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O que é física quântica?

Conheça o ramo da ciência que estuda os fenômenos ocorridos com partículas atômicas e subatômicas.

14 de fevereiro de 2022
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A física quântica é um dos ramos mais bem-sucedidos da ciência. Ela é capaz de estudar o comportamento de diversos fenômenos que ocorrem em escalas moleculares, atômicas e nucleares. 

Ao longo dos anos, muitas teorias foram sendo difundidas sobre a física quântica, passando pela física, química e até mesmo pela espiritualidade. Graças ao surgimento da mecânica quântica, por exemplo, temos tecnologias de ponta que cabem na palma das nossas mãos.

Mas afinal, o que é física quântica? Você sabe por que ela é conhecida por ser “impossível” de entender? É isso que vamos ver!

O que é a física quântica?

A física quântica é o ramo da ciência que estuda os fenômenos ocorridos com partículas atômicas e subatômicas, isto significa que essas partículas são do mesmo tamanho ou menores que os átomos. Como: os elétrons, os fótons, as moléculas e os prótons.

Essas micropartículas não são influenciadas pelas leis que compõem a física clássica, como a gravidade, a lei da inércia, ação e reação, etc. Isso quer dizer que ao contrário da física clássica, a física quântica é classificada como “não intuitiva”. 

Neste ramo teórico, determinadas coisas são tidas como verdade mesmo quando aparentam não ser. 

Como surgiu a física quântica?

A física quântica tem sua origem no início de 1920, com os estudos de Max Planck (1858 – 1947). Na sua teoria quântica, Planck explica o fenômeno da emissão de radiação por um corpo negro ao sugerir a quantização da energia contida na radiação térmica.

A palavra quântico (quantização) indicava que cada átomo emitido pelo corpo negro só poderia trocar pequenos pacotes de energia (hoje chamados de fótons). 

Ela se refere à alteração instantânea dos elétrons que contém um nível mínimo de energia para um superior, caso sejam aquecidos. 

Assim, a teoria de Planck contrariava a física clássica que afirmava que quaisquer valores de energia estavam ligados a ondas eletromagnéticas.

Planck utilizava o argumento da quantização da energia para explicar seus experimentos e essa ideia foi adotada um tempo depois por outro físico brilhante, Albert Einstein.

Para Einstein a quantização não se aplicava exclusivamente à radiação térmica, mas também às demais frequências de ondas eletromagnéticas. Foi, inclusive, Albert Einstein que batizou a equação de Planck de quantum (do latim, que significa “quantidade”). 

A partir desse momento, Einstein explicou com sucesso o mecanismo por trás do efeito fotoelétrico, que sugeriu que a luz e as demais ondas eletromagnéticas tinham capacidade para se comportar ora como onda, ora como partículas.

Em seguida foi a vez do físico francês Louis de Broglie entrar em cena e sugerir que partículas como prótons, nêutrons e elétrons pudessem se comportar como ondas.

De Broglie calculou o comprimento de onda relacionado a cada partícula e com o resultado do seu experimento, mostrou que as partículas podiam sofrer interferência, difração, reflexão etc., da mesma forma que sofrem as ondas. Nascia assim a mecânica quântica.

O princípio da incerteza

Mesmo com muitos experimentos, por muito tempo não era possível entender como um elétron podia se comportar como uma partícula e como uma onda (o que chamamos de “dualidade onda-partícula”). 

A resposta veio com o estudo de Werner Heisenberg, que apresentou o princípio da incerteza. O princípio da incerteza de Heisenberg mostra que é impossível de se obter, com precisão, a velocidade e a posição de uma partícula no mesmo instante.

Isso quer dizer que se fosse possível saber, com certeza, a posição da partícula, a informação sobre sua velocidade seria perdida e vice-versa. O princípio de Heisenberg nos mostrou que a física quântica não é determinística como a física clássica, ela é probabilística.

Além dos já citados, diversos outros cientistas e físicos contribuíram para o desenvolvimento da física quântica ao longo do século XX, como: 

  • Niels Bohr (1885 – 1962),
  • Erwin Schrödinger (1887 – 1961),
  • Max Born (1882 – 1970),
  • John von Neumann (1903 – 1957),
  • Wolfgang Pauli (1900 – 1958),
  • Richard Feynman (1918 – 1988),
  • entre outros.

Aplicações da física quântica

Agora que já entendemos o mundo improvável da física quântica, vamos conferir algumas de suas aplicações no dia a dia:

  • Espectroscopia: é o estudo da interação entre a radiação eletromagnética e a matéria, analisando a luz emitida e absorvida por átomos. A técnica é largamente utilizada na detecção de materiais, desde gases a sólidos.
  • Datação por carbono-14: é possível estimar a idade de uma amostra de qualquer material orgânico medindo o percentual de carbono-14 em seu interior. Ele está presente em toda a matéria, mas sua quantidade total diminui pela metade a cada 5700 anos.
  • Energia solar: a energia que é obtida através dos painéis solares só existe graças à descoberta e à interpretação do efeito fotoelétrico explicado por Einstein. Nesse fenômeno os fótons colidem com os elétrons do material, ejetando-os para fora do próprio material.

Física quântica e espiritualidade

Muito se fala sobre a ligação entre a física quântica e conceitos filosóficos e espirituais, entretanto, do ponto de vista da física, não existe qualquer relação entre os temas.

Para os defensores desta relação, a resposta é o princípio da causalidade e incerteza da teoria, que diz ser possível existir duas situações diferentes e simultâneas para determinado corpo subatômico. 

E, já que o assunto é física, que tal continuar no blog e conhecer 10 descobertas premiadas pelo Nobel de Física?

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Por que nada pode viajar mais depressa que a luz?

Você já deve ter ouvido que nada é capaz de viajar mais rápido que a velocidade da luz. Mas, por um breve momento, acreditou-se que sim.

29 de setembro de 2019
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Você já deve ter ouvido que nada é capaz de viajar mais rápido que a velocidade da luz. Mas, por um breve momento, acreditou-se que sim.

A teoria de que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo significa, basicamente, que nada pode ultrapassar os 299.792.458 metros por segundo ou arredondando, 300 mil km por segundo. Essa ideia foi proposta por Albert Einstein em sua Teoria da Relatividade, baseada em estudos anteriores de diversos cientistas para estabelecer que o limite de velocidade universal é o que a luz atinge quando se desloca pelo vazio do cosmos. Você sabe por quê?

 

Impossibilidade física

Isso nos leva à Teoria da Relatividade Especial de Albert Einstein, de 1905, que diz que a velocidade da luz é o que conecta o tempo e o espaço. Segundo o catedrático de Física Antonio Ruiz de Elvira, não é possível deslocar um objeto a uma velocidade superior à da luz porque, de forma simples e resumida, a única coisa capaz de mover uma partícula com massa é outra força que viaje a essa velocidade.

Zunindo pelo vácuo (BBC)

De acordo com Antonio, o objeto “empurrado” acabaria ganhando massa quando submetido a grandes velocidades. E, considerando que o ganho aumentaria bastante conforme o corpo se aproximasse da velocidade da luz, isso interferiria em sua capacidade de deslocamento. Sendo assim, nenhum corpo pode viajar mais depressa do que a força que o empurra.

Segundo o que prevê a Teoria da Relatividade, o aumento de massa aconteceria rapidamente conforme a velocidade do objeto se aproximasse à da luz. E, quanto mais próximo desse limite o corpo chegasse, considerando que o ganho de massa aumentaria infinitamente, seria necessária uma força — também — infinita para que o objeto se elevasse à velocidade da luz.

A famosa equação de Einstein tem uma parte “menos lembrada”, que descreve como a massa de um objeto muda quando há movimento envolvido: E = mc² (Energia é igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado). Na verdade, a equação completa é E²=(mc²)²+(pc)². A parte final é a que descreve como a massa do objeto muda quando há movimento envolvido.

 

Teoria ameaçada

Em 2011, foi anunciada uma descoberta que ameaçou anular tudo o que sabemos sobre a velocidade da luz, a Teoria da Relatividade e a física moderna!

Isso aconteceu na Suíça, quando físicos europeus conduziram um experimento chamado Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (Opera, na sigla em inglês), para estudar o fenômeno da oscilação de neutrinos. Diferentemente das partículas de luz, os neutrinos são partículas que possuem uma pequena quantidade de massa. Por isso, segundo a Teoria da Relatividade Especial de Einstein, deveriam viajar a uma velocidade menor que a da luz.

No entanto, naquele ano, o projeto chamou a atenção de toda a comunidade internacional quando anunciou a detecção de neutrinos se movimentando em uma velocidade superior à da luz, o que poderia revolucionar a Física moderna.

No entanto, tudo não passou de um mal entendido por causa de um cabo de um relógio digital em um laboratório, que estava mal conectado. Quando alguém percebeu e o conectou corretamente, tudo voltou à normalidade e ficou comprovado que os neutrinos estavam viajando a uma velocidade mais baixa que a da luz.

Toda a Física moderna foi questionada, portanto, por causa de um cabo de fibra ótica solto, que fez com que a passagem do tempo fosse registrada de maneira incorreta. Acredita?

Mas é assim que a ciência funciona e deve funcionar. Cientistas cometem erros e aprendem com eles. É preciso provas muito fortes para mudar os rumos da Física, e é a partir de testes, experimentações, erros e acertos que isso é possível — mesmo que leve séculos.

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Buraco negro: Parece que Einstein acertou mais uma vez

A primeira imagem de um buraco negro representa um marco histórico para a astrofísica, mas também serve para confirmar e validar a teoria geral da relatividade do renomado físico Albert Einstein.

21 de maio de 2019
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Estima-se que os buracos negros sejam fenômenos cósmicos que se originam quando uma estrela entra em colapso. O restante de sua matéria fica limitado a uma pequena região, que logo dá lugar a um imenso campo gravitacional, levantando algumas das questões mais complexas sobre a natureza do espaço e do tempo e, agora, até mesmo sobre nossa existência.

A primeira imagem de um buraco negro representa um marco histórico para a astrofísica, mas também serve para confirmar e validar a teoria geral da relatividade do renomado físico Albert Einstein, agora os buracos negros são reais, não mais uma simulação de cálculos teóricos.

Na imagem, registrada de 05 a 11 de abril de 2018, o buraco negro parece um anel laranja em torno de uma silhueta redonda escura, na qual os astrônomos reconheceram o buraco negro na galáxia batizada de M87, e, para ter ideia da sua dimensão, ele é maior que o tamanho de nosso Sistema Solar inteiro. Ele não se localiza exatamente no centro da galáxia, mas a 22 anos-luz na lateral — o que facilitou o reconhecimento, o buraco negro tem 40 bilhões de quilômetros de diâmetro – cerca de 3 milhões de vezes o tamanho de nosso planeta – e é descrito pelos cientistas como um “monstro”.

 

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Simulação / expectativa /  imagem real (@thelionlaw)

 

Nenhum telescópio, sozinho, seria poderoso o suficiente para visualizar o buraco negro.

Assim, o professor Sheperd Doeleman, do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, liderou um projeto para montar uma rede de oito telescópios interligados. Juntos, eles formam o Telescópio Event Horizon e podem ser considerados como uma variedade de pratos do tamanho de um planeta.

Cada um está localizado no alto de uma variedade de locais exóticos, incluindo vulcões no Havaí e no México, montanhas no Arizona e na Sierra Nevada espanhola, no deserto do Atacama no Chile e na Antártida. Uma equipe de 200 cientistas apontou os telescópios em rede em direção à M87 e examinou seu coração durante um período de 10 dias.

A primeira imagem de um buraco negro coincide com os simulações baseadas nas equações de Einstein, que previam um anel brilhante no entorno de uma forma escura. Nessa simulação, a luz seria produzida por partículas de gás e poeira aceleradas em alta velocidade e destruídas pouco antes de desaparecer no buraco. A área escura seria a sombra que o buraco lança nesse turbilhão.

Esta imagem permitirá novos estudos, ninguém ainda sabe como o anel luminoso é realmente criado, e muito menos o que acontece quando um objeto entra no buraco negro. Cientistas acreditam que existam explicações mais complexas para a gravidade ainda não descobertas, nem mesmo por Einstein, e é no buraco negro que, provavelmente, essas limitações devem ser expostas.

Outra curiosidade é que a luz é mais brilhante do que todas as bilhões de outras estrelas da galáxia combinadas – e é por isso que ela pode ser vista da Terra. A borda do círculo visto na imagem é o ponto no qual o gás entra no buraco negro, do qual nem mesmo a luz pode escapar. É o ponto em que todas as leis da física são quebradas.


Fontes:

BBC | El Pais

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Albert Einstein: detalhes da vida do mais célebre cientista do século XX

Aos três anos ele não sabia falar, aos seis aprendeu a tocar violino, aos 17 anos renunciou a sua cidadania…

18 de abril de 2018
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Aos três anos ele não sabia falar, aos seis aprendeu a tocar violino, aos 17 anos renunciou a sua cidadania alemã e ficou sem pátria por alguns anos. Lutou pela paz mundial e pela justiça social. Estas são algumas particularidades da história de vida de um dos maiores gênios da humanidade. Sim, estamos falando de Albert Einstein!

O físico e matemático alemão desenvolveu a Teoria da Relatividade, fruto de uma exaustiva pesquisa de uma década. A nova e radical visão das interações entre o espaço, o tempo, a matéria, a energia e a gravidade é considerada a mais importante contribuição cientifica do século XX.

Isso porque ela fez cair por terra a Teoria de Isaac Newton, de 200 anos antes, de que espaço e tempo eram conceitos independentes. Até então, acreditava-se que o tempo fluía de modo equitativo e o espaço permanecia inamovível. Einstein comprovou por seus estudos que tempo e espaço são relativos. Ele estabeleceu a relação entre massa e energia e deduziu a famosa equação: E = mc².

Vida pessoal
Albert Einstein nasceu em 14 de março de 1879, em Ulm, na Alemanha. Com um ano de idade, mudou-se com sua família, de classe média judaica, para Munique, onde estudou o primário em uma escola católica. Seu pai, Hermann Einstein, foi um vendedor e engenheiro, e abriu uma empresa que fabricava equipamentos elétricos.

Com dificuldades nos negócios, em 1894 a família se mudou para a Itália, mas Einstein permaneceu em Munique para terminar os estudos. Dos 9 aos 15 anos, estudou na Luitpold Gymnasium, onde se interessou por geometria e álgebra, destacando-se rapidamente. No entanto, não se adaptava à rígida educação prussiana, não frequentava as aulas com regularidade, e acabou sendo expulso da escola.

Entrou para a Escola Politécnica Federal da Suíça, onde, em 1900, conclui a graduação em Física. Em 1901 escreveu seu primeiro artigo científico “A Investigação do Estado do Éter em Campo Magnético”. Em fevereiro deste mesmo ano recebeu a naturalização suíça. Em 6 de janeiro de 1903 casou-se com Mileva Maric, uma estudante de Física da Sérvia, com quem teve três filhos.
Anos mais tarde, em 1919, ele se separou de Mileva e casou com uma prima, Elsa Löwenthal.

Vida profissional

Albert Einstein teve uma carreira notável, reconhecida principalmente a partir de 1905, quando formulou a teoria da relatividade, que conduziria à libertação da energia atômica. Neste mesmo ano, publicou, na Revista Anais de Física, quatro artigos que se tornariam fundamentais para a Física Moderna. Um deles lhe renderia o Nobel de Física.

Conheça mais fatos marcantes na vida do cientista:

1909: tornou-se professor na Universidade de Zurique
1910: começou a lecionar na Universidade de Praga
1912: ocupou a cadeira de Física, da Escola Politécnica Federal da Suíça
1913: nomeado professor para a Universidade de Berlim e diretor do Instituto Kaiser Wilhelm de Física. Torna-se membro da Academia de Ciências da Prússia
1915: apresentou na Academia de Ciências da Prússia a Teoria da Relatividade Geral.
1921: recebeu o Prêmio Nobel de Física por suas descobertas sobre a lei dos efeitos fotoelétricos
1933: renunciou seus cargos em Berlim e ingressou no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, nos Estados Unidos.

Albert Einstein seguiu sua carreira acadêmica em 1945. Além da ciência, também se dedicou a assuntos políticos. Humanista convicto, lutou pela paz mundial e pela justiça social e a liberdade. Em 1946, apoiou projetos de formação de um governo mundial e a troca de segredos entre as grandes potências atômicas, almejando a paz mundial.

Faleceu em Princeton, Estados Unidos, no dia 18 de abril de 1955, aos 76 anos. Ele era cidadão americano desde 1940.

E aí uma vida de muitas conquistas e descobertas, não é mesmo?

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