Este artigo é um trecho do guia Shortform para “Uma Breve História do Tempo”, de Stephen Hawking. Shortform os melhores resumos e análises do mundo sobre livros que você deveria ler.
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O que é a teoria quântica? Que fenômenos a teoria da mecânica quântica tenta explicar?
A teoria quântica (também conhecida como física quântica ou mecânica quântica) é uma das teorias fundamentais dos fenômenos materiais. Ela explica as propriedades e o comportamento da energia e da matéria no nível dos átomos, moléculas e partículas subatômicas.
Aprenda os fundamentos da teoria da mecânica quântica, explicados em termos simples.
Mecânica Quântica: Noções Básicas
No início do século XX, o físico alemão Max Planck sugeriu que as ondas (como a luz, o rádio e as microondas) emitem energia não de forma aleatória ou arbitrária, mas sim em quantidades discretas, às quais chamou de “quanta”. A quantidade de energia liberada em um quantum é proporcional à frequência da onda do tipo de radiação em questão. A frequência da onda é simplesmente o número de ondas que passam por um ponto fixo em uma determinada unidade de tempo.
O Princípio da Incerteza
Werner Heisenberg concluiu, a partir da teoria de Planck, que o próprio ato de incidir um quantum de luz de alta frequência sobre uma partícula (que era a única maneira de medir sua posição e velocidade) perturbaria, por si só, a partícula e alteraria sua velocidade. No entanto, era totalmente imprevisível como exatamente essa alteração ocorreria. A própria tentativa de observação tornava impossível medir com precisão a posição e a velocidade da partícula. Esse era o princípio da incerteza. Ele marcou o início do novo campo da mecânica quântica.
A mecânica quântica adota uma abordagem probabilística em vez de uma abordagem absoluta. Obedecendo ao princípio da incerteza, ela não busca estabelecer uma interpretação ou resultado único e definitivo para a mecânica quântica, e o princípio da incerteza nos diz que não é tão útil pensar no mundo físico como sendo composto de ondas (como a luz e o rádio) e partículas (como os átomos dos quais toda a matéria é feita). É melhor pensar em nossas observações do mundo em termos de ondas e partículas —dependendo do fenômeno, às vezes é mais útil pensar nas partículas como ondas e, às vezes, é mais útil pensar nas ondas como partículas.
Essas teorias que defendem o comportamento variável das partículas e ondas tiveram um impacto profundo em nossa compreensão da estrutura dos átomos e moléculas. Embora nunca possamos prever o movimento dos elétrons dentro dos átomos com 100% de certeza, podemos prever as probabilidades de diferentes eventos, dentro das restrições impostas pelo princípio da incerteza. Qualquer observação. Ele prevê uma gama de resultados possíveis e tenta calcular as probabilidades para cada um deles.
Números imaginários
Um aspecto da teoria quântica é que as partículas não seguem apenas uma história singular, mas sim uma série de histórias possíveis em todo o espaço-tempo. Calculamos a probabilidade de cada história para determinar a probabilidade de uma partícula ter estado em um determinado ponto no espaço-tempo. Algum elemento de imprevisibilidade e aleatoriedade é, portanto, inerente à teoria quântica.
Podemos estender os princípios da mecânica quântica à noção matemática de “números imaginários”. Os números imaginários são um conceito bem estabelecido, referindo-se a números que se encontram perpendiculares aos números tradicionais da reta numérica negativa-positiva (cujos valores podem ser representados visualmente como indo da esquerda para a direita).
Os números imaginários, ao contrário dos números reais, dão valores negativos quando multiplicados por si mesmos. A mecânica quântica permite que as partículas tenham valores além do negativo e do positivo (ou “para trás” e “para frente”). Neste modelo, o espaço-tempo seria finito em extensão, mas ilimitado (como a Terra, que tem massa e volume finitos, mas não tem bordas ou limites).
O problema clássico na relatividade geral é a singularidade, a área do espaço-tempo antes do Big Bang ou em um buraco negro — os limites do universo observável onde a previsibilidade entraria em colapso. Mas a mecânica quântica evita esse problema porque postula que não existem limites. O universo simplesmente existe, sem ser afetado por nada que esteja fora dele.
Com números imaginários, onde o tempo é indistinguível do espaço, podemos estar vivendo apenas uma das histórias possíveis do universo, com inúmeras outras em algum outro plano de existência que nunca poderemos ver ou ser afetados.
Mecânica Quântica vs. Relatividade
A teoria da mecânica quântica é incompatível com as previsões da relatividade — embora ambas, paradoxalmente, sejam teorias bem testadas que fazem previsões precisas sobre o universo. As previsões da relatividade, que lidam com fenômenos em escala universal e massiva, falham quando aplicadas ao nível subatômico da mecânica quântica. Muito do que pensamos saber sobre física simplesmente falha no nível quântico, onde as partículas se comportam de maneiras estranhas e — graças ao princípio da incerteza — imprevisíveis. Unir a mecânica quântica e a relatividade é um dos grandes desafios para estabelecer uma teoria completa do universo.
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Aqui está o que você encontrará em nosso resumo completo de Uma Breve História do Tempo :
- A busca por uma teoria que explique a história e a evolução do nosso universo
- As discussões de Stephen Hawking sobre tempo, espaço, dimensões e teoria quântica
- Como a viagem no tempo funcionaria teoricamente
