Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO

A Mecânica Quântica (MC) começou a ser desenvolvida no início do século XX, após os físicos observarem que a física clássica não estava sendo suficiente para explicar certos fenômenos físicos que estavam em fase de experimentação.

Ela revolucionou as idéias que foram postuladas sobre a matéria até agora. Antigamente tinha-se como base que a matéria era composta por partículas ou ondas, porém através do estudo da Mecânica Quântica concluiu-se que a matéria é composta por partículas e ondas simultaneamente.

Um dos princípios que regem a mecânica quântica é o princípio da incerteza formulado por Heinsberg. De acordo com esse princípio não se pode determinar com precisão e simultaneamente o momento de uma partícula. Ou seja, em uma experiência não se pode determinar simultaneamente o valor exato de um componente do momento px de uma partícula e também o valor exato da coordenada correspondente, x. A fórmula que explica o principio da incerteza é essa ∆px . ∆x ≥ [pic 1], onde px é conhecido como a incerteza de ∆px, e a posição x no mesmo instante é a incerteza ∆x.

A Mecânica Quântica estuda os sistemas físicos com tamanhos e dimensões menores que a de um átomo. Apesar de ser aplicada, em sua maioria, em elementos microscópicos, também serve para analisar eventos macroscópicos.

O estudo da MC é uma área muito abrangente, foi através dela que foram descobertos os raios-X, a computação quântica, tem participação nos estudos da nanotecnologia e do eletromagnetismo. E ela foi de grande importância na indústria tecnológica, pois permitiu que houvesse um grande avanço na mesma, nas mais diversas áreas de aplicação.

1. TEORIA DE PLANCK

Em 1900 o alemão Max Planck postulou a teoria de que a matéria só podia emitir ou receber energia em pequenas quantidades chamadas “quanta”, essa teoria refutou a teoria ondulatória clássica, que afirmava a distribuição uniforme da energia através de ondas. As partículas oscilando só poderiam emitir energia por pacotes contínuos, e a energia destes seria proporcional a frequência na forma E=hf, onde “h” é chamado de constante de Planck.

1. EXPERIMENTO DE DUPLA FENDA

Um exemplo que a mecânica quântica explica é o chamado experimento de dupla fenda. Ele consiste em notar as divergências da propagação de um laser, ou fonte de energia quaisquer, dependendo da quantidade de fendas que a onda atravessa. Notamos na imagem que, ao passar por duas fendas, a onda passa por um estágio chamado de “superposição quântica”.

O que vem a ser essa superposição Quântica? Segundo a Mecânica Quântica significa a soma de funções de ondas. Basicamente se diz que a combinação das ondas resulta eu uma sobreposição, atingindo o local final (o que passou por mais quantidade de fendas) com mais intensidade.

        Apesar deste experimento não ter aplicações no nosso cotidiano, analisá-lo é importante, pois levanta a seguinte questão: Quanto vale o ponto de vista de cada pessoa? Estudos dentro da Mecânica Quântica tentam explicar o valor de um observador, pois, depois de várias tentativas dentro deste experimento se constatou o valor do ponto de vista individual, pois, dependendo do observador, as ondas finais poderiam ser vistas em linha reta ou em feixes sobrepostos.

[pic 2]

Figura 1: Conflito entre as ondas após a passagem por duas fendas.

1. EFEITO FOTOELÉTRICO

Outro estudo conhecido mundialmente que teve a utilização da Mecânica Quântica para que fosse realizado com sucesso é o chamado efeito fotoelétrico. Este experimento conseguiu relacionar a luz com corrente elétrica, fato que levou muitos cientistas ao fracasso na tentativa de explicá-lo. Quem conseguiu revolucionar a física e dar uma explicação plausível que relacionasse as frequências de luz com o movimento dos elétrons em uma corrente foi Albert Einstein.

        Partindo dos princípios estudados por Planck, Einstein propôs que a energia luminosa deve ser quantizada, isto é, um feixe de luz não significa energia “solta” no ar e sim aglomerados de energia (quantas). Alem dessa conclusão, usando as conclusões de Planck, Einstein nos dá uma formula matemática para calcular a energia desses aglomerados: frequência da onda multiplicado pela constante de Planck.

        Após todas as  aplicações matemáticas feitas por Einstein, a tecnologia se encarregou de que o efeito fotoelétrico participasse do cotidiano do ser humano, por meio de lasers que usam a frequência da luz emitida para gerar corrente elétrica e, por exemplo, fazer a leitura de um aparelho de DVD.

Hoje em dia este efeito fotoelétrico também é utilizado no mecanismo de abertura automática das portas de shoppings, acendimento automático das luzes de um recinto, sensor de presença embutido nas portas dos elevadores, evitando que os mesmos se fechem caso haja alguém à frente dele, etc.

1. COMPUTAÇÃO QUÂNTICA

A computação quântica (CQ) está sendo desenvolvida porque os computadores clássicos possuem limitações, principalmente na sua área de inteligência artificial (IA) em que não existem computadores com potência  ou velocidade suficiente para suportar Ias avançadas. Os computadores quânticos também estão sendo desenvolvidos para resolver problemas de fatoração de números primos muito grandes, logaritmos discretos e simulação de problemas de física quântica.

Um computador quântico realiza cálculos utilizando a teoria da sobreposição, que é uma técnica usada em Mecânica Quântica. Os CQs são incrivelmente mais rápidos que os computadores atuais, chegando ter sua velocidade próxima a velocidade da luz, eles são compostos de nêutrons, elétrons, fótons e pósitrons, com isso pode-se afirmar que o processador de um CQ possui tamanho em escala atômica.

Segundo os estudos um computador quântico será capaz de decodificar criptografias, que os computadores clássicos demorariam anos para decodificar, em apenas alguns segundos. A única maneira de contornar essa decodificação seria criando uma criptografia quântica, porém a mesma é praticamente inquebrável.