MECÂNICA QUANTICA

 Desde o início do século 20, a física quântica é usada para descrever fenômenos da natureza que a física clássica não dá conta de explicar. Muitos deles ocorrem em nível microscópico, invisíveis aos nossos olhos, mas com forte impacto na tecnologia. Em smartphones, computadores e TVs, por exemplo, há uma infinidade de fenômenos quânticos acontecendo. Bilhões de componentes nos minúsculos microprocessadores de um computador, no momento em que você lê este texto, trabalham de acordo com regras muito bem descritas e estabelecidas pela mecânica quântica

O mundo quântico se comporta de maneira desafiadora à nossa intuição. Muitos fenômenos que ocorrem no nível atômico não têm paralelo na realidade macroscópica. Um deles é o tunelamento quântico, que permite a uma partícula ultrapassar uma barreira de energia muito maior que a energia que ela possui. Seria como estar de um lado de um muro e aparecer do outro sem precisar pulá-lo

Outro exemplo é a superposição. Basicamente, esse princípio diz que um átomo, uma partícula ou mesmo uma molécula podem estar em dois ou mais lugares ao mesmo tempo — ou “superpostos”. E essa propriedade está relacionada à natureza que a matéria tem de também ser onda. Como uma onda é uma perturbação no espaço e no tempo, ela pode ser detectada de forma espalhada, isto é, em vários pontos do espaço.

Porém, o mais estranho ocorre quando medimos a posição dessa partícula que também é onda: ela aparece em uma só posição, não mais como onda, mas como partícula. Diz-se no jargão dos físicos que a função de onda “colapsa” quando fazemos a medida. Desse modo, é possível dizer que medir a partícula é quase como fazê-la existir.

Pilar principal que sustenta a teoria quântica, o princípio da incerteza, descoberto pelo físico Werner Heisenberg na década de 1920, mostra que é impossível medir simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula, e nem dá para saber o quanto de energia ela tem em um certo intervalo de tempo. Ou se mede uma coisa ou outra, as duas juntas não. O que a natureza nos dá de concreto para mensurar é apenas a probabilidade de uma partícula estar em um lugar com determinada velocidade, ou a probabilidade de ter aquela energia naquele instante.

Mas como tanta incerteza é capaz de gerar uma realidade tão previsível? Quando olhamos um carro ou uma cadeira, eles estão ali e parecem imutáveis, certo? Onde termina o mundo quântico e começa o da física clássica, no qual podemos medir tudo com exatidão? Eis a pergunta de 1 milhão de dólares (ou mais!).

Fato é que os fenômenos quânticos estão aí, amparando a vida e também a tecnologia que criamos a partir da sua descoberta. Acredite: eles fazem mais parte do seu dia a dia do que você imagina. Veja a seguir cinco ocasiões.

1. Tela do celular

Qual a primeira coisa que você faz ao acordar? Arrisco dizer que seja pegar seu celular. Pois saiba que o simples acender da tela ocorre graças a fenômenos descritos pela mecânica quântica. A tecnologia para as telas de celulares, laptops, tablets e TVs se baseia nos LEDs, sigla em inglês para light-emitting diode, ou diodo emissor de luz.

Cada pequenino LED é composto de camadas de cristais coladas firmemente, cada uma com sua composição química específica. As propriedades da física quântica são usadas para entender como os elétrons se comportam ao passar pelos materiais cristalinos. Assim, foi possível obter LEDs que fornecem diferentes cores de luz.

O mesmo se dá com as lâmpadas de LED, que se baseiam em emissões de luz causadas por saltos quânticos de elétrons de níveis maiores de energia para menores. Ao voltarem para os níveis de menor energia, os elétrons emitem luz em faixas de frequência muito bem definidas, gerando as cores nítidas que vemos.

2. Câmeras

Não se engane: a câmera do seu smartphone é mais complexa do que você imagina. Ou melhor, as múltiplas câmeras! Para ajustar foco, luminosidade e exposição automaticamente, é preciso pelo menos um fenômeno quântico. Basicamente, o que ocorre nos sensores das câmeras digitais é o efeito fotoelétrico, aquele descrito por Albert Einstein e que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1922.

No efeito fotoelétrico, a luz bate no material de que é feito o sensor, geralmente metálico, e move alguns elétrons dos átomos desse material. Esses “fotoelétrons”, movidos pela interação com a luz, vão alimentar um circuito eletrônico embutido na câmera especialmente desenvolvido para compor a imagem.

GPS

Por trás de qualquer aplicativo de geolocalização está uma tecnologia de correções e cálculos que se baseiam tanto na relatividade especial quanto na mecânica quântica, já que tudo é sincronizado por relógios atômicos. Os relógios comuns usam oscilações de objetos físicos, como cristais de quartzo ou pêndulos, para medir o tempo com seus “tique-taques”. Já os relógios atômicos usam princípios da teoria quântica. Eles monitoram a frequência de radiação específica necessária para fazer os elétrons saltarem entre os níveis de energia.

A mais usada é a oscilação de energia do átomo de Césio. A cada 9.192.631.770 oscilações do átomo de Césio-133, o sistema do relógio marca um segundo. Por se basearem nessas propriedades, são sistemas muito estáveis e praticamente não atrasam nem adiantam. E assim você consegue chegar ao seu destino no tempo praticamente exato que o GPS havia previsto.

4. Computadores

Ao ligar um computador e começar a trabalhar, fazer posts, ouvir música, assistir e editar vídeos, é gerada uma carga de processamento de dados no interior de transistores quase do tamanho de átomos. E mais: a combinação de materiais desses semicondutores também gera propriedades quânticas especiais. É isso que permite o tráfego (ou não) de corrente elétrica que irá gerar encadeamentos lógicos, dados, memória e tudo mais que os computadores são capazes de fazer

Churrasco ou o forno à lenha (é sério!)

Sabe aquele churrasco delicioso de fim de semana? Mas aquele “raiz” mesmo, feito com carvão? A física quântica também está ali! O brilho vermelho do carvão em brasa é uma visão muito familiar para nós, e o motivo da física quântica ter começado. Ela foi proposta para explicar por que objetos muito quentes emitem aquela cor vermelha específica.

A física clássica que se conhecia no século 19 não explicava a chamada “radiação de corpo negro”. Nesse caso, a luz e a radiação térmica emitidas são independentes da composição do material e, para resolver o problema, só mesmo a genial proposta de Max Planck em 1900, sugerindo uma nova expressão matemática para a descrever o espectro de emissão de energia do corpo negro — nome dado a um meio ou substância que absorve toda energia incidente sobre ele. Essa fórmula estabelecia a energia sendo emitida em “pacotes”, com valores muito bem definidos (ou quantizados), e seus múltiplos. Nascia aí uma das maiores revoluções da ciência (e que inspirou o nome desta coluna).

Também poderíamos pensar em quantos fenômenos quânticos acontecem no nosso corpo, entre as sinapses dos neurônios do nosso cérebro, no interior das células… Enfim, onde há matéria, há a física quântica jogando seus dados em nível atômico e subatômico. E quem joga esses dados? Eis a questão.