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O que é a teoria quântica? Que fenômenos a teoria da mecânica quântica procura 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 conceitos básicos da teoria da mecânica quântica, explicados de forma simples.
Mecânica Quântica: Noções Básicas
No início do século XX, o físico alemão Max Planck sugeriu que as ondas (como a luz, as ondas de rádio e as micro-ondas) não emitem energia de forma aleatória ou arbitrária, mas sim em quantidades discretas, às quais ele 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 deduziu, 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, a forma exata como isso ocorreria era totalmente imprevisível. 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 única interpretação ou resultado definitivo; o princípio da incerteza nos diz que não é tão útil pensar no mundo físico como sendo composto de ondas (como a luz e as ondas de 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 das ondas, tiveram um impacto profundo em nossa compreensão da estrutura dos átomos e das moléculas. Embora nunca possamos prever o movimento dos elétrons dentro dos átomos com 100% de certeza, podemos prever as probabilidades de diferentes eventos, dentro dos limites impostos 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 única trajetória, mas sim uma série de trajetórias possíveis por todo o espaço-tempo. Calculamos a probabilidade de cada trajetória para determinar a probabilidade de uma partícula ter estado em um determinado ponto do espaço-tempo. Um certo grau 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 aos números que se situam perpendicularmente aos da reta numérica tradicional (cujos valores podem ser representados visualmente como se estendendo da esquerda para a direita).
Os números imaginários, ao contrário dos números reais, resultam em 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”). Nesse modelo, o espaço-tempo seria finito em extensão, mas ilimitado (como a Terra, que tem massa e volume finitos, mas não possui borda ou limite).
O problema clássico da relatividade geral é a singularidade, a região do espaço-tempo anterior ao Big Bang ou em um buraco negro — os limites do universo observável onde a previsibilidade deixaria de existir. Mas a mecânica quântica evita esse problema, pois postula que não há limites. O universo simplesmente existe, sem ser afetado por nada que se encontre fora dele.
Com os números imaginários, onde o tempo é indistinguível do espaço, talvez estejamos vivendo apenas em uma das histórias possíveis do universo, com inúmeras outras em algum outro plano de existência que nunca poderemos ver nem seremos afetados por elas.
Mecânica Quântica x Relatividade
A teoria da mecânica quântica é incompatível com as previsões da relatividade — embora ambas, paradoxalmente, sejam teorias amplamente comprovadas que fazem previsões precisas sobre o universo. As previsões da relatividade, que tratam de fenômenos em escala universal e macroscópica, falham quando aplicadas ao nível subatômico da mecânica quântica. Muito do que pensamos saber sobre física simplesmente desmorona 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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Veja 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 reflexões de Stephen Hawking sobre tempo, espaço, dimensões e teoria quântica
- Como a viagem no tempo funcionaria, em teoria
