Teoria quântica é a base teórica da física moderna que explica a natureza e comportamento da matéria e energia a nível atómico e subatómico. A natureza e comportamento da matéria e energia a esse nível é por vezes referida como física quântica e mecânica quântica. Organizações de vários países têm dedicado recursos significativos ao desenvolvimento da computação quântica, que usa a teoria quântica para melhorar drasticamente as capacidades computacionais além do que é possível usando os computadores clássicos de hoje.
Em 1900, o físico Max Planck apresentou sua teoria quântica à Sociedade Física Alemã. Planck tinha procurado descobrir a razão pela qual a radiação de um corpo brilhante muda de cor de vermelho, para laranja e, finalmente, para azul à medida que a temperatura aumenta. Ele descobriu que ao assumir que a energia existia em unidades individuais da mesma forma que a matéria, e não apenas como uma onda eletromagnética constante - como tinha sido suposto anteriormente - e era portanto quantificável, ele pôde encontrar a resposta à sua pergunta. A existência dessas unidades tornou-se a primeira hipótese da teoria quântica.
Planck escreveu uma equação matemática envolvendo uma figura para representar essas unidades individuais de energia, que ele chamou de quanta. A equação explicou o fenômeno muito bem; Planck descobriu que em certos níveis discretos de temperatura (múltiplos exatos de um valor mínimo básico), a energia de um corpo incandescente ocupará áreas diferentes do espectro de cores. Planck assumiu que ainda havia uma teoria a emergir da descoberta dos quanta, mas, de facto, a sua própria existência implicava uma compreensão completamente nova e fundamental das leis da natureza. Planck ganhou o Prêmio Nobel de Física por sua teoria em 1918, mas os desenvolvimentos de vários cientistas durante um período de trinta anos todos contribuíram para a compreensão moderna da teoria quântica.
O Desenvolvimento da Teoria Quântica
- Em 1900, Planck assumiu que a energia era feita de unidades individuais, ou quanta.
- Em 1905, Albert Einstein teorizou que não apenas a energia, mas a radiação em si era quantizada da mesma forma.
- Em 1924, Louis de Broglie propôs que não há diferença fundamental na composição e comportamento da energia e da matéria; a nível atômico e subatômico ou pode se comportar como se fosse feito de partículas ou ondas. Esta teoria ficou conhecida como o princípio da dualidade onda-partícula: partículas elementares tanto de energia como de matéria comportam-se, dependendo das condições, como partículas ou ondas.>li> Em 1927, Werner Heisenberg propôs que a medição precisa e simultânea de dois valores complementares - como a posição e o momentum de uma partícula subatômica - é impossível. Ao contrário dos princípios da física clássica, sua medição simultânea é inevitavelmente falha; quanto mais precisamente um valor for medido, mais falha será a medição do outro valor. Esta teoria ficou conhecida como o princípio da incerteza, o que levou ao famoso comentário de Albert Einstein, "Deus não joga dados"
A Interpretação de Copenhaga e a Teoria de Muitos Mundos
As duas principais interpretações da teoria quântica para a natureza da realidade são a interpretação de Copenhaga e a teoria de Muitos Mundos. Niels Bohr propôs a interpretação de Copenhaga da teoria quântica, que afirma que uma partícula é o que quer que seja medida (por exemplo, uma onda ou uma partícula), mas que não se pode assumir que tenha propriedades específicas, ou mesmo que exista, até que seja medida. Em suma, Bohr estava dizendo que a realidade objetiva não existe. Isto se traduz num princípio chamado superposição que afirma que embora não saibamos qual é o estado de qualquer objeto, ele está em todos os estados possíveis simultaneamente, desde que não procuremos verificar.
Para ilustrar esta teoria, podemos usar a famosa e algo cruel analogia do Gato de Schrodinger. Primeiro, temos um gato vivo e o colocamos em uma caixa grossa de chumbo. Nesta fase, não há dúvida de que o gato está vivo. Depois, colocamos um frasco de cianeto e selamos a caixa. Não sabemos se o gato está vivo ou se a cápsula de cianeto se partiu e o gato morreu. Como não sabemos, o gato está morto e vivo, de acordo com a lei quântica - em uma sobreposição de estados. Só quando abrimos a caixa e vemos em que condição o gato está é que a superposição se perde, e o gato deve estar vivo ou morto.
A segunda interpretação da teoria quântica é a muitos mundos (ou multiverso teoria. Ela sustenta que assim que existe um potencial para que qualquer objeto esteja em qualquer estado, o universo desse objeto se transmuta em uma série de universos paralelos iguais ao número de estados possíveis em que o objeto pode existir, com cada universo contendo um único estado possível único desse objeto. Além disso, existe um mecanismo de interação entre esses universos que de alguma forma permite que todos os estados sejam acessíveis de alguma forma e que todos os estados possíveis sejam afetados de alguma forma. Stephen Hawking e o falecido Richard Feynman estão entre os cientistas que expressaram preferência pela teoria de muitos mundos.
Influência da Teoria Quântica
Embora os cientistas ao longo do século passado se tenham mostrado relutantes com as implicações da teoria quântica - entre eles Planck e Einstein - os princípios da teoria têm sido repetidamente apoiados pela experimentação, mesmo quando os cientistas tentavam refutá-los. A teoria quântica e a teoria da relatividade de Einstein formam a base da física moderna. Os princípios da física quântica estão sendo aplicados em um número crescente de áreas, incluindo ótica quântica, química quântica, computação quântica e criptografia quântica.