Um guia "sem matemática" (mas em sete partes) para a mecânica quântica moderna

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<img src = "https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2021/01/quantum-series-1-800×450.jpg" alt = "A mecânica quântica é complexa, uma coisa complicada. Mas isso posso ser explicado. "/>
Prolongar / A mecânica quântica é complexa, uma coisa dobre seu cérebro. Mas isso posso ser explicado.

Aurich Lawson / Getty Images

Algumas revoluções técnicas entram com drama e estrondo, outras passam despercebidas em nossa experiência cotidiana. E uma das revoluções mais silenciosas do nosso século atual foi a entrada da mecânica quântica em nossa tecnologia cotidiana. Antigamente, os efeitos quânticos ficavam confinados a laboratórios de física e experimentos delicados. Mas a tecnologia moderna depende cada vez mais da mecânica quântica para sua operação básica, e a importância dos efeitos quânticos só aumentará nas próximas décadas.

Como tal, chegou a hora de explicar a mecânica quântica – ou, pelo menos, seus fundamentos.

Meu objetivo nesta série de sete (!) Partes é apresentar os efeitos estranhamente bonitos da mecânica quântica e explicar como eles influenciam nosso mundo cotidiano. Cada edição incluirá uma caminhada guiada nas madeiras da mecânica quântica, onde admiraremos um novo – e muitas vezes surpreendente – efeito. De volta ao centro de visitantes, falaremos sobre como esse efeito é usado na tecnologia e onde procurá-lo.

Embarcar em uma série de artigos de mecânica quântica pode ser intimidante. Poucas coisas geram mais medo do que "uma simples introdução à física". Mas para os intrépidos e corajosos, farei algumas promessas antes de começarmos:

  • Sem matemática. Embora a linguagem da mecânica quântica seja escrita usando matemática bastante avançada, não acredito que seja necessário ler japonês para poder apreciar a arte japonesa. Nossa jornada se concentrará na beleza do mundo quântico.
  • Sem filosofia. Tem havido um fascínio com o "significado" da mecânica quântica, mas vamos deixar essa discussão para beber no pub. Aqui vamos nos concentrar no que vemos.
  • Tudo o que encontrarmos será verificado experimentalmente. Embora alguns dos resultados possam ser surpreendentes, nada que encontrarmos será especulativo.

Se você optar por me acompanhar nesta série de artigos, veremos fenômenos quânticos em escalas galácticas, observaremos partículas se misturarem e se misturarem e veremos como esses efeitos dão origem à nossa tecnologia atual e aos avanços que estão prestes a se concretizar. do laboratório.

Então, calce suas botas mentais, pegue seus binóculos e siga-me enquanto partimos para explorar o mundo quântico.

O que é mecânica quântica?

Minha mãe uma vez me perguntou: "O que é mecânica quântica?" Esta questão me deixou perplexo por um tempo. Minha melhor resposta até agora é que a mecânica quântica é o estudo de como pequenas partículas se movem e interagem. Mas essa é uma resposta incompleta, uma vez que os efeitos quânticos também podem ser importantes nas escalas galácticas. E é duplamente insatisfatório porque muitos efeitos como a supercondutividade são causados ​​pela combinação e mistura de múltiplas partículas.

De muitas maneiras, o papel da mecânica quântica pode ser entendido em analogia com a gravidade newtoniana e a relatividade geral de Einstein. Ambos descrevem a gravidade, mas a relatividade geral é mais correta – descreve como o Universo funciona em todas as situações que conseguimos testar. Mas 99,99 por cento do tempo, a gravidade newtoniana e a relatividade geral dão a mesma resposta, e a gravidade newtoniana é Muito de mais fácil de usar. Portanto, a menos que estejamos perto de um buraco negro ou fazendo medições precisas do tempo com um relógio óptico, a gravidade newtoniana é boa o suficiente.

Da mesma forma, a mecânica clássica e a mecânica quântica descrevem movimentos e interações. A mecânica quântica está mais certa, mas na maioria das vezes a mecânica clássica é boa o suficiente.

O que acho fascinante é que "bom o suficiente" cada vez mais não é. Grande parte da tecnologia desenvolvida neste século está começando a se basear na mecânica quântica – a mecânica clássica não é mais precisa o suficiente para entender como essas invenções funcionam.

Então, vamos começar a caminhada de hoje com uma pergunta aparentemente simples: "Como as partículas se movem?"

Mecânica quântica de cozinha

Alguns dos experimentos que veremos requerem equipamento especializado, mas vamos começar com um experimento que você pode fazer em casa. Como um programa de culinária, explicarei como fazê-lo, mas você é incentivado a acompanhar e fazer o experimento por si mesmo. (Compartilhe suas fotos na discussão abaixo. Pontos de bônus por configurar o experimento em seu cubículo / local de trabalho / outro ambiente criativo.)

Para estudar como as partículas se movem, precisamos de um bom atirador de ervilhas para fazer muitas partículas para brincarmos. Acontece que um apontador laser, além de entreter o gato, é um ótimo fonte de partículas. Ele produz grandes quantidades de fótons, todos se movendo quase na mesma direção e com quase a mesma energia (conforme indicado por sua cor).

Se olharmos para a luz de um apontador laser, ele sai do final do apontador laser e se move em linha reta até atingir um obstáculo e se dispersar (ou atingir um espelho e quicar). Nesse ponto, é tentador adivinhar que sabemos como as partículas se movem: elas saem do final do laser como pequenos rolamentos de esferas e se movem em linha reta até atingirem algo. Mas, como bons observadores, vamos ter certeza.

Vamos desafiar as partículas com uma pista de obstáculos, cortando fendas finas em papel alumínio com lâminas de barbear. Na folha de alumínio, fiz alguns cortes diferentes. O primeiro é uma fenda única, com alguns milímetros de comprimento. Para o segundo, empilhei duas lâminas de barbear e as usei para cortar duas fendas paralelas com alguns décimos de milímetro de distância.

Prolongar / Fendas horizontais em folha de alumínio feitas com lâminas de barbear. A fenda superior é de uma única lâmina, enquanto a inferior é de duas lâminas coladas juntas.

Miguel Morales

Em uma sala escura, eu configurei meu apontador laser para disparar através da sala e bater em uma parede vazia. Como esperado, vejo uma mancha (desde que o gato não esteja por perto). Em seguida, coloco a única fenda na folha de alumínio no caminho do laser e olho para o padrão na parede. Quando enviamos a luz através da única fenda, vemos que o feixe se expande dramaticamente na direção perpendicular para a fenda – não ao longo da fenda.

A luz do laser que passa pela única fenda horizontal é espalhada verticalmente
Prolongar / A luz do laser que passa pela única fenda horizontal é espalhada verticalmente

Miguel Morales

Interessante. Mas vamos prosseguir.

Agora vamos colocar as fendas próximas no feixe de laser. A luz está novamente espalhada, mas agora há um padrão listrado.

A luz laser que passa pelas duas fendas horizontais produz as faixas distintas da mecânica quântica.
Prolongar / A luz laser que passa pelas duas fendas horizontais produz as faixas distintas da mecânica quântica.

Miguel Morales

Parabéns! Você acabou de detectar um efeito de mecânica quântica! (whoo hoo emoji animado) Este é o experimento clássico de dupla fenda. O padrão listrado é chamado de interferência e é uma assinatura reveladora da mecânica quântica. Veremos muitas listras como essas.

Você provavelmente já viu interferência como essa antes, uma vez que a água e as ondas sonoras mostram exatamente esse tipo de faixa.

Ondas de água de duas fontes (uma visível em verde, a outra escondida atrás do apresentador). As ondas circulares se sobrepõem em regiões de força extra (listras brilhantes) e regiões onde as ondas se cancelam (faixas escuras). A formação de listras é uma assinatura do movimento das ondas.
Prolongar / Ondas de água de duas fontes (uma visível em verde, a outra escondida atrás do apresentador). As ondas circulares se sobrepõem em regiões de força extra (listras brilhantes) e regiões onde as ondas se cancelam (faixas escuras). A formação de listras é uma assinatura do movimento das ondas.

Na foto acima, cada bola cria ondas que se movem em um círculo. Mas uma onda tem um pico e uma depressão. Em alguns lugares, o pico da onda de uma das bolas sempre coincide com o vale da outra (e vice-versa). Nessas áreas as ondas sempre se anulam e as águas são calmas. Em outros locais, os picos das ondas de ambas as bolas sempre chegam juntos e se somam para formar uma onda extra alta. Nesses locais, as valas também são extremamente profundas.

O fato de estarmos vendo listras quando nosso apontador laser passa por duas fendas significa que as partículas são ondas? Para responder a essa pergunta, teremos que olhar mais de perto.

Fonte: Ars Technica