Aplicações da mecânica quântica
Várias das mais modernas tecnologias operam em uma escala onde os efeitos da mecânica quântica são significativos. A mecânica quântica pode ser citada no laser, transistor, microscópio eletrônico, supercondutividade e até mesmo em imagens de ressonância magnética.
Quando estudamos fenômenos em escalas microscópicas como a radicação do corpo negro e a natureza das órbitas estáveis do elétron, nos deparamos com descrições plausíveis fornecidas pela mecânica quântica. Mas, alguns efeitos específicos da mecânica quântica são perceptíveis em escalas maiores como os fenômenos da supercondutividade já citada acima.
No termo mecânica quântica, a palavra quântica (do Latim, Quantum) se refere a uma porção discreta atribuída a certas quantidades físicas, como a energia de um fóton de luz ou pacotes de energia chamados quanta.
Entendendo a mecânica quântica
Para iniciar os estudos da mecânica quântica devemos antes perceber alguns problemas na física clássica, como este texto não tem nenhuma pretensão de se aprofundar nos estudos da mecânica quântica vou apenas citar um e falar um pouco mais sobre:
Efeito fotoelétrico: Descoberto por Hertz em 1897 e explicado por Einstein através da hipótese de que a luz é constituída de uma coleção de partículas (quanta), as quais possuem uma energia hv, onde ν é a frequência da luz e h é a constante de Planck.
Este efeito sugere que a radiação eletromagnética comporta-se com uma partícula quando interage com outros sistemas, assim exibindo uma dualidade. A radiação tem comportamento corpuscular nas suas interações, enquanto que na propagação o comportamento é ondulatório.
Estes problemas na física clássica nos levam a algumas relações de incerteza, por exemplo, na propagação ondulatória das partículas não podemos medir simultaneamente a posição e o momento de uma partícula com precisões arbitrárias. O que é contrário a mecânica clássica, onde o estado de uma partícula é especificado através da sua posição e da sua velocidade em relação a um dado referencial inercial.
Na mecânica quântica, o estado de um sistema é definido pelo conjunto de todas as informações que podem ser extraídas desse sistema ao se efetuar alguma medida. Portanto, dados dois estados quaisquer, a soma algébrica, ou superposição linear desses estados representa também um estado. Esta concepção é denominada de Princípio da Superposição.
Esta concepção é muito diferente do que estamos acostumados a observar e estudar na mecânica clássica e sua matemática. O físico austríaco Erwin Schrödinger em 1935 propôs um experimento mental para ilustrar o conceito de superposição de estados e colapso da função de onda e mostrar o quanto este conceito é diferente de tudo que chamamos de comum.
O experimento mental consiste em imaginar um gato aprisionado dentro de uma caixa que contém um perigoso dispositivo. Esse dispositivo constitui-se de uma ampola de vidro contendo veneno e um martelo suspenso sobre essa ampola de forma que, ao cair, essa se rompe, liberando o veneno com o qual o gato morrerá. O martelo está conectado a um mecanismo detector de partículas alfa, se uma partícula chega a este sensor ele é ativado, o martelo é liberado e o gato morre. Se nenhuma partícula chegar o gato continuará vivo. Um átomo radioativo que tem 50% de probabilidade de emitir uma partícula alga é colocado ao lado do dispositivo.
De acordo com o conceito de superposição de estados podemos descrever o sistema como sendo a superposição dos seus auto-estados, ou seja, como se o gato estivesse vivo e morto. Porém, quando há uma intervenção externa, através de uma medida, por exemplo, abrindo a caixa, o sistema colapsa e se reduz a um dos auto-estados, e o gato estará vivo ou morto.
Tirinha sobre mecânica quântica
Ilustramos este famoso experimento na tirinha Vestibulário, veja o gato de Schrödinger.
Este texto foi apenas para introduzir algumas ideias sobre mecânica quântica e pode ser utilizado nos anos finais do ensino fundamental e no ensino médio.