Durante a maior parte do início do século 20, a mecânica quântica foi uma das ideias mais misteriosas da ciência. A teoria desafiou o pensamento convencional e deixou até mesmo os principais físicos lutando para compreender suas implicações. Um século mais tarde, tornou-se a base de tecnologias que afectam a vida quotidiana, incluindo lasers, microchips, comunicações seguras e novos computadores quânticos.
Em um artigo de nova perspectiva publicado em CiênciaMarlon Scully, da Texas A&M University, reflete sobre a notável evolução da mecânica quântica, desde uma teoria abstrata de partículas minúsculas até uma estrutura poderosa que ajuda os pesquisadores a resolver algumas das questões mais desafiadoras da ciência.
“A mecânica quântica começou como uma forma de explicar o comportamento de partículas minúsculas”, disse Scully, que também trabalha na Universidade de Princeton. “Agora está impulsionando uma inovação que era inimaginável há apenas uma geração.”
Scully desempenhou um papel importante no avanço do campo. Ele foi coautor de um livro influente Óptica quânticaum recurso que educou gerações de físicos. Sua pesquisa em espectroscopia a laser em nanoescala coerente ajudou a tornar possível o estudo de moléculas com precisão em escala atômica. Ele também desenvolveu conceitos inovadores relacionados a motores térmicos quânticos, que desafiam as suposições tradicionais sobre eficiência termodinâmica e podem um dia levar a novas tecnologias energéticas.
Do gato de Schrödinger à tecnologia quântica
Uma das ilustrações mais famosas da mecânica quântica apareceu em 1935, quando Erwin Schrödinger propôs o paradoxo do gato. Um experimento mental sugeriu que um gato poderia existir em um estado vivo e morto, desde que não fosse observado. Schrödinger introduziu a ideia para enfatizar o quão estranha a teoria quântica se tornou.
Hoje, esses conceitos outrora estranhos foram muito além do debate filosófico.
“Essas ‘esquisitices quânticas’ não são mais apenas um quebra-cabeça filosófico”, disse Scully. “É a base da computação quântica, da criptografia quântica e até da detecção de ondas gravitacionais.”
As bases da mecânica quântica foram construídas por pioneiros como Schrödinger e Werner Heisenberg. Eles desenvolveram duas abordagens matemáticas diferentes, mecânica ondulatória e mecânica matricial, para descrever sistemas quânticos. Com o tempo, essas abordagens foram unificadas e contribuíram para o desenvolvimento da teoria quântica de campos, que explica como as partículas interagem usando forças eletromagnéticas e nucleares.
Seu trabalho estendeu o modelo atômico inicial de Niels Bohr, que representava elétrons orbitando o núcleo, semelhante à forma como os planetas orbitam o sol. Embora descobertas posteriores tenham esclarecido esse quadro, o modelo de Bohr ajudou a pavimentar o caminho para a teoria quântica moderna.
Coerência quântica e o crescimento dos lasers
Entre os conceitos mais importantes da mecânica quântica está a coerência quântica. Este fenómeno permite que partículas como átomos e fotões permaneçam ligadas num estado coordenado mesmo a grandes distâncias.
A coerência quântica levou diretamente ao desenvolvimento do laser, uma tecnologia que antes se pensava que nunca funcionaria. Hoje, os lasers são usados em toda a sociedade moderna, desde leitores de código de barras em supermercados até procedimentos de correção da visão e instrumentos científicos avançados.
A coerência também está intimamente relacionada ao emaranhamento quântico, um fenômeno que levou Albert Einstein a descrevê-lo como “ação assustadora à distância”.
O emaranhamento permite que as partículas compartilhem informações por meio de propriedades quânticas únicas. Esses efeitos formam a base dos sistemas de criptografia quântica e melhoram a sensibilidade de instrumentos sofisticados, como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), que detecta pequenas pulsações no espaço-tempo.
Motores térmicos quânticos desafiam as limitações clássicas
Uma das aplicações mais surpreendentes da física quântica envolve motores térmicos quânticos.
Os motores tradicionais são limitados pelo limite de Carnot, que define a eficiência máxima permitida pela termodinâmica clássica. Os pesquisadores descobriram que usando a coerência quântica é possível criar motores que excedem esses limites clássicos.
“Este é um exemplo notável de como os princípios quânticos podem reescrever as regras da física clássica”, disse Scully.
Biologia Quântica, Gravidade e Turbulência
O impacto da mecânica quântica estende-se agora muito além da física.
Na biologia, técnicas como a espectroscopia Raman coerente permitem aos pesquisadores estudar vírus e outras estruturas em nanoescala, fornecendo informações valiosas sobre o mundo microscópico.
As ideias quânticas também moldam as tentativas de compreender o próprio universo. Cientistas que trabalham em conceitos como teoria das cordas e gravidade quântica estão tentando conciliar a mecânica quântica com a teoria da relatividade de Einstein, um dos maiores problemas não resolvidos da física moderna.
Os pesquisadores estão até aplicando conceitos quânticos ao antigo problema de compreensão da turbulência. O movimento caótico do ar e dos fluidos afeta o clima, os sistemas climáticos e o desempenho das aeronaves. Ao estudar o hélio superfluido, uma substância que apresenta um comportamento quântico incomum, os cientistas estão descobrindo padrões que poderiam melhorar a modelagem climática, a previsão de tempestades e a segurança da aviação.
O próximo século de descobertas quânticas
Apesar de um século de sucesso, a mecânica quântica continua a levantar questões profundas.
A gravidade pode ser quantizada (ou seja, a gravidade se comporta como outras forças no nível quântico)? Os computadores quânticos podem mudar a medicina e a ciência dos materiais? Que novos insights sobre o universo podem surgir das futuras tecnologias quânticas?
Scully acredita que a busca por respostas está apenas começando.
“No início do século 20, muitas pessoas pensavam que a física estava completa”, disse ele. “Agora, no século 21, sabemos que a aventura está apenas começando”.
Cinco maneiras pelas quais a mecânica quântica afeta a vida cotidiana
- Lasers De scanners de supermercado a cirurgias oculares, os lasers dependem de princípios quânticos que amplificam a luz.
- Conexão segura A criptografia quântica pode criar códigos altamente seguros que ajudam a proteger informações confidenciais.
- Cálculos mais rápidos Os computadores quânticos podem resolver certos problemas em segundos que levariam milhares de anos aos computadores clássicos.
- Melhores medições Os observatórios de ondas gravitacionais usam técnicas quânticas como a “luz espremida” para detectar pequenas distorções no espaço-tempo e revelar novos detalhes sobre o universo.
- Avanços médicos As técnicas de imagem quântica ajudam os cientistas a estudar vírus, moléculas e outras estruturas biológicas em escala atômica.
