Descrição da imagem: No mundo do infinitamente pequeno, os orbitais do elétron podem assumir diferentes formas características dependendo da natureza do átomo. 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" (≈ 10-10) embora o tamanho de um átomo não tenha uma medida precisa porque a forma desta região do espaço atômico depende da energia do elétron e do seu momento angular. Crédito da imagem: vulgarisation.fr
"Acho que posso afirmar com segurança que ninguém entende realmente a mecânica quântica." Richard Feynman (1918-1988), teórico da física quântica.
As implicações da mecânica quântica são tão complexas e incomuns que grande parte da comunidade científica decidiu evitá-las. No entanto, os físicos concordam sobre como realizar os cálculos para explicar os fenômenos quânticos, mas não há consenso sobre uma única maneira de explicá-los. Isso deixa espaço para todos os tipos de popularizações, que devem ser abordadas com cautela. Muitos artigos ou vídeos nos dizem que tudo é quântico.
O termo quântico é frequentemente usado indiscriminadamente em muitas áreas da vida cotidiana (física nuclear, química, física do estado sólido, óptica, cosmologia, eletrônica, medicina, biologia, etc.). Esta estranheza quântica da matéria e da luz se espalhou por todo o nosso mundo clássico.
Na escala das partículas, o átomo é quântico, o fóton é quântico e, por extrapolação, todo o universo (matéria e energia) é quântico. Assim, é fácil generalizar o termo quântico para tudo o que existe. Mas embora a física quântica tenha repercussões na escala macroscópica, ela diz respeito principalmente ao mundo do infinitamente pequeno, o das partículas, átomos, moléculas de algumas dezenas de átomos. É apenas nesta escala atômica e subatômica que os conceitos quânticos da matéria aparecem. Entre esses conceitos, que não serão explicados aqui, estão a dualidade onda-partícula, a superposição de estados, o entrelaçamento quântico e a não-localidade. Graças a esses conceitos, a física quântica descreve com grande precisão a estrutura da matéria e suas propriedades físicas (massa, raio, natureza da ligação química, estabilidade, nível de energia, etc.).
- O átomo, quando isolado, é uma onda da ordem do nanômetro.
- Um átomo de ferro isolado no vácuo ocupa uma infinidade de posições diferentes ao mesmo tempo.
- Dois fótons, quando produzidos juntos, permanecem entrelaçados independentemente da distância que os separa depois.
Esses estados da matéria são contra-intuitivos porque não os observamos em nosso mundo composto de bilhões e bilhões de partículas. Na escala microscópica, um objeto quântico isolado se comporta mais como uma onda que ocupa todo o espaço, tornando impossível localizá-lo com precisão. Isso significa que, quando uma interação atua sobre ele, encontra um objeto difuso, mais desfocado, não uma partícula que possui um certo volume localizado em um lugar específico. A teoria da decoerência, amplamente aceita, nos diz que, uma vez que 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 passará para outra escala. Durante suas andanças, encontrará outros objetos do ambiente (matéria e luz) e interagirá com eles.
A complexidade dessas interações é tal que ele terá que tomar uma posição 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. Esse desfasamento eventualmente se anula 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 "colapso da função de onda."
Todos os experimentos em física quântica são realizados sob condições extremas, em ultravácuo ou a temperaturas muito baixas (próximas do zero absoluto) ou ambos. Às vezes, mesmo sob pressões muito altas, centenas de vezes a do nosso ambiente.
Em todos os casos, nossa partícula nunca deve encontrar outras partículas até que seja medida. Mesmo a supercondutividade (ausência de resistência elétrica) ou a superfluidez (ausência de qualquer viscosidade) que ocorrem em objetos macroscópicos não podem se manifestar à temperatura ambiente. Elas são observadas quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. Por exemplo, quando o hélio líquido é levado a menos de dois graus acima do zero absoluto, as partículas voltam a ser ondas e se unem 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 acima do zero absoluto passa através dos nano buracos da parede de vidro (a onda não tem mais nenhuma viscosidade). Uma vez fora do vidro, a onda interage com a matéria (ar) e desaparece para se manifestar como partículas, com gotas de hélio se condensando sob o vidro.
Sem essas condições extremas, em nossa vida cotidiana, os efeitos quânticos não existem, nosso ambiente é muito rico, muito caótico, muito agitado, muito desordenado. No entanto, os efeitos quânticos não estão presentes ou ausentes de uma só vez. Não passamos de um ambiente rico onde não há efeitos quânticos para um ambiente muito pobre em informações onde os efeitos quânticos aparecem. A função de onda φ(r,t) ou a densidade de probabilidade de presença não se anula instantaneamente, mas se atenua lentamente antes de desaparecer no mundo clássico. Todos os objetos quânticos são caracterizados por essa função de onda (psi). Ela descreve a probabilidade de uma partícula estar localizada em um ponto no espaço. Apenas durante a medição, a partícula se reduzirá (interagirá com seu ambiente) a um local provável, mas precisamente imprevisível.
O objeto quântico sempre tem um tempo de decoerência para aparecer no estado clássico, ele é pequeno, mas não nulo; isso nos permite medi-lo.
O objeto quântico é muito frágil; sua fragilidade se deve à qualidade do ultravácuo ou do ultrafrio. Os conceitos da física quântica nessas condições extremas são bem compreendidos. Por um século, nenhum experimento invalidou suas equações.
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