Um pouco sobre Mecânica Quântica

As pessoas estão acostumadas a conviverem com um mundo de certezas. Certezas do que pode ser visto, tocado, provado, etc., mas a verdade é que a realidade vai muito além destas coisas as quais nossos olhos enxergam.

Há uma realidade que está contida em todas as coisas que presenciamos: uma realidade de incertezas e possibilidades. Essa realidade apresenta um mundo muito pequeno, que os nossos olhos não enxergam, mas que está lá a nossa volta: o mundo atômico.

Estamos cercados por átomos e consequentemente cercados por essa “outra” realidade. E não é difícil você tentar imaginar isso. Vamos usar o exemplo básico do mundo atômico: imagine uma bola de basquete, para ver seu átomo seria preciso aumentá-la até o tamanho da Terra e dessa forma o átomo seria do tamanho de uma uva. Para ver dentro do átomo aumente essa uva até o tamanho da Catedral de São Pedro em Roma, com 14 andares e dessa forma o núcleo do átomo seria do tamanho de um grão de sal. Outras partículas no interior do átomo seriam grãos de poeira e todo o resto seria espaço.

Nós somos feitos de átomos, átomos que apresentam elétrons e um núcleo. Bilhões de átomos que não se tocam, ficam próximos em nossa percepção, mas entre eles existe apenas espaço, um vazio.

Se pudéssemos nos ver de um tamanho astronômico, nos veríamos como uma enorme nuvem ou como um enorme enxame. Assim somos nós e se juntássemos nossos átomos ficaríamos do tamanho de uma cabeça de alfinete.

Na verdade, nós não tocamos em nada a nossa volta. A mecânica quântica mostra que toda essa realidade pode na verdade não existir e consequentemente não ser real (embora essa ideia possa cair numa pseudociência).

O que diz a física que a maioria conhece, a física clássica ou a física de Newton? Tais partes da física são voltadas a coisas que nosso senso comum pode perceber, coisas macroscópicas. A mecânica quântica vai além.

A física newtoniana, vamos chamá-la assim, é lógica e a mecânica quântica não. O que diferencia é que agora estamos lidando com átomos, com partícula que apresentam diferentes formas de comportamento. A própria lógica de Newton chegou ao declínio com outros físicos, como Albert Einstein. A segunda lei de Newton dizia que a aceleração de uma partícula tinha de ser igual a força aplicada dividida pela massa da partícula. Com isso saberíamos a velocidade e o sentido da partícula, nosso senso comum diria isso. Mas a relatividade de Einstein diz que dois observadores diferentes vêem duas realidades diferentes.

A aceleração de uma partícula, querendo saber aqui em m/s, cuja força mede 30N e a massa 0,15g será de 200m/s.

Mas Albert Einstein, com a sua Teoria da Relatividade mostra que se uma partícula viajasse na velocidade da luz e nós pudéssemos vê-la, iríamos ver uma partícula muito fina. Mas se a partícula pudesse nos ver, a realidade seria outra. A partícula dotada de olhos (apenas um exemplo, se quiser imaginar de outra forma substitua a partícula por uma pessoa dentro de uma cápsula) iria nos ver muito finos e recurvados. São realidades diferentes.

Newton nos mostraria apenas uma realidade, uma realidade lógica. Porém, não há lógica no que estamos tratando agora pois não há apenas a realidade newtoniana.

Dizem que Newton descobriu a gravidade quando estava deitado debaixo de uma macieira, quando de repente ele foi surpreendido pela fruta que caiu em sua cabeça (muito provável que isso seja apenas uma lenda). A gravidade sempre está puxando as coisas para baixo. Pela força gravitacional um dia o sol irá sugar todos os planetas, pois assim é a lei (logicamente, os planetas possuem uma velocidade tangencial e isso impede que eles caiam no sol, mas continuam sempre sendo puxados). Por essa mesma razão a física de Newton não faz sentido no mundo da mecânica quântica.

O núcleo atômico é formado por prótons, com suas cargas positivas, e nêutrons, com suas cargas neutras. Os elétrons orbitam ao redor do núcleo como se fossem planetas em torno do sol. O que ocorre no átomo é que os elétrons podem pular de órbitas mais distantes para órbitas mais próximas do núcleo. Quando o elétron fica mais próximo do núcleo ele desprende uma quantidade de energia a qual damos o nome de Quantum. Esses “pulos” dos elétrons para outras órbitas, que estão em comprimentos de ondas, recebem o nome de Salto Quântico.

Louis de Broglie observando o comportamento dos elétrons propôs que os mesmos não eram partículas, mas sim ondas. Ondas de matéria.

A experiência da fenda dupla explica a dualidade partícula-onda. No primeiro instante temos uma fenda e lançamos partículas através dela. Do outro lado será formado um padrão de interferência. Depois usamos ondas de água que passam pela fenda simples, do outro lado será formado um padrão de interferência. Usando agora a fenda dupla, vamos disparar partículas contra ela. Do outro lado serão formados dois padrões de interferência, padrões das partículas. Passando agora as ondas de água pela fenda dupla irá ocorrer algo diferente. Quando cada onda passar por uma das fendas elas irão encontrar-se com as outras ondas que saíram da outra fenda e assim irão anular-se na parte baixa das ondas, mas no pico alto elas irão ampliar-se, dessa forma serão formados muitos padrões de interferência. Para cada encontro de onda será formado um padrão de interferência.

Agora, usando a fenda simples e a dupla iremos disparar contra elas partículas atômicas. Em laboratório podemos disparar elétrons, em casa podemos usar um laser, pois todos nós sabemos que a luz se movimenta através da partícula chamada fóton.

Ao dispararmos os elétrons pela fenda simples formaremos um padrão de interferência igual ao das partículas. Mas quando usamos a fenda dupla, o padrão de interferência se torna igual ao das ondas, ou seja, não temos apenas duas bandas formadas do outro lado da fenda mas várias.

Na experiência com ondas não sabemos qual onda passou por qual fenda, da mesma forma é com as partículas atômicas, não sabemos qual fóton passou por qual fenda.

O processo ondulatório é importante no meio da mecânica quântica. Mas o que seria ondular? O austríaco Erwin Schrödinger respondeu a essa questão. Schrödinger dizia que os elétrons podem se propagar como ondas e dessa forma tem de existir uma equação a qual mostra isso.

Schrödinger viu a onda como sendo um elétron e o próprio elétron como sendo um objeto ondular, dessa forma ele as chamou de ondas de matéria. Porém tal interpretação de Schrödinger poderia estar errada. Aquilo que é onda não pode ser matéria. Onda é probabilidade e não uma certeza. Não podemos predizer o que o elétron irá fazer, pois ele é uma probabilidade.

Vamos voltar ao nosso senso comum, a nossa crença de que aquilo que acreditamos que vai acontecer é o certo e por essa razão sempre estamos com a razão. Você pode estar jogando Poker e possui um Straight que termina na carta de Damas, dessa forma você se sente a vontade para apostar tudo, mas você não contava que o seu senso comum estava errado e seu oponente também possuía um Straight só que o mesmo terminava na carta de Rei, uma carta maior que a sua. O seu senso comum lhe mostrou o que fazer, mas o mesmo fez você perder todo seu dinheiro.

A física clássica, a física de Newton nos mostra uma certa certeza do que pode acontecer com os corpos no espaço se fizermos alguma coisa com eles. Mas em 1927, o físico Werner Heisenberg nos apresentou um enunciado da mecânica quântica a qual deu o nome de Princípio da Incerteza.

As partículas apresentam certas qualidades específicas, como posição, velocidade (momento), massa e rotação. O princípio da incerteza diz que não podemos saber ao mesmo tempo a posição e o momento de uma partícula.

Albert Einstein não gostou nada dessa idéia, na verdade Einstein queria o fim da Mecânica Quântica. Foi nessa luta que Einstein disse a famosa frase: “Deus não joga dados”.

Schrödinger propôs uma experiência de raciocínio na qual usaria uma caixa lacrada e dentro dela haveria um dispositivo, um frasco contendo gás venenoso, um núcleo radioativo e por fim um gato.

Se o núcleo decaí ele libera uma partícula que aciona o dispositivo que por sua vez rompe o frasco liberando o gás venenoso e matando o gato. Enquanto não ocorre a medição quântica, o gato está tanto vivo quanto morto. Dentro da caixa, o felino é uma onda, é uma possibilidade e não uma certeza.

Se você abrir a caixa você encontrará um gato morto. Mas você pode abrir a caixa e encontrar um gato vivo. É bem provável que habitamos em universos paralelos. Em um universo nós vimos o gato morto e não nos lembramos do gato vivo, mas em outro universo nós vimos o gato vivo.

Foi Hugh Everett quem propôs a Teoria dos Muitos Mundos. De acordo com Everett, a função de onda não tem que ser derrubada e que cada resultado possível cria um novo universo. Cada universo é inacessível para os outros. Nesses universos podemos ver realidades diferentes.