Física quântica: o que é, para quê serve e principais conceitos
A física quântica é o ramo da física que estuda os fenômenos que ocorrem em escalas extremamente pequenas, como as dimensões de partículas subatômicas. Física Quântica, Teoria Quântica ou Mecânica Quântica são termos que indicam uma parte da física moderna que surgiu no século XX.
Diferente da física clássica, que descreve o mundo em termos de leis determinísticas (onde tudo pode ser previsto com certeza), a física quântica lida com probabilidades.
Então, na física quântica, as regras são um pouco diferentes do que estamos acostumados. É como se as partículas jogassem um jogo de esconde-esconde onde elas podem estar em vários lugares ao mesmo tempo, e só sabemos onde elas estão quando olhamos. Esse jogo é o que os cientistas tentam entender para explicar como tudo no universo funciona de um jeito tão peculiar e surpreendente.
A palavra “quântica” vem do termo “quantum”, que significa “quantidade” em latim e se refere à ideia de que algumas propriedades físicas, como energia, não podem ser divididas indefinidamente, mas existem em “pacotes” discretos chamados “quanta”.
Conceitos da Física Quântica
Alguns dos conceitos fundamentais da física quântica incluem:
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Dualidade Onda-Partícula: na física quântica, as partículas, como elétrons e fótons, exibem comportamento tanto de partículas quanto de ondas. Isso significa que, dependendo da situação, elas podem se comportar como pequenos pacotes de energia ou como ondas espalhadas pelo espaço.
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Superposição: uma das características mais estranhas da física quântica é a superposição, que significa que uma partícula pode existir em múltiplos estados ao mesmo tempo, até que seja medida. Um exemplo clássico é o experimento mental do Gato de Schrödinger, onde um gato em uma caixa pode estar simultaneamente vivo e morto até que se abra a caixa e se observe o estado do gato.
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Entrelaçamento quântico: o entrelaçamento quântico é um fenômeno onde duas partículas se tornam conectadas de tal forma que o estado de uma afeta instantaneamente o estado da outra, independentemente da distância que as separa. Isso leva a efeitos que parecem desafiar a velocidade da luz e a causalidade clássica.
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Princípio da Incerteza de Heisenberg: esse princípio diz que não podemos conhecer com precisão absoluta tanto a posição quanto a velocidade (ou momento) de uma partícula ao mesmo tempo. Quanto mais precisamente tentamos medir uma dessas características, menos precisão teremos na medição da outra.
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Colapso da função onda: a função de onda é uma descrição matemática das possibilidades de onde uma partícula pode estar. Quando medimos a partícula, a função de onda "colapsa" para um resultado específico, determinando o estado da partícula.
Aplicações da física quântica
A física quântica não é apenas uma teoria abstrata; suas implicações práticas são vastas e revolucionaram a tecnologia. Algumas das aplicações incluem:
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Eletrônica: A física quântica é a base para a tecnologia dos semicondutores, fundamentais para o funcionamento de computadores, smartphones e outros dispositivos eletrônicos.
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Laser: O laser, utilizado em diversas áreas, desde cirurgias até comunicações e entretenimento, funciona com base nos princípios da física quântica.
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Computação Quântica: Os computadores quânticos, ainda em desenvolvimento, prometem realizar cálculos muito mais rapidamente do que os computadores tradicionais, utilizando os princípios da superposição e do entrelaçamento quântico.
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Criptografia Quântica: A criptografia quântica utiliza as propriedades quânticas para criar sistemas de comunicação praticamente invioláveis.
Como e quanto surgiu a física quântica
A física quântica surgiu no início do século XX, em um momento em que a física clássica, desenvolvida por Isaac Newton e outros cientistas, não conseguia explicar certos fenômenos observados em experimentos.
Um dos primeiros problemas que levou ao desenvolvimento da teoria quântica foi a radiação do corpo negro. Os cientistas não conseguiam entender por que os objetos quentes emitiam luz em determinadas cores e intensidades.
Foi então que, em 1900, o físico alemão Max Planck propôs que a energia era emitida em pequenos pacotes ou “quanta”. Esta ideia foi o ponto de partida para o que viria a se tornar a física quântica.
Em 1905, Albert Einstein usou a ideia de quanta para explicar o efeito fotoelétrico, que mostrou que a luz se comporta como partículas chamadas “fótons”.
Logo depois, outros cientistas, como Niels Bohr e Werner Heisenberg, ajudaram a desenvolver essa nova teoria, criando um conjunto de regras e conceitos para descrever o comportamento estranho e imprevisível das partículas muito pequenas, como átomos e elétrons.
Principais cientistas que colaboraram com a física quântica
Os principais teóricos que contribuíram para o crescimento e consolidação dessa área foram Planck, Einstein, Rutherford, Bohr, Schrodinger e Heisenberg.
Max Planck
O físico alemão Max Planck (1858-1947) é considerado o “pai da física quântica”. Essa denominação corrobora suas contribuições na área da teoria quântica. Graças a ele, essa área foi criada e consolidada por outros teóricos.
Seu maior foco foram os estudos das radiações eletromagnéticas. Assim, ele criou uma das mais importantes constantes da física quântica, denominada de Constante de Planck.
Com um valor de 6,63 . 10-34 J.s, ela é usada para indicar a energia e a frequência das radiações eletromagnéticas. Essa constante determina a energia de um fóton, mediante a equação: E = h .v.
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Albert Einstein
Albert Einstein (1879-1955) foi um físico alemão. Ao lado de Planck, ele representa um dos principais físicos teóricos na área da teoria quântica.
Merecem destaque seus trabalhos relacionados com a teoria da relatividade.
Essa teoria enfoca nos conceitos de massa e energia sendo expressa pela equação: E = mc2.
Para Einstein, o universo está em constante expansão. Ao estudar as Leis de Newton, o cientista pode encontrar lacunas.
Assim, seus estudos sobre o espaço e o tempo foram essenciais para construir a visão moderna da realidade no campo da Física.
Em 1921 Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física, por conta dos estudos sobre física teórica e o efeito fotoelétrico.
Ernest Rutherford
Rutherford (1871-1937) foi um físico neozelandês que contribuiu com o avanço da física quântica.
Sua principal teoria está relacionada com a radioatividade, mais precisamente com a descoberta dos raios alfa e beta.
Diante disso, Rutherford revolucionou a teoria atômica sendo que seu modelo é utilizado até os dias de hoje.
Isso porque ele identificou o núcleo e as partículas atômicas denominadas prótons e elétrons, bem como sua posição no átomo.
Esse modelo corresponde ao sistema planetário, onde os elétrons se movem em órbitas elípticas.
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Niels Bohr
O físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) foi responsável por preencher a lacuna encontrada no modelo proposto por Rutherford.
Assim, seus trabalhos sobre a teoria atômica contribuíram para a definição correta desse sistema, bem como para os estudos da física quântica.
Segundo o modelo de Rutherford, com a aceleração das partículas atômicas, o elétron poderia perder energia e cair no núcleo. No entanto, isso não acontece.
Para Bohr, quando a eletricidade passa através do átomo, o elétron pula para a órbita maior e seguinte, voltando depois à sua órbita usual.
Com essa nova descoberta Bohr também propôs uma teoria atômica e por esse motivo, é chamado de Modelo Atômico de Rutherford-Bohr.
Em 1922 Niels Bohr recebeu o Prêmio Nobel de Física por seus estudos dos átomos e radiação realizados.
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Erwin Schrodinger
Erwin Schrodinger (1887-1961) foi um físico austríaco. A partir de experiências na área ele criou uma equação que ficou conhecida como equação de Schrödinger. Nela, o cientista pode perceber as mudanças dos estados quânticos num sistema físico.
Além disso, propôs uma experiência mental imaginária denominada de “Gato de Schrödinger”. Nessa teoria, um gato é colocado numa caixa com um pote de veneno junto. Pela física quântica, ele estaria vivo e morto ao mesmo tempo.
Diante disso, o cientista quis mostrar por meio desse experimento o comportamento das partículas subatômicas numa situação cotidiana.
Segundo ele: “Isso previne-nos de tão ingenuamente aceitarmos como válido um "modelo impreciso" para representar a realidade. Em si mesma esta pode não incorporar nada de obscuro ou contraditório.”
Em 1933, Erwin Schrodinger recebeu o Prêmio Nobel de Física por conta de suas descobertas sobre a teoria atômica.
Werner Heisenberg
Werner Heisenberg (1901–1976) foi um físico alemão responsável pela criação de um modelo quântico para o átomo.
Seus estudos foram essenciais para a evolução da área da mecânica quântica. Desenvolveu teorias relacionadas com os átomos, raios cósmicos e partículas subatômicas.
Em 1927 Heisenberg propôs o “Princípio da Incerteza”, também chamado de “Princípio de Heisenberg”.
Segundo esse modelo, ele concluiu que é impossível mensurar a velocidade e a posição de uma partícula.
Em 1932 Heisenberg recebeu o Prêmio Nobel de Física pela criação da mecânica quântica.
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Referências Bibliográficas
Resnick, Robert, e Halliday, David. Física Moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
Tipler, Paul A., e Llewellyn, Ralph A. Física Moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
ASTH, Rafael. Física quântica: o que é, para quê serve e principais conceitos. Toda Matéria, [s.d.]. Disponível em: https://www.todamateria.com.br/fisica-quantica/. Acesso em:
