Imagem: Ordens de grandeza atômicas.
No mundo do infinitamente pequeno, os orbitais do elétron podem assumir diferentes formas características dependendo da natureza do átomo. Por exemplo, os orbitais do hidrogênio têm uma forma esférica, os orbitais do oxigênio têm a forma de duas gotas de água, os orbitais do ferro têm a forma de quatro gotas de água. Esta forma do orbital atômico define o tamanho do átomo.
Os tamanhos característicos dos átomos ou as distâncias entre os núcleos nas moléculas são da ordem de angstroms (um décimo de milionésimo de milímetro) de acordo com a experiência. Podemos dizer que os átomos estão separados uns dos outros por alguns angstroms.
Entretanto, a nuvem eletrônica de um átomo não possui uma dimensão bem definida por ser uma superposição de orbitais atômicos de natureza probabilística. Não há, portanto, uma medida muito precisa do tamanho dos átomos porque a forma dessa região do espaço atômico depende da energia do elétron e de seu momento angular. As energias características dos átomos são da ordem de um elétron-volt.
Os tamanhos e as energias dos átomos ou moléculas são obviamente muito pequenos para serem diretamente observáveis em nossa escala. Mas seus efeitos podem ser amplificados e tornados visíveis graças ao colossal número de átomos que compõem o mundo em nossa escala.
1 mol de hidrogênio (1H) pesa 1 g.
1 mol de ferro (56Fe) pesa 56 g.
Esta quantidade de matéria é composta por 6,02 x 1023 entidades elementares.
Crédito da imagem: vulgarisation.fr
Estranheza quântica
“Acho que é seguro dizer que ninguém realmente entende a física quântica”. Richard Feynman (1918-1988), teórico da física quântica.
De fato, a física quântica é misteriosa, mas um século depois de sua formulação, graças a ela, os cientistas entendem completamente os fenômenos que nos cercam. No entanto, as implicações da física quântica são tão complexas e incomuns que grande parte da comunidade científica decidiu evitá-las. Os físicos concordam em como realizar cálculos para explicar os fenômenos quânticos, mas não há consenso sobre uma única maneira de explicá-los. Isso deixa o campo aberto para todas as popularizações das quais devemos ser cautelosos. Muitos artigos ou vídeos nos explicam que tudo é quântico.
O termo quântico é freqüentemente usado indiscriminadamente em muitas áreas da vida cotidiana (física nuclear, química, física do estado sólido, óptica, cosmologia, eletrônica, medicina, biologia, etc.). Essa estranheza quântica de matéria e luz se espalhou por todo o nosso mundo clássico.
Efetivamente na escala de partícula, o átomo é quântico, o fóton é quântico e, portanto, por extrapolação, todo o universo (matéria e energia) é quântico. Assim, é fácil generalizar o termo quantum para tudo o que existe.
Mas, embora a física quântica tenha repercussões em escala macroscópica, ela diz respeito principalmente ao mundo do infinitamente pequeno, o das partículas, dos átomos, das moléculas de algumas dezenas de átomos.
É somente nessa escala atômica e subatômica que os conceitos quânticos da matéria aparecem. Entre esses conceitos que não serão explicados aqui, está a dualidade de onda de partícula, superposição de estado, emaranhamento quântico ou não-localidade. É graças a esses conceitos que a física quântica descreve com grande precisão a estrutura da matéria com suas propriedades físicas (massa, raio, natureza da ligação química, estabilidade, nível de energia, etc.).
É provável que o futuro seja quântico e que mais e mais fenômenos quânticos apareçam em nosso mundo clássico. Mas hoje, simplesmente esclarecerei em que condições essas propriedades puramente quânticas emergem da matéria e da luz.
Daí a questão subjacente: já que a matéria em nossa escala é composta de objetos quânticos, por que ela não obedece aos princípios de superposição, dualidade, emaranhamento?
Por exemplo:
- O átomo quando está isolado, é uma onda da ordem de um nanômetro.
- Um átomo de ferro isolado no vácuo sem luz ocupa uma infinidade de posições diferentes ao mesmo tempo.
- Dois fótons quando produzidos juntos permanecem emaranhados independentemente da distância entre eles.
Por que esses estados quânticos desaparecem em escala macroscópica?
Esses estados da matéria são contra-intuitivos porque não os observamos em nosso mundo de bilhões e bilhões e bilhões de partículas.
Na escala microscópica, um objeto quântico isolado se comporta mais como uma onda ocupando todo o espaço e é impossível localizá-lo com precisão. Isso significa que quando uma interação atua sobre ela, ela encontra um objeto difuso, bastante nebuloso e não um corpúsculo que teria um determinado volume localizado em um local muito preciso.
É a teoria da decoerência que é amplamente aceita. Ela nos diz que quando o objeto é muito grande ou interage com muita matéria do ambiente (ar, líquido, sólido, luz, etc.) ele deixa de ser quântico.
Ao interagir com o ambiente, o objeto quântico mudará para outra escala. Durante suas andanças ele encontrará outros objetos no ambiente (matéria e luz) e interagirá com eles.
A complexidade dessas interações é tanta que ela terá que se posicionar porque todos os seus estados quânticos rapidamente se tornam incoerentes, daí o nome da teoria da decoerência.
Matematicamente, essas interações destroem a fase quântica do objeto, ou seja, a manifestação da onda. Essa mudança de fase eventualmente se torna zero e o objeto aparecerá em nosso mundo macroscópico em um dos estados físicos do sistema, o mais provável.
Em outras palavras, qualquer colisão com os átomos do ambiente reduz o objeto quântico. Isso é chamado de "redução de pacotes de ondas".
Como um objeto quântico não pode ser extraído do ambiente terrestre, como sabemos que seus estados quânticos existem?
Todos os experimentos em física quântica são realizados em condições extremas, sob ultravácuo ou em temperaturas muito baixas (perto do zero absoluto) ou ambos. Às vezes, mesmo em pressões muito altas, centenas de vezes maiores que as do nosso ambiente.
De qualquer forma, nossa partícula nunca deve encontrar outras partículas até que seja medida.
Mesmo a supercondutividade (ausência de resistência elétrica) ou superfluidez (ausência de qualquer viscosidade) atuando em objetos macroscópicos não pode ocorrer à temperatura ambiente. Eles são observados quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. Por exemplo, quando o hélio líquido é levado a menos de dois graus do zero absoluto, os corpúsculos voltam a ser ondas e se juntam em uma única onda gigante, correspondente ao condensado de Bose-Einstein.
Enquanto persistirem as condições extremas de vácuo e temperatura, a onda resistirá à decoerência e persistirá. É por isso que o hélio líquido a dois graus do zero absoluto passa pelos nanofuros na parede do vidro (a onda não tem mais viscosidade). Uma vez fora do vidro, a onda interagirá com o material (ar) e desaparecerá para aparecer como corpúsculos, gotas de hélio se condensarão sob o vidro.
Sem suas condições extremas, em nossa vida cotidiana não existem efeitos quânticos, nosso ambiente é muito rico, muito caótico, muito agitado, muito desordenado.
No entanto, os efeitos quânticos não estão subitamente presentes ou ausentes. Não passamos de um ambiente muito rico onde não há efeitos quânticos para um ambiente muito pobre em informação onde aparecem efeitos quânticos. A função de onda φ(r,t) ou densidade de probabilidade de presença não desaparece instantaneamente, mas lentamente se atenua antes de desaparecer no mundo clássico. Todos os objetos quânticos são caracterizados por esta função de onda (psi). Descreve a probabilidade de uma partícula estar localizada em um lugar no espaço. É somente durante a medição que a partícula irá encolher (interagir com seus arredores) para um local provável, mas imprevisível com precisão.
O objeto quântico sempre tem um tempo de decoerência para aparecer no estado clássico, é pequeno mas não zero; é isso que nos permite medi-lo.
Em resumo, o objeto quântico é muito frágil; sua fragilidade se deve à qualidade do ultraalto vácuo ou ultrafrio. Os conceitos da física quântica nessas condições extremas são bem compreendidos e, por um século, nenhum experimento falhou em suas equações.