Na vida quotidiana, compreendemos intuitivamente como funciona o mundo. Solte um copo e ele vai esmagar no chão. Empurre uma carroça e ela vai rolar. Caminhe até uma parede e você não poderá caminhar através dela. Há leis muito básicas da física acontecendo ao nosso redor que instintivamente agarramos: a gravidade faz as coisas caírem no chão, empurrar algo faz com que se mova, duas coisas não podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo tempo.

Na virada do século, os cientistas pensavam que todas as regras básicas como esta deveriam se aplicar a tudo na natureza — mas então eles começaram a estudar o mundo do ultra-pequeno. Átomos, electrões, ondas de luz, nenhuma destas coisas seguia as regras normais. Quando físicos como Niels Bohr e Albert Einstein começaram a estudar as partículas, eles descobriram novas leis físicas que eram muito peculiares. Estas eram as leis da mecânica quântica, e eles receberam o seu nome do trabalho de Max Planck.

“Um Acto de Desespero”

Em 1900, Max Planck era um físico em Berlim a estudar algo chamado de “catástrofe ultravioleta”. O problema era que as leis da física previam que se você aquecesse uma caixa de tal forma que nenhuma luz pudesse sair (conhecida como “caixa preta”), ela deveria produzir uma quantidade infinita de radiação ultravioleta. Na vida real não aconteceu nada disso: a caixa irradiava cores diferentes, vermelho, azul, branco, tal como o metal aquecido, mas não havia uma quantidade infinita de nada. Não fazia sentido. Eram leis da física que descreviam perfeitamente como a luz se comportava fora da caixa – por que não descreveram com precisão esse cenário da caixa preta?

Planck tentou um truque matemático. Ele presumiu que a luz não era realmente uma onda contínua como todos supunham, mas talvez pudesse existir apenas com quantidades específicas, ou “quanta”, de energia. Planck não acreditava realmente que isso fosse verdade sobre a luz, na verdade ele mais tarde se referiu a esse truque matemático como “um ato de desespero”. Mas com este ajuste, as equações funcionaram, descrevendo com precisão a radiação da caixa.

Levou algum tempo para que todos concordassem no que isto significava, mas eventualmente Albert Einstein interpretou as equações de Planck para significar que a luz pode ser pensada como partículas discretas, tal como electrões ou prótons. Em 1926, o físico de Berkeley Gilbert Lewis deu-lhes o nome de fotões.

Quanta, quanta em toda parte

Esta idéia de que partículas só poderiam conter grumos de energia em certos tamanhos movidos para outras áreas da física também. Durante a década seguinte, Niels Bohr puxou-a para a sua descrição de como um átomo funcionava. Ele disse que elétrons viajando ao redor de um núcleo não poderiam ter arbitrariamente pequenas ou arbitrariamente grandes quantidades de energia, eles poderiam ter apenas múltiplos de um “quantum” padrão de energia.

Os cientistas de precedentes perceberam isso explicando porque alguns materiais são condutores de eletricidade e outros não – uma vez que átomos com órbitas de elétrons de energia diferente conduzem a eletricidade de forma diferente. Este entendimento foi crucial para a construção de um transistor, uma vez que o cristal no seu núcleo é feito através da mistura de materiais com quantidades variáveis de condutividade.

But They’s Waves Too

Her uma das coisas peculiares da mecânica quântica: só porque um elétron ou um fóton pode ser pensado como uma partícula, não significa que eles não possam ainda ser pensados como uma onda também. Na verdade, em muitas experiências, a luz age muito mais como uma onda do que como uma partícula.

Esta natureza de onda produz alguns efeitos interessantes. Por exemplo, se um elétron viajando ao redor de um núcleo se comporta como uma onda, então sua posição a qualquer momento se torna difusa. Em vez de estar num ponto concreto, o electrão é manchado no espaço. Esta mancha significa que os elétrons nem sempre viajam como seria de se esperar. Ao contrário da água fluindo em uma direção através de uma mangueira, os elétrons viajando como corrente elétrica podem às vezes seguir caminhos estranhos, especialmente se estiverem se movendo perto da superfície de um material. Além disso, os elétrons agindo como uma onda podem, às vezes, escavar através de uma barreira. A compreensão deste estranho comportamento dos elétrons foi necessária à medida que os cientistas tentavam controlar como a corrente fluía através dos primeiros transistores.

Então o que é – uma partícula ou uma onda?

Os cientistas interpretam a mecânica quântica para significar que um pequeno pedaço de material como um fóton ou electrão é tanto uma partícula como uma onda. Pode ser ou, dependendo de como se olha para ela ou que tipo de experiência se está fazendo. Na verdade, pode ser mais preciso dizer que fótons e elétrons não são nem uma partícula nem uma onda — eles estão indefinidos até o momento em que alguém olha para eles ou realiza uma experiência, forçando-os assim a ser ou uma partícula ou uma onda.

Isto vem com outros efeitos secundários: nomeadamente que uma série de qualidades para as partículas não estão bem definidas. Por exemplo, existe uma teoria de Werner Heisenberg chamada Princípio da Incerteza. Ela afirma que se um pesquisador quer medir a velocidade e a posição de uma partícula, ele não pode fazer ambas com muita precisão. Se ele mede a velocidade cuidadosamente, então ele não pode medir a posição quase tão bem. Isto não significa apenas que ele não tem ferramentas de medição suficientemente boas – é mais fundamental do que isso. Se a velocidade está bem estabelecida então simplesmente não existe uma posição bem estabelecida (o elétron é manchado como uma onda) e vice versa.

Albert Einstein não gostou desta ideia. Quando confrontado com a noção de que as leis da física deixaram espaço para tal imprecisão, ele anunciou: “Deus não joga aos dados com o universo.” No entanto, a maioria dos físicos de hoje aceita as leis da mecânica quântica como uma descrição precisa do mundo subatômico. E certamente foi uma compreensão profunda dessas novas leis que ajudou Bardeen, Brattain e Shockley a inventar o transistor.

Recursos:
– Para onde vai a Estranheza? Por que a Mecânica Quântica é estranha, mas não tão estranha quanto você pensa, David Lindley
— O que é a Mecânica Quântica? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Exposição de Albert Einstein no American Institute of Physics
— Exposição de Heisenberg no American Institute of Physics