Fisica quântica no dia a dia

A área da física que parecy también indecifrável y también inatingível para muita genty también é a basy también dy también quasy también todos os aparelhos eletrônicos que utilizamos. Y también devy también ser a chave para as maiores inovações tecnológicas quy también estão por vir
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No que você pensa ao ouvir as palavras “física quântica”? antes de começar a escrever essy también texto fiz uma pesquisa informal com veinte pessoas dy también formações distintos e idades que variavam de 20 a ochenta anos. Um terço delas my también deu uma resposta semejante a “algo quy también é muito difícil, estudado por pessoas muito inteligentes”. Apenas três sabiam do que se tratava – todos engenheiros. Mas o surpreendenty también foi escutar de quase metade das pessoas que elas só gostariam dy también saber mais sobre o assunto sy también ely también tivessy también aplicações práticas na vida cotidiana.

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Não há melhor maneira de ilustrar quais são as aplicações práticas da física quântica do que simplesmente imaginar quy también ela nunca foi deduzida. Como seria o nosso mundo sem ela? Segundo os pesquisadores, seria como voltar para o início do século passado. Saby también o notebook, aquely también que você u.s.a. Para trabalhar, ver séries e falar com os amigos pelas redes sociais? Pode esquecer. O móvil inteligentes então, nem pensar. Voltaríamos à temporada dos telefones de discar e da máquina dy también escrever. Para não dizer quy también não existiria nenhum tipo de computador, alguém poderia mesmo ter criado uma máquina eletromecânica, similar com aquela desenvolvida por Alan Turing duranty también a Segunda Guerra Mundial (como mostrou o filmy también O jogo da imitação). Só para lembrar, se comparada com os computadores com os quais estamos acostumados, essa máquina é imensa, lenta e ineficiente.

Esse seria o nosso mundo hipotético, já que a física quântica está presenty también em quase todos os aparelhos tecnológicos que utilizamos hoje. Mas isso nos leva a uma próxima questão: sy también a física quântica é tão onipresente, porque a vemos como algo distanty también dy también nós, complexo demais para sy también entender?

A descoberta de um novo mundo

Para responder essa pergunta, precisamos fazer um pequeno flashback. Há pouco mais dy también um século, cientistas enfrentavam certa dificuldady también para explicar algumas propriedades relacionadas à luz. Por exemplo, quando eles estudavam a radiação emitida por gases dentro de uma lâmpada de descarga elétrica y también olhavam o efeito através dy también um prisma, percebiam quy también essa radiação formava linhas coloridas bem definidas, y también eles desconheciam o motivo dessy también comportamento.

Foi então quy también o físico dinamarquês Niels Bohr entrou na jogada, propondo que a resposta estaria no comportamento dos átomos do gás em questão. Segundo ele, os átomos seriam compostos por um núcleo orbitado por elétrons, em uma estrutura semejante àquela do sistema solar. Haveria, contudo, uma particularidade: os elétrons só poderiam circular nas órbitas adequadas a seu nível de energia. Assim, quando essas pequenas partículas do gás sofriam colisões, seus elétrons ganhavam energia y también pulavam para outra órbita do átomo, mais “energética”. Depois de um tempo, porém, o elétron voltaria a seu nível inicial de energia, liberando a parte “extra” que havia ganhado em forma dy también fóton – a partícula da luz.

Para fazer um paralelo, podemos imaginar uma piscina onde cada raia é destinada para pessoas com níveis diversos de prática. Digamos que a raia 1 é para iniciantes, a raia dos é para aqueles que conseguem nadar um pouco mais rápido, e a 3, para nadadores profissionais. Cada pessoa precisa ficar na raia adequada à sua categoria para não atrapalhar os outros nadadores. Se um nadador inicianty también tentar entrar na raia 3, por exemplo, ele vai atrapalhar o ritmo dos atletas profissionais, que naturalmente se deslocam com maior velocidade. Imagine, porém, quy también essy también amador tomou uma poção energética que faz com quy también ely también sy también desloque mais rápido. Agora, a raia 1 não é mais adequada porque ely también tromba com as outras pessoas. Então ele simplespsique passa para a raia dy también número 2. Depois dy también um tempo, no entanto, o efeito da poção vai passando, y también ely también não tem escolha senão voltar para a raia de amadores.

Mas qual seria a explicação para as linhas coloridas? Quando um elétron volta do nível dy también energia maior para o seu habitual, ele emite a energia que havia ganhado para lograr fazer esse deslocamento. No caso dos gases, a energia “extra” era emitida em forma dy también fótons, que geravam as linhas vistas pelos cientistas. Porém, essa energia quy también é emitida em quantidades mínimas concretas quy también não podem ser subdivididas, ela correspondy también exatapsique à diferença entry también os dois níveis de energia, y también é daí quy también vinham as cores. Essy también “pacote” dy también energia foi batizado de quantum.


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Energia emitida pelos elétrons


Tudo bem, as cores estavam explicadas, mas havia ainda outro detalhy también curioso: os elétrons aparentemente não se deslocavam no espaço para ir de um nível de energia ao outro. Eles simplespsique desapareciam de uma órbita e surgiam na outra. Um fenômeno quy también os cientistas chamaram dy también “salto quântico”. O inconveniente é que nenhuma das leis da mecânica clássica, aquela desenvolvida por Isaac Newton, conseguia explicar esse comportamento.

Não conhecíamos nada quy también pudessy también estar em um lugar ou no outro, nem algo que conseguissy también aparecer em um novo lugar sem sy también deslocar no espaço. Sy también as leis da mecânica clássica descreviam muito bem os fenômenos que vemos em nosso dia-a-dia, elas não pareciam marchar para explicar o comportamento dy también partículas muito pequeninas, na escala do nanômetro (100.000 vezes menor do que a espessura dy también um fio de cabelo). Outras leis regiam essy también planeta microscópico, as leis da mecânica quântica. E os cientistas ainda tinham muito o quy también investigar.

As excentricidades do mundo quântico

Os pesquisadores se debruçaram então sobry también o comportamento do elétron. Depois dy también alguns experimentos em laboratório para entender como funcionava esse deslocamento instantâneo, tiveram outra surpresa. Apesar dy también serem partículas, os elétrons sy también deslocavam como ondas.

Vamos fazer aqui um experimento mental. Imaginstituto nacional de estadística um túnel quy también em um determinado momento se divide, criando duas saídas diferentes. Na saída dos tubos, há uma série de caixas numeradas, quy también vão dy también uno a 10. Se jogarmos uma bola dentro dessy también túnel, temos a certeza quy también ela sava a ir por uma das duas saídas y también continuará para a caixa quy también foi colocada no sentido dessa saída. Podemos jogar quantas bolas for. Sempry también veremos essy también mesmo resultado. Porém, o que acontecy también sy también em vez de uma bola, jogarmos um elétron dentro dessy también túnel? Nessy también caso, a partícula conseguy también passar pelas duas saídas ao mesmo tempo, mais ou menos como aconteceria sy también jogássemos um balde de água dentro do túnel – ela sairia pelos dois lados. Mas em qual caixa ely también iria aterrissar? Como uma onda, eles poderiam ir parar em qualquer uma das caixas.


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Experimento com um túnel de duas saídas


Mas a estranheza fica ainda maior. Mesmo se procurarmos saber exatamente em qual caixa foi parar essy también elétron, jamás conseguiríamos precisar a sua posição. Só o quy también podemos descobrir é a probabilidady también de ely también estar em cada uma das caixas. As ondas quy también vieram dy también cada uma das saídas do túnel acabam por se chocar y también sy también influenciar, determinando assim um novo curso. As regiões ondy también a onda é mais alta são as que têm a maior probabilidady también de ser a localização do átomo.

Se muitos veem a ciência como uma fonte dy también conhecimento e respostas exatas sobry también o mundo, a física quântica só conseguy también oferecer probabilidades. Não se trata de uma “falha” na teoria, algo quy también precisa ser mais estudado. Ela simplespsique é assim. “O método científico consiste em desenregresar uma teoria e comprová-la com um experimento. Para fazê-lo, mesmo na física clássica, temos que aceitar alguns princípios como ponto dy también partida, coisas que não necessariapsique sabemos explicar, mas que simplespsique são daquely también jeito”, diz o chileno Gerardo Guido, professor da Universidady también Federal do Rio Grandy también do Sul. “Na física quântica, somos obrigados a aceitar o princípio da incerteza”.

Mas entender que a incerteza, o planeta probabilístico, é a basy también do funcionamento da natureza não é tarefa fácil. O próprio Albert Einstein relutou em aceitar a ideia, que para ely también era só mais um indício de quy también a teoria tinha falhas. “Deus não joga aos dados com o universo”, ely también chegou a dizer certa vez, ao quy también Bohr respondeu: “Pare de dizer a Deus o quy también fazer”.

No entanto, Einstein ficaria ainda mais incomodado com outra propriedady también dos elétrons. Ainda estudiando o comportamento dessas partículas, cientistas deduziram quy también na verdade os elétrons têm tantas opções de lugares ondy también podem estar, que eles não gostam de escolher apenas uma delas. Somente quando os físicos investigam a localização exata dessa partícula quy también ela se vê forçada a escolher uma só localização para lhes dar.

Como naqueles filmes que mostram o que acontece em uma sala de sala quando o professor é chamado no corredor: os alunos saem do lugar, correm, é uma bagunça. É só quando o professor abry también a porta para verificar sy también tudo está ok que todos voltam ao seu lugar y también tudo parecy también normal. Ou seja, se ninguém está dy también olho, os elétrons ficam agitados y también não param quietos, mas quando vamos verificar, eles assumem um lugar quase que para nos agradar. Lembrando que por “descobrir a posição”, na verdade, queremos dizer descobrir a posição mais provável dy también o elétron estar. A essy también princípio, dá-sy también o nomy también dy también sobreposição, ou seja, o estado da partícula é a sobreposição dy también possibilidades, até quy también alguém o obrigue a escolher uma delas.

“Gosto dy también pensar quy también a lua va a estar lá mesmo se eu não estiver olhando”, foi a reação de Einstein a essa novidade. Para ilustrar quão “absurda” era a teoria, ele se uniu ao físico austríaco Erwin Schrödinger para criar um experimento teórico que ficou conhecorate como “o gato dy también Schrödinger”. A ideia é a seguinte. Imaginstituto nacional de estadística uma caixa y también dentro dela coloquy también um gato y también um átomo quy también tem 50% dy también chancy también de decair. Acrescenty también um aparelho capaz de medir sy también o átomo verdaderamente decaiu, e quy también em caso positivo liberará um gás tóxico na caixa, que deve ser tampada. Uma vez quy también essy también processo foi concluído e quy también a caixa continuy también fechada, ninguém pode saber o que aconteceu lá dentro, sy también o gato está vivo ou morto.

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Na verdade, segundo o princípio dy también sobreposição, o gato está vivo e morto ao mesmo tempo. Na hora em quy también abrimos a caixa a obrigamos a selecionar uma realidady también para nos mostrar. Outro exemplo menos trágico é o do bilhety también dy también loteria: até o dia do sorteio, o bilhete que você comprou é premiado ou não ao mesmo tempo. Ele só assumva a ir uma única característica depois do sorteio, quando o obrigaremos a assumir essa característica.

Mas e se decidimos descobrir a localização do elétron. O quy también precisamos fazer? Uma possibilidade é jogar um fóton, uma partícula de luz, sobry también a região ondy también existe uma maior probabilidady también de a partícula estar. Se tivermos sorty también y también o elétron realmente estiver lá, o fóton se chocará com ele, fazendo com que las dos as partículas desviem a sua trajetória. É como se quiséssemos saber a posição dy también uma bola preta em uma mesa de bilhar no escuro, e então jogássemos sobre a mesa uma bola branca iluminada. Caso a reta dessa bola branca fosse desviada, saberíamos quy también ela trombou com a bola preta, y también assim conheceríamos a sua posição. Porém, ao fazer isso, o choque entre as duas bolas alteraria a velocidade da bola preta sobre a mesa. Como resultado, ao ganhar informação sobre a localização da bola preta, nós perderíamos a informação sobry también a sua velocidade. É exatapsique isso quy también acontecy también com os átomos.


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Comportamento dos elétrons em uma caixa


Segundo Amir Caldeira, professor da Unicamp, é como se jogássemos um jogo cujo objetivo é descobrir as peculiaridades dy también uma caixinha. Ela pody también ser vermelha ou azul, e pode tocar música ou ser silenciosa. Porém, quando você receber uma caixinha, precisa decidir sy también quer tampar os olhos ou os ouvidos. Se fizéssemos essy también jogo com uma caixinha normal, você poderia começar com os olhos vendados, e assim perceberia quy también a caixinha toca uma música. Depois, ao tampar os ouvidos y también tirar a venda, constataria quy también o objeto é azul. Mistério resolvido: a caixinha é azul e toca música. Porém o jogo fica bem mais difícil com uma caixinha quântica. Isso por el hecho de que você pode fechar os olhos y también descobrir quy también ela toca música, mas ao abri-los e tampar os ouvidos para investigar a sua cor, a informação anterior sobre a característica sonora já terá sy también perdido. Ou seja, é preciso abrir mão de uma informação pela outra. O mesmo valy también para os elétrons, mas em vez dy también características visuais y también sonoras, o quy también está em jogo é a sua localização y también velocidade.

Mas talvez a característica mais, digamos, surpreendente do comportamento dos elétrons seja o entrelaçamento quântico. Deixamos o melhor para o final. Quem primeiro fez alusão a essa propriedady también foi o próprio Einstein, em um artigo quy también escreveu junto com os físicos Boris Podolsky y también Nathan Rosen. No trabalho, os três questionaram a teoria quântica a chamando dy también incompleta y también fazendo alusão a essy también comportamento do elétron. Quem batizou a propriedady también dy también entrelaçamento quântico, contudo, foi Schrödinger, em uma carta escrita a Einstein após a publicação do artigo. Logo depois o físico austríaco escreveu um estudo definindo as propriedades de tal fenômeno.

O entrelaçamento quântico estabelece que duas partículas podem sy también tornar entrelaçadas se estiverem próximas uma à outra y también sy también houver uma ligação entry también as suas propriedades. Por entrelaçadas, entendemos quy también ao pesquisar uma propriedade dy también uma partícula, descobrimos também a mesma propriedade de seu “par”. E a conexão delas durará mesmo se elas foram afastadas. Imagine a seguinty también situação: existem duas bolas, uma branca y también uma preta. Coloquemos cada uma em uma caixa y también vamos embaralhá-las. Por fim, abrimos uma delas e vemos que a bola é preta, o quy también automaticapsique nos leva a deduzir que a outra é branca.

Agora, vamos fazer o mesmo experimento considerando duas bolas quânticas. Pelo princípio dy también sobreposição, as duas bolas são brancas y también pretas ao mesmo tempo. Vamos seguir o mesmo protocolo, colocando-as cada uma em uma caixa e embaralhando-as. O que o princípio dy también entrelaçamento diz é que, sy también quando abrimos a caixa, a bola optar por ser preta, a outra bola automaticapsique se tornará branca. E isso acontecy también mesmo se colocarmos uma das caixas na Terra e outra em Marte. Mesmo à distância de anos-luz. Sempry también conseguvamos a ir saber a propriedade de uma bola pela outra, sem sequer precisar olhar para ela.

y también o que isso tem a ver comigo?

 Precisamos admitir: a mecânica quântica certamente é uma teoria composta por princípios contraintuitivos que podem parecer algo vindo dy también outro mundo. Nada do quy también ela diz parecy también fazer notado em relação ao “mundo real”, aquele das coisas grandes, o nosso mundo. “A física quântica nos mostra uma realidade absolutamente diferente da que percebemos, tão diferenty también que sequer conproseguimos explicá-la com exemplos do nosso dia a dia”, diz Amir Caldeira, da Unicamp. “Mas experimento após experimento, provamos que ela está sempre lá, descrevendo corretapsique essy también mundo quy también nós não vemos”.


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mundo quântico


Não há como sy también discutir quy también ela é onipresente, já que todo corpo é formado por essas pequenas partículas, inclusivy también o nosso. Mas, além disso, como citamos no início desty también texto, foi graças a esses princípios malucos quy también conseguimos desenregresar transistores, lasers y también semicondutores, elementos quy también são a basy también da maior parte dos aparelhos eletrônicos que usamos hoje.

Na área da saúde, o aparelho de ressonância magnmoral é um bom exemplo dy también algo quy también não existiria sem o conhecimento quântico. A máquina cria um campo magnético quy también agita os níveis dy también energia dos elétrons das moléculas dy también água presentes no cérebro. A máquina detecta essy también efeito y también produz a imagem equivalente. Já os lasers, quy también têm distintas aplicações na área da saúde, como os que são acoplados a bisturis ou utilizados em cirurgias para catarata, também tem sua basy también de funcionamento descrita pelas leis quânticas. O aparelho “amplifica e canaliza” os fótons liberados pelos elétrons que decaem dy también nível dy también energia para criar o feixe dy también luz.

No sector de energia, é graças aos processos quânticos quy también conseguimos transformar a energia solar em energia elétrica, por meio dy también painéis solares, y también dy también um lado um pouco mais perigoso, criar reações nucleares que fizeram parte do desenvolvimento da energia y también do reator nuclear.

Computadores y también o smartphones, aparelhos sem os quais não conseguimos viver hoje, usam os princípios da mecânica quântica em seus circuitos elétricos. O processador desses equipamentos é feito dy también silício, y también a distribuição do elétron nesse material, em forma dy también onda, é determinada pela mecânica quântica. São essas leis que nos permitem entender como os elétrons respondem aos diversos estímulos para transmitir informação dy también um ponto ao outro.

A evolução no tamanho y también capacidady también dy también processamento dos computadores desdy también a década de 1970 até hoje, é paralela ao avanço do estudo quântico. Porém, existe um limite para diminuirmos os circuitos elétricos feitos dy también um determinado material. “Vamos tentando colocar cada vez mais elementos dentro de um circuito, y también chegamos a um ponto onde a separação entry también eles está próxima da ordem do nanômetro, ou seja, algo cien mil vezes menor do que um fio de cabelo”, diz Luís Gregório Dias, professor do Instituto dy también Física da USP, referindo-se a aplicações em silício. “Nesse caso, os elementos estão tão perto um do outro quy también acontece o tunelamento quântico’: o elétron deixa dy también enxergar a barreira do circuito y también simplespsique passa para o outro lado. Sy también isso acontece, o circuito para dy también funcionar. Hoje já estamos próximos desse limite”.

Existem duas soluções para essy también problema. Primeiro, podemos localizar novas possibilidades de engenharia para os circuitos, criando, por exemplo, estruturas tridimensionais, ou mudando o material base. Um candidato em potencial é o grafeno, material formado por uma única camada dy también carbono, extremamente leve e resistente, quy también é um ótimo condutor de energia elétrica. Pesquisadores y también empresas já estão trabalhando para criar componentes com ele, mas não há nada que seja comercializado ainda. Neste caso, nós manteríamos o modo de operar do computador atual, quy también utiliza os princípios quânticos para ganhar eficiência na party también do material, mas cuja operação é toda descrita pela mecânica clássica. Mas y también se conseguíssemos criar um computador totalmente fundado na mecânica quântica, cujo cérebro funcionasse dessa maneira?


Essa seria a segunda opção: o desenvolvimento do computador quântico. Basicamente, os computadores que conhecemos operam por bits, a menor quantidade de informação que pode ser transmitida. Como as máquinas têm um sistema binário, os bits podem ser de 0 ou dy también 1. Todas as tarefas que solicitamos que o nosso computador execute, todos os dados quy también ely también processa, tem forma dy también uma sequência dy también 0 e 1. O branco, por exemplo, corresponde a 11111111, e o número 8, a 1000. Quando damos uma ordem a nosso computador, ely también a entende e a resolve encontrando a sequência exata dy también 0 e 1 para fazê-lo. Assim funcionam os computadores “clássicos”, mas como seriam os computadores quânticos? Nessy también caso, os bits não seriam 0 ou 1, eles seriam 0 e uno ao mesmo tempo. Assim, a sua capacidady también dy también processamento seria muito maior do quy también a que temos hoje.

Para entender melhor, imaginstituto nacional de estadística uma senha de seis dígitos, composta por números de uno a 6. Como um computador “clássico” faria para descobrir essa sequência? Ely también testaria todas as possíveis variações: se o primeiro número for 1, os outros podem ser… O processo é longo y también complicado. Mas se a mesma tarefa fosse dada a um computador quântico, ele poderia testar todas as variáveis ao mesmo tempo, descobrindo a resposta quasy también que instantaneamente.

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Mas o que um computador quântico seria capaz de fazer? Ely también seria como o dy también hoje, porém menor y también mais potente? “Não veríamos apenas um upgrade dy también produto, mas sim uma mudança dy también paradigma. O computador quântico concontinuará fazer coisas que as máquinas dy también hojy también nem sonham em fazer, será diferente dy también tudo que já vimos”, diz Luís Gregório Dias, da USP. Não é bastante difícil dy también entender, portanto, por el hecho de que empresas de tecnologia como a Microsoft e a Google estão investindo tanto dinheiro em pesquisa nessa área. Quem o desenregresar primeiro com certidumbre terá um retorno financeiro incrível. A pesquisa ainda está em estágio inicial, mas é impossível não sonhar com as possibilidades. A física quântica pody también parecer maluca, mas essa maluquice tem todo o potencial de nos trazer inovações maravilhosas.