Mecânica Quântica: Uma Introdução

Você provavelmente já ouviu que a física quântica é estranha e esquisita e não obedece às leis da física a que está acostumado. Isso certamente é verdade em grande medida. Há uma razão pela qual os físicos tiveram que desenvolver uma nova teoria e não confiar nas antigas para explicar o que acontece no mundo dos extremamente pequenos.

Nesta introdução à mecânica quântica, você aprenderá como os cientistas abordam o comportamento quântico e os fenômenos quânticos, bem como a origem dessas ideias.

De fato, há muita estranheza no mundo quântico. A mecânica quântica é o ramo da física que tenta explicar essa estranheza e fornecer uma estrutura que permite previsões e explicações dos fenômenos observados.

Aspectos fundamentais da mecânica quântica incluem a noção de quantização. Ou seja, existe uma menor unidade de algo que não pode ser decomposto mais. A energia é quantizada, o que significa que vem em unidades discretas.

O tamanho das unidades quantizadas é geralmente escrito em termos de Constante de Planck, ​h​ = 6.62607004 × 10^-34 m²kg / s.

Outro aspecto da mecânica quântica é a noção de que todas as partículas realmente têm dualidade partícula-onda, o que significa que às vezes agem como partículas e outras vezes agem como ondas. Na verdade, eles são descritos por uma chamada função de onda.

Estranheza quântica inclui a noção de que se uma partícula está agindo como uma onda ou não, de alguma forma depende da maneira como você decide olhá-la. Além disso, certas propriedades de uma partícula - como a orientação de seu spin - não parecem ter um valor bem definido até que você os mede.

Isso mesmo, não é apenas que você não sabe até a medição, mas o valor distinto real não existe até a medição.

A mecânica quântica pode ser melhor compreendida comparando-a com a física clássica, que é a física dos objetos cotidianos com a qual você provavelmente está mais familiarizado.

A primeira grande diferença é a quais domínios cada ramo se aplica. A física clássica se aplica muito bem a objetos de tamanhos comuns, como uma bola lançada. A mecânica quântica se aplica a objetos muito pequenos, como prótons, elétrons e assim por diante.

Na física clássica, partículas e objetos têm uma posição e um momento distintos em qualquer ponto do tempo, e ambos podem sempre ser conhecidos com precisão. Na mecânica quântica, quanto mais precisamente você sabe a posição de um objeto, com menos precisão você conhece seu momento. As partículas nem sempre têm posição e momento bem definidos. Isso é chamado de princípio da incerteza de Heisenberg.

A física clássica assume que os valores de energia que algo pode ter são contínuos. Na mecânica quântica, no entanto, a energia existe em blocos discretos. Partículas subatômicas, como elétrons em átomos, por exemplo, só podem ocupar níveis de energia distintos e não quaisquer valores intermediários.

A forma como a causalidade funciona também é diferente. A física clássica é completamente causal, o que significa que o conhecimento dos estados iniciais permite que você preveja exatamente o que acontecerá.

A mecânica quântica tem uma versão diferente de causalidade. As partículas são descritas por uma mecânica quântica função de onda, que fornece probabilidades relativas do que ele pode fazer quando medido. Essa função de onda segue certas leis da física sobre como ela “evolui” no tempo e deixa você com previsíveis “nuvens de probabilidade” do que a medição pode fornecer.

Muitos cientistas famosos contribuíram para a teoria quântica ao longo dos anos e muitos ganharam o Prêmio Nobel por suas contribuições. Na verdade, a descoberta e o desenvolvimento da mecânica quântica foram revolucionários. Os primórdios da teoria quântica podem ser rastreados até o século XIX.

• O físico Max Planck foi capaz de explicar o fenômeno da radiação do corpo negro pela quantização da energia.
• Mais tarde, Albert Einstein desenvolveu uma explicação do efeito fotoelétrico tratando a luz como uma partícula em vez de uma onda e dando-lhe valores de energia quantizados.
• Neils Bohr é famoso por seu trabalho sobre o átomo de hidrogênio, onde foi capaz de explicar as linhas espectrais em termos de princípios da mecânica quântica.
• Louis de Broglie apresentou a ideia de que partículas que são pequenas o suficiente - como os elétrons - também exibem dualidade partícula-onda.
• Erwin Schrodinger desenvolveu seu famoso Equação de Schrodinger, que descreve como as funções de onda evoluem com o tempo.
• Werner Heisenberg desenvolveu o princípio da incerteza, que provou que nem a posição nem o momento de uma partícula quântica podem ser conhecidos com certeza.
• Paul Dirac previu a existência da antimatéria e deu passos no sentido de reconciliar a teoria da relatividade geral com a teoria quântica.
• John Bell é conhecido pelo teorema de Bell, que provou que não havia variáveis ​​ocultas. (Em outras palavras, não é apenas porque você não conhece uma partícula quântica rodar ou outra propriedade antes da medição, mas na verdade não tem um valor bem definido antes da medição.)
• Richard Feynman desenvolveu a teoria da eletrodinâmica quântica.

Como a mecânica quântica é tão estranha e tão contra-intuitiva, diferentes cientistas desenvolveram diferentes interpretações dela. As equações que predizem o que acontece são uma coisa - sabemos que funcionam porque são consistentes com observações - mas entender o que elas realmente significam é uma questão mais filosófica e tem sido sujeita a muito debate.

Einstein caracterizou as diferentes interpretações com base em quatro propriedades:

• Realismo, que diz respeito ao fato de as propriedades realmente existirem antes da medição.
• Completude, que aborda se a teoria quântica atual está completa ou não.
• Realismo local, uma subcategoria de realismo que diz respeito à existência de realismo em um nível local imediato.
• Determinismo, que se refere a quão bem a mecânica quântica é considerada determinística.

A interpretação padrão da mecânica quântica é chamada de interpretação de Copenhagen. Foi formulado por Bohr e Heisenberg enquanto estava em Copenhagen em 1927. Em essência, essa interpretação afirma que tudo o que uma partícula quântica é e tudo o que pode ser conhecido sobre ela é descrito pela função de onda. Em outras palavras, toda a estranheza da mecânica quântica é realmente estranha e é assim que as coisas realmente são.

Um ponto de vista alternativo é a Interpretação de Muitos Mundos, que elimina os resultados probabilísticos do quantum observações, afirmando que todos os resultados possíveis realmente ocorrem, mas em mundos diferentes que são ramos do nosso atual realidade.

As teorias de variáveis ​​ocultas afirmam que há mais no mundo quântico que nos permitiria fazer previsões que não se baseiam em probabilidades, mas precisamos descobrir certas variáveis ​​ocultas que nos dariam essas previsões. Em outras palavras, a mecânica quântica não está completa. O teorema de Bell, no entanto, provou que variáveis ​​ocultas não existem em um nível local.

A teoria de De Broglie-Bohm, também conhecida como teoria da onda piloto, aborda a noção de variáveis ​​ocultas com uma abordagem global não contraditada pelo teorema de Bell.

Sem surpresa, muitas, muitas outras interpretações existem porque os cientistas tiveram mais de um século para tentar compreender a natureza verdadeiramente bizarra do mundo quântico.

Muitos experimentos famosos foram realizados ao longo do caminho, levando e provando diferentes aspectos da teoria quântica.

Um experimento muito famoso é o experimento EPR, batizado em homenagem aos cientistas Einstein, Podolsky e Rosen. Este experimento lidou com a ideia de emaranhamento em um sistema quântico. Considere dois elétrons, ambos com uma propriedade chamada spin. Seu spin, quando medido, está na posição para cima ou para baixo.

Ao medir o spin de um único elétron, ele tem 50 por cento de chance de estar para cima e 50 por cento de chance de estar para baixo. Os resultados não podem ser previstos de antemão pela mecânica quântica. Neste experimento, no entanto, dois elétrons estão emaranhados de forma que seu spin combinado é 0. No entanto, pela mecânica quântica, ainda não podemos saber qual é o spin para cima e qual é o spin para baixo, e de fato nenhum está em nenhuma das posições e, em vez disso, é dito que está em uma "superposição" de ambos estados.

Esses dois elétrons emaranhados são enviados em direções opostas para diferentes dispositivos que medem seus spins simultaneamente. Eles estão distantes o suficiente durante a medição que não há tempo para qualquer elétron enviar algum “sinal” invisível para o outro para que ele saiba como seu spin é medido. E ainda, quando ocorre a medição, ambos são medidos para terem spin oposto.

Gato de Schrodinger é um famoso experimento mental destinado a ilustrar a estranheza do comportamento quântico e representar o questão de o que realmente se entende por medição e se objetos grandes - como um gato - podem exibir elementos quânticos comportamento.

Neste experimento, diz-se que um gato está em uma caixa, de modo que não pode ser visto pelo observador. A vida do gato torna-se dependente de um evento quântico - por exemplo, talvez a orientação do spin de um elétron. Se girar, o gato morre. Se for girar para baixo, o gato vive.

Mas o estado do elétron está oculto do observador, assim como o gato na caixa. Então a questão é, até que você abra a caixa, o gato está vivo, morto ou também em alguma superposição estranha de estados como o elétron está até a medição?

Fique tranquilo, entretanto, ninguém realizou tal experimento e nenhum gato foi prejudicado em busca do conhecimento quântico!

Os anos 1900 foram uma época em que a física realmente decolou. A mecânica clássica não conseguia mais explicar o mundo do muito pequeno, o mundo do muito grande ou o mundo do muito rápido. Muitos novos ramos da física nasceram. Entre eles estão:

• ​Teoria do campo quântico:Uma teoria que combina a ideia de campos com a mecânica quântica e a relatividade especial.
• ​Física de partículas:Um campo da física que descreve todas as partículas fundamentais e as maneiras como elas podem interagir umas com as outras.
• ​Computação quântica:Um campo que tenta criar computadores quânticos que permitiriam um processamento mais rápido e melhor criptografia por causa de como o funcionamento de tal computador seria baseado na mecânica quântica princípios.
• ​Relatividade especial:A teoria que descreve o comportamento de objetos que se movem perto da velocidade da luz e é baseada na noção de que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz.
• ​Relatividade geral:A teoria que descreve a gravidade como curvatura do espaço-tempo.