A mecânica quântica é o ramo da física relacionado ao muito pequeno, e é também a principal causa de morte de gatos, e também não é a principal causa de morte de gatos.
A mecânica quântica revela um fascinante conjunto de leis físicas e teorias que exploram questões como “Espera, o universo é realmente feito de cordas?” “Viagens no tempo são possíveis?” e tudo mais. E tudo dentro. E ao redor. E invisível. Não se preocupe se tudo soar confuso – são apenas as leis da natureza e tudo o que conhecemos e não sabemos.
A boa notícia é que estamos todos juntos nisso. Venha em uma jornada através do espaço e do tempo para aprender alguns fatos da mecânica quântica.
Vamos começar no começo (ou no final, dependendo da sua perspectiva)
Então, o que diabos é a mecânica quântica? Bem, trata-se de um ramo da física que trata especificamente da física de partículas, procurando compreender o movimento e a interação entre os blocos de construção que compõem o nosso universo (e talvez outros). Tem sido chamado de “a ciência do pequeno”, oposto à relatividade geral de Einstein, que é conhecida como “a ciência do grande”. [O que é a Teoria da Relatividade?]
A mecânica quântica também engloba alguns conceitos esquisitos, como superposição de partículas (estar em mais de um lugar de cada vez), teoria das cordas, múltiplos universos (multiverso), dimensões extras e uma galáxia inteira de outras teorias para inspirar uma crise existencial sobre o que é real e o que tudo isso significa.
Experiência de Interferência de Young: Mentes explodindo desde 1801
Você não pode falar sobre mecânica quântica sem discutir o experimento de interferência de Young, também conhecido como experimento da dupla fenda. Você pode recriar esse experimento muito facilmente: corte duas fendas em um pedaço de papel, faça uma lanterna através das fendas e observe os padrões lineares criados. “Uh, ótimo, o que estou olhando?”, você pergunta.
Basicamente, este experimento mostra que os fótons de luz se comportam como partículas e ondas, uma propriedade apelidada de “dualidade onda-partícula”. Essa primeira observação da dualidade das partículas ocorreu bem antes que a ciência estabelecesse o campo da mecânica quântica.
O Gato De Schrödinger (e o o Não Gato De Schrödinger)
Cerca de 135 anos depois, os cientistas ainda tentavam entender as implicações da experiência de Young. Foi quando o físico austríaco Erwin Schrödinger criou um experimento mental que confundiria ainda mais tudo, mas também se tornaria um dos famosos blocos de construção da teoria da superposição quântica.
Schrödinger não devia gostar de gatos ao criar esse experimento mental, mas vamos lá: Há um gato preso em uma caixa-armadilha, e apenas após a observação (ou seja, quando você abre a caixa) você pode verificar se o gato está vivo ou morto. O que quer dizer que, até o momento da observação, ambas as possibilidades são verdadeiras, então o gato está vivo e morto simultaneamente. Ao imaginar essa tortura de gato bizarra, Schrödinger esperava entender quando as partículas deixam um estado de superposição quântica para se tornar uma coisa ou outra. [Vivo e morto ao mesmo tempo: o que é o gato de Schrödinger?]
Superposição, ou “estar em dois lugares ao mesmo tempo”
A interferência de Young, o gato de Schrödinger e os drives USB ajudam a entender um conceito chamado superposição quântica. A superposição quântica diz que uma coisa pode existir em todos os estados possíveis até ela ser observada. A luz é ao mesmo tempo uma partícula e uma onda, um gato em uma caixa está vivo e morto, e uma unidade USB está voltada para cima e para baixo. Só quando vemos algo é que um estado é definido. É essa regra que está ditando o futuro da computação, a chamada computação quântica.
Computação Quântica
Não, a computação quântica não significa usar computadores infinitamente pequenos. A computação quântica é uma nova abordagem ao poder de processamento que usa princípios como superposição quântica e entrelaçamento quântico (mais sobre isso depois). As implicações? A capacidade de processar dados a velocidades praticamente infinitas. O computador quântico mais avançado do mundo atualmente está no Centro de Computação Quântica da USC-Lockheed Martin e, como todas as primeiras versões de novos computadores, é ridiculamente grande.
Entrelaçamento quântico, aonde tudo fica ainda mais bizarro
Emaranhamento, ou entrelaçamento, quântico é a história de amor de partículas mais fofa da ciência. Este fenômeno mensurável nos mostra que as partículas podem estar unidas independentemente da distância física. Digamos que você tenha duas partículas ligadas, uma na Antártida e outra no Havaí. Se você medir a partícula no Havaí, a partícula na Antártica responderá à medição instantaneamente. Achou pouco? O mesmo acontece se uma partícula está aqui na Terra, e a outra partícula ligada está em uma galáxia a trilhões e trilhões e trilhões de quilômetros. A resposta é instantânea.
Outra propriedade do entrelaçamento quântico é uma espécie de exibição de “opostos atraídos” na qual as propriedades físicas (rotação, posição, etc.) das partículas ligadas sempre serão opostas. Finalmente, medir uma partícula tem um efeito sobre a outra, que é onde tudo isso se junta para a tão esperada descoberta para as mentes preguiçosas: o teletransporte.
Teletransporte
Ah, sim, isso mesmo: teletransporte quântico. Talvez a superpotência mais procurada de todas. Se o teletransporte for real um dia, é tudo graças ao entrelaçamento quântico. Como tudo isso funciona? Essencialmente, você cria dois fótons emaranhados e os separa por uma distância (digamos, 102 km de fibra ótica). Devido a seus estados emaranhados, você pode determinar quando eles estão em estados opostos, com o efeito de teletransportar o fóton A para onde está o B.
Agora, não fique muito animado; os cientistas conseguiram o teletransporte de fótons, mas não o de matéria. Se você já leu nosso artigo “Por que não pode existir velocidade maior que a da luz?” sabe que fótons são as únicas coisas no universo que não possuem massa.
A busca pela Teoria de Tudo
Como se a mecânica quântica não fosse um conceito suficientemente confuso por si só, existe um paradoxo: a ciência das coisas em pequena escala não funciona com a ciência das coisas em larga escala, isto é, a relatividade é incompatível com a física quântica. Ambas as teorias parecem explicar muito bem seus mundos, mas estão em oposição. A busca pela unificação dessas teorias (ou, “teoria do campo unificado” ou “teoria de tudo”), confundiu os cientistas por gerações, e até mesmo Einstein não conseguiu decifrá-la.
Teoria das Cordas. Se já está estranho, vai ficar pior
Uma das tentativas de criar uma teoria do tudo é através da teoria das cordas. Até a década de 1960, praticamente todos concordavam que o menor dos menores blocos de construção da matéria – partículas subatômicas – eram… bem, partículas. Mas o que é uma partícula? E por que a descoberta delas não explicou coisas como a matéria escura?
O trabalho do cientista Geoffrey Chew levaria seus contemporâneos a pensar fora da caixa, considerando que as partículas não eram a base de tudo. Esta pesquisa acabaria por coalescer na teoria das cordas, como é geralmente proposta hoje. Basicamente, a teoria das cordas assume que tudo é composto de objetos vibratórios unidimensionais, inclusive cada partícula subatômica. Como essas cordas se comportam determina tudo, desde a gravidade até as migalhas do Kit Kat. No entanto, a implicação mais estranha é a seguinte: se a teoria das cordas é o que está acontecendo no nosso universo, dimensões extras teriam que existir. Até 26, na verdade.
Universos paralelos
Agora que falamos sobre o (possivelmente) mensurável, vamos falar sobre um material ainda não mensurável, mas ainda assim totalmente incrível – como universos paralelos! A teoria filha do universo da mecânica quântica, baseada em probabilidades e não em definitivos, sugere que, para cada resultado possível de qualquer decisão possível, um universo é criado. Assim, em outro universo, Brad e Angelina nunca se divorciaram, o Brasil ganhou a Copa de 2018, e as Torres Gêmeas não foram derrubadas.
Em breve um artigo só sobre os universo paralelos, fique ligado!
Viagem no tempo?
A viagem no tempo é uma das muitas implicações fascinantes da mecânica quântica que faz com que as pessoas digam coisas como “Eu voltaria no tempo e encorajaria Hitler a seguir seus sonhos artísticos”.
Os cientistas simularam com sucesso o envio de partículas para trás através do tempo, mas a simulação está (talvez) muito longe da realidade, e enviar coisas para o futuro ainda é um dilema obscuro – para não mencionar a abundância de paradoxos. Assunto para um outro artigo.
Veja também: Nós temos livre-arbítrio? A resposta pode ter sido dada por Einstein
