O nascimento da Física Quântica

A história dos cientistas e teorias que criaram um dos campos mais importantes para a modernidade

14 de março de 2023

Ouça também no Spotify!

A física quântica é necessária não apenas para explicar inúmeros fenômenos do universo, como ela também é diretamente responsável, e essencial, para o funcionamento de uma enorme quantidade de elementos do mundo moderno, desde tratamentos de câncer, até a própria internet e os dispositivos que você está usando para ler este texto! 

A necessidade de um campo da física voltado somente para  estruturas invisíveis ao olho humano surge uma vez que a ciência nota a inconsistência que partículas atômicas apresentam quando estudadas sob a teoria newtoniana. Esta, mesmo sendo capaz de explicar a maioria dos movimentos e os fenômenos que se aplicam aos corpos celestes, falha em descrever os eventos quase aleatórios e comportamentos instáveis dos microscópicos corpos da natureza.

Entretanto, esta não é a história das pequenas partículas que formam o universo, ou das leis que as regem desde o Big Bang, mas sim a história dos cientistas e das ideias que cunharam um dos campos mais importantes das ciências. Uma história sobre indivíduos profundamente humanos que muitas vezes não sabiam sequer o que fazer com os achados de seus experimentos, duvidavam das próprias pesquisas, que tinham suas rivalidades, seus projetos pessoais e suas próprias concepções sobre a natureza.

Max Planck

Max Planck, 1901 (ResearchGate)

Tudo começa com o cientista alemão Max Planck, considerado o pai fundador da teoria quântica, que em 1897 partiu em um projeto pessoal para provar que átomos não existem. Como ele pretendia fazer isso? Resolvendo uma série de problemas para os quais a física da época não tinha nenhuma explicação, mas sem utilizar pequenos corpos invisíveis como parte da solução.

Planck trabalhou por mais de três anos em sua hipótese sem atingir resultados que fossem sequer satisfatórios. Acabou  desistindo da sua briga contra a existência de átomos e optou por utilizar estas pequenas partículas para tentar resolver os problemas da física contra os quais tinha passado os últimos anos lutando contra.

Assim, ele chegou a uma fórmula matemática que descrevia perfeitamente os resultados obtidos pelos seus experimentos. Sem ao menos ter uma explicação para o porquê das fórmulas funcionarem, passou  os meses seguintes  tentando justificar seus achados. Até os dias de hoje, não sabemos se Planck chegou a seus resultados por meio de uma análise cuidadosa, ou através de uma série de palpites educados até que um deles se encaixou. Mas independente disso, ele foi capaz de explicar seus resultados ao afirmar que a energia no universo é absorvida pelos átomos, ou irradiada por eles, não de forma contínua, mas somente em determinadas quantidades pré-estabelecidas (Quanta do latim). Planck publicou seus achados em 14 de Dezembro de 1900, data hoje considerada  o nascimento da mecânica quântica.

Sua descoberta entretanto não teve muito impacto imediatamente, tanto que o próprio Planck desconsiderou sua pesquisa como algo significativo por mais de uma década. Foi necessário um dos cientistas mais famosos de todos os tempos para revelar a verdadeira importância destes achados.

Albert Einstein

Albert Einstein, 1905 

Em 1905, ainda um jovem de 26 anos, Einstein publicou quatro artigos que não somente revolucionaram a Física, como também mais tarde viriam a ser fundamentais para a ciência moderna. Dentre essas produções, podemos destacar  seus estudos sobre a natureza da luz.

Até o início do século XX, o consenso científico apontava para a concepção de que a luz se comportava como uma onda, tal qual o movimento sobre a superfície de um lago quando um objeto cai nele.  Entretanto, o que Einstein percebeu  é que a luz, ao invés de uma substância contínua, é composta por minúsculas partículas, chamadas de fótons, que juntas apresentam características de ondas. Dessa forma, o cientista alemão foi um dos principais contribuintes para a forma como entendemos a luz até os dias de hoje, tanto uma onda quanto uma partícula, ao mesmo tempo.

Neste processo de identificação das propriedades da luz, Einstein percebeu que os fótons possuem energia de acordo com as quantidades estabelecidas por Planck, reforçando então a importância deste novo campo da física. Entretanto, as duas teorias não se alinhavam perfeitamente, e foi necessário um terceiro cientista para resolver essas diferenças

Niels Bohr

Niels Bohr, 1922

Um dos poucos teóricos sobre a mecânica quântica que não vindo da Alemanha, Niels Bohr nasceu em Copenhagen, na Dinamarca. Sua principal contribuição para o campo aconteceu em 1913, quando utilizou uma combinação das teses de Planck e Einstein para explicar diversos fenômenos da física, como a eletroscopia, por exemplo, além de aperfeiçoar o modelo atômico para como o conhecemos até hoje.

Assim como as descobertas dos dois outros cientistas, os achados de Bohr foram recebidos pela academia de maneira menos que emocionada. Muito do debate sobre o que veio a ser conhecido na história como mecânica quântica clássica veio a acontecer somente depois do fim da década de 1910, com Einstein sendo premiado por seu trabalho neste campo com o Prêmio Nobel de Física em 1921 e seu amigo/rival dinamarques sendo igualmente premiado no ano seguinte.

Planck, Einstein e Bohr são apenas alguns dos vários nomes que contribuíram para o período conhecido na física como quântico clássico, que perdurou até meados da década de 1920. Nos anos seguintes, a física quântica passou por muitas outras revoluções, mas agora era vista como uma ciência, e não como uma falácia ou hipótese, graças ao trabalho dos cientistas aqui citados e muitos outros que também contribuíram para a formação de um dos campos mais importantes da ciência moderna.

[Texto de autoria de Thiago Araújo, estagiário no Núcleo de Astronomia do Espaço do Conhecimento UFMG]

Referência Bibliográfica

MLODINOW, Leonard. The Upright Thinkers: The Human Journey From Living in Trees to Understanding the Cosmos. New York: Pantheon Books, 2015.

NOBEL. Niels Bohr – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Disponível em:<https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1922/bohr/biographical/>.  Acesso em: 07 de Mar. de 2023.

O’CONNOR, J J. ROBERTSON E F.  A history of Quantum Mechanics. School of Mathematics and Statistics University of St Andrews, Scotland, May 1996. Disponível em:<https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/The_Quantum_age_begins/>. Acesso em: 07 de Mar. 2023.

ORZEL, Chad. Einstein’s Complicated Relationship With Quantum Physics. Forbes, Nov 13, 2018. Disponível em:<https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2018/11/13/einsteins-complicated-relationship-with-quantum-physics/?sh=e8be9753504a>. Acesso em: 07 de Mar. de 2023.

ROONEY, Anne. A História da Física. Trad. M.L. Rosa. São Paulo: Mbooks. 2013. Caps. 5 e 7.

STYER, Daniel F. The Strange World of Quantum Mechanics. Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 2000