Mecânica Quântica: A Física do Mundo Microscópico

A mecânica quântica é a teoria física mais bem-sucedida já concebida, e você aprenderá o que a distingue de sua antecessora, a mecânica clássica. O professor Schumacher explica suas regras básicas para o curso, que foi criado para ensinar a você algumas das ideias e métodos profundos da mecânica quântica.

Você investiga o antigo debate sobre se o mundo físico é discreto ou contínuo. No século XIX, os físicos perceberam uma clara demarcação: A matéria é feita de átomos discretos, enquanto a luz é uma onda contínua de energia eletromagnética. Entretanto, alguns fenômenos estranhos continuavam difíceis de explicar.

No início do século XX, Max Planck e Albert Einstein propuseram ideias revolucionárias para resolver os enigmas sobre a luz e a matéria. Você explorará a descoberta de Planck de que a energia luminosa só pode ser emitida ou absorvida em quantidades discretas, chamadas quanta, e a aplicação desse conceito à matéria por Einstein.

A luz se propaga pelo espaço como uma onda, mas troca sua energia na forma de partículas. Você aprenderá como Louis de Broglie demonstrou que essa estranha dualidade onda-partícula também se aplica à matéria e como Max Born inferiu que essa relação torna a mecânica quântica inerentemente probabilística.

Você explora o mistério de por que os átomos são estáveis. Niels Bohr sugeriu que a teoria quântica explica a estabilidade atômica ao permitir apenas certas órbitas distintas para os elétrons. Erwin Schrödinger descobriu uma equação poderosa que reproduz os níveis de energia do modelo de Bohr.

Um dos conceitos mais famosos e incompreendidos da mecânica quântica é o princípio da incerteza de Heisenberg. Você traça o caminho de Werner Heisenberg para essa visão revolucionária das interações de partículas subatômicas, que estabelece um equilíbrio entre a precisão com que a posição e o momento de uma partícula podem ser definidos.

Você se concentra no debate Einstein-Bohr, que opôs a crença de Einstein de que os eventos quânticos podem, em princípio, ser conhecidos em todos os detalhes, à filosofia de complementaridade de Bohr - a visão de que a medição de uma variável quântica impede que uma variável diferente seja conhecida.

Iniciando sua apresentação da mecânica quântica de forma simplificada, o professor Schumacher discute os mistérios e paradoxos do interferômetro Mach-Zehnder. Ele conclui com um experimento mental que mostra que um interferômetro pode determinar se uma bomba vai explodir sem necessariamente detoná-la.

O interferômetro da aula anterior serve como um caso de teste para introduzir a matemática formal da teoria quântica. Ao aprender alguns símbolos e regras, você pode descrever os estados das partículas quânticas, mostrar como esses estados mudam com o tempo e prever os resultados das medições.

Muitas partículas quânticas se movem pelo espaço e também têm um spin intrínseco. A análise do spin oferece um laboratório simples para explorar as ideias básicas da mecânica quântica e é uma de suas principais ferramentas para entender o mundo quântico.

Os objetos macroscópicos obedecem ao princípio do floco de neve. Não há dois exatamente iguais. As partículas quânticas não obedecem a esse princípio. Por exemplo, cada elétron é perfeitamente idêntico a todos os outros. Você aprende que as partículas quânticas são de dois tipos básicos: bósons, que podem ocupar o mesmo estado quântico, e férmions, que não podem.

Você descobre que a tendência dos bósons de se reunirem no mesmo estado quântico pode levar a aplicações incríveis. Em um laser, um grande número de fótons é criado, movendo-se exatamente na mesma direção e com a mesma energia. Na supercondutividade, os efeitos quânticos permitem que os elétrons fluam para sempre sem resistência.

Por que a matéria é sólida, embora os átomos sejam, em sua maior parte, espaço vazio? A resposta é o princípio de exclusão de Pauli, que afirma que não há dois férmions idênticos que possam estar no mesmo estado quântico.

No nível fundamental, bósons e férmions diferem em um único sinal de menos. Uma maneira de entender a origem dessa diferença é com o truque da fita de Feynman, que o Dr. Schumacher demonstra.

Quando duas partículas fazem parte do mesmo sistema quântico, elas podem estar emaranhadas uma com a outra. Em seu famoso artigo "EPR", Einstein e seus colaboradores Boris Podolsky e Nathan Rosen usaram o entrelaçamento para argumentar que a mecânica quântica é incompleta. Você traça o raciocínio deles e a resposta de Bohr.

Trinta anos depois do EPR, o físico John Bell lançou uma bomba ainda maior, mostrando que uma teoria determinística da mecânica quântica, como o EPR, viola o princípio da localidade, ou seja, que partículas em interação próxima não podem ser afetadas instantaneamente por eventos que ocorrem em outra parte do universo.

Os diagramas de Feynman são uma ferramenta poderosa para analisar eventos no mundo quântico. Alguns diagramas mostram partículas se movendo para frente e para trás no tempo, enquanto outras partículas aparecem do nada e desaparecem novamente. Todos são cenários quânticos possíveis, que você aprenderá a traçar.

O vácuo quântico é um meio complexo e de rápida flutuação, que pode ser observado como uma pequena atração entre duas placas metálicas. Você também descobre que a energia do vácuo pode ser a fonte da energia escura que faz o universo se expandir a uma taxa cada vez mais acelerada.

Você explora a informação quântica e a computação quântica - a especialidade do Dr. Schumacher, para a qual ele foi pioneiro no conceito de "qubit", a unidade de informação quântica. Você aprenderá que, diferentemente das informações clássicas, como um livro ou uma gravação musical, as informações quânticas não podem ser perfeitamente copiadas.

A impossibilidade de copiar informações quânticas levanta a possibilidade de criptografia quântica - um método absolutamente seguro para transmitir uma mensagem codificada. Esta palestra explica como fazer isso, observando que alguns bancos e agências governamentais já usam a criptografia quântica para garantir a segurança de seus dados mais secretos.

Quais são as leis que regem a informação quântica? Charles Bennett propôs regras básicas que regem as relações entre diferentes tipos de informações. Investigue suas quatro leis, incluindo o teletransporte quântico, no qual o entrelaçamento pode ser usado para enviar informações quânticas instantaneamente.

Você explora os recursos intrigantes dos computadores quânticos, que ainda não existem, mas são teoricamente possíveis. Usando as leis da mecânica quântica, esses dispositivos poderiam fatorar números enormes, permitindo-lhes decifrar facilmente códigos convencionais inquebráveis.

Qual é a natureza fundamental do mundo quântico? Esta palestra analisa três possibilidades: as interpretações de Copenhague, de variáveis ocultas e de muitos mundos. As duas primeiras refletem os pontos de vista de Bohr e Einstein, respectivamente. A última postula um universo vasto e multivalorado que abrange todas as possibilidades do reino quântico.

Nesta palestra final, você refletirá sobre a metáfora de John A. Wheeler do Grande Dragão Fumegante, uma criatura cuja cauda aparece no início de um experimento e cuja cabeça aparece no final. Mas o que existe entre os dois é tão incerto quanto o caminho misterioso e desconhecido de uma partícula quântica.