Introdução à mecânica quântica-Planck (versão completa)

Geralmente, quando ouvimos falar da dita ‘física quântica’, é comum que seja remetida a ela uma imagem de estranheza, frequentemente desafiando a nossa percepção de tudo a nossa volta. Mas qual seria o motivo para tal fama exótica da teoria quântica? Discutiremos o comportamento deste diferente universo ao longo deste e outros artigos.

O “nascimento” da teoria quântica, frequentemente chamada de mecânica quântica pelos mais íntimos, deu-se ao físico Max Planck, em 1900/1901. Na época, o cientista trabalhava em busca de resolver uma questão perturbadora na física: o problema da catástrofe do ultravioleta. Essa questão implicava que um corpo negro (corpo ideal que absorve toda a radiação nele incidida) devia emitir radiação com energia infinita, o que não concordava com experimentos realizados. Seguindo o eletromagnetismo clássico, os resultados experimentais condiziam com a teoria clássica apenas para radiação com comprimentos de onda grandes (luzes avermelhadas na faixa visível do espectro) e implicava em radiação infinita para comprimentos de onda pequenos, o que por si já é uma violação de uma das mais importantes leis de toda a ciência, a lei de conservação de energia. Desse modo (juntamente com outros motivos) viu-se que a teoria clássica apresentava problemas fundamentais e não era suficiente para descrever nosso universo.

A solução de Max Planck: O físico alemão propôs no início do século XX, a quantização da energia em termos de sua frequência, isto é, a energia não poderia assumir qualquer valor arbitrário, mas, sim, valores proporcionais a sua frequência. Os valores discretos de energia/”pacotes de energia” são comumente chamados de quanta. A formulação matemática definida por Planck fica marcada na mente de todos os estudantes de física: E=hf Onde f é a frequência e h é a famosa constante de Planck, utilizada abundantemente em toda a teoria quântica. O valor da constante é aproximadamente 6,626×〖10〗^(-34) J∙s no SI.

Com a teoria de Planck, vemos a famosa dualidade onda-partícula (em certos casos a luz demonstra um comportamento ondulatório e em outros corpuscular) a qual se fez presente também na explicação do efeito fotoelétrico, fenômeno que garantiu a Einstein seu prêmio Nobel.

Ao finalizar seu trabalho, Max Planck havia, acidentalmente, dado início a um ramo da ciência totalmente inédito: a mecânica quântica. Com o passar dos anos, diversos nomes ganharam destaque com essa nova área de pesquisa, como por exemplo Paul Dirac, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Richard Feynman, Erwin Schrödinger (com seu famoso experimento mental “gato de Schrödinger”) entre outros. A quântica ficou conhecida como “ciência dos jovens”, pois a maior parte dos cientistas que trabalhavam com ela na época eram jovens. Conforme a teoria ganhou forma, ramificações foram surgindo (como a teoria quântica de campos) e as “bizarrices experimentais” obtiveram destaque.

Na essência do “reino quântico”, tudo é probabilístico, da forma mais elementar possível. Comumente lidamos com questões de probabilidade no nosso dia a dia, como quando calculamos a probabilidade com a qual um dado irá cair com determinada face para cima. Todavia, na essência da questão, o resultado de qual face do dado ficará exposta não é probabilístico, mas, sim, determinístico. Caso consideremos múltiplas variáveis, como a resistência do ar, aerodinâmica do dado, o modo como ele foi lançado, entre outras coisas, teremos uma resposta precisa sobre o resultado que o dado nos dará. A quântica é probabilística em si e não devido à nossa falta de informação em relação ao sistema considerado (como na analogia do dado). Ao nos depararmos com uma frase dessa, pode-se gerar confusão, então é recomendável que se faça uma releitura com calma, pois a questão essencialmente probabilística é um dos pilares da mecânica quântica.

Um fato interessante é que Albert Einstein deixava claro sua imposição a esta teoria em ascensão, exibindo sua descrença do fato dos blocos de construção do universo (partículas) possuírem um comportamento imprescindível/aleatório. Einstein comumente tentava refutar as ideias da mecânica quântica, propondo explicações com visão determinística dos fenômenos,mas experimentos (como as desigualdades de Bell) confirmaram a versão da quântica.

Atualmente, a mecânica quântica é indispensável em nossas rotinas, mesmo que as vezes não percebamos. É por meio dela que a engenharia pôde evoluir possibilitando a criação de semicondutores (dispositivos empregados vastamente em equipamentos eletrônicos), lasers, etc. Então se hoje você tem um celular, computador, ou qualquer equipamento eletrônico agradeça aos cientistas do século XX!

Em artigos futuros explorarei algumas das bizarrices quânticas, como o fato de não podermos saber a posição e a velocidade de uma partícula ao mesmo tempo, o que é chamado de principio da incerteza de Heisenberg.

Material de referência: "uma breve história no tempo" e "breves respostas para grandes questões" (livros de Stephen Hawking)