O mundo bizarro e maravilhoso da teoria quântica - e como a compreensão disso mudou nossas vidas
“Na verdade, costuma-se dizer que, de todas as teorias propostas neste século, a mais tola é a teoria quântica. Alguns dizem que a única coisa que a teoria quântica tem a seu favor, na verdade, é que ela é inquestionavelmente correta. '
Quase desde seu início, o desenvolvimento da teoria quântica foi construído por algumas das maiores mentes de sua época. Parte da estrutura para esta teoria pode ser rastreada até as seguintes descobertas:
- Em 1897, a descoberta do elétron provou que havia partículas individuais que compõem o átomo.
- Em 1900, a Sociedade Física Alemã recebeu uma apresentação de Max Plank sobre sua versão da teoria, onde ele fez a conjectura de que a energia era feita de unidades individuais que ele chamou de quanta. Plank levou sua versão da teoria quântica um passo adiante e derivou uma constante universal que ficou famosa como a constante de Planck, que é usada para descrever os tamanhos dos quanta na mecânica quântica. A constante de Planck afirma que a energia de cada quantum é igual à frequência da radiação multiplicada pela constante universal (6,626068 × 10-34 m2 kg / s).
- Em 1905, Albert Einstein teorizou que não apenas a energia, mas a radiação também era quantizada da mesma maneira e resumiu que uma onda eletromagnética como a luz poderia ser descrita por uma partícula chamada foto com uma energia discreta dependente de sua frequência.
- Ernest Rutherford descobriu que a maior parte da massa de um átomo reside no núcleo em 1911. Niels Bohr refinou o modelo de Rutherford introduzindo diferentes órbitas nas quais os elétrons giram em torno do núcleo.
- Em 1924, o desenvolvimento do princípio da dualidade onda-partícula por Louis de Broglie afirmava que as partículas elementares de matéria e energia se comportam, dependendo das condições, como partículas ou ondas.
Muitas outras pessoas, desde então, contribuíram para o avanço da teoria, incluindo Max Born, Wolfgang Pauli e Werner Heisenberg com o desenvolvimento do Princípio da Incerteza, para citar alguns. Desnecessário dizer que a teoria quântica é uma combinação das contribuições de muitas grandes mentes da ciência e, portanto, não pode ser atribuída a nenhum indivíduo. Em suma, a teoria quântica nos permite entender o mundo do muito pequeno e as propriedades fundamentais da matéria.
Nossa compreensão mais profunda do mundo atômico vem do advento da teoria quântica. Ter essa compreensão profunda dos vários elementos da teoria nos permite fazer muito mais do que apenas mover átomos ou saber exatamente por que as coisas se comportam dessa maneira. A própria teoria fundamenta toda a arquitetura do mundo que vemos hoje e além. Em última análise, nos permitiu desenvolver as tecnologias mais avançadas para tornar nossas vidas mais fáceis. As maravilhas da ciência que vemos e usamos todos os dias, incluindo a Internet, seu telefone celular, GPS, seu e-mail, televisão HD - tudo isso - vem de nosso profundo entendimento dessa teoria. Essa teoria oferece uma maneira muito diferente de ver o mundo em que vivemos - aquele em que as leis simples da física convencional simplesmente não se aplicam. A teoria quântica é tão excêntrica e peculiar que até o próprio Einstein não conseguia entender. O grande físico Richard Feynman afirmou certa vez: 'É impossível, absolutamente impossível explicá-lo de qualquer maneira clássica'.
Parte do que a teoria quântica prevê e afirma é quase como algo saído da ficção científica. A matéria pode estar essencialmente em um número infinito de lugares a qualquer momento; é possível que existam muitos mundos ou um multiverso; as coisas desaparecem e reaparecem em outro lugar; você não pode saber simultaneamente a posição exata e o momento de um objeto; e até mesmo emaranhamento quântico (Einstein se referiu a isso como ação fantasmagórica à distância), onde é possível que duas partículas quânticas se liguem efetivamente, tornando-as parte da mesma entidade ou emaranhadas. Mesmo se essas partículas forem separadas, uma mudança em uma delas é, em última instância e instantaneamente, refletida em sua contraparte. No final do dia, o mundo do emaranhamento fez com que físicos como Einstein não gostassem das previsões e não sentissem nada mais como se fossem graves erros de cálculo. Como Einstein escreveu uma vez: “Acho a ideia bastante intolerável de que um elétron exposto à radiação escolha por sua própria vontade, não apenas o momento de saltar, mas também sua direção. Nesse caso, prefiro ser sapateiro, ou mesmo empregado de uma casa de jogo, do que físico ».
As estranhas previsões da teoria quântica também levaram a muitos experimentos 'pensados' famosos, como o 'Gato de Schrõdinger', idealizado por Erwin Schrõdinger em 1935. Como declaro em meu livro 'Hiperespaço', na página 261: 'Schrõdinger colocou um gato imaginário em um caixa. O gato enfrenta uma arma, que está conectada a um contador Geiger, que por sua vez está conectado a um pedaço de urânio. O átomo de urânio é instável e sofrerá decomposição radioativa. Se um núcleo de urânio se desintegrar, ele será captado pelo contador Geiger, que acionará a arma, cuja bala irá matar o gato. Para decidir se o gato está vivo ou morto, devemos abrir a caixa e observar o gato. No entanto, qual é o estado do gato antes de abrirmos a caixa? De acordo com a teoria quântica, só podemos afirmar que o gato é descrito por uma função de onda que descreve a soma de uma lata morta e um gato vivo. Para Schrõdinger, a ideia de pensar em gatos que não estão mortos nem vivos era o cúmulo do absurdo, mas mesmo assim a confirmação experimental da mecânica quântica nos força a essa conclusão. No momento, todo experimento verificou a teoria quântica. ' Portanto, a teoria quântica parece absurda e suas previsões parecem ter saído de um filme de ficção científica. No entanto, ele tem apenas uma pequena coisa a seu favor: ele funciona.
No próximo século, o domínio da teoria quântica nos permitirá transformar radicalmente nosso mundo de maneiras antes consideradas inimagináveis. Supercondutores, por exemplo, são um milagre da física quântica e são um excelente exemplo de como nos tornamos gradualmente mestres da própria matéria. Se você der uma olhada nos avanços contínuos dos trens Maglev, verá que o mundo do transporte será substancialmente diferente no futuro, como resultado de nosso maior entendimento dessa teoria. No futuro, também criaremos materiais com novas propriedades incríveis não encontradas na natureza. O desenvolvimento de metamateriais ou materiais artificiais nos permitirá criar coisas como dispositivos de camuflagem. Outros desenvolvimentos podem incluir metamateriais sísmicos projetados para neutralizar os efeitos adversos das ondas sísmicas em estruturas feitas pelo homem; a criação de paredes ultrafinas à prova de som; e até mesmo super-lentes capazes de capturar detalhes nítidos muito abaixo do comprimento de onda da luz. Como ainda estamos apenas nos estágios iniciais de compreensão do desenvolvimento desses materiais artificiais, parece que a superfície tem um pequeno arranhão, então não há como dizer o que o futuro reserva.
Nas próximas décadas, você provavelmente ouvirá bastante a palavra 'quantum', pois nosso entendimento de muito pequeno está nos ajudando a revolucionar virtualmente todos os aspectos da tecnologia que vemos hoje e até mesmo criando outros inteiramente novos. Alguns exemplos de tecnologias nas quais estamos trabalhando atualmente, mas não estamos limitados a:
- Computação quântica que está fazendo uso direto dos fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento, para realizar operações nos dados. Em contraste com um computador clássico que tem memória feita de bits onde cada bit representa um ou zero (código binário), um computador quântico operará no que é chamado de 'qubits'. De acordo com a Wikipedia, um único qubit pode representar um, um zero ou, crucialmente, qualquer superposição quântica destes; além disso, um par de qubits pode estar em qualquer superposição quântica de 4 estados e três qubits em qualquer superposição de 8 e assim por diante. A superposição se refere à propriedade da mecânica quântica que afirma que todas as partículas existem não em um estado, mas em todos os estados possíveis ao mesmo tempo. Resumindo, um computador quântico será essencialmente capaz de quebrar qualquer algoritmo, resolver problemas matemáticos com muito mais rapidez e, por fim, operar milhões de vezes mais rápido do que os computadores convencionais.
- Criptografia quântica cujo exemplo mais famoso (distribuição de chave quântica ou QKD) que usa a mecânica quântica para garantir uma comunicação segura. Ele permite que duas partes produzam uma sequência de bits aleatória compartilhada, conhecida apenas por elas, que pode ser usada como uma chave para criptografar e descriptografar mensagens.
A lista é interminável: Quantum Dots; Fios quânticos ou nanotubos de carbono; Metamateriais; Invisibilidade; Óptica quântica; Teleportação; Comunicação; Elevadores espaciais; Energia quântica ilimitada; Supercondutores de temperatura ambiente; Fabicators pessoais; Nanotecnologia e até mesmo viagem no tempo. Outras aplicações que vão se esforçar são os avanços na tecnologia de baterias; painéis solares; aplicações furtivas; e até mesmo avanços em biotecnologia e medicina. Nem é preciso dizer que apenas arranhamos a superfície de algumas dessas tecnologias e o tempo as aperfeiçoará. Temos um futuro muito interessante pela frente ....
Continua...
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