um pixel. Imagine um personagem de videogame lançando um feitiço: A luz que sai da varinha dele é composta de pixels individuais na tela, cada um deles ligado ou desligado, nunca meio iluminado. No mundo real, a luz funciona de forma semelhante. Os átomos só podem emitir fótons inteiros, e é por isso que os objetos aquecidos brilham em padrões de cores específicos em vez de em todas as tonalidades possíveis. Mas, se a energia e a luz são essencialmente pixeladas, alguns cientistas se perguntam: E se o espaço e o tempo também forem feitos de pixels? Isso significaria que há uma distância mínima possível entre duas partículas quaisquer, assim como os personagens de videogame ocupam apenas posições específicas, e uma unidade mínima de tempo. Os objetos não poderiam existir mais próximos uns dos outros do que um "pixel de espaço" de distância, e os eventos não poderiam ocorrer mais próximos uns dos outros no tempo do que um "pixel de tempo". Esses pixels seriam milhões de vezes menores que os átomos, mas os cientistas estão realizando experimentos para descobrir se eles existem. |
A matéria e a luz se comportam como ondas e partículas
A próxima a cair foi a distinção clássica entre ondas e partículas. Os físicos descobriram que a luz e a matéria exibem propriedades de onda e de partícula ao mesmo tempo, dependendo de como são observadas. Becker explica como o experimento de dupla fenda demonstra isso: Quando os físicos disparam elétrons individuais em direção a uma barreira com duas fendas paralelas, a física clássica prevê que os elétrons devem se comportar como partículas minúsculas, passando por uma ou outra fenda e criando duas faixas distintas em uma tela de detecção. Em vez disso, algo aparentemente impossível acontece: Os elétrons criam padrões de interferência - alternando faixas claras e escuras com o formato de padrões criados por ondas quando elas se sobrepõem, como as de um lago.
A única explicação é que cada elétron, de alguma forma, passa pelas duas fendas simultaneamente e interfere consigo mesmo no outro lado. Mas, como observa Becker, o mistério se aprofunda: Se os físicos colocarem detectores nas fendas para rastrear o caminho que cada elétron toma, isso fará com que o padrão de onda desapareça. Os elétrons se comportam como partículas comuns, cada um percorrendo exatamente uma fenda. O ato de observação muda o comportamento do elétron de ondulatório para particulado, mostrando que os blocos de construção básicos do universo não são nem ondas nem partículas, mas algo que exibe aspectos de ambas as categorias.
| O que a dualidade onda-partícula e a probabilidade quântica realmente significam? O experimento de dupla fenda revela por que a mecânica quântica deve se basear na probabilidade - aprobabilidade matemática de que um determinado resultado ocorra. Quando disparamos elétrons em duas fendas, podemos prever exatamente como será o padrão geral de interferência, mas não podemos prever onde cada elétron irá parar. Isso é diferente da física clássica, em que o conhecimento das condições iniciais de um sistema permite teoricamente prever seu comportamento exato. Então, por que a mecânica quântica exige probabilidade? Há três possibilidades muito diferentes. Primeiro, podemos ver a probabilidade como resultado de nossa ignorância: Talvez cada elétron passe por uma fenda, seguindo um caminho que não podemos rastrear, de modo que a probabilidade reflete nosso conhecimento incompleto. Em segundo lugar, a probabilidade poderia refletir que a natureza é aleatória: Talvez o elétron passe por ambas as fendas até que a medição o force a "escolher" aleatoriamente. Terceiro, a probabilidade pode ser necessária se houver várias realidades: Talvez ambos os resultados ocorram, mas em universos separados, e a probabilidade representa em qual deles você se encontrará. Como veremos, a resposta a essa pergunta é fundamental para o debate sobre o que a mecânica quântica diz sobre a realidade. |
As partículas podem ocupar apenas estados de energia específicos
A física clássica previa que os elétrons deveriam orbitar os núcleos como planetas ao redor do sol, ocupando qualquer órbita possível e gradualmente espiralando para dentro enquanto irradiavam energia. Essa energia seria detectável como um arco-íris contínuo de cores à medida que os elétrons se movessem por todas as posições possíveis. Mas Becker explica que, quando os físicos aqueceram diferentes elementos para examinar a luz que eles produziam, descobriram algo inesperado: Cada elemento produz apenas cores específicas com limites nítidos entre elas. O sódio sempre produz luz amarela, o hidrogênio emite comprimentos de onda distintos de vermelho e todos os outros elementos têm suas próprias cores exclusivas.
O físico dinamarquês Niels Bohr resolveu esse quebra-cabeça em 1913, propondo que os elétrons só podem ocupar níveis de energia específicos em torno do núcleo atômico - comouma escada em que os elétrons podem ficar em determinados degraus, mas nunca nos espaços entre eles. Quando os elétrons saltam entre os níveis, eles emitem ou absorvem luz com energia exatamente igual à diferença de degrau, o que explica por que cada elemento produz cores características. Como explica Becker, esse princípio se aplica universalmente: Moléculas vibratórias, núcleos giratórios e todos os sistemas em escala atômica existem apenas em estados discretos determinados pela matemática quântica. O mundo suave e contínuo da física clássica foi, portanto, completamente derrubado no nível microscópico.
| Por que os elétrons não podem ir a qualquer lugar: A solução da onda estacionária Por que os elétrons não podem existir entre os degraus da escada de Bohr? A resposta exige uma mudança de pensamento: Os elétrons não são partículas minúsculas, mas "ondas estacionárias" que devem se encaixar perfeitamente dentro do átomo. As ondas estacionárias são padrões que vibram no local em vez de se deslocarem. Pense em uma corda de violão: Quando você a toca, apenas determinados comprimentos de onda podem formar vibrações estáveis que se encaixam no comprimento da corda. Se uma onda não se encaixa, ela se cancela por interferência. Os elétrons funcionam da mesma forma, exceto que o próprio elétron é o padrão de onda. Assim como apenas determinadas ondas podem existir em uma corda de guitarra, apenas determinadas "ondas" de elétrons podem existir em torno de um núcleo atômico. Cada padrão estável corresponde a um nível de energia. Portanto, quando um elétron "cai" de um nível de energia mais alto para um mais baixo, o padrão de onda do elétron se reorganiza de uma forma estável para outra. Quando isso acontece, a diferença de energia é liberada como um fóton. Entender os elétrons como ondas não é apenas uma descrição matemática conveniente: O físico de partículas Matt Strassler (Waves in an Impossible Sea (Ondas em um Mar Impossível)) explica que os elétrons são, na verdade, ondas. Isso pode parecer contraditório com a dualidade onda-partícula, mas Strassler sugere que devemos pensar nos elétrons como "ondículas": Eles são fundamentalmente semelhantes a ondas (espalhados, vibrando), mas vêm em unidades indivisíveis, o que os faz parecer partículas. |
A matemática revelou a superposição e o entrelaçamento
Essas descobertas experimentais exigiram ferramentas matemáticas totalmente novas. Becker escreve que, de 1925 a 1926, Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger desenvolveram, de forma independente, estruturas para descrever a realidade quântica. A "mecânica matricial" de Heisenberg usava matrizes numéricas abstratas onde as regras aritméticas normais falhavam, enquanto a "mecânica ondulatória" de Schrödinger tratava as partículas como ondas governadas por equações precisas. A conexão dessas abordagens mostrou que as funções de onda representam as probabilidades de as partículas aparecerem em diferentes estados, o que significa que a mecânica quântica só poderia prever probabilidades, nunca resultados definitivos.
| Duas maneiras de descrever a mesma realidade Essas abordagens descrevem a mesma realidade de duas maneiras diferentes. Heisenberg usou matrizes: tabelas de números que representam propriedades como a posição ou o momento de uma partícula. Na matemática comum, 3 x 2 é igual a 2 x 3, mas nas matrizes quânticas, mudar a ordem da multiplicação altera os resultados. Enquanto isso, Schrödinger usava funções: fórmulas que dão um resultado para cada entrada. Com as funções de onda de Schrödinger, você pode inserir qualquer local e obter a probabilidade de encontrar a partícula lá. Essas probabilidades se espalham pelo espaço como ondas, em que os picos indicam locais onde é mais provável que a partícula seja encontrada. Durante décadas, os físicos presumiram que essas duas abordagens eram matematicamente equivalentes. Mas uma análise recente sugere que elas podem, na verdade, usar regras diferentes para conectar a matemática quântica à física clássica, revelando complexidades não resolvidas. |
Quando Heisenberg e Schrödinger desenvolveram a matemática, as coisas ficaram ainda mais estranhas. Becker explica que a matemática revelou as características mais bizarras da realidade quântica: superposição e emaranhamento. A superposição significa que as partículas podem existir em vários estados simultaneamente. O entrelaçamento cria conexões entre as partículas de modo que a medição de uma delas afeta imediatamente sua parceira, independentemente da distância entre elas, violando a regra de que nada viaja mais rápido do que a velocidade da luz. No entanto, Becker observa que a matemática de Heisenberg e Schrödinger podia prever perfeitamente os resultados experimentais. Isso criou uma crise: Se a matemática funciona tão bem, o que ela nos diz sobre a natureza da realidade?
(Nota breve: a superposição e o emaranhamento estão mais conectados do que parecem à primeira vista; pesquisas mostram que esses comportamentos quânticos sempre andam juntos. Veja por quê: O entrelaçamento é essencialmente uma superposição que envolve várias partículas. Quando as partículas se tornam emaranhadas, todo o sistema existe em uma superposição de diferentes estados combinados, como duas moedas que, de alguma forma, são "cara e coroa" e "coroa e coroa" ao mesmo tempo até que alguém olhe. É possível pensar em partículas emaranhadas como gêmeos que compartilham o mesmo destino, independentemente da distância entre eles. Essa conexão é tão fundamental que qualquer teoria que permita a existência de partículas em vários estados simultaneamente criará automaticamente essas correlações entre partículas separadas).
Saiba mais sobre física clássica e quântica
Para entender melhor a transição da física clássica para a mecânica quântica, confira o guia do Shortform sobre o livro What Is Real? de Adam Becker.
