O que é – e o que não é – a Mecânica Quântica?

Por Carlos Bonin
Publicado na A Liga dos Cientistas Extra Ordinários

Muito se ouve sobre Física Quântica. Muito se vê sobre Princípio da Incerteza, sobre superposição de estados, sobre o papel do observador, sobre emaranhamento. Em alguns cantos sombrios da internet também se encontram vídeos sobre consciência quântica, textos sobre cura quântica e outras dessas bobagens. O objetivo deste texto é dar alguma ideia básica sobre o que a Mecânica Quântica é e, talvez, algo ainda mais importante: o que ela não é. Essa é uma tarefa difícil, visto que até mesmo para descrever o movimento de objetos macroscópicos simples, Newton precisou inventar o Cálculo Diferencial e Integral. Assim, o leitor pode imaginar o arcabouço matemático necessário para se ter uma visão introdutória sobre a Física Quântica.

Para começar, a Mecânica Quântica é uma teoria científica desenvolvida pelos físicos Heisenberg, Jordan, Pauli, Schrödinger, de Broglie, Bohr, Born e Einstein, entre outros, com a finalidade de se descrever certos fenômenos que não podiam ser explicados pelas teorias clássicas, como a Mecânica de Newton e o Eletromagnetismo de Maxwell. A maioria dos sistemas que ela estuda está relacionada aos fenômenos que ocorrem em escala diminuta, como aqueles que envolvem moléculas, átomos e componentes de átomos. Enfatizando: a Física Quântica não é esoterismo, é uma teoria científica. Assim, sempre que ouvir falar em “cura quântica”, “consciência cósmica e/ou quântica”, lembrem-se: a maior probabilidade é a de que vocês estejam diante de um charlatão que pouco ou nada sabe do que trata a Física Quântica.

A Mecânica Quântica é baseada numa série de postulados, em sua maioria contra-intuitivos, que são justificados quando as previsões obtidas a partir dela são corroboradas – isto é, não são contraditas – pelos experimentos desenvolvidos para testá-las. Não apresentarei aqui nem os postulados nem os experimentos, mas sim alguns dos principais conceitos que os postulados abrangem e que deles podem ser deduzidos (na discussão abaixo, “sistema quântico” pode ser um átomo, um elétron, um nêutron ou qualquer outro ente quântico). Alguns dos conceitos são:

• A Mecânica Quântica é intrinsecamente probabilística. Na Mecânica de Newton, se sabemos o estado clássico de um sistema num dado instante de tempo somos, em princípio, capazes de calcular o resultado com precisão absoluta de quaisquer quantidades físicas em quaisquer instantes de tempo posteriores ao instante inicial. Na Mecânica Quântica, por outro lado, para um sistema genérico, ainda que se saiba seu estado com precisão absoluta num dado instante de tempo, na melhor das hipóteses podemos apenas fazer predições sobre as probabilidades de se obter este ou aquele resultado na medição das diversas quantidades físicas em questão nos instantes de tempo não anteriores ao instante inicial. É importante ressaltar que, segundo a própria teoria quântica, essa incapacidade de se prever resultados de medições não seria devido à incompetência humana, mas algo intrínseco, próprio dos sistemas quânticos.
• Princípio da Incerteza de Heisenberg. Heisenberg é hoje em dia um nome famoso devido ao alter-ego do protagonista da série “Breaking Bad” e foi justamente em “homenagem” ao físico Heisenberg que o químico fictício Walter White escolheu esse nome. O princípio que também leva o nome de Heisenberg atesta que não se é possível medir simultaneamente a posição e o momento linear (algo que em sistemas clássicos simples estaria associado à velocidade do sistema) de um sistema quântico. Assim, é possível se medir com qualquer precisão que se deseje (dentro dos limites de validade da Mecânica de Schrödinger) ou onde o sistema quântico se encontra ou seu momento linear em qualquer instante de tempo, mas jamais ambos. A escolha de qual dessas quantidades medir fica a cargo do arranjo experimental montado pelo observador (ou seja, o físico que está realizando o experimento) e, dependendo de qual dessas quantidades se meça, a evolução temporal do estado do sistema é, também, definida e as medições futuras de quantidades físicas serão afetadas. É nesse sentido, e em nenhum outro, que se diz que o observador altera o comportamento de sistemas quânticos.
• Não existem trajetórias na Mecânica Quântica. O que é uma trajetória? Uma trajetória é o caminho percorrido por um sistema ao longo do tempo. Na Mecânica Clássica se é, em princípio, possível calcular a trajetória de uma partícula resolvendo-se a equação da segunda lei de Newton para a posição da referida partícula. Ao se fazer isso, necessariamente se acaba descobrindo a velocidade (ou o momento linear) da partícula em cada instante de tempo. Sem se conhecer o momento linear e a posição da partícula, não se pode calcular sua trajetória. Transportando essa análise para a Física Quântica, vemos que, de acordo com o Princípio da Incerteza de Heisenberg, é impossível se ter tanto a posição de um sistema quântico quanto o seu momento linear. Portanto, é impossível se ter trajetórias na Mecânica Quântica. Assim, quando um elétron é emitido de um ponto e detectado em outro, não faz sentido falar sobre qual caminho ele percorreu.
• Não existe visão pictórica na Mecânica Quântica. Imagine em elétron… O que quer que o leitor tenha imaginado, não procede. Um elétron não é uma bolinha. O elétron não é uma representação gráfica de um gráfico de uma função. Num exercício semelhante, pense num átomo. Se imaginou aquela visão clássica de uma bola maior no centro com pontinhos orbitando em volta como planetas em torno de uma estrela – como o desenho na testa do personagem “Dr. Manhatan” de “Watchmen” – também não está correto. Isso se pode afirmar pois, para qualquer representação pictórica de um sistema quântico, se pode desenvolver um experimento para testá-la e verifica-se que não é desse jeito. Por exemplo, no caso do desenho do átomo do Dr. Manhatan, o elétron estaria descrevendo uma trajetória ao redor do núcleo atômico. Conforme vimos, não existem trajetórias na Física Quântica.

Levando em conta que os livros-textos básicos de Mecânica Quântica têm centenas e até milhares de páginas e que a teoria foi desenvolvida há cerca de 80 anos e ainda hoje há pesquisa básica feita sobre ela, essa lista poderia se tornar bem mais extensa. No entanto, acredito que como ela está, ela seja suficiente para dar uma breve ideia do que é, e do que não é, a Física Quântica. A Mecânica Quântica é apenas uma teoria científica, assim como a gravitação, a evolução, o eletromagnetismo, o Big Bang e, ainda assim, embora ela não tenha sido desenvolvida para essa finalidade, o seu computador, o seu celular e o seu videogame só funcionam porque as experiências corroboram que os fenômenos quânticos apresentam as propriedades acima.

Referências

1. Messiah, A. (1999). Quantum Mechanics, Two Volumes in One.
2. Omnes, R. (2018). The interpretation of quantum mechanics. Princeton University Press.
3. Pessoa Jr, O. (2003). Conceitos de Física Quântica, Vol. 1. Editora Livraria da Física.
4. Sakurai, J. J. (1994). Modern Quantum Mechanics, Revised Edition. Reading: Addison-Wesley Publishing Company, Inc.