O que é física quântica?
Você sabia que existe uma pequena probabilidade de que da próxima vez que você pisar em uma parede, você passe por ela? Ou que a luz é uma onda e uma partícula? Ou que um gato pode estar vivo e morto ao mesmo tempo?
Não? Bem, essas são apenas algumas das conclusões estranhas e maravilhosas que as pessoas tiraram do estudo da mecânica quântica. A física quântica é estranha. Simplesmente não há como negar. Mas o que exatamente é física quântica?
A física quântica , mais comumente conhecida como mecânica quântica, é um conjunto de trabalhos da física que parece explicar o universo em escalas minúsculas. As leis da física que funcionam em escalas humanas simplesmente não se aplicam quando as coisas são extremamente pequenas.
A mecânica quântica explica muito
A mecânica quântica pode ser estranha, mas explica muito sobre o universo. Isso explica por que a luz parece agir como uma partícula em algumas circunstâncias e como uma onda em outras. Ou por que partículas como elétrons também podem agir como ondas. Explica as propriedades dos elementos da tabela periódica e como funcionam as ligações químicas.
Na verdade, se você tem uma televisão de tela plana, provavelmente não percebe que ela foi inventada usando princípios da mecânica quântica. Algumas partes de computadores e sensores em câmeras digitais também são resultado da mecânica quântica. Por mais difícil que seja entender, a mecânica quântica funciona.
Idéias e teorias chave
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Na mecânica quântica, uma partícula não tem uma posição exata, mas pode ser considerada em vários lugares ao mesmo tempo. Em vez de ter coisas como posição, massa e velocidade para descrever uma partícula, você tem uma série de funções de onda. Uma função de onda é uma equação que descreve a probabilidade de uma quantidade ter um certo valor. Então, por exemplo, pode dizer a você a probabilidade de a partícula estar no ponto A vs. ponto B.
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Quando realmente medimos a posição de uma partícula, essa função de onda «colapsa» em uma função mais simples que representa a posição específica que medimos. Antes de medi-la, considerava-se que a partícula estava em todos os locais possíveis ao mesmo tempo. Depois de medi-lo, ele agora tem uma posição específica. Mas ao medir sua posição, nós o afetamos – nós o forçamos a ter uma posição específica. O ato de medição afeta o resultado. É como se tivéssemos mudado sua natureza de onda, ou função de onda, para partícula. Esta é a fonte da dualidade onda-partícula , a ideia de que coisas como a luz podem agir como ondas em algumas circunstâncias ou partículas em outras.
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Isso leva diretamente a algo chamado Princípio da Incerteza de Heisenberg . Isso nos diz que, se você conhece uma coisa sobre uma partícula com muita precisão, só pode saber outra quantidade com quase nenhuma precisão. Por exemplo, se você sabe onde sua partícula está dentro de uma pequena margem de erro, você não terá ideia de quão rápido ela está se movendo.
Conseqüências estranhas
O Princípio da Incerteza de Heisenberg explica muito, e a matemática por trás dele nos permite fazer coisas que nunca poderíamos fazer antes, como construir televisores de tela plana e pequenos computadores. Mas tem algumas implicações estranhas, tanto técnicas quanto filosóficas.
Um exemplo clássico é o gato de Schrõdinger . Se você aplicasse os princípios da mecânica quântica a um objeto maior, como um gato, não funcionaria realmente. Digamos que você coloque um gato em uma caixa, com um frasco de vidro contendo um veneno que o mataria. Dentro da caixa, o gato pode ter derrubado o frasco e estar morto, ou o gato pode estar bem. A única maneira de saber é abrir a caixa e ver.
Mas, com base na mecânica quântica, até você abrir a caixa, o gato seria feito de uma função de onda contendo ambos os resultados. Essencialmente, o gato estaria vivo e morto, ao mesmo tempo. Este cenário foi projetado por Schrõdinger para mostrar como a mecânica quântica não se encaixa no mundo em grande escala, e precisamos de alguma forma de preencher a lacuna entre o minúsculo e o grande.
Já se perguntou como seria ser um fantasma? Como as partículas têm distribuições de probabilidade e podem estar localizadas em qualquer lugar, mesmo que apenas com uma pequena probabilidade, também se segue que você pode atravessar uma parede! Suas partículas têm uma pequena probabilidade de estar do outro lado da parede, então isso pode acontecer. Infelizmente, a probabilidade de isso acontecer é muito baixa. Você teria que esperar em média várias vezes a idade do universo para que ocorresse.
Resumo da lição
A física quântica , também conhecida como mecânica quântica, abrange as leis físicas que explicam o comportamento do universo nas escalas mais ínfimas. Nessas escalas, as coisas funcionam de maneira muito diferente. Algo pode ser tanto uma partícula quanto uma onda, chamada dualidade onda-partícula, e as partículas são descritas por probabilidades – a posição, velocidade e massa de uma partícula não são certas ou constantes. Quando você mede a posição de uma partícula com precisão, você fica cada vez menos certo sobre sua velocidade, chamada de Princípio da Incerteza de Heisenberg .
Quando você aplica esses princípios em uma escala maior, eles não parecem fazer sentido – um gato lacrado em uma caixa pode estar morto e vivo ao mesmo tempo, e você tem a habilidade de atravessar paredes. Filosoficamente, as pessoas se preocupam com a possibilidade de estar faltando algo que fará a ponte entre o pequeno e o grande.
A mecânica quântica pode ser estranha, mas explica muito sobre o universo e é boa em fazer previsões precisas. Nós o usamos para desenvolver todos os tipos de tecnologias, incluindo computadores, televisores de tela plana e sensores em câmeras digitais.
Termos chave
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Física quântica: também conhecida como mecânica quântica; um corpo de trabalho em física que parece explicar o universo em uma escala minúscula
Função de onda: uma equação que descreve a probabilidade de uma quantidade ter um certo valor
Dualidade onda-partícula: a ideia de que coisas como a luz podem agir como ondas em algumas circunstâncias ou como partículas em outras
Princípio da incerteza de Heisenberg: afirma que se uma coisa é conhecida sobre uma partícula com muita precisão, você só pode saber outra quantidade com quase nenhuma precisão
O gato de Schrõdinger: um exemplo que explica por que os princípios da mecânica quântica não funcionam quando aplicados a um objeto maior, como um gato.
Resultados de Aprendizagem
Depois de estudar e refletir sobre a lição, teste sua capacidade de:
- Definir e discutir a física quântica
- Apresentar teorias e ideias relacionadas