- há 2 dias
Um elétron pode estar em dois lugares ao mesmo tempo? A luz é uma onda ou uma partícula? Qual é a diferença da física quântica para a "normal"?
O Oráculo que responde a essas e outras perguntas é Patrícia Castilho, professora do Instituto de Física de São Carlos da USP e pesquisadora apoiada pelo Serrapilheira.
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DiversãoTranscrição
00:00Oi, eu sou a Patrícia Castilho, sou professora de Física do Instituto de Física de São Carlos,
00:04da Universidade de São Paulo, a USP, e hoje eu estou aqui para ser o oráculo de vocês em Física Quântica.
00:14O que é Física Quântica e qual a diferença dela para a Física Normal?
00:18Bom, o que entendemos hoje sobre Física Quântica é, na verdade, um conjunto de conceitos
00:23que foram desenvolvidos no início do século XX e que conseguem descrever de forma precisa
00:29o comportamento de partículas muito pequenas do mundo microscópico, como os átomos e os elétrons
00:36dentro de um material condutor. Assim como a mecânica newtoniana ou a Física Clássica,
00:42a Física Quântica busca descrever o comportamento dessas partículas quando interagindo com o Universo
00:48ao redor delas. Então, nesse sentido, existem diversos aspectos que diferenciam a Física Clássica
00:55da Física Quântica. E entender essas diferenças consiste em entender os próprios fundamentos
01:01da Física Quântica. Então, o que a gente pode fazer aqui é discutir uma das diferenças principais
01:07entre esses dois modelos, que é o princípio de superposição. Então, imagina que a gente tem uma
01:12partícula clássica que está se movendo no espaço. Se a gente conhecer a posição dessa partícula,
01:17como essa posição evolui no tempo, a gente consegue encontrar a velocidade associada à partícula
01:23e a sua aceleração e todas as outras grandezas associadas a esse movimento.
01:28Isso não é mais verdade quando a gente tem uma partícula quântica. Então, imagine que a gente
01:31tem uma partícula quântica que tem dois estados possíveis, por exemplo, um estado A e um estado B.
01:38Isso significa que quando eu for medir uma grandeza associada a esse estado, eu vou encontrar
01:42um valor A ou um valor B para essa medida. Mas esses dois estados, A e B, não são os únicos
01:48estados possíveis para essa partícula. Essa partícula pode existir também em um estado
01:53de superposição com A e B. Nesse caso, ao medir a grandeza física relacionada a esse estado,
02:02a gente não sabe se a gente vai encontrar um valor A ou um valor B. Na verdade, uma vez que eu fizer
02:08uma medida, eu posso encontrar tanto o valor A, tanto o valor B. E ao repetir essa medida várias e várias
02:15vezes, eu vou encontrar uma probabilidade de encontrar o valor A e uma outra probabilidade
02:23de encontrar o valor B. E essas probabilidades são definidas por esse meu estado de superposição.
02:28Então, essa incerteza em encontrar um valor A ou um valor B não é uma incerteza de como a gente
02:34prepara o estado. Ela, na verdade, é uma incerteza intrínseca desse estado de superposição.
02:40é uma característica desse estado quântico dessa partícula. Faz sentido, agora, a gente falar de
02:46uma distribuição de probabilidades de encontrar um dado valor ou um outro dado valor que represente
02:54esse estado dessa partícula. Um elétron pode estar em dois lugares ao mesmo tempo? Sim e não. Como a gente
03:00acabou de introduzir, uma partícula quântica pode estar em um estado de superposição. Então, a gente pode
03:06pensar em preparar o estado de um elétron, que é um estado de superposição entre duas posições
03:13espaciais distintas. Enquanto ele está nesse estado de superposição, sim, a gente pode falar que a posição
03:19desse elétron é delocalizada. Ele estaria nas duas posições ao mesmo tempo. Mas, uma vez que a gente
03:28realiza uma medida, essa medida, ela vai dar para a gente uma resposta. Ou o elétron está numa posição 1 ou ele está
03:37nessa posição 2. Isso faz com que o estado, que antes era um estado de superposição desse elétron, colapsa em um estado
03:45com o elétron em uma posição ou o elétron na outra posição. Mas existem experimentos interessantes que exploram
03:53esse caráter de não localidade de alguns estados de partículas quânticas. Um desses experimentos é o
04:02experimento da dupla fenda. Esse experimento, ele consiste basicamente em a gente ter um
04:08aparato com dois buraquinhos, duas aberturas ou duas fendas. E a gente pode fazer incidir por esse
04:15aparato um elétron. E aí, esse elétron, ele vai ser depois identificado, observado, após passar por essas
04:25duas aberturas. E a gente vai conseguir detectar em qual posição esse elétron vai aparecer. Se a gente
04:32fizer essa medida, e a gente fizer a medida com apenas um elétron, a gente vai poder encontrar uma posição
04:42para esse elétron nesse outro aparato, depois desse, desse aparato de duas fendas. Mas se eu fizer várias e
04:49várias medidas, sempre usando um elétron, o que eu vou encontrar depois é um perfil de interferência que
04:57vai representar para a gente a distribuição de probabilidade que esse elétron tem de ser encontrado
05:05numa dada posição após passar por essas duas fendas. Isso está relacionado com o fato de que o elétron,
05:12esse elétron, ele pode tanto passar pela abertura de cima, como pela abertura de baixo. Os dois caminhos
05:18são possíveis. E esse perfil de interferência, ele vem de uma interferência desses dois caminhos
05:25possíveis para o elétron. A gente não sabe por qual das fendas o elétron passou. É interessante notar que se
05:32tampássemos apenas uma das fendas e olhássemos qual que é a distribuição de probabilidade que a gente
05:39colocaria o elétron nesse outro aparato e depois fizéssemos a mesma coisa com a outra fenda, a gente
05:45veria que esse perfil de interferência de quando as duas fendas estão abertas, ele é diferente da soma de
05:52cada um desses perfis de distribuição individual de cada uma das fendas. Isso porque é de fato um um efeito
05:59de interferência de não saber por qual caminho esse elétron passa, se ele passa pela fenda de cima ou passa pela
06:07fenda de baixo. De fato, esse elétron, ele pode parecer um pouco estranho pra gente, mas ele passa pelas duas fendas ao
06:15mesmo tempo e gera esse padrão de interferência. Além disso, esse perfil de interferência é um perfil característico de um
06:23comportamento ondulatório. Então a gente pode associar a essa nossa partícula massiva, né, essa partícula que é um elétron, um
06:33comportamento agora de onda, ou seja, a gente pode descrever o comportamento dele a partir de uma função de onda, que vai ser regida por uma equação de onda que a gente chama de equação de Schroeder.
06:45Schroeder. Então, esse comportamento de onda é muito parecido com o comportamento de outras ondas comuns ao nosso dia a dia, como o comportamento de ondas na superfície da água, ou o comportamento de ondas acústicas, ou mesmo de uma corda num violão, em um violinho.
07:00A luz é uma onda ou uma partícula? Então, assim como a matéria pode ser descrita como uma partícula no que diz respeito ao nosso mundo macroscópico, da física clássica, ou como uma onda, quando a gente olha para o comportamento
07:12microscópico regido pela mecânica quântica, também a luz pode ser descrita como onda ou partícula, de acordo com o fenômeno que a gente quer explicar.
07:22Essa dualidade onda-partícula só explicita o fato de que a luz pode ser melhor descrita por uma onda em algumas situações, ou melhor descrita por um modelo corpuscular de partícula em outro tipo de situação.
07:37Então, no caso, a luz vai se propagar no espaço regida por uma função de onda.
07:43Mas quando a gente vai medir a energia contida nessa luz, essa energia aparece em pacotes discretos.
07:51Esses pacotes discretos são unidades indivisíveis da luz que a gente denomina de fótons.
07:59Então, são como se fossem partículas luminosas que carregam energia.
08:03E essas partículas, esses fótons, elas são partículas sem massa, diferente das partículas usuais que compõem a matéria.
08:11E a energia que elas carregam está associada à cor da luz que elas representam.
08:17O que é o gato de Schroediger?
08:19O gato de Schroediger, ele é um experimento de pensamento dentro do contexto da física quântica.
08:24Experimentos de pensamento são situações hipotéticas usadas para testar uma teoria,
08:29ou argumentos dentro de uma teoria, e eles têm sido utilizados em diversos contextos, desde os gregos antigos.
08:36Com frequência, eles tratam de uma situação difícil ou até mesmo impossível de ser realizada experimentalmente.
08:43No caso específico do gato de Schroediger, a gente tem um gato hipotético dentro de uma caixa fechada,
08:49e um conjunto com um frasco de veneno que pode ou não ser quebrado caso um átomo radioativo decaia.
08:59Se esse decaimento radioativo do átomo ocorrer, esse pote de vidro é quebrado, o veneno é espalhado dentro dessa caixa e o gato morre.
09:09O decaimento radioativo de um átomo é um processo que muda as proprietades químicas desse átomo,
09:17fragmentando, realizando um processo de fissão do núcleo atômico.
09:21Quando esse processo ocorre, uma energia muito grande é liberada.
09:25E esse processo, ele é um processo aleatório.
09:29A gente não tem como prever dentro da mecânica quântica quando esse processo vai acontecer.
09:35Então, sem a gente olhar dentro da caixa, o átomo radioativo está num estado de superposição entre ter decaído ou não ter decaído.
09:45E, portanto, o gato ali dentro está num estado de superposição entre vivo e morto.
09:52Então, mais uma vez, é importante pontuar qual é a interpretação desse estado de superposição.
09:57Ela representa para a gente uma incerteza no resultado da medida se o gato está vivo ou se o gato está morto.
10:05Ela ressalta o fato de que a gente desconhece esse valor da medida,
10:09embora a gente conheça o estado completo desse sistema como sendo esse estado de superposição.
10:16E realizar um gato de Schroediger numa escala macroscópica, como previsto nesse experimento de pensamento,
10:23é uma tarefa provavelmente impossível.
10:26Isso porque, conforme a gente aumenta o tamanho de um sistema quântico,
10:31esse sistema passa a interagir mais fortemente com o ambiente à sua volta,
10:35causando, então, efeitos de decoerência.
10:39E aí a gente perde esse estado bem definido de superposição.
10:44Apesar disso, alguns experimentos já conseguiram realizar gatos de Schroediger,
10:49seja com um átomo único ou mesmo com uma molécula composta por até mil átomos.
10:56Então, é interessante a gente pensar que a gente consegue escalar esse problema,
11:02não só para a escala de um único átomo, uma única partícula quântica,
11:06mas para uma partícula composta de várias partículas quânticas.
11:09E aí o limite para chegar num mundo verdadeiramente macroscópico,
11:13a gente não sabe qual é, mas provavelmente é um gato de verdade,
11:17vai ser uma tarefa impossível.
11:19O que é o emaranhamento quântico e por que o Einstein chamou isso de ação fantasmagórica?
11:25O emaranhamento quântico é um fenômeno que acontece quando os estados de duas
11:29ou mais partículas quânticas estão fortemente correlacionados
11:33e não podem ser descritos de forma independente um dos outros.
11:37Para exemplificar esse fenômeno, a gente pode recuperar o exemplo que a gente deu
11:41logo no começo do vídeo, em que a gente tinha uma partícula quântica
11:45que podia assumir dois estados distintos A e B.
11:49Nesse caso, a gente discutiu que essa partícula podia, além dos estados A e B,
11:54também estar num estado superposição de A com B.
11:58Se agora eu adicionar essa partícula, uma segunda partícula,
12:02idêntica a essa, com os mesmos estados A e B possíveis,
12:06o estado do sistema como um todo tem que ser capaz de descrever o estado
12:12de cada uma dessas partículas.
12:15Assim, a gente pode imaginar que o estado do sistema pode ser descrito pelo estado AA,
12:20dizendo que ambas as partículas encontram-se no estado A,
12:23ou o estado AB, dizendo que a partícula 1 está no estado A e a partícula 2 está no estado B,
12:29e assim por diante.
12:30Em todos esses casos, o estado de cada uma das partículas é independente da outra.
12:36E a gente pode combinar de forma aleatória o estado A com o estado B da partícula 1 e da partícula 2
12:43e obter o estado do sistema.
12:45Mas assim como acontece para o caso de uma partícula individual,
12:48a gente pode construir um estado do sistema que é um estado de superposição.
12:53Então, esse estado de superposição pode ser, por exemplo,
12:56uma superposição entre ter a partícula 1 no estado A e a partícula 2 no estado B,
13:02ou seja, o estado AB, com o estado tendo a partícula 1 no estado B
13:08e a partícula 2 no estado A, ou seja, o estado BA.
13:11E aí a gente tem a superposição do estado AB com o estado BA.
13:17Nesse caso, medir o estado de uma das partículas, por exemplo, a partícula 1,
13:23dá para a gente informação do estado da partícula 2.
13:27Se esse meu estado de superposição é dado por essa combinação AB com BA,
13:34então, se eu medir a partícula 1 no estado A,
13:36isso diz para mim automaticamente, instantaneamente,
13:40que o estado da partícula 2 é o estado B.
13:44E se eu medir o contrário, se eu medir o estado da partícula 1 como o estado B,
13:48isso diz para a gente que o estado da partícula 2 é o estado A.
13:52Para a gente ser capaz de emaranhar o estado de duas partículas,
13:56essas partículas precisam interagir entre si.
13:59Então, normalmente, essas partículas ocupam uma mesma posição do espaço.
14:03Uma vez emaranhadas, a gente pode sim separar essas partículas espacialmente
14:08e de modo a manter esse estado de superposição,
14:13esse estado emaranhado entre essas duas partículas.
14:16E aí sim, medir o estado de uma partícula vai dar instantaneamente
14:21a informação do estado da outra partícula.
14:24E é essa transmissão aparente de informação instantânea,
14:29da gente conhecer o estado da outra partícula,
14:32mesmo estando muito, muito longe da primeira,
14:34que o Einstein chamou de ação fantasmagórica.
14:37O que são computadores quânticos e o que eles fazem de especial?
14:41Então, para a gente entender o que são computadores quânticos,
14:44é importante a gente conhecer o que são os computadores usuais,
14:47que a gente tem no nosso dia a dia em casa.
14:50Esses computadores usuais, eles, na verdade, armazenam e processam informação
14:55a partir do uso de bits.
14:57Os bits, eles são, na verdade, sistemas físicos clássicos
15:01que podem ter dois estados disponíveis,
15:04que a gente chama de estados 0 e 1.
15:07Todas as funções que a gente realiza no nosso computador
15:10se baseiam em aplicar processos nesses bits de 0 e 1,
15:17ou seja, aplicar portas lógicas,
15:20que a partir da comparação de valores entre bits,
15:23vai dar para a gente também uma resposta que é 0 ou 1.
15:27No caso de computadores quânticos,
15:30ao invés da gente utilizar bits tradicionais,
15:33a gente vai usar sistemas quânticos de dois níveis,
15:38que vão ter estados, então, 0 e 1,
15:41como bits quânticos, ou qubits.
15:44E assim como todo sistema quântico que a gente falou até aqui,
15:48além desses estados 0 e 1,
15:50o interessante desses qubits é que eles vão ter estados
15:54de superposição entre 0 e 1.
15:57Isso faz com que o resultado dos cálculos
16:00que a gente realiza no computador,
16:03ou seja, da aplicação dessas portas lógicas,
16:05também possam ter estados de superposição
16:08entre 0 e 1,
16:10aumentando as possibilidades de cálculos
16:13nesses computadores quânticos.
16:15E a partir do estudo, então, dessa ideia,
16:17percebeu que alguns cálculos específicos,
16:20que um computador tradicional demora muito tempo
16:22para realizar,
16:23seriam muito mais rápidos
16:26de serem feitos em computadores quânticos.
16:29Esses não são tarefas corriqueiras
16:32no nosso dia a dia, são tarefas muito específicas,
16:35como, por exemplo, a gente pegar um número muito, muito grande
16:38e querer fatorar esse número,
16:41ou seja, escrevê-lo como um produto
16:44de números primos que são indivisíveis.
16:47Isso pode parecer um problema simples,
16:49mas é um problema fundamental
16:51quando a gente fala de criptografia,
16:54de ter mensagens codificadas
16:57por um código inquebrável,
16:59que são importantes tanto em trocas de mensagens
17:01nossas, pessoais,
17:03como em transições bancárias,
17:05em aplicações militares.
17:06Então, ter um computador
17:08que consegue fazer isso muito mais rápido
17:11pode garantir uma segurança muito maior
17:14para todos esses tipos de processos
17:16que cada vez mais são mais presentes na nossa vida.
17:20A física quântica tem alguma aplicação prática
17:23no nosso dia a dia?
17:24Sim, a física quântica propiciou várias mudanças
17:28ao longo da segunda metade do século XX.
17:31Em um primeiro momento,
17:32a gente pode citar mudanças de cunho tecnológico.
17:35Então, a gente compreender
17:37como que essas partículas
17:39no mundo microscópico funcionam
17:40possibilitou o desenvolvimento
17:43de novos materiais,
17:44como os semicondutores.
17:46Os semicondutores,
17:47eles são materiais, então,
17:49que estão entre um condutor,
17:50que são materiais que conduzem
17:52corrente elétrica,
17:53por exemplo, metal,
17:54e materiais isolantes,
17:56que não conduzem corrente elétrica,
17:58como, por exemplo,
17:58borracha ou a madeira.
18:00Com esses semicondutores,
18:02a gente conseguiu desenvolver dispositivos
18:05como os transistores,
18:06os diodos, os LEDs,
18:08que são a base da eletrônica moderna
18:12que está presente em todo o nosso smartphone,
18:15nossos computadores,
18:17telas de televisor,
18:18de monitor.
18:19Além desse desenvolvimento tecnológico,
18:22a física quântica propiciou também
18:24um maior entendimento nosso
18:26da interação da luz com a matéria.
18:28Isso fez com que fosse capaz
18:30produzir fontes de luz coerente,
18:33ou seja, com todos os fótons
18:35em um único estado quântico.
18:37Essas fontes de luz coerentes
18:39são o que a gente chama de lasers.
18:41Lasers têm uma aplicabilidade gigantesca
18:43hoje em dia.
18:44A gente usa laser
18:45para cortar materiais
18:47e fabricar materiais
18:48de forma muito precisa,
18:50com técnicas de nanofabricação.
18:52A gente usa laser em medicina
18:54para fazer cirurgias,
18:55como, por exemplo,
18:56cirurgia de retina.
18:58A gente tem terapias fotodinâmicas
19:00que vão utilizar laser
19:02no combate a algumas doenças,
19:04combate ao tratamento
19:06de algumas doenças.
19:07E esses lasers também propiciaram
19:10a manipulação de átomos individuais,
19:14resfriando esses átomos
19:15a temperaturas muito, muito frias,
19:18muito próximas aí do zero absoluto,
19:21zero Kelvin.
19:21Com isso, a gente conseguiu isolar átomos.
19:25E essa capacidade de isolar átomos
19:27dá para a gente mais um ingrediente
19:30do que a mecânica quântica propiciou
19:32para a gente nesses últimos 50 anos.
19:35Com esses átomos isolados,
19:37a gente pôde validar ainda mais
19:39essa teoria quântica
19:41e ainda encontrar novos fenômenos,
19:46novos fenômenos,
19:47que ainda não tinham sido
19:49inteiramente previstos
19:51no contexto da física quântica.
19:53E esse novo entendimento da matéria
19:55possibilitou a criação de sensores
19:58muito precisos,
19:59atingindo precisões muito maiores
20:02do que sensores baseados
20:04em sistemas clássicos
20:06e também um padrão de tempo
20:08muito mais preciso
20:10do que os padrões
20:11que a gente tinha nos relógios usuais,
20:13com a utilização de um relógio atômico.
20:15O relógio atômico é hoje
20:17o relógio utilizado
20:18para sincronizar o sistema de GPS
20:21ao longo do mundo inteiro,
20:23conectando, então,
20:24todos os satélites
20:25que são usados
20:26nesse tipo de sistema de monitoramento.
20:29E todos esses impactos
20:31da física quântica
20:32são o que a gente chama
20:34de tecnologias quânticas 1.0.
20:37Hoje em dia,
20:38a gente diz que estamos vivendo
20:40uma segunda revolução
20:41dessas tecnologias quânticas,
20:43as tecnologias quânticas 2.0.
20:46A diferença agora
20:47é que não só quantidades quânticas
20:50referentes a um estado
20:53desses sistemas
20:54vão ser exploradas,
20:55mas como a gente vai querer explorar também
20:58esses estados de superposição
21:01e de partículas emaranhadas
21:04para construir dispositivos tecnológicos
21:07que tenham agora
21:09um poder de impacto ainda maior
21:12do que tudo que a gente fez até agora.
21:14Esse é o caso
21:15dos computadores quânticos,
21:16mais uma vez,
21:17que vai poder, então,
21:18ter qubits atuando
21:20em estados de superposição
21:22e qubits emaranhados entre si.
21:25Aumentando ainda mais
21:27a possibilidade de processamento
21:29desses computadores.
21:30E agora,
21:31a nossa última pergunta é
21:33quem descobriu a física quântica?
21:35Como a gente falou no início,
21:36o que a gente chama hoje
21:37de física quântica,
21:39na verdade,
21:40é um conjunto de conceitos
21:42que foram sendo desenvolvidos
21:44aí no início do século XX.
21:46Então, esses conceitos,
21:48eles não foram descobertos
21:50ou inventados.
21:51Eles foram sendo mesmo construídos.
21:53E essa construção
21:54começou lá no final
21:56do século XIX
21:57com Max Planck
21:58introduzindo a ideia,
22:00então, do quântica.
22:01E ela passou por Albert Einstein
22:02e depois por muitos outros
22:04como Heisenberg,
22:06Dirac,
22:07Born,
22:07De Broglie
22:08e tantos outros
22:09que eu não vou ficar listando aqui.
22:11Mas o que é importante
22:12a gente pensar hoje
22:13é que esse ano,
22:152025,
22:16foi escolhido
22:17pelas Nações Unidas
22:18como sendo
22:18o ano internacional
22:20da Ciência
22:21e Tecnologia Quântica
22:23para a gente refletir
22:24sobre o que a física quântica
22:26propiciou para o mundo
22:28nesses últimos
22:2950, 80 anos.
22:31E com isso,
22:32a gente celebra,
22:33na verdade,
22:34os 100 anos
22:35da publicação
22:35de um artigo
22:36muito importante
22:37do Heisenberg
22:38em que ele introduz
22:40o início
22:41do que seria
22:42o princípio de incerteza
22:44de Heisenberg.
22:45Então, a mensagem importante
22:46é que é legal
22:48a gente olhar para trás
22:49e ver o quanto
22:49a mecânica quântica
22:51mudou o nosso dia a dia
22:52e pensar
22:53no que ela ainda
22:54pode fazer
22:56nos próximos
22:56100 anos
22:58com o advento
22:59de coisas que a gente
23:00ainda nem imagina
23:01que estão por vir.
Seja a primeira pessoa a comentar