Desde a descoberta de que o átomo é divisível, contrariando o pensamento grego, a física tem se engendrado por caminhos minúsculos, difíceis de observar e muito, muito diferentes do que costumamos estudar. Assim, surgiu a física quântica.
A física de partículas estuda, como o nome já pode dar a pista, as partículas elementares dos materiais. No princípio, acreditou-se que os átomos eram as partículas fundamentais.
Contudo, dentro do seu núcleo encontramos nêutrons, prótons e elétrons. Desses, apenas o elétron continua sendo considerado elementar. Mas talvez, só por enquanto.
Já houveram diversos modelos atômicos! Quanto mais a tecnologia avança, mais podemos compreender como as menores partes da matéria são formadas.
O que é Física Quântica?
A física quântica é o ramo da ciência que estuda esses fenômenos no nível das partículas subatômicas e das menores unidades. Ela investiga como partículas como elétrons, fótons e até quarks se comportam e interagem, assim como as forças que atuam nesse universo invisível a olho nu.
Nessa área, partículas podem existir em dois lugares ao mesmo tempo, se comunicar a distâncias enormes de forma instantânea e até exibir comportamento de onda e partícula simultaneamente.
Apesar de parecer abstrata para alguns, a física quântica é fundamental para o mundo moderno. As teorias quânticas explicam o funcionamento dos semicondutores em nossos computadores, dos lasers em leitores de DVD e até de tecnologias emergentes como a computação quântica.
Em resumo, é a base científica para explicar o comportamento das ações e reações microscópicas do Universo.
Cientistas que marcaram história na física quântica:
Max Planck
Max Planck foi um físico alemão considerado o pai da física quântica. Em 1900, ao estudar a radiação térmica, ele propôs que a energia é emitida em pequenos pacotes (quanta) em vez de continuamente. Planck recebeu o Nobel em 1918 por essa contribuição fundamental.
Albert Einstein
Em 1905, o físico alemão Albert Einstein explicou o efeito fotoelétrico postulando que a luz é composta de partículas (fótons), cada uma carregando um quantum de energia. Essa descoberta lhe rendeu o Nobel de 1921 e confirmou a natureza quântica da luz.
Niels Bohr
Niels Bohr foi um físico dinamarquês que formulou em 1913 um novo modelo para o átomo, incorporando os princípios quânticos. O modelo atômico de Bohr introduziu órbitas estacionárias para os elétrons com níveis de energia quantizados, explicando o espectro de luz emitido pelos átomos. Bohr também propôs outras contribuições sobre a teoria quântica.
Werner Heisenberg
Werner Heisenberg foi um físico teórico alemão e um dos fundadores da mecânica quântica. Em 1925, ele desenvolveu a mecânica matricial, que seria a primeira formulação consistente da teoria quântica, e no ano seguinte formulou o Princípio da Incerteza que leva seu nome. Em 1932, ele recebeu o Nobel pela criação da mecânica quântica.
Erwin Schrödinger
Erwin Schrödinger foi um físico austríaco que, paralelamente a Heisenberg, desenvolveu outra formulação da mecânica quântica. A equação de Schrödinger se tornou um dos pilares da física quântica. Tanto que ele também é conhecido pelo experimento mental do gato de Schrödinger, ilustrando os paradoxos da superposição.
Aceleradores de partículas e charms
Graças ao surgimento dos aceleradores de partículas, descobriu-se nos anos de 1968 que os nêutrons e prótons são formados por arranjos de partículas ainda menores, os quarks. Atualmente conhecemos seis quarks: up, down, bottom, top, strange e charm. Este último dá o que falar em matéria de peculiaridade.
Os charm quarks podem ser encontrados nos arranjos de prótons, mas são difíceis de serem detectados, pois necessitam de colisões de alta energia para poderem ser "liberados". Outro detalhe é que eles são mais pesados do que o próprio próton que constituem. Pense que você está fazendo um bolo e cada grão de farinha pesa mais do que o bolo em si.
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Independentemente, os pesquisadores Murray Gell-Mann e Georg Zweig já haviam teorizado a existência dos quarks. A comprovação veio no final da década de 1960.
Mas no conjunto da obra, mesmo com os charm quarks estão presentes na estrutura dos prótons, ou de outras partículas, sua massa não causa alteração no peso total do elemento.
Essas interações, no mínimo curiosas, são campo de pesquisa da física quântica, que é responsável pelo estudo das interações entre as partículas e as forças que regem o mundo subatômico.
Quarks e a receita da matéria
Para cada partícula não elementar, há um conjunto de quarks que as formam. Esses arranjos podem ser a união de dois, três e mais recentemente, encontraram uma partícula com quatro quarks!
Conforme a tecnologia avança, mais conseguimos observar os acontecimentos no estranho mundo subatômico, onde as leis da física clássica deixam de ter validade.
Quanto maior a energia e a tecnologia dos detectores, maiores podem ser os achados nas colisões de partículas.
Com mais tecnologia e maior energia disponível para os experimentos de colisão, maior serão as detecções e a capacidade de análise dos dados, deixando mais claras, ou não, as interações nesse mundo misterioso no interior da matéria.
Qual é a diferença entre física e mecânica quântica?
No uso comum, "física quântica" e "mecânica quântica" são termos quase iguais, pois ambos se referem ao campo da física que estuda os fenômenos em escala atômica e subatômica.
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Muitas vezes, os cientistas usam essas duas expressões de forma intercambiável. Porém, alguns fazem uma distinção sutil: física quântica pode ser vista como um termo mais amplo, englobando todas as teorias quânticas, incluindo a mecânica quântica tradicional, a eletrodinâmica quântica, a teoria de campos, informação quântica e outras.
Enquanto isso, a mecânica quântica se refere mais estritamente à estrutura teórica fundamental que descreve o comportamento das partículas subatômica. Ou seja, toda mecânica quântica está dentro da física quântica, mas esta última abrange também desenvolvimentos e aplicações além da teoria original.
Exemplos de aplicações da física quântica
A teoria quântica saiu dos laboratórios e já está presente em diversas tecnologias essenciais. Alguns exemplos notáveis de aplicações são:
- Transistores e semicondutores: os transistores, componentes fundamentais de todos os dispositivos eletrônicos modernos, só foram possíveis graças à compreensão da mecânica quântica. Por exemplo, os semicondutores usados em microchips permite a construção de computadores, smartphones, satélites e mais;
- Laser: Sem a física quântica para entender os níveis de energia atômicos e a quantização da luz, não existiriam os dispositivos lasers. Hoje, lasers estão em leitores de código de barras, aparelhos médicos, comunicações por fibra óptica e outras aplicações.
- Computação quântica: computadores quânticos em desenvolvimento que utiliza bits quânticos (qubits) em vez de bits tradicionais. Graças à superposição e ao emaranhamento, um qubit pode representar múltiplos estados simultaneamente, o que possibilita processar informações de forma exponencialmente mais rápida em certos problemas.
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