A Física Quântica é super simples. Sim e não. Provavelmente

É uma área fundamental da Ciência nos dias que correm. Mas é simultaneamente um tema muito complexo para milhões de pessoas.

Física Quântica? O que é isso?

Depois de ter estado remetido durante décadas ao âmbito da teoria científica, a Física Quântica tem atualmente inúmeras aplicações práticas fundamentais, que revelam aspetos surpreendentes do universo.

Ao mesmo tempo, continua a ser um tema demasiado complexo para milhões de pessoas. Melhor dizendo, deve haver umas poucas que o compreendem a fundo.

Recentemente, a revista National Geographic tentou “descomplicar” o tema, e apresentou os cinco conceitos-chave deste campo da ciência, da dualidade onda-partícula ao entrelaçamento quântico, que podem alterar profundamente a sua visão do mundo. Ou não.

Dualidade onda-partícula

Em primeiro lugar, a dualidade onda-partícula, que determina que partículas a luz e partículas como os eletrões exibem ao mesmo tempo características tanto de partículas quanto de ondas.

Este fenómeno foi ilustrado pela experiência da dupla fenda, que mostrou pela primeira vez, em 1927, como os eletrões podem produzir padrões de interferência similares às ondas, apesar de serem considerados partículas.

Na experiência original, os cientistas dispararam uma corrente de eletrões através de uma folha com duas fendas, com um detetor do lado oposto. Se os eletrões fossem apenas partículas, teriam formado um padrão de duas linhas brilhantes no detetor.

Porém, os cientistas concluíram que os eletrões agiam como ondas, “difratando” como a luz, formando assim um padrão espelhado de muitas linhas alternadas, umas mais brilhantes e outras mais escuras.

Sobreposição quântica

O conceito de sobreposição quântica sugere que um sistema quântico pode existir em múltiplos estados simultaneamente até ser observado.

Este conceito é exemplificado pelo famoso paradoxo do Gato de Schrödinger. Nesta experiência conceptual, o pobre animal é colocado numa caixa fechada, com uma ampola que tem 50% de probabilidade de libertar um gás tóxico que o mata.

A teoria da sobreposição da Física Quântica sugere que, até que alguém abra a caixa e verifique em que estado se encontra o gato, ele está vivo e morto ao mesmo tempo, numa sobreposição de estados.

Este princípio é crucial para a computação quântica, onde os qubits operam em múltiplos estados ao mesmo tempo, permitindo cálculos extremamente complexos e rápidos.

Entretanto, não se preocupe, os físicos já descobriram uma forma de salvar o gato.

Entrelaçamento quântico

A teoria do entrelaçamento quântico, outro pilar da Física Quântica, foi postulada há décadas, e nos últimos anos começou a conhecer as primeiras aplicações práticas — com destaque para a computação quântica.

No coração desta ideia está o fenómeno da “ação fantasmagórica à distância“, um termo cunhado por Albert Einstein para descrever o entrelaçamento quântico.

Este princípio estranho, mas fundamental, da mecânica quântica, sugere que “partículas interligadas quanticamente”, que tenham inicialmente interagido,  podem influenciar instantaneamente as propriedades uma da outra, independentemente da distância que as separa.

Embora Einstein fosse inicialmente cético, experiências subsequentes confirmaram esta peculiaridade quântica, abrindo novos horizontes na física e na tecnologia.

Em 2017, uma equipa de investigadores chineses conseguiu mesmo aplicar a “ação fantasmagórica à distância” a duas massas de partículas a 1200 km de distância uma da outra. Quando as propriedades de uma das massas de partículas foram alteradas, as da outra apareceram instantaneamente alteradas também.

Mais recentemente, em dezembro, uma equipa de investigadores conseguiu teletransportar imagens usando apenas luz — conseguindo provar uma vez mais que é possível transportar informação à distância, instantaneamente.

Incerteza de Heisenberg

O famoso Princípio da Incerteza de Heisenberg, é mais um aspeto fundamental da mecânica quântica. Ou, como muitas coisas nesta área difusa da física teórica, na realidade não é um — são dois.

Segundo diz Werner Heisenberg no primeiro dos seus princípios, não é possível conhecer ao mesmo tempo, com precisão, a posição e a velocidade de uma partícula — porque para determinar uma dessas propriedades, temos que injetar energia que altera o valor da outra.

Além disso, diz o físico alemão, também não conseguimos medir o valor de uma propriedade sem alterar o valor dessa propriedade.

Este princípio reflete a natureza inerentemente probabilística do mundo quântico, onde certezas absolutas são substituídas por probabilidades.

Quantização da energia

Por fim, o princípio da quantização da energia , outro conceito fundamental da Física Quântica, que postula que a energia não é contínua, mas sim quantizada, existindo em unidades discretas chamadas quanta.

De acordo com este princípio, a energia de um sistema físico, como um eletrão num um átomo, não pode assumir qualquer valor — tem que assumir valores específicos, quantizados.

Por exemplo, a energia que um eletrão pode ter enquanto orbita um núcleo atómico é restrita a certos níveis de energia fixos. Quando um eletrão transita entre estes níveis de energia, absorve ou emite energia em quantidades fixas.

Este conceito foi introduzido por Max Planck em 1900 e aplicado em 1913 pelo físico dinamarquês  Niels Bohr no seu modelo atómico de “nuvem eletrónica” — que substituiu o arcaico modelo do “bolo de passas” de Thomson.

Mais tarde, Einstein aplicou este conceito ao efeito fotoelétrico, sugerindo que a luz também é quantizada, composta por partículas chamadas fotões.

Este foi um desvio significativo da visão clássica da energia como um contínuo, e levou ao desenvolvimento da mecânica quântica, abrindo caminho para avanços tecnológicos significativos – como a computação quântica, que promete revolucionar a capacidade de processamento e a segurança da informação.

E então, tirou todas as dúvidas que tinha acerca de Física Quântica? Como diriam os físicos, sim e não,  provavelmente e ao mesmo tempo.