Introdução à mecânica quântica

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Este artigo pretende ser uma introdução geral e acessível ao conceito, para mais informações veja o artigo Mecânica quântica.
Mecânica quântica
Princípio da Incerteza
Introducão a...

Formulação matemática

Mecânica quântica (ou teoria quântica) é um ramo da física que lida com o comportamento da matéria e da energia na escala de átomos e partículas subatômicas. A mecânica quântica é fundamental ao nosso entendimento de todas as forças fundamentais da natureza, exceto a gravidade.

A mecânica quântica é a base de diversos ramos da física, incluindo eletromagnetismo, física de partículas, física da matéria condensada, e até mesmo partes da cosmologia. A mecânica quântica também é essencial para a teoria das ligações químicas (e portanto de toda química), biologia estrutural, e tecnologias como a eletrônica, tecnologia da informação, e nanotecnologia. Um século de experimentos e trabalho na física aplicada provou que a mecânica quântica está correta e tem utilidades práticas.

A mecânica quântica começou no início do século 20, com o trabalho pioneiro de Max Planck e Niels Bohr. Max Born criou o termo "mecânica quântica" em 1924. A comunidade de física logo aceitou a mecânica quântica devido a sua grande precisão nas previsões empíricas, especialmente em sistemas onde a mecânica clássica falha. Um grande sucesso da mecânica quântica em seu princípio foi a explicação da dualidade onda-partícula, ou seja, como em níveis subatômicos o que os humanos vieram a chamar de partículas subatômicas têm propriedades de ondas e o que era considerado onda tem propriedade corpuscular. A mecânica quântica também pode ser aplicada a uma gama muito maior de situações do que a relatividade geral, como por exemplo sistemas nos quais a escala é atômica ou menor, e aqueles que têm energias muito baixas ou muito altas ou sujeitos às menores temperaturas.

Um exemplo elegante

A luz não segue uma trajetória retlínea entre a fonte e a tela de detecção.
(Perceba as três franjas à direita.)

O personagem mais elegante do palco quântico é o experimento da dupla fenda. Ele demonstra a dualidade onda-partícula, e ressalta diversas características da mecânica quântica. Fótons emitidos de alguma fonte como um laser se comportarão diferentemente dependendo da quantidade de fendas que estão em seu caminho. Quando apenas uma fenda está presente, a luz observada na tela aparecerá como um padrão de difração estreito.

Entretanto, as coisas começam a ficar estranhas se duas fendas forem introduzidas no experimento. Com duas fendas presentes, o que chegará em uma tela de detecção remota será uma superposição quântica de duas ondas. Como a ilustração mostra, uma onda da fenda do topo e outra da de baixo terão sobreposição na tela de detecção, e então elas são superpostas. O mesmo experimento básico pode ser feito atirando um elétron em uma fenda dupla. A natureza ondulatória da luz faz com que as ondas luminosas passando por ambas fendas se interfiram, criando um padrão de interferência de faixas claras e escuras na tela. Porém, na tela, a luz é sempre absorvida em partículas discretas, chamadas fótons.

O que é ainda mais estranho é o que ocorre quando a fonte de luz é reduzida ao ponto de somente um fóton ser emitido por vez. A intuição normal diz que o fóton ira atravessar ou uma ou outra fenda como uma partícula, e atingir a tela como partícula. Entretanto, qualquer fóton solitário atravessa ambas fendas como onda, e cria um padrão de onda que interfere consigo mesmo. E ainda mais um nível de estranheza - o fóton é então detectado como partícula na tela.

Onde um fóton ou elétron aparecerá na tela de detecção dependerá das probabilidades calculadas ao se adicionar as amplitudes das duas ondas em cada ponto, e elevando essa soma ao quadrado. Conquanto, a localização de onde um fóton, ou um elétron, irá atingir a tela, dependerá de um processo completamente aleatório. O resultado final estará de acordo com as probabilidades que podem ser calculadas. Como a natureza consegue realizar essa proeza é um mistério.

Os fótons funcionam como se fossem ondas enquanto eles atravessam as fendas. Quando duas fendas estão presentes, a "função de onda" pertencente a cada fóton atravessa cada fenda. As funções de onda são superpostas ao longo de toda tela de detecção, ainda assim na tela, apenas uma partícula, um fóton, aparece e sua posição está de acordo com regras de probabilidade estritas. Então o que os homens interpretam como natureza ondulatória dos fótons e como natureza corpuscular dos fótons deve aparecer nos resultados finais.