Como Entender a Física Quântica

A física quântica, também conhecida como mecânica quântica ou teoria quântica, é um ramo da física que descreve o comportamento e a interação entre a matéria e a energia na escala das partículas subatômicas, dos fótons e de certos materiais a uma temperatura muito baixa. O domínio quântico é definido como o local onde a "ação" (ou às vezes o momento ou movimento angular) da partícula está dentro de algumas ordens de magnitude de uma constante física bem pequena chamada constante de Planck.

Parte 1

Parte 1 de 8:

Constante de Planck

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Comece aprendendo sobre o significado da constante de Planck na física. Na mecânica quântica, a quantidade de ação é a constante de Planck, geralmente chamada de h. Da mesma maneira, para as partículas subatômicas que interagem, a quantidade de momento angular é a constante de Planck reduzida (dividida por 2π), indicada por ħ e chamada de constante de Dirac. O valor da constante de Planck é muito pequeno, suas unidades são aquelas do momento angular, e a noção de ação é o conceito matemático mais geral. Como o nome mecânica quântica indica, certas quantidades físicas, como o momento angular, podem mudar somente em quantidades discretas (finitas), não de maneira contínua (análoga).^{[1]XFonte de pesquisa}
- Por exemplo, o momento angular de um elétron ligado a um átomo ou molécula é quantizado e só pode ter valores múltiplos da constante de Planck reduzida. Essa quantização dá origem às orbitais eletrônicas de uma série de números quânticos primários inteiros. Em contraste, o momento angular de um elétron solto próximo não é quantizado. A constante de Planck também tem papel na teoria quântica da luz, em que a quantidade de luz é o fóton, e a matéria e a energia interagem por meio da transição eletrônica atômica, ou "salto quântico", do elétron ligado ao átomo.
- As unidades da constante de Planck também podem ser vistas em termos de energia x tempo. Por exemplo, na área da física de partículas, a noção de partículas virtuais se refere a partículas que aparecem espontaneamente no vácuo por uma fração minúscula de tempo e desempenham um papel na interação entre as partículas. O tempo de vida limite dessas partículas virtuais é a energia (massa) da partícula vezes aquele tempo de vida. A mecânica quântica é uma área ampla, mas toda a sua matemática envolve a constante de Planck.
Essas partículas passam por uma transição quântico-clássica. Ainda que o elétron livre apresente algumas propriedades quânticas, como o spin, conforme ele se aproxima do átomo e fica mais lento (talvez por emitir fótons), ele passa por uma transição do comportamento clássico para o quântico conforme sua energia fica abaixo da energia de ionização. O elétron então se liga ao átomo, e seu momento angular, no que diz respeito ao núcleo do átomo, fica restrito a valores quantizados das orbitais que ele pode ocupar. A transição é repentina e pode ser comparada à transição de um sistema mecânico que, exibindo um comportamento instável, passa a ser estável; ou um sistema com comportamento simples que passa a ser caótico, ou ainda à de um foguete ficando mais lento, abaixo da velocidade de escape, e entrando na órbita de alguma estrela ou outro objeto celeste. Em contraste, os fótons, que não têm massa, não passam por tal transição: eles apenas viajam pelo espaço sem sofrerem mudanças, até interagirem com outras partículas e depois desaparecer. Quando você olha para o céu à noite, os fótons de alguma estrela viajaram por anos-luz de espaço inalterados e interagiram com um elétron em uma molécula da sua retina, transferiram sua energia e desapareceram.^{[2]XFonte de pesquisa}
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Parte 2

Parte 2 de 8:

Ideias novas

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Acompanhe as novas ideias apresentadas na teoria quântica. É preciso se familiarizar com elas, que incluem as seguintes:^{[3]XFonte de pesquisa}
1. O domínio quântico segue regras um tanto diferentes do mundo que experimentamos todos os dias.
2. A ação (ou momento angular) não é contínua, mas vem em unidades pequenas, porém discretas.
3. As partículas elementares se comportam tanto como partículas quanto como ondas.
4. O movimento de uma partícula específica é inerentemente aleatório e só pode ser estimado em termos de probabilidades.
5. É fisicamente impossível medir ao mesmo tempo a posição e o momento de uma partícula para além da precisão permitida pela constante de Planck. Quanto mais precisa a medida da posição, menos precisa será a do momento, e vice-versa.

Parte 3

Parte 3 de 8:

Dualidade onda-partícula

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Estude o conceito de dualidade onda-partícula, também chamado de dualidade onda-corpúsculo ou dualidade matéria-energia. Ele postula que toda matéria exibe propriedades de onda e de partícula. Essa dualidade, um conceito central da mecânica quântica, se refere à incapacidade de conceitos clássicos como "partícula" e "onda" de descrever por completo o comportamento dos objetos em escala quântica.^{[4]XFonte de pesquisa}
- Para se obter um conhecimento completo a respeito da dualidade da matéria, é preciso conhecer os conceitos de efeito Compton, efeito fotoelétrico, onda de matéria e a fórmula de Planck para radiação de corpo negro. Todos esses efeitos e teorias provam a natureza dual da matéria.
- Diferentes experimentos com a luz feitos por cientistas provam que a luz tem natureza dual, ou seja, se comporta tanto como partícula quanto como matéria. Em 1901, Max Planck publicou uma análise que conseguiu reproduzir o espectro observável da luz emitida por um objeto brilhante. Para tanto, ele precisou elaborar uma hipótese matemática ad hoc de ação quantizada dos osciladores (átomos do corpo negro) que emitem radiação. Depois, Einstein propôs que a radiação eletromagnética em si é que é quantizada em fótons.
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Parte 4

Parte 4 de 8:

Incerteza

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Ele declara que não é possível determinar com precisão muito alta e ao mesmo tempo certos pares de propriedades físicas, como posição e momento. Na física quântica, uma partícula é descrita como um pacote de ondas, o que gera esse fenômeno. Pense na medida da posição de uma partícula. Ela pode estar em qualquer lugar. O pacote de onda da partícula tem uma amplitude diferente de zero, o que significa que sua posição é incerta — ela pode estar em qualquer lugar ao longo do pacote de onda. Para se obter uma leitura precisa da posição, esse pacote de onda precisa ser "comprimido" o máximo possível, o que significa que precisa ser formado por números crescentes de senoides somadas. O momento da partícula é proporcional ao número de onda de uma dessas ondas, mas pode ser de qualquer uma. Portanto, uma medida mais precisa da posição, somando mais ondas, significa que a medida do momento se torna menos precisa e vice-versa.^{[5]XFonte de pesquisa}

Parte 5

Parte 5 de 8:

Função de onda

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Aprenda sobre a função de onda. Trata-se de uma ferramenta matemática da mecânica quântica que descreve o estado quântico de uma partícula ou sistema de partículas. Costuma ser aplicada como propriedade de partículas relacionada à dualidade onda-partícula delas, onde é denominada de ψ(posição, tempo) e onde |ψ|² é igual à chance de encontrar a partícula em certo tempo e posição.^{[6]XFonte de pesquisa}
- Por exemplo, em um átomo com um só elétron, como o hidrogênio ou o hélio ionizado, a função de onda do elétron fornece uma descrição completa do comportamento dele. Ela pode ser decomposta em uma série de orbitais atômicos que formam a base das possíveis funções de onda. Para os átomos com mais de um elétron ou qualquer sistema com múltiplas partículas, o espaço subjacente é a configuração possível de todos os elétrons, e a função de onda descreve as probabilidades dessas configurações.
- Para se resolver problemas envolvendo a função de onda, é preciso ter familiaridade com os números complexos. Outros pré-requisitos incluem álgebra linear, a fórmula de Euler da análise completa e a notação bra-ket.
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Parte 6

Parte 6 de 8:

Equação de Schrödinger

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Entenda a equação de Schrödinger. Ela descreve como o estado quântico de um sistema físico muda com o tempo. É tão central para a mecânica quântica quanto as leis de Newton são para a mecânica clássica. As soluções dessa equação descrevem não apenas sistemas moleculares, atômicos e subatômicos, mas também sistemas macroscópicos, e talvez até o universo inteiro.^{[7]XFonte de pesquisa}
- A forma mais geral é a equação de Schrödinger dependente do tempo, que descreve a evolução de um sistema com o tempo.
- Para sistemas de estado estacionário, essa equação é suficiente. As soluções aproximadas dela costumam ser usadas para se calcular os níveis de energia e outras propriedades de átomos e moléculas.

Parte 7

Parte 7 de 8:

Superposição quântica

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Ela se refere à propriedade da mecânica quântica de soluções para a equação de Schrödinger. Como a equação é linear, qualquer combinação linear de soluções para uma equação particular também será uma solução para ela. Essa propriedade matemática das equações lineares é conhecida como princípio da superposição. Na mecânica quântica, essas soluções são geralmente transformadas em perpendiculares, como os níveis de energia de um elétron. Assim, a energia sobreposta dos estados é anulada, e o valor esperado de um operador (qualquer estado de superposição) é o valor esperado do operador nos estados individuais multiplicado pela fração do estado de superposição que está naquele estado.^{[8]XFonte de pesquisa}
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Parte 8

Parte 8 de 8:

Ignorando o panorama clássico

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Abandone as noções clássicas da física. Na mecânica quântica, o caminho da partícula é concebido de maneira completamente diferente, e a antiga teoria quântica é apenas um modelo para se entender a hipótese atômica.^{[9]XFonte de pesquisa}
- Na mecânica clássica, o caminho da partícula é determinado pela trajetória dela, enquanto que na mecânica quântica, há vários caminhos pelos quais ela pode viajar. Essa verdade está escondida no experimento da dupla fenda, no qual o elétron se comporta de acordo com a dualidade onda-partícula, e a ideia é explicada de maneira clara pela formulação de integrais de caminho de Feynman.
- Na mecânica quântica, a constante de normalização garante que a probabilidade de encontrar a partícula seja 1.
- Ignore completamente o modelo de Bohr para entender o nível mais alto da mecânica quântica. O motivo é simples: não é possível determinar o caminho exato do elétron em vários níveis orbitais.
- Se a mecânica quântica se aproxima do limite clássico, por exemplo, quando h tende a zero, os resultados se aproximam dos que estão mais próximos da teoria clássica.
- Na mecânica quântica, o resultado clássico é obtido usando-se o valor esperado, e o melhor exemplo está no teorema de Ehrenfest. Ele é derivado usando o método de operadores.

Dicas

Alguns dos pré-requisitos para a física quântica incluem os conceitos da mecânica clássica, o Hamiltoniano e as diferentes propriedades de ondas, como interferência, difração, etc. Consulte livros didáticos e de referência apropriados ou pergunte para seu professor de física. É preciso entender bem a física do ensino médio e os pré-requisitos para ela. Será necessário também aprender um pouco de matemática de nível universitário.
Resolva os problemas numéricos de física do ensino médio para praticar os conceitos necessários para resolver os problemas matemáticos da física quântica.
Há séries de palestras sobre o assunto no YouTube.