Física Quântica 32 - Quatro Aspectos Essenciais da Física Quântica

 

Quatro Aspectos Essenciais da Física Quântica

por Osvaldo Pessoa Jr.

Após um período fora do país, retorno a esta coluna do Vya Estelar, onde busco apresentar de maneira didática diferentes temas relacionados com a física quântica.

Não sou um adepto da “psicologia quântica”, ou seja, não acredito que a física quântica seja de fato relevante para entender a mente humana e sua interação com o mundo.

Também não tenho uma visão de mundo mística, teísta ou gnóstica, pois não considero que haja inteligência fora do corpo material dos seres vivos (sou portanto “materialista”).

Porém, imagino que as breves explorações que faço da física quântica possam ser de interesse para aqueles que queiram conhecer um pouco mais dessa fascinante teoria, quaisquer que sejam suas posições filosóficas.

É possível dialogar com visões antagônicas às nossas, assimilar parte das ideias expostas, e traduzir outra parte para nossa concepção pessoal.

Para reiniciarmos nossas viagens pelo mundo quântico, gostaria de examinar a seguinte questão: qual é a diferença essencial entre física clássica e quântica?

Ondas de Matéria

Para responder a essa questão, podemos considerar a Física Clássica das Ondas e sua extensão para toda a matéria.

Ou seja, o ponto de partida da física quântica pode ser tomado como a tese de que tanto a matéria quanto a radiação (luz, etc.) são regidas por uma equação de onda, como a chamada equação de Schrödinger.

Para uma única partícula, a onda associada se propaga nas três dimensões espaciais (que são largura, altura e profundidade).

A concepção das ondas materiais, proposta por Louis de Broglie em 1924, é uma profunda ruptura com a física clássica, mas por si só não constitui uma teoria quântica, já que existem muitos sistemas clássicos que se comportam como onda (como as ondas do mar, o som, a luz).

Implícito nesta tese de que a matéria é ondulatória está o “princípio de superposição”: dados dois estados permitidos de um sistema, uma soma destes estados é sempre um estado permitido.

Este princípio não vale em algumas situações (onde se aplicariam regras chamadas de “superseleção”).

Há também teóricos que especulam que o princípio de superposição pode não valer de maneira exata, mas apenas como uma aproximação.

Partindo então desse primeiro ponto, de que tanto a matéria quanto a radiação devem ser descritas como ondas, proponho que apenas três aspectos adicionais precisam ser impostos para obtermos a física quântica (deixando de lado a teoria da relatividade, que introduz outras complicações, como a existência de antimatéria).

Quantização na Medição

O segundo aspecto essencial da teoria quântica pode ser chamado “quantização na medição”. Vimos na primeira lição de física quântica (texto 4) que quando uma frente de onda incide em uma tela detectora, o que aparecem são pontos, que surgem um a um.

Esta é uma propriedade essencialmente quântica, totalmente inesperada para a física clássica de ondas, e descoberta (indiretamente) por Max Planck em 1900.

Vimos que há uma classe de interpretações da teoria quântica que defendem que o que está ocorrendo neste caso é um repentino “colapso” da onda (ver texto 5), ocasionado pela medição (que sempre envolve um aparelho macroscópico).

Outra interpretação, a da complementaridade, desenvolvida por Niels Bohr, trabalha com o conceito de “dualidade onda-partícula” (ver texto 10).

São diferentes maneiras de conciliar os aspectos ondulatório e corpuscular da matéria e da radiação, diferentes tentativas de explicar a aparência pontual das medições de posição, ou o fato de que medições de energia não podem ocorrer abaixo de uma certa quantidade mínima.

Pode-se considerar também que as ondas de matéria são “ondas de probabilidade”, e que a probabilidade de ocorrer uma medição em uma certa posição é dada pelo quadrado da amplitude da onda naquela posição.

É preciso também estipular qual é o estado da onda após a ocorrência do colapso (usualmente descrito por um “postulado da projeção”).

Há quem considere o Princípio de Incerteza como um aspecto essencial da teoria quântica.

No entanto, uma versão deste princípio ocorre na física clássica de ondas, e a novidade do caso quântico surge justamente ao se aplicar a “quantização nas medições” para o caso em que dois observáveis incompatíveis podem ser medidos.

O mesmo comentário vale para outro efeito bastante curioso da física quântica, o chamado “efeito túnel”, que ainda não tivemos oportunidade de explorar.

Não Localidade Quântica

No caso em que duas partículas interagem e se separam espacialmente, vimos (nos textos Teorema de Bell para crianças e Astrobigobaldo quer informação instantânea que podem ocorrer correlações entre medições simultâneas.

Correlações essas que não podem ser explicadas por “teorias realistas locais” (este é o famoso resultado obtido por John Stuart Bell).

Essa situação tem sido chamada de “não localidade quântica”, apesar de os aspectos filosóficos do efeito serem ainda mal compreendidos.

Outro termo que pode ser usado é “sincronicidade quântica”, já que não se trata de um efeito causal controlável, obtido a partir da medição em uma das partículas, gerando um efeito na outra.

A não localidade quântica só pode ser tratada a partir dos princípios 1 e 2 (definidos acima) se as ondas materiais a serem consideradas forem descritas em um espaço de configuração de 6 dimensões (no caso de duas partículas interagentes).

Em outras palavras, a onda que descreve o sistema de duas partículas precisa ser definida em 6 dimensões, e não nas 3 dimensões espaciais usuais!

É a não localidade quântica que é responsável pelo ganho de eficiência da computação quântica sobre a computação clássica.

Estatísticas Quânticas

Há um quarto aspecto dos sistemas quânticos, não contemplados pelos três princípios anteriores, que está relacionado com o valor do “spin” de uma partícula (ver texto 6).

Partículas de spin inteiro (0,1, 2) são chamados “bósons”, e de spin semi-inteiro (1/2, 3/2, etc.) são chamados “férmions”.

Tais partículas têm comportamento diferente quando um grande número delas estão próximas.

Em termos quânticos, diz-se que inúmeros bósons podem ocupar o mesmo estado, ao passo que dois férmions nunca ocupam o mesmo estado (este é o princípio de exclusão de Pauli).

Em termos clássicos (como na teoria de David Bohm, isso equivaleria a dizer que férmions se repelem, ao passo que bósons se atraem, mas em termos modernos não se atribui uma força de interação para esse comportamento.

Fala-se que seu “comportamento estatístico” é diferente do caso clássico, é diferente entre si.

Partículas materiais, como prótons, nêutrons e elétrons, são férmions, ao passo que carregadores de interação, como um fóton de luz, são bósons. Um par de férmions pode adquirir comportamento de bóson.

Em um sistema fechado, o número de férmions se conserva, ao passo que um sistema de bósons não tem um número bem definido de partículas.

Exemplos de sistemas que apresentam comportamento estatístico dos bósons são a luz laser e gases ultrafrios, que formam os chamados “condensados de Bose-Einstein”.

Um exemplo de sistema com comportamento estatístico dos férmions é o fluido de elétrons que carrega corrente elétrica em um fio metálico. 

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