O que é a física quântica e o que ela altera em sua vida?

O que é a física quântica e a mecânica quântica? Quais as influências delas em nossas vidas? Dá pra entendê-las sem entender a matemática por trás?

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Física Quântica é atualmente um assunto muito falado. A princípio, poderíamos esperar que tal assunto ocorresse apenas na academia, entre cientistas. No entanto, ele se mostra presente em atividades religiosas e até mesmo em conversas de família. Pessoas que não tem nenhuma formação em Física mostram-se para os outros como entendedores de tal ramo da Física, muitas vezes sem nenhum conhecimento de Cálculo. Até que ponto isto pode ser verdade? Para melhor entendermos isto, conversei com a física Dra. Gabriela Barreto Lemos, que trabalha com óptica quântica e ganhou destaque mundial com um trabalho publicado por ela e sua equipe na revista Nature:

Figura: Física brasileira Dra. Gabriela Barreto Lemos.

Pedro Pinheiro: O que é a física, física quântica e a mecânica quântica?

Gabriela Barreto Lemos:A física é uma ciência que busca criar e testar modelos (uma história coerente e lógica, contada por conjunto de equações matemáticas) que descrevem e preveem a constituição e o movimento de objetos inanimados, tais como átomos, a luz, carros, árvores, estrelas e a Terra. Cada teoria tem seu escopo, pois ainda não temos um conjunto de equações que se apliquem a todos os fenômenos, desde reações químicas a furacões ou o movimento de galáxias. Cada teoria é capaz de prever resultados de experimentos somente dentro uma determinada escala (dos átomos, das árvores, das estrelas ou das galáxias) e dentro de uma limite de energia e massa. Por exemplo, as equações de Newton, que estudamos na escola, explica e prevê muito bem o movimento de pedras rolando e dos carros. Mas para descrever com precisão o movimento das estrelas, ou construir um GPS, é preciso lançar mão da teoria da relatividade de Einstein. Já esta última não dá bons resultados na previsão do movimento de um átomo. A física quântica é uma teoria desenvolvida ao longo dos últimos 114 anos, que tem tido um sucesso enorme em descrever e prever o que acontece na escala microscópica. Ela procura descrever o movimento de átomos, elétrons, partículas ainda menores e a luz. A mecânica quântica é a parte da física quântica que funciona no limite de baixas energias. Por exemplo, a física quântica engloba tanto o estudo de partículas produzidas em colisões extremamente energéticas nos aceleradores de partículas, quanto a estrutura de átomos e sua interação com a luz. A mecânica quântica funciona para descrever partículas com altas velocidades e partículas geradas em colisões muito energéticas, no entanto funciona melhor para descrever átomos a temperaturas baixas.

P.P.: Ela interfere diretamente em nossas vidas? Como?

G.B.L.: Muito! A física quântica nos levou a uma compreensão sobre todos os átomos que constituem toda a matéria que conhecemos, inclusive nosso corpo e as plantas. Também nos deu muito conhecimento acerca das reações químicas, que por sua vez levou a revoluções na medicina. Além disso, o conhecimento adquirido com a física quântica nos permitiu construir câmeras digitais, luzes LED que gastam pouca energia, todos os aparelhos portáteis que utilizamos no dia-a-dia (laptops, telefones celulares, tablets, etc), todos os tipos de laser e várias tecnologias, como imagens por ressonância magnética, essenciais hoje no diagnóstico de doenças!

P.P.: O que o famoso físico Richard Feynman quis dizer com sua famosa frase “Se você acha que entendeu alguma coisa sobre mecânica quântica, então é porque você não entendeu nada.”?

G.B.L.: A nossa compreensão dos fenômenos quânticos se caracteriza por um conjunto de fórmulas matemáticas que podemos aplicar na construção de novas tecnologias. Na física, toda teoria é formulada na linguagem da matemática, através de equações. Mesmo que saibamos utilizar e manipular as equações, que é o nosso objetivo principal, é impossível traduzir perfeitamente as equações da física quântica para o português, o inglês, o chinês ou para qualquer língua falada, pois os objetos microscópicos (elétrons, átomos, etc) são absolutamente distintos dos objetos com que lidamos no dia-a-dia (cadeiras, mesas, bicicletas, rodas…). Aliás, nem podemos chamá-los de “objetos”.

Seria como tentar explicar o que é “cor” para uma pessoa privada de sua visão desde o nascimento. Até podemos fazer analogias através do som ou usando elementos táteis, mas não é possível para aquela pessoa realmente compreender o que é cor.

Não somos capazes de imaginar ou “visualizar” os movimentos das partículas quânticas. mesmo que saibamos muito bem quais as equações que regem tais movimentos. Acho que Feynman quer dizer que se você conseguiu imaginar, visualizar, fazer um filme na sua cabeça sobre um fenômeno quântico, esse filme só pode estar incompleto. Só é possível compreender a física quântica através da matemática.

P.P.: Dá para uma pessoa entender a física quântica sem ter estudado toda a matemática por trás?

G.B.L.: Seria muita arrogância supor que nós seres humanos sejamos capazes de entender o universo completamente. Sequer podemos tocá-lo ou vê-lo ou imaginá-lo completamente.

Como eu escrevi acima, é impossível explicar em palavras as equações matemáticas da física quântica. Com o uso de analogias e alegorias é possível construir uma ideia vaga sobre alguns fenômenos quânticos, mas sem a matemática fica impossível realmente “entender” a física quântica.

Para nós físicos, o essencial de uma teoria física é descrever fenômenos a partir de uma formulação matemática coerente e lógica, que nos permita prever estatisticamente os resultados de experimentos novos e que nos permita manipular a natureza para construir tecnologias novas.

P.P.: O que é o entrelaçamento quântico? Por acaso é algum meio de comunicação acima da velocidade da luz ou alguma coisa “mágica”?

A resposta dessa pergunta foi gravada em vídeo e publicada no canal AstroTubers, assista:

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