A Física Quântica

Do que se trata o estudo da física quântica? É o estudo do comportamento de objetos que não se enquadram aos regimes newtonianos ou relativísticos, digo relativísticos, pois o que é estudado na quântica clássica não vale pra esses fenômenos. Para isso há a quântica relativística.

Para ilustrar o comportamento anormal dos objetos quânticos imagine que você tem uma arma que consegue disparar um fóton por vez. Você o dispara contra uma fenda e atrás dela há um anteparo. O que você observa após vários disparos pela fenda? Que forma-se um padrão, observado somente em experiências corpusculares, a projeção dos fótons sobre o anteparo terá a forma da fenda. Agora, se for colocada uma segunda fenda e os mesmos objetos quânticos forem disparados algo estranho acontece, a projeção dos objetos no anteparo possui um fenômeno de onda chamado de interferência. Até aí poderíamos deduzir que os fótons estariam passando hora por uma fenda e hora por outra, e que quando passassem estariam tombando uns com os outros, causando o fenômeno observado. Mas pra nossa grande surpresa quando é colocado um equipamento para medir por onde os objetos estão realmente passando o padrão corpuscular é observado.

O simples ato de observar ou medir muda o resultado da experiência. Então qual seria o papel do observador, no nosso mundo o observador é inerte a experiência, mas no mundo quântico ele consegue interagir pelo simples ato de observar. Alguns defendem a idéia do pampsiquismo que é a idéia de que a matéria é inteligente, como se o fóton pudesse escolher se teria um padrão de onda ou não. Um físico chamado Broglie defendia a idéia da dualidade onda-partícula afirmando que toda partícula apresenta um comprimento de onda, O que explicaria por que os fótons estavam sofrendo difração: se a fenda é da mesma ordem de grandeza dos objetos, claro. Devemos então associar uma partícula à uma onda, mas essa onda não pode ser monocromática por exemplo, pois em quântica trabalha-se com probabilidade e uma onda desse tipo é totalmente harmônica, a probabilidade será igual em qualquer parte da onda. Então vamos pensar em uma onda com um padrão de ‘ruído’.

Onda monocromática:

Onda com um padrão de ‘ruído’:

Mas vamos falar de contas, a principal equação da mecânica quântica, a equação de Schrödinger em 1 dimensão:

Essa equação é aplicada, por exemplo, na teoria do poço de potencial infinito, que é basicamente quando submetemos uma partícula à um ‘ambiente’ cuja as laterais ou bordas possuem barreiras impenetráveis, daí surge o que chamamos de ‘potencial degrau’ que é quando uma partícula de massa ‘m’ que se movimenta num potencial V(x), em que V(x) = 0 para x < 0 e V(x) = Vo > 0 para x > 0, possui uma determinada direçã, pra esquerda digamos, para cada caso a equação de Schrödinger pode ser escrita de maneira distinta.

Apesar de parecer bastante exótico pela visão da mecânica clássica, o efeito de penetração de barreira (tunelamento) já era um velho conhecido da física ondulatória. Por exemplo, quando uma onda luminosa incide de um meio de índice de refração maior para outro com índice de refração menor, dependendo do ângulo de incidência, pode ocorrer o efeito de reflexão total da luz. Porém, em perfeita analogia com o efeito quântico de penetração de barreira, o campo eletromagnético ondulatório da luz penetra um pouco na região com índice de refração menor, decaindo exponencialmente quando a distância até a interface entre os dois meios aumenta. Essas ondas penetrantes são conhecidas como ondas evanescentes. Dessa forma, o efeito de penetração de barreira pode ser entendido como mais uma manifestação da natureza ondulatória da matéria.

O estado quântico de uma partícula é descrito por sua função de onda, que satisfaz à Equação de Schrödinger. O módulo ao quadrado da função de onda nos dá a amplitude de probabilidade de encontrarmos a partícula numa certa posição. A cada grandeza física corresponde um operador quântico. Assim, com o conhecimento da função de onda, é possível obter o valor esperado das medidas dessa grandeza.