5 Fatos Sobre a Mecânica Quântica que você deve e pode saber

Veja o vídeo do texto abaixo:

A Mecânica Quântica (ou Física Quântica) é uma das teorias físicas que desperta maior interesse pelas pessoas, sejam elas especialistas ou leigas. Para os leigos ela pode ser apresentada sob diferentes formas, seja como uma teoria física para explicar fenômenos atômicos, seja como uma proposta para curar doenças (Cura Quântica), ou outra forma não científica qualquer. Este texto tem a intenção de apresentar 5 fatos que você deve e pode saber sobre a Mecânica Quântica, uma dentre várias teorias físicas para descrever fenômenos da natureza.

1) A Mecânica Quântica não é uma extensão da Mecânica Newtoniana (Clássica) para fenômenos atômicos

Algumas pessoas pensam na mecânica quântica como sendo uma "mecânica Newtoniana" para fenômenos atômicos. Entretanto, os conceitos presentes na teoria clássica e na teoria quântica são completamente diferentes. Os conceitos de trajetória de uma partícula, partícula como um ponto com dimensões fixas, determinismo e muitos outros são abandonados na teoria quântica. Em resumo, a teoria quântica possui a probabilidade como algo intrínseco na teoria, enquanto a teoria Newtoniana é por definição uma teoria determinística. Isto mostra que a mecânica quântica não é de forma alguma uma extensão Newtoniana para fenômenos atômicos, e sim uma teoria completamente nova por construção.

2) A Mecânica Quântica não é apenas uma Teoria

Por ela ser uma teoria que se diferencia muito do nosso cotidiano, muitas pessoas acham que a teoria quântica não tem nenhuma aplicação na sociedade e que sua atuação reside apenas no campo das ideias. Isso não é nem de longe verdade, pois nossa sociedade é amplamente suportada por avanços tecnológicos possíveis graças ao desenvolvimento da mecânica quântica. Como exemplo, podemos citar a luz LASER, o LED (em especial o led azul), vários componentes eletrônicos como o transistor, e o computador quântico.

3) A Mecânica Quântica não é Religião nem Misticismo

Ao contrário do que algumas pessoas que dizem entender mecânica quântica afirmam, a teoria não tem nada de místico e muito menos de religioso. A religião e outras formas místicas de pensamento se baseiam em uma fé sem a necessidade de uma prova. A mecânica quântica, tal como qualquer outra teoria científica, foi construída visando descrever fenômenos da natureza. Portanto, ela possui argumentos sólidos e passíveis de serem testados em laboratório, diferentemente de qualquer tipo de religião e misticismo.

4) A Física Quântica não cura você

Não, a física quântica e seus poderes mágicos não irão curar você, nem fisicamente e muito menos espiritualmente. Da mesma forma que outras teorias da Física, a mecânica quântica pode e é muito útil para desenvolver aparelhos que ajudem no tratamento de inúmeras doenças. Mas isso para a medicina séria. A mecânica quântica não irá curar sua depressão, seus problemas emocionais, independentemente de quantas pedras quânticas ou quantos pseudo-médicos que afirmem usar a "cura quântica" você consultar. Portanto, se não quiser perder seu dinheiro com pessoas que não sabem nada de ciência e sim como enganar outras pessoas, não caia nessa.

5) A Mecânica Quântica não faz com que você possa estar em dois lugares ao mesmo tempo nem possa estar emaranhado com outra pessoa

Talvez este seja um dos erros de interpretação que mais acontece entre pessoas leigas e pessoas que desejam passar o conteúdo da mecânica quântica sem se ater ao real conteúdo da teoria. Alguns filmes, como Quem Somos Nós, vídeos do youtube ou textos de pessoas que dizem entender a mecânica quântica mas que nunca fizeram uma graduação em Física, afirmam que a teoria quântica e suas propriedades, como emaranhamento e superposição de estados são válidas também no nosso cotidiano e afetaria nós, humanos. Isto não é verdade! A própria teoria quântica nos diz que a medida que aumentamos o número de átomos em um sistema físico, ele perde suas características quânticas e passa a se comportar como um sistema clássico, regido pelas leis da física clássica. Portanto, no nosso dia-a-dia, com objetos macroscópicos a nossa volta, a teoria quântica não se aplica. Você não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo e muito menos emaranhado a outra pessoa, a não ser que seja através de um casamento :)

O pêndulo de Foucault

Muitas aplicações de mecânica clássica estão presentes em qualquer livro texto de graduação ou mesmo às vezes em livros de física do ensino médio. Entre elas, estão certamente: o plano inclinado, o oscilador harmônico e o pêndulo. Estes exemplos são muito interessantes pois podemos estudar as três leis de Newton, e a atuação de cada tipo de força, dentre elas a força peso. Neste breve texto pretendo falar um pouco sobre o pêndulo, um em particular, chamado pêndulo de Foucault. O fato deste experimento ser de importância para a física é que com ele podemos verificar o movimento de rotação da Terra sem necessitarmos fazer observações do céu.

Primeiramente, vamos ver rapidamente as propriedades de um pêndulo simples. Lembro aqui que muito material sobre o assunto "pêndulo" em física pode ser encontrado em qualquer livro texto ou mesmo na internet. Um pêndulo simples em resumo não é nada além de um sistema mecânico no qual temos energia cinética sendo convertida em energia potencial e vice-versa. Para pequenos ângulos de oscilação, desprezando a resistência do ar ao movimento, a frequência de oscilação é ω = (g/l)^1/2, e o período de oscilação é dado por 2π(l/g)^1/2, onde g é aceleração da gravidade na Terra e l é o comprimento do fio do ponto de suspensão até a massa suspensa. Note que a massa do corpo atrelado ao fio não aparece nas equações acima.

Agora, vamos ver as peculiaridades do pêndulo de Foucault. A principal característica deste pêndulo está no comprimento de seu fio, na verdade uma haste. Como podemos ver na última equação, quanto maior for a haste do pêndulo, maior será seu período. Outra característica fundamental é que diferentemente do pêndulo simples, que oscila apenas numa única direção, o pêndulo de Foucault é livre para oscilar em todo o plano x-y, pois em seu ponto de suspensão no teto há um mecanismo que minimiza ao máximo o atrito e que portanto permite este movimento.

Então, qual foi o experimento realizado pelo físico francês Jean Foucault? O que este físico fez em 1851 foi suspender uma esfera de 30 Kg por um fio de 67 metros de comprimento, oscilando-a como um pêndulo. Além disso, durante o movimento areia ia se escorrendo da esfera, com a intenção de marcar no chão a trajetória do pêndulo. O que se verificou foi que o rastro deixado pela areia não se sobrepunha um ao outro, mas sim existia um espaçamento entre um e outro a cada período do pêndulo completado, como está exageradamente ilustrado na figura abaixo.

Se estivéssemos em um sistema totalmente inercial, então o movimento de tal pêndulo seria em uma linha reta, ou seja, os traços de areia iriam se sobrepor, sem exceção, a menos que o movimento inicial do pêndulo começasse já com uma força que o fizesse movimentar pelo plano x-y. Entretanto, não é o que ocorre, devido ao movimento de rotação da Terra. Se estivéssemos em um referencial inercial fora da Terra, seria possível visualizar o pêndulo oscilando sempre em linha reta e a Terra rotacionando em seu movimento incessante. Porém como estamos atrelados à superfície da Terra vemos o pêndulo girar em torno de seu de fixação.

Sem recorrer a qualquer tipo de demonstração matemática, o que pode ser encontrado em livros textos de física, o tempo para uma rotação completa do plano de oscilação, considerando uma latitude λ, é dado por T(λ) = 24/sen λ, onde o tempo aqui é dado em horas. Assim, é fácil notar que os únicos lugares em que o tempo de rotação completa do plano de oscilação do pêndulo de Foucault é igual a 24 horas são nos pólos norte e sul, onde temos λ = 90 graus. Vale notar também que, assim como quando rosqueamos uma porca em um parafuso, visto por cima e visto por baixo deste, o movimento que devemos realizar são opostos, o movimento do pêndulo de Foucault ocorre no sentido horário no hemisfério norte e no sentido anti-horário no hemisfério sul. Abaixo está uma esboço da Terra e de sua latitude, apenas a nível de curiosidade.

Logo abaixo também podemos ver um vídeo onde se mostra o funcionamento de um pêndulo de Foucault, onde a constatação da rotação da Terra por traços de areia foi substituída por pequenos pinos que são derrubados ao logo do movimento. Vale a pena dar uma olhada.

Bom, é isso. Espero ter ajudado em passar a ideia desse importante experimento na história da física e um pouco sobre seu funcionamento. Qualquer discussão é bem vinda. Abraço a todos!

J. F.