o que é a física quântica? Simplificando, é a física que explica como tudo funciona: a melhor descrição que temos da natureza das partículas que compõem a matéria e das forças com as quais interagem.
A Física Quântica explica como os átomos funcionam, e por isso a química e a biologia funcionam como funcionam. Tu, eu e o gatepost, pelo menos a algum nível, estamos todos a dançar a música quântica., Se você quiser explicar como elétrons se movem através de um chip de computador, como fótons de luz se transformam em corrente elétrica em um painel solar ou amplificam-se em um laser, ou até mesmo como o sol continua queimando, você precisará usar a física quântica.
a dificuldade – e, para os físicos, a diversão-começa aqui. Para começar, não há uma única teoria quântica. Há a mecânica quântica, a estrutura matemática básica que sustenta tudo isso, que foi desenvolvida pela primeira vez na década de 1920 por Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e outros., Ele caracteriza coisas simples como a posição ou momento de uma única partícula ou grupo de poucas partículas muda ao longo do tempo.
Mas, para entender como as coisas funcionam no mundo real, a mecânica quântica deve ser combinado com outros elementos de física – principalmente, Albert Einstein da teoria da relatividade especial, que explica o que acontece quando as coisas se movem muito rápido – para criar o que é conhecido como quantum teorias de campo.,
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Três diferentes teorias de campo quântico lidar com três das quatro forças fundamentais pelos quais a matéria interage: o eletromagnetismo, que explica como os átomos mantêm juntos; a força nuclear forte, o que explica a estabilidade do núcleo no centro do átomo; e a força nuclear fraca, o que explica o porquê de alguns átomos sofrem decaimento radioativo.
ao longo das últimas cinco décadas, estas três teorias foram reunidas em uma coalizão ramshackle conhecida como o “modelo padrão” da física de partículas., Para toda a impressão de que este modelo é ligeiramente mantido junto com fita adesiva, é a imagem testada com mais precisão do trabalho básico da matéria que já foi concebido. Sua glória culminante veio em 2012 com a descoberta do bosão de Higgs, a partícula que dá a todas as outras partículas fundamentais sua massa, cuja existência foi prevista com base em teorias de campos quânticos em 1964.,
teorias de campo quântico convencionais funcionam bem na descrição dos resultados de experimentos em esmagadores de partículas de alta energia, como o Grande Colisor de Hádrons de CERN, onde o Higgs foi descoberto, que sonda a matéria em suas menores escalas. Mas se você quiser entender como as coisas funcionam em muitas situações menos esotéricas – como os elétrons se movem ou não se movem através de um material sólido e então fazem de um material um metal, um isolador ou um semicondutor, por exemplo – as coisas ficam ainda mais complexas.,
the billions upon billions of interactions in these crowded environments require the development of “effective field theories” that gloss over some of the gory details. A dificuldade em construir tais teorias é por que muitas questões importantes na física do Estado Sólido permanecem por resolver-por exemplo, por que a baixas temperaturas alguns materiais são supercondutores que permitem a corrente sem resistência elétrica, e por que nós não podemos fazer este truque funcionar à temperatura ambiente.
mas sob todos estes problemas práticos está um enorme mistério quântico., A um nível básico, a física quântica prevê coisas muito estranhas sobre como a matéria funciona que estão completamente em desacordo com como as coisas parecem funcionar no mundo real. Partículas quânticas podem se comportar como partículas, localizadas em um único lugar; ou podem agir como ondas, distribuídas por todo o espaço ou em vários lugares ao mesmo tempo. A forma como parecem depender de como escolhemos medi – los, e antes de medirmos eles parecem não ter propriedades definidas-levando-nos a um dilema fundamental sobre a natureza da realidade básica.,
Esta fuzziness leva a paradoxos aparentes como o gato de Schrödinger, no qual, graças a um processo quântico incerto, um gato é deixado morto e vivo ao mesmo tempo. Mas não é tudo. As partículas quânticas também parecem ser capazes de se afectar instantaneamente, mesmo quando estão longe umas das outras. Este fenômeno verdadeiramente enganador é conhecido como entrelaçamento, ou, em uma frase cunhada por Einstein (um grande crítico da teoria quântica), “ação assustadora à distância”., Tais potências quânticas são completamente estranhas para nós, mas são a base de tecnologias emergentes como a criptografia quântica ultra-segura e computação quântica ultra-poderosa.mas quanto ao que tudo significa, ninguém sabe. Algumas pessoas pensam que devemos apenas aceitar que a física quântica explica o mundo material em termos que achamos impossível de ajustar com a nossa experiência no mundo maior, “clássico”. Outros acham que deve haver uma teoria melhor e mais intuitiva que ainda temos de descobrir.
em tudo isso, há vários elefantes na sala., Para começar, há uma quarta força fundamental da natureza que até agora a teoria quântica não foi capaz de explicar. A gravidade continua a ser o território da Teoria Geral da relatividade de Einstein, uma teoria firmemente não quântica que nem sequer envolve partículas. Esforços intensos ao longo de décadas para colocar a gravidade sob o guarda-chuva quântico e assim explicar toda a física fundamental dentro de uma “teoria do tudo” não deram em nada.,
Enquanto isso cosmológico medições indicam que mais de 95% do universo é composto de matéria escura e energia escura, animais para o que temos atualmente nenhuma explicação dentro do modelo padrão, dilemas, tais como a extensão do papel da física quântica na bagunçado funcionamento da vida permanecem inexplicáveis. O mundo está em algum nível quântico – mas se a física quântica é a última palavra sobre o mundo continua a ser uma questão em aberto. Richard Webb
