Baixe Mecanica Quantica e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity!
Filosofia da física é o estudo das questões filosóficas fundamentais da Física moderna, o estudo da matéria e energia e como elas se interagem. As principais questões concernentes a natureza do espaço e tempo, átomos e atomismo. E também as previsões da Cosmologia, os resultados das Interpretações da mecânica quântica, os fundamentos das Estatísticas mecânicas, casualidades, Determinismo, e a natureza das Leis da física. Classicamente várias dessas questões eram estudadas como parte da Metafísica (por exemplo, aquelas sobre casualidade, determinismo e espaço e tempo) Hoje, os Filósofos da Física estão muito próximos das Filosofias das Ciência, e os seu mais ativos subtópicos estão sendo solucionados por eles.
Índice
[esconder]
- 1 Natureza matemática da física
- 2 Filosofia do espaço e do tempo
- 3 Objetos de estudo da filosofia da física
- 4 Ver também
- 5 Ligações externas
[editar] Natureza matemática da física
A matemática provê as ferramentas concisas para definir, conduzir, descrever, e prever fenômenos físicos; porque a matemática é a mais simples das formas lógicas, e deduz muitas propriedades do mundo físico sem precisar de observações; por exemplo, Isaac Newton predisse a existência dos buracos negros sem qualquer observação e/ou experimentos. Apenas alguns conceitos em alguns campos sólidos da física (notáveis na mecânica clássica) podem ser intuitivamente compreendidos sem necessitar do rigor matemático, a vasta maioria dos físicos requerem que eles sejam formalizados e tratados como tal. Os filósofos da física são muito achegados à filosofia da matemática (que é puramente lógica) baseados no fato de que a a matemática se aplica à todos os objetos do universo; sendo assim, os físicos usam muito a matemática para formular as descrições do mundo físico e ela deduzem matematicamente o interesse pelo mundo sobre várias circunstâncias (fazendo as previsões do que é matematicamente consistente referente a descrição inicial). As teorias fundamentais da física tem profundos paralelos com os axiomas matemáticos e as simetrias, apesar de que a física se mostra contida em muitos dos componentes do universo, admitindo que muitos conceitos matemáticos são pura abstração. Em m,uitos casos em que há apenas abstrações matemáticas, ultimamente se tornou um trabalho das teorias físicas e das leis da física - veja por exemplo várias teorias matemáticas a respeito das simetrias e as suas conseqüências em várias leis da conservação, ou o uso do espaço de Minkowski na relatividade especial, ou no espaço curvado de Lobachevsky na relatividade geral, ou nos números imaginários ou na teoria quantum, ou nas partículas virtuais em QED, ou nas soluções negativas da equação de Dirac, e as antipartículas ou na carência de soluções estatísticas nas equações de Einstein e o universo expansivo - para deduzir, havia poucos modos.
[editar] Filosofia do espaço e do tempo
[editar] Tempo
O tempo; em muitas filosofias ele é dito como uma mudança.
O tempo é uma quantia fundamental (ou seja, é incapaz de ser medido por conceitos básicos); Sendo assim, para se definir o que é tempo, usa-se conceitos métricos - para definir o que é um intervalo de tempo (ou seja, minutos, segundos e horas). atualmente, a medida para se estabelecer intervalos de tempo (chamado de segundos ) é definido como 9.192.631.770 oscilações de uma finíssima transição do átomo de césio 133. (ISO 31-1). Sendo assim, o tempo também pode ser combinado com outras unidades matemáticas (como espaço e massa) para resultar em outros conceitos como velocidade, movimento, energia e campos. os filósofos da física usam teorias da física para explicar o que é espaço e o qual é o seu significado. Muitos deles usam unidades de medida para o espaço por meio da relatividade geral, que pode ser considerado como umn método correto para esse tipo de medição.
Até o século XX acreditava-se na definição Newtoniana do tempo, que diz que o tempo era o mesmo para todas as pessoas, independente do lugar. A nossa moderna concepção de tempo é baseada nas teorias de Einstein, ou seja, na teoria da relatividade, que diz que o tempo flui diferente em diferentes locais do espaço, e que o espaço e o tempo estão contidos em uma ligação chamada espaço-tempo. Com isso é possível que o tempo seja quantificado , ou seja, com pequenas quantidades de tempo, é possível estudarmos a idade do universo por meio da luz e energia emitidas no espaço, além de se efetuar a medição da idade de corpos celestes, como as estrelas. Por meio disso,
localidade e causalidade. Já em 1935 , Einstein , Podolski e Rosen publicaram seu
Gedankenexperiment, mostrando uma aparente contradição entre localidade e o processo de Medida em Mecânica Quântica. Nos anos 60 J. S. Bell publicou uma série de relações que seriam respeitadas caso a localidade — ou pelo menos como a entendemos classicamente — ainda persistisse em sistemas quânticos. Tais condições são chamadas desigualdades de Bell e foram testadas experimentalmente por A.
Aspect , P. Grangier , J. Dalibard em favor da Mecânica Quântica. Como seria de se esperar, tal interpretação ainda causa desconforto entre vários físicos, mas a grande parte da comunidade aceita que estados correlacionados podem violar causalidade desta forma. Tal revisão radical do nosso conceito de realidade foi fundamentada em explicações
teóricas brilhantes para resultados experimentais que não podiam ser descritos pela teoria Clássica, que incluem:
Espectro de Radiação do Corpo negro , resolvido por Max Planck com a proposição da quantização da energia.
Explicação do experimento da dupla fenda , no qual eléctrons produzem um padrão de interferência condizente com o comportamento ondular. Explicação por Albert Einstein do efeito fotoelétrico descoberto por Heinrich Rudolf Hertz , onde propõe que a luz também se propaga em quanta (pacotes de energia definida), os chamados fótons.
O Efeito Compton , no qual se propõe que os fótons podem se comportar como partículas, quando sua enegia for grande o bastante. O desenvolvimento formal da teoria foi obra de esforços conjuntos de muitos físicos e matemáticos da época como Erwin Schrödinger , Werner Heisenberg , Einstein , < Publicado em: julho 25, 2006
A mecânica quântica é a teoria física que obtém sucesso no estudo dos sistemas físicos cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos. A Mecânica Quântica é um ramo fundamental da física com vasta aplicação. A teoria quântica fornece descrições precisas para muitos fenômenos previamente inexplicados tais como a radiação de corpo negro e as órbitas estáveis do elétron. Apesar de na maioria dos casos a Mecânica Quântica ser relevante para descrever sistemas microsópicos, os seus efeitos específicos não são somente perceptíveis em tal escala. Por exemplo, a explicação de fenômenos macroscópicos como a super fluidez e a supercondutividade só é possível se considerarmos que o comportamento microscópico da matéria é quântico. A quantidade característica da teoria, que determina quando ela é necessária para a descrição de um fenômeno, é a chamada constante de Planck, que tem dimensão de momento angular ou, equivalentemente, de ação.
A mecânica quântica recebe esse nome por prever um fenômeno bastante conhecido dos físicos: a quantização. No caso dos estados ligados (por exemplo, um elétron orbitando em torno de um núcleo positivo) a Mecânica Quântica prevê que a energia (do elétron) deve ser quantizada. Este fenômeno é completamente alheio ao que prevê a teoria clássica.
Índice
[esconder]
- 1 Um panorama
- 2 O conceito de estado na mecânica quântica
- 2.1 A representação do estado
- 3 Primeiros fundamentos matemáticos
- 3.1 Vetores e espaços vetoriais
- 3.2 Os operadores na mecânica quântica
- 3.3 O problema de autovalor e autovetor
- 3.4 O significado físico dos operadores, seus autovetores e autovalores
- 4 Aspectos históricos
- 5 Princípios
- 6 Conclusões
- 7 Formalismos
- 8 Referências
- 9 Bibliografia
- 10 Ver também
[editar] Um panorama
A palavra “quântica” (do Latim, quantum) quer dizer quantidade. Na mecânica quântica, esta palavra refere-se a uma unidade discreta que a teoria quântica atribui a certas quantidades físicas, como a energia de um elétron contido num átomo em repouso. A descoberta de que as ondas eletromagnéticas podem ser explicadas como uma emissão de pacotes de energia (chamados quanta) conduziu ao ramo da ciência que lida com sistemas moleculares,atômicos e subatômicos. Este ramo da ciência é atualmente conhecido como mecânica quântica.
A mecânica quântica é a base teórica e experimental de vários campos da Física e da Química, incluindo a física da matéria condensada, física do estado sólido, física atômica, física molecular, química computacional, química quântica, física de partículas , e física nuclear. Os alicerces da mecânica quântica foram estabelecidos durante a primeira metade do século XX por Albert Einstein, Werner Heisenberg, Max Planck, Louis de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Richard Feynman e outros. Alguns aspectos fundamentais da contribuição desses autores ainda são alvo de investigação.
Normalmente é necessário utilizar a mecânica quântica para compreender o comportamento de sistemas em escala atômica ou molecular. Por exemplo, se a mecânica clássica governasse o funcionamento de um átomo, o modelo planetário do átomo – proposto pela primeira vez por Rutherford – seria um modelo completamente instável. Segundo a teoria eletromagnética clássica, toda a carga elétrica acelerada emite radiação. Por outro lado, o processo de emissão de radiação consome a energia da partícula. Dessa forma, o elétron, enquanto caminha na sua órbita, perderia energia continuamente até colapsar contra o núcleo positivo! Com efeito, o modelo planetário do átomo é um modelo ineficaz. Para explicar o comportamento de um elétron em torno de um átomo de hidrogênio é necessário utilizar as leis da mecânica quântica.
[editar] Primeiros fundamentos matemáticos
Ver artigo principal: Fundamentos matemáticos da mecânica quântica
É impossível falar seriamente sobre mecânica quântica sem fazer alguns apontamentos matemáticos. Isso porque muitos fenômenos quânticos difíceis de se imaginar concretamente podem ser representados sem mais complicações com um pouco de abstração matemática.
Há três conceitos fundamentais da matemática - mais especificamente da álgebra linear
- que são empregados constantemente pela mecânica quântica. São estes: (1) o conceito de operador; (2) de autovetor; e (3) de autovalor.
[editar] Vetores e espaços vetoriais
Ver artigo principal: Espaço vetorial
Na álgebra linear, um espaço vetorial (ou o espaço linear) é uma coleção dos objetos abstratos (chamados vetores ) que possuem algumas propriedades que não serão completamente detalhadas aqui.
Por agora, importa saber que tais objetos (vetores) podem ser adicionados uns aos outros e multiplicados por um número escalar. O resultado dessas operações é sempre um vetor pertencente ao mesmo espaço. Os espaços vetoriais são os objetos básicos do estudo na álgebra linear, e têm várias aplicações na matemática, na ciência, e na engenharia.
O espaço vetorial mais simples e familiar é o espaço Euclidiano bidimensinal. Os vetores neste espaço são pares ordenados e são representados graficamente como "setas" dotadas de módulo, direção e sentido. No caso do espaço euclidiano bidimensional, a soma de dois vetores quaisquer pode ser realizada utilizando a regra do paralelogramo.
Todos os vetores também podem ser multiplicados por um escalar - que no espaço Euclidiano é sempre um número real. Esta multiplicação por escalar poderá alterar o módulo do vetor e seu sentido, mas preservará sua direção. O comportamento de vetores geométricos sob estas operações fornece um bom modelo intuitivo para o comportamento dos vetores em espaços mais abstratos, que não precisam de ter a mesma interpretação geométrica. Como exemplo, é possível citar o espaço de Hilbert (onde "habitam" os vetores da mecânica quântica). Sendo ele também um espaço vetorial, é certo que possui propriedades análogas àquelas do espaço Euclidiano.
[editar] Os operadores na mecânica quântica
Ver artigo principal: Transformação linear
Um operador é um ente matemático que estabelece uma relação funcional entre dois espaços vetoriais. A relação funcional que um operador estabelece pode ser chamada transformação linear. Os detalhes mais formais não serão apontados aqui. Interessa, por enquanto, desenvolver uma idéia mais intuitiva do que são esses operadores.
Por exemplo, considere o Espaço Euclidiano. Para cada vetor nesse espaço é possível executar uma rotação (de um certo ângulo) e encontrar outro vetor no mesmo espaço. Como essa rotação é uma relação funcional entre os vetores de um espaço, podemos definir um operador que realize essa transformação. Assim, dois exemplos bastante concretos de operadores são os de rotação e translação.
Do ponto de vista teórico, a semente da ruptura entre as física quântica e clássica está no emprego dos operadores. Na mecânica clássica, é usual descrever o movimento de
uma partícula com uma função escalar do tempo. Por exemplo, imagine que vemos um vaso de flor caindo de uma janela. Em cada instante de tempo podemos calcular a que altura se encontra o vaso. Em outras palavras, descrevemos a grandeza posição com um número (escalar) que varia em função do tempo.
Uma característica distintiva na mecânica quântica é o uso de operadores para representar grandezas físicas. Ou seja, não são somente as rotações e translações que podem ser representadas por operadores. Na mecânica quântica grandezas como posição, momento linear, momento angular e energia também são representados por operadores.
Até este ponto já é possível perceber que a mecânica quântica descreve a natureza de forma bastante abstrata. Em suma, os estados que um sistema físico pode ocupar são representados por vetores de estado (kets) ou funções de onda (que também são vetores, só que no espaço das funções). As grandezas físicas não são representadas diretamente por escalares (como 10 m, por exemplo), mas por operadores.
Para compreender como essa forma abstrata de representar a natureza fornece informações sobre experimentos reais é preciso discutir um último tópico da álgebra linear: o problema de autovalor e autovetor.
[editar] O problema de autovalor e autovetor
O problema de autovalor e autovetor é um problema matemático abstrato sem o qual não é possível compreender seriamente o significado da mecânica quântica.
Em primeiro lugar, considere o operador  de uma transformação linear arbitrária que relacione vetores de um espaço E com vetores do mesmo espaço E. Neste caso, escreve-se [eq.01]:
Observe que qualquer matriz quadrada satisfaz a condição imposta acima desde que os vetores no espaço E possam ser representados como matrizes-coluna e que a atuação de  sobre os vetores de E ocorra conforme o produto de matrizes a seguir:
Como foi dito, a equação acima ilustra muito bem a atuação de um operador do tipo definido em [eq.01]. Porém, é possível representar a mesma idéia de forma mais compacta e geral sem fazer referência à representação matricial dos operadores lineares [eq.02]:
Para cada operador  existe um conjunto tal que cada vetor do conjunto satisfaz [eq.03]:
Para compreender o significado físico de toda essa representação matemática abstrata,
considere o exemplo do operador de Spin na direção z:. Na mecânica quântica, cada partícula tem associada a si uma quantidade sem análogo clássico chamada spin ou momento angular intrínseco. O spin de uma partícula é representado como um vetor com projeções nos eixos x, y e z. A cada projeção do vetor spin : corresponde um operador:
O operador é geralmente representado da seguinte forma:
É possível resolver o problema de autovetor e autovalor para o operador. Nesse caso obtem-se:
Portanto, os autovalores são:
[editar] Aspectos históricos
Ver artigo principal: História da mecânica quântica
A história da mecânica quântica começou essencialmente em 1838 com a descoberta dos raios catódicos por Michael Faraday, a enunciação em 1859 do problema da radiação de corpo negro por Gustavo Kirchhoff, a sugestão 1877 por Ludwig Boltzmann que os estados de energia de um sistema físico poderiam ser discretos, e a hipótese por Planck em 1900 de que toda a energia é irradiada e absorvida na forma de elementos discretos chamados quanta. Segundo Planck, cada um desses quanta tem energia proporcional à frequência ν da radiação eletromagnética emitida ou absorvida.
Planck insistiu que este foi apenas um aspecto dos processos de absorção e emissão de radiação e não tinha nada a ver com a realidade física da radiação em si. [2]^ No entanto, naquele tempo isso parecia não explicar o efeito fotoelétrico (1839), ou seja, que a luz brilhante em certos materiais pode ejetar elétrons do material. Em 1905, baseando seu trabalho na hipótese quântica de Planck, Albert Einstein postulou que a própria luz é formada por quanta individuais.[3]
Em meados da década de 1920, a evolução da mecânica quântica rapidamente fez com que ela se tornasse a formulação padrão para a física atômica. No verão de 1925, Bohr e Heisenberg publicaram resultados que fechavam a "Antiga teoria quântica". Quanta de luz vieram a ser chamados fótons (1926). Da simples postulação de Einstein nasceu
uma enxurrada de debates, teorias e testes e, então, todo o campo da física quântica, levando à sua maior aceitação na quinta Conferência de Solvay em 1927.
[editar] Princípios
- Primeiro princípio: Princípio da superposição
Na mecânica quântica, o estado de um sistema físico é definido pelo conjunto de todas as informações que podem ser extraídas desse sistema ao se efetuar alguma medida.
Na mecânica quântica, todos os estados são representados por vetores em um espaço vetorial complexo: o Espaço de Hilbert H. Assim, cada vetor no espaço H representa um estado que poderia ser ocupado pelo sistema. Portanto, dados dois estados quaisquer, a soma algébrica (superposição) deles também é um estado.
Como a norma (matemática) dos vetores de estado não possui significado físico, todos os vetores de estado são preferencialmente normalizados. Na notação de Dirac, os vetores de estado são chamados "Kets" e são representados como aparece a seguir:
Usualmente, na matemática, são chamados funcionais todas as funções lineares que associam vetores de um espaço vetorial qualquer a um escalar. É sabido que os funcionais dos vetores de um espaço também formam um espaço, que é chamado espaço dual. Na notação de Dirac, os funcionais - elementos do Espaço Dual - são chamados "Bras" e são representados como aparece a seguir:
- Segundo princípio: Medida de grandezas físicas a) Para toda grandeza física A é associado um operador linear auto-adjunto  pertencente a A :  é o observável (autovalor do operador) representando a grandeza A. b) Seja o estado no qual o sistema se encontra no momento onde efetuamos a medida de A. Qualquer que seja , os únicos resultados possíveis são os autovalores de a (^) α do observável Â.
c) Sendo o projetor sobre o subespaço associado ao valor próprio a (^) α, a probablidade de encontrar o valor a α em uma medida de A é:
onde
d) Imediatamente após uma medida de A , que resultou no valor a α , o novo estado do sistema é
- Terceiro princípio: Evolução do sistema
Seja o estado de um sistema ao instante t. Se o sistema não é submetido a nenhuma observação, sua evolução, ao longo do tempo, é regida pela equação de Schrödinger:
- A explicação da estabilidade atômica e da natureza discreta das raias espectrais, graças ao modelo do átomo de Bohr, que postulava a quantização dos níveis de energia do átomo.
O desenvolvimento formal da teoria foi obra de esforços conjuntos de muitos físicos e matemáticos da época como Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Einstein, P.A.M. Dirac, Niels Bohr e John von Neumann, entre outros (de uma longa lista).
[editar] Formalismos
Mais tarde, foi introduzido o formalismo hamiltoniano, baseado matematicamente no uso do lagrangiano, mas cuja elaboração matemática é muitas vezes mais fácil.
Referências
- ↑ Greiner, Walter; Müller, Berndt (1994), Quantum Mechanics Symmetries, Second Edition, cap. 2, , Springer-Verlag, p. 52, ISBN 3-540-58080-8, http://books.google.com/ books?id=gCfvWx6vuzUC&pg=PA
- ↑ T.S. Kuhn, Black-body theory and the quantum discontinuity 1894-1912 , Clarendon Press, Oxford, 1978.
- ↑ A. Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (Um ponto de vista heurístico a respeito da produção e transformação da luz) , Annalen der Physik 17 (1905) 132-148 (reimpresso em The collected papers of Albert Einstein, John Stachel, editor, Princeton University Press, 1989, Vol. 2, pp. 149-166, em alemão; ver também Einstein's early work on the quantum hypothesis, ibid. pp. 134-148).
[editar] Bibliografia
- Mehra, J.; Rechenberg, H.. The historical development of quantum theory (em inglês). Springer-Verlag, 1982.
- Kuhn, T.S.. Black-body theory and the quantum discontinuity 1894-1912 (em inglês). Oxford: Clarendon Press, 1978. Nota: O "Princípio da Incerteza" de Heisenberg é parte central dessa teoria e daí nasceu a famosa equação de densidade de probalidade de Schrödinger
Mecânica quântica (ou teoria quântica ) é um ramo da física que lida com o comportamento da matéria e da energia na escala de átomos e partículas subatômicas. A mecânica quântica é fundamental ao nosso entendimento de todas as forças fundamentais da natureza, exceto a gravidade.
A mecânica quântica é a base de diversos ramos da física, incluindo eletromagnetismo, física de partículas, física da matéria condensada, e até mesmo partes da cosmologia. A mecânica quântica também é essencial para a teoria das ligações químicas (e portanto de toda química), biologia estrutural, e tecnologias como a eletrônica, tecnologia da informação, e nanotecnologia. Um século de experimentos e trabalho na física aplicada provou que a mecânica quântica está correta e tem utilidades práticas.
A mecânica quântica começou no início do século 20, com o trabalho pioneiro de Max Planck e Niels Bohr. Max Born criou o termo "mecânica quântica" em 1924. A comunidade de física logo aceitou a mecânica quântica devido a sua grande precisão nas previsões empíricas, especialmente em sistemas onde a mecânica clássica falha. Um grande sucesso da mecânica quântica em seu príncipio foi a explicação da dualidade onda-partícula, ou seja, como em níveis subatômicos o que os humanos vieram a
chamar de partículas subatômicas têm propriedades de ondas e o que era considerado onda tem propriedade corpuscular. A mecânica quântica também pode ser aplicada a uma gama muito maior de situações do que a relatividade geral, como por exemplo sistemas nos quais a escala é atômica ou menor, e aqueles que têm energias muito baixas ou muito altas ou sujeitos às menores temperaturas.
Índice
[esconder]
- 1 Um exemplo elegante
- 2 Visão geral
- 2.1 O inesperado
- 2.2 Como o inesperado veio à luz
- 2.3 Espectroscopia e além
- 3 Ver também
[editar] Um exemplo elegante
A luz não segue uma trajetória retlínea entre a fonte e a tela de detecção.
(Perceba as três franjas à direita.)
O personagem mais elegante do palco quântico é o experimento da dupla fenda. Ele demonstra a dualidade onda-partícula, e ressalta diversas características da mecânica quântica. Fótons emitidos de alguma fonte como um laser se comportarão diferentemente dependendo da quantidade de fendas que estão em seu caminho. Quando apenas uma fenda está presente, a luz observada na tela aparecerá como um padrão de difração estreito.
Entretanto , as coisas começam a ficar estranhas se duas fendas forem introduzidas no experimento. Com duas fendas presentes, o que chegará em uma tela de detecção remota será uma superposição quântica de duas ondas. Como a ilustração mostra, uma onda da fenda do topo e outra da de baixo terão sobreposição na tela de detecção, e então elas são superpostas. O mesmo experimento básico pode ser feito atirando um elétron em uma fenda dupla. A natureza ondulatória da luz faz com que as ondas luminosas passando por ambas fendas se interfiram, criando um padrão de interferência de faixas claras e escuras na tela. Porém, na tela, a luz é sempre absorvida em partículas discretas, chamadas fótons.
O que é ainda mais estranho é o que ocorre quando a fonte de luz é reduzida ao ponto de somente um fóton ser emitido por vez. A intuição normal diz que o fóton ira
natureza ondulatória da luz, enquanto que um experimento designado a mostrar seu momentum linear ou outra "característica corpuscular" revelará a natureza corpuscular da luz. Ainda mais, objetos do tamanho de átomos, e até mesmo algumas moléculas, revelaram sua natureza ondulatória quando observados de maneira apropriada. Os mais eminentes físicos avisaram que se uma explicação sobre a física quântica faz sentido no senso comum, então ela muito provavelmente tem falhas. Em 1927 Niels Bohr escreveu: "Qualquer um que não se chocar com a teoria quântica não a compreende."
[editar] Como o inesperado veio à luz
10 físicos que fizeram diferença para a teoria quântica.
As fundações da mecânica quântica tiveram seu início com os primeiros trabalhos sobre as propriedades da luz, no século 17, e a descoberta das propriedades da eletricidade e do magnetismo, no início do século 19. Em 1690, Christiaan Huygens empregou a teoria ondulatória para explicar a reflexão e a refração da luz. Isaac Newton acreditava que a luz consistia de partículas infinitesimalmente pequenas que ele chamou de "corpúsculos". Em 1827, Thomas Young e Augustin Fresnel conduziram experimentos sobre a interferência da luz que encontrou resultados que eram inconsistentes com a teoria corpuscular da luz. Todos resultados teóricos e empíricos ao longo do século 19 pareciam inconsistentes com a teoria corpuscular da luz de Newton.
Experimentos posteriores identificaram fenômenos, como o efeito fotoelétrico, que eram consistentes apenas com um modelo de pacotes, ou quântico, da luz. Quando a luz incide sobre um condutor elétrico, elétrons parecem se mover para longe de suas posições originais. Em um material fotoelétrico, como o medidor de luz em uma câmera, a luz incidindo sobre o detector metálico faz com que os elétrons se movam. Aumentar a intensidade de uma luz que tenha apenas uma frequência fará com que mais elétrons se movam. Mas fazer com que os elétrons se movam mais rápido requer um aumento da frequência da luz. Portanto, a intensidade da luz controla a corrente elétrica através do circuito, enquanto que sua frequência controla sua voltagem. Essas
observações contrariaram a teoria ondulatória da luz derivada do estudo das ondas sonoras e ondas do mar, onde a intensidade do impulso inicial era o suficiente para prever a energia da onda resultante. No caso da luz, a energia era função somente da frequência, um fato que precisava de uma explicação. Era também necessário reconciliar experimentos que mostravam a natureza corpuscular da luz com outros experimentos que revelavam sua natureza ondulatória.
Em 1874, George Johnstone Stoney foi o primeiro a propor que uma quantidade física, a carga elétrica, não poderia variar menos que um valor irredutível. Portanto a carga elétrica foi a primeira quantidade física a ser quantizada teoricamente. Em 1873, James Clerk Maxwell demonstrou teoricamente que um circuito elétrico oscilando deveria produzir ondas eletromagnéticas. Devido às equações de Maxwell foi possível calcular a velocidade da radiação eletromagnética puramente através de medidas elétricas e magnéticas, e o valor calculado correspondia muito proximamente à velocidade da luz medida. Em 1888, Heinrich Hertz fez um aparelho elétrico que produzia radiação cuja frequência era mais baixa do que a da luz visível, radiação que nós atualmente chamamos microondas. Pesquisadores iniciais diferiam na maneira de explicar a natureza fundamental do que é chamado de radiação eletromagnética, alguns afirmando que ele era composta por partículas, enquanto outros diziam que era um fenômeno ondulatório. Na física clássica essas ideias são mutualmente exclusivas.
A mecância quântica teve início com o artigo pioneiro de Max Planck em 1900 sobre a radiação de corpo negro, marcando a primeira aparição da hipótese quântica. O trabalho de Planck deixou claro que nem o modelo ondulatório nem o corpuscular conseguem explicar a radiação eletromagnética. Em 1905, Albert Einstein estendeu a teoria de Planck para o efeito fotoelétrico. Em 1913, Niels Bohr lançou seu modelo atômico, incorporando a teoria quântica de Planck de uma maneira essencial. Esses e outros tabalhos do início do século 20 formam a antiga teoria quântica.
Em 1924, Louis de Broglie criou a hipótese da dualidade onda-corpúsculo. Essa hipótese provou ser um ponto de virada, e rapidamente levou a uma variante mais sofisticada e completa da mecânica quântica. Contribuidores importantes em meados dos anos 20 para o que veio a ser chamado de "nova mecânica quântica" ou "nova física" foram Max Born, Paul Dirac, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli e Erwin Schrödinger. No final da década de 1940 e começo da de 1950, Julian Schwinger, Sin- Itiro Tomonaga, Richard Feynman e Freeman Dyson descobriram a eletrodinâmica quântica, que avançou significamente nossa compreensão da teoria quântica do eletromagnetismo e do elétron. Mais tarde, Murray Gell-Mann desenvolveu uma teoria relacionada da força nuclear forte, chamada de cromodinâmica quântica.
[editar] Espectroscopia e além
Foto da NASA da faixas brilhantes do espectro do hidrogênio
O Wikilivros tem um livro chamado Física quântica para crianças
- Mecânica quântica
- Computador quântico
- Efeito túnel
- Filosofia da física
- Função de onda
- Interpretações da mecânica quântica
- Gato de Schrödinger
- Teoria quântica de campos
- Vácuo Quântico
Uma interpretação da mecânica quântica é uma tentativa de responder à questão: Sobre o que trata exatamente a mecânica quântica? A questão têm as suas raízes históricas na natureza mesma da mecânica quântica, que desde um princípio foi considerada como uma teoria radicalmente diferente das teorias físicas precedentes. Porém, a mecânica quântica têm sido descrita como a teoria "mais comprovada e de maior sucesso na história da ciência" (vide Jackiw and Kleppner, 2000.) Mecânica quântica, como uma teoria científica, tem sido muito bem sucedida em prever resultados experimentais. Isto significa, primeiro, que há uma correspondência bem definida entre os elementos do formalismo (matemático, abstrato) e os procedimentos experimentais e, em segundo lugar, que os resultado obtidos neste experimentos estão extremamente de acordo com o formalismo. Além disso, que as questões básicas de que o que significa a mecânica quântica são ainda uma proposta em si mesmas e requerem algumas explicações. O entendimento da estrutura matemática da teoria trilhou vários estágios preliminares de desenvolvimento. Por exemplo, Schrödinger de início não entendeu a natureza probabilística da função de onda associada ao elétron; Foi Max Born que propôs uma interpretação de uma distribuição de probabilidade no espaço para a posição do elétron. Outros cientistas de destaque, tais como Albert Einstein, tiveram grande dificuldade em concordar com a teoria. Mesmo se estes pontos forem tratados como problemas menores, eles têm grande importância para atividades de interpretação. Disto não se deve, porém, presumir que a maioria dos físicos considere que a mecânica quântica necessite de uma interpretação, além das mínimas fornecidas pela interpretação instrumentalista , as quais serão discutidas abaixo. A interpretação de Copenhague, no ano de 2005, ainda parecia ser a mais popular entre os cientistas (seguida pelas histórias consistentes e interpretação de muitos mundos). Mas também é verdade que a maioria dos fisicos considera que questões não instrumentais (em particular questões ontológicas) sejam irrelevantes para a física. Eles remetem ao ponto de vista de Paul Dirac, depois expresso em um famoso ditado: "Cale-se e calcule" freqüentemente (talvez erroneamente) atribuído a Richard Feynman (veja [1]).
Índice
[esconder]
- 1 Dificuldades de uma interpretação direta
- 2 Estado problemático das visões e interpretações
- 3 Interpretação instrumental
- 4 Propriedades das interpretações
- 5 Comparação
- 6 Ver também
- 7 Referências
- 8 Ligações externas
[editar] Dificuldades de uma interpretação direta
As dificuldades observadas na interpretação refletem vários pontos a respeito da descrição ortodoxa da mecânica quântica. Neste artigo são destacados 4 destes pontos:
- Abstrato, a natureza matemática da descrição mecânica quântica.
- A existência de processos não deterministicos e irreversíveis na mecânica quântica.
- O fenômeno do entrelaçamento, e particularmente, a alta correlação entre eventos que se esperariam remotos na física clássica.
- A complementaridade de possíveis descrições da realidade. Inicialmente, a aceita estrutura matemática da mecânica quântica era baseada profundamente em abstrações matemáticas, tais como espaço de Hilbert e operadores no espaço de Hilbert. Em mecânica clássica e eletromagnetismo, por outro lado, as propriedades de um ponto material ou as de um campo são descritas por números reais ou funções definida em 2 ou 3 dimensões. Claramente, localmente falando, para estas teorias parece ser menos necessário prover uma interpretação especial para estes números e funções. Alem disto, os processos de medição apresentam um papel aparentemente essencial nesta teoria. Eles se relacionam a elementos abstratos da teoria, tais como a função de onda, para valores definidos operacionalmente, tais como probabilidades. Medições interagem com o estado do sistema, de algumas maneiras peculiares, como ilustrado no experimento de dupla fenda. O formalismo matemático usado para descrever a evolução temporal de um sistema não relativístico propõem de certa forma dois tipos de transformações:
- Transformações reversíveis descritas pelo operador unitário no estado espacial. Estas transformações podem ser determinadas pela solução da equação de Schrödinger.
- Transformações não reversíveis e não deterministicas descritas matematicamente por transformações mais complicadas ( veja operadores quânticos ). Exemplos destas transformações são aquelas experimentadas pelo sistema como resultado da medição. Uma versão restrita do problema de interpretação da mecânica quântica consiste em prover algum tipo de imagem plausível, justamente para este segundo tipo de transformação. Este problema deve ser dirigido puramente por reduções matemáticas, por exemplo pela interpretação como na de muitos mundos ou histórias consistentes. Alem das características não deterministicas e irreversíveis do processo de medição, há outros elementos da física quântica que a distinguem profundamente da física clássica e
