Física Quântica

As pessoas que moram nessa terra nunca pararam para pensar que elas são absorventes elétricos bio-magnéticos e emitentes de energia que não são registradas pelos seus cinco sentidos físicos. O planeta, por sua vez, é uma armadura de desenho esférico, com um extrato de campo auto-energisado contornando-a e permeando-a...
- Fonte desconhecida

"A habilidade de pensar ou perceber diferentemente é mais importante que o conhecimento adquirido"
- David Bohm

O gato de Schrödinger

Zeno's Arrow

Grãos de sal

A mecânica quântica estuda e observa o comportamento das partículas fundamentais, as quais não podem ser explicadas através da física clássica de Newton. Junto com a teoria da relatividade, a mecânica quântica possui extrema importância no entendimento do universo. Toda matéria é composta de átomos. No entanto, é postulado que existe partículas ainda menores (sub-atômicas) as quais formam os átomos. Observações do comportamento desses átomos revelam um número de fenômenos estranhos. Por exemplo, observações da massa de certas partículas indicam perfeitos inteiros de 1, 2 e 3. Em termos de física clássica, isto poderia ser inconcebível; se fossemos medir a massa de algumas gotas de chuva, essas teriam valores estranhos, tais como 1.5 g or 2.14 g. Se tais gotas de chuva fossem reduzidas de tamanho em 10 ou 100 bilhões de vezes e sua massa fosse em inteiros, então o menor valor entre eles seria o "quantum".

No caso de mecânica quântica, sendo a massa de uma partícula fundamental 1, 2 ou 3 somente pode ser determinada pela probabilidade. Além disso, sua existência depende da observação. Eletrons movem-se ao redor do núcleo de um átomo e quando observamos um eletron acontecem dois fatores: locação e quantidade de movimento. Quando focalizamos a posição, a quantidade de movimento não é determinada, e vice-versa - quando focalizamos a velocidade a posição não é determinada. Em outras palavras, posição e velocidade não podem ser medidas simultaneamente. Medições nessa área de incerteza foi expressada em termos de teorema pelo alemão Werner Heisenberg, levando ao desenvolvimento da teoria da mecânica quântica.

Com o aparecimento da teoria do "big bang", a mecânica quântica ocupou um lugar de destaque para o entendimento do universo. Quando nos movemos atrás no tempo para examinar o início do universo, inevitavelmente nos deparamos com o mistério da formação e comportamento da matéria ao nível das partículas fundamentais. Isto implica questões como de onde vieram as energias para os eletrons, fotons e quarks, e o que ocorreu sob condições de infinita temperatura e densidade. Assim, o estudo da mecânica quântica é o mesmo que explorar os limites do universo. (veja também "A Teoria das Supercordas")

http://www.netlabs.net/hp/tremor/qmath.html

[...] O ponto principal do "Princípio da Incerteza" de Heisenberg era esse: você não pode observar a posição de um elétron exceto fazendo alguma coisa rebater nele - luz, por exemplo. Em outras palavras, você tem que introduzir uma forma de radiação, a qual tem sua própria energia, e essa energia vai perturbar o caminho do elétron em maior ou menor grau.

De fato, quanto mais precisamente você desejar localizar o elétron, mais terá que perturbar sua velocidade (e, portanto, sua quantidade de movimento), porque você tem que adicionar mais energia. Por outro lado, se você quer medir a quantidade de movimento do elétron (expressa através de sua velocidade), você tem que minimizar a interferência da radiação. Mas fazendo isso, você torna impossível localizar precisamente a posição do elétron.

Resumindo, radiação de alta energia dará a você dados mais precisos sobre a posição do elétron em um dado momento, enquanto que destrói a evidência de sua velocidade inicial. Radiação de baixa energia dará a você dados mais precisos sobre a rapidez com que ele se move em um dado tempo, enquanto que encobre os dados sobre sua localização. E o que é ainda mais estranho, o próprio ato de observar a posição de um elétron vai fazer com que ele "se comporte" mais como uma partícula, enquanto que o ato de medir sua energia fará com que ele "se comporte" mais como uma onda.

Heisenberg veio então com uma pequena e interessante fórmula para expressar esses fatos frustrantes, dizendo basicamente que, se você multiplicar a incerteza da posição pela incerteza da quantidade de movimento, o produto não poderá ser menor que um certo número positivo chamado de "constante de Planck". Isto é, a incerteza nunca pode ser reduzida a zero, e quanto melhor você medir uma quantidade mais incerta será a outra.

Não é que o nosso conhecimento sobre as partículas atômicas seja incerto porque nossas técnicas de medição ainda não são suficientemente boas. O ponto é que técnica alguma jamais poderá superar a incerteza fundamental do comportamento de grandezas quânticas. O elétrons podem, de fato, comportar-se como pontos precisos de velocidade precisa, mas isso nunca poderemos saber. É igualmente provável que não o façam e, portanto, afirmações sobre ambos os efeitos são inúteis e sem sentido.

Em termos práticos, o que o princípio da incerteza sugere é que você não pode tratar partículas quânticas como se fossem iguais aos objetos de nossa vida diária -- objetos que podemos apontar e dizer: "Este objeto está aqui, agora, e é para lá que ele está indo". Os aspectos essenciais de uma partícula (posição, velocidade, quantidade de movimento, energia) nunca podem ser imediatamente observados com precisão -- o próprio ato da observação, inevitável e irremediavelmente, distorce pelo menos uma dessas características. Na melhor das hipóteses, podemos fazer medições e predições prováveis ou estatísticas.

http://www.geocities.com/Athens/4539/incerteza.htm

O gato de Schrödinger

No mundo da mecânica quântica, as leis de física que são familiares para o dia-a-dia do mundo não funcionam. Ao contrário, eventos são governados por probabilidades.
Um átomo radioativo, por exemplo, pode decair, emitindo um eletron, ou não pode. É possível realizar uma experiência de forma que haja uma precisa chance de cinquenta-cinquenta de que um dos átomos, num amontoado de material radioativo, decaia em um certo tempo e que o detetor registre o decay se ele acontecer. Schrödinger, (as upset as Einstein about the implications of quantum theory), tentou mostrar a absurdidade de tais implicações imaginando um experimento realizado numa sala fechada, ou numa caixa, a qual conteria um gato vivo e uma porção de veneno, arranjado de tal forma que se o decay radioativo ocorresse então a cápsula de veneno quebraria e o gato morria. No mundo real do dia-a-dia, há uma chance de cinquenta-cinquenta de que o gato será morto, e sem olhar dentro da caixa podemos dizer, rápidamente, que o gato está ou morto ou vivo. Mas agora encontramos a estranheza do mundo quântico. De acordo com a teoria, nenhuma das duas possibilidades abrem para o material radioativo, e portanto para o gato, não existe nenhuma realidade a não ser aquela que é observada. O decay atômico não tem nem acontecido nem não acontecido, o gato nem está nem morto nem vivo, até que olhemos dentro da caixa. Teoristas que aceitam a pura versão da mecânica quântica dizem que o gato existe em algum estado indeterminado, nem morto nem vivo, até que um observador olhe dentro da caixa para ver como as coisas estão. Nada é real a menos que seja observado.

Gribbin, pp. 2-3

Uma interessante explicação do "Princípio da Incerteza" de Heisenberg pode ser encontrada em http://www.geocities.com/Athens/4539/incerteza.htm

Zeno's Arrow

Zeno comparou o vôo de uma flecha como um exemplo de movimento. A qualquer momento no tempo, a flecha ou está onde está ou está onde não está. Se ela se move onde está, então ela deve estar ainda voando, e se ela se move onde não está, então ela não pode estar lá e dessa forma não pode mover-se.

O Zeno's Arrow Paradox é semelhante ao Princípio da Incerteza de Heisenberg o qual discute que, a nível subatômico, o único meio de se medir um sistema é interferindo com tal sistema. Isto é, para observar uma partícula, deve-se influir no salto de uma outra partícula o qual afeta o movimento da partícula observada (one must bounce another particle off of it which affects the motion of the measured particle). O Princípio da Incerteza de Heisenberg diz que se se quer medir a quantidade, ou seja, a posição de um eletron, a velocidade de tal eletron deve inevitavelmente ser afetada. Nunca poderemos estar certos acerca dessa velocidade. Assim, todo ato de observação muda o sistema. Podemos estar certos acerca da velocidade ou da posição mas nunca de ambos. Ou a flecha está onde está ou ela está onde não está.

Grãos de sal

Sal comum, também conhecido como cloreto de sódio (NaCl), é um bem conhecido cristal iônico. Além disso é um ótimo insulador; todavia podemos adquirir imagens de NaCl em filmes ultra sensíveis desenvolvidos em um metal. Os diminutos cristais de NaCl observados frequentemente possuem desenhos retangulares, similares aos grandes cristais de cozinha. Mas precisaríamos de uns poucos bilhões de bilhões desses cristais mostrados ao lado para uma tigela de sopa!

O que se vê aqui é apenas um cristal de NaCl, o suporte de alumínio é mostrado em preto. A distância entre os átomos vistos nessa ilha de NaCl é de 0.4 nanômetros. Isso significa que só vemos um tipo de átomo, Na ou Cl, em comparação com a bem conhecida estrutura de NaCl (mostrada acima à direita). Baseada nas imagens do STM (Scanning Tunneling Microscopy), nós não podemos decidir que tipo de átomo observaremos. Cálculos mostram que o clorine aparece brilhante (como uma protusão) nas imagens STM, porque ele "borra" os eletrons do suporte de alumínio.

Uma folha de papel

[...] Peguem uma folha de papel. Façam-lhes dois buracos pouco distanciados. Aos olhos do senso comum, é evidente que um objeto suficientemente pequeno para passar através desses buracos passará quer por um, quer por outro. Aos olhos do senso comum, um elétron é um objeto. Possui um peso definido, produz um clarão luminoso quando impressiona um écran de televisão, um choque quando atinge um microfone. Temos portanto o nosso objeto suficientemente pequeno para passar por um desses dois buracos. Ora, a observação pelo microscópio eletrônico mostrar-nos-á que o elétron passou simultaneamente pelos dois buracos! Como? Se passou por um, não pode ter passado ao mesmo tempo pelo outro. É absurdo mas é experimental. [...] Parecerá absurdo o que dizemos? O elétron parece obedecer a leis, e a televisão, por exemplo, é uma realidade. O elétron existe ou não? Aquilo que a natureza chama existir não tem existência aos nossos olhos. O elétron faz parte do ser ou do nada? [...]

[...] Em que ponto estamos ainda? Em matéria de pesquisa sobre as estruturas do espaço e do tempo, as nossas noções de passado e de futuro já não servem. Ao nível de partícula, o tempo circula simultaneamente nos dois sentidos: futuro e passado. A uma velocidade extrema, limite da velocidade da luz, o que é o tempo? Estamos em Londres, outubro de 1944. Um foguete V2, voando a 5.000 Km/h está sobre a cidade. Ele vai cair. Mas esse vai se aplica a que? Para os habitantes do prédio que será destrído dentro de instantes, e que possuem apenas olhos e ouvidos, o V2 vai cair. Mas para o operador de radar, que se serve de ondas que se propulsionam a 300.000 Km/s (velocidade a qual o foguete é uma lesma), a trajetória da bomba já está fixada. Ele observa: mas não pode fazer nada. Na escala humana, já nada pode interceptar o instrumento de morte, nem evitar seja o que for. Para o operador o foguete já caiu. À velocidade do radar, praticamente o tempo não corre. Os habitantes do prédio vão morrer. No super-olho do radar já estão mortos.[...]

[...] Encontram-se nos raios cósmicos, quando estes atingem a superfície da terra, algumas partículas, os mésons mu, cuja vida sobre o globo não ultrapassa um milionésimo de segundo. Ao fim desse milionésimo de segundo destroem-se a si próprios por meio da radioatividade. Ora, essas partículas nasceram a 30km no céu, região onde a atmosfera do nosso planeta começa a ficar densa. Para transpor esses 30km, elas já ultrapassaram o seu tempo de vida, considerado segundo a nossa escala. Mas o seu tempo não é o nosso. Elas viveram essa viagem na eternidade e apenas entraram no tempo depois de perdida a sua energia, ao chegar ao nível do mar.[...]

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