Gato de Schrödinger

A experiência do gato de Schrödinger apresenta um paradoxo, uma ideia absurda em que a curiosidade pode ou não matar o gato. A intenção do físico austríaco Erwin Schrödinger em 1935 ao desenvolver essa teoria era mostrar que o comportamento de dualidade das partículas subatômicas, parece ilógico se aplicado numa situação mais comum de ser visualizada. O que ele imaginou foi o seguinte: um gato, um frasco contendo veneno e um contador Geiger (detector de radiação) são postos em uma caixa lacrada. Um elemento químico que tem 50% de chance de mandar uma partícula radioativa e 50% de não mandar radiação é colocado próximo ao contador Geiger, se ele detectar a radiação então o frasco é quebrado, liberando o veneno que mata o gato.    

O paradoxo é que antes de abrirmos a caixa o gato está vivo e morto ao mesmo tempo, esse estado é chamado de superposição, condição de um objeto existir em todos seus possíveis estados, de uma só vez.

A experiência de Schrödinger é passível de várias interpretações:

-A mais comum na quântica é a Interpretação de Copenhague, desenvolvida por Niels Bohr e Werner Heisenberg, ela define que o gato se torna vivo ou morto apenas quando uma observação mede o estado do gato, o que significa que, antes da caixa ser aberta a situação permitia todas as possibilidades de uma vez só (um gato vivo e morto, no chamado no estado de superposição). Porém apenas uma das possibilidades é escolhida aleatoriamente quando olham dentro da caixa, obrigando o estado a se modificar instantaneamente como resposta dessa observação.

-Outra interpretação considerada na quântica é a de Interpretação de Muitos Mundos, formulada inicialmente por Hugh Everett, que propõe a existência de múltiplos "universos paralelos". Essa teoria concorda a ideia do estado de superposição (gato vivo e morto ao mesmo tempo), mas discorda da Interpretação de Copenhague em um ponto vital. Para Everett, abrir a caixa não força com que um estado se manifeste, mas causa uma quebra no universo. O universo se quebra em dois universos diferentes para acomodar cada um dos possíveis desfechos, dividindo-se em um universo para a possibilidade de você abrir a caixa e o gato viver e em outro universo simultaneamente  em que você abre a caixa e descobre que seu bichano morreu.

Por mais louca que essas interpretações possam parecer, elas são compreensíveis e estão sendo estudadas por físicos. Alguns deles afirmam que aquilo que foi observado até agora em nível quântico gera mais perguntas do que respostas sobre o comportamento das partículas,  Richard Feynman diz que “Se você acha que entendeu alguma coisa sobre mecânica quântica, então é porque você não entendeu nada”.

O experimento mental está melhor representado no vídeo abaixo:

O experimento de dupla fenda:

A primeira demonstração experimental de que a luz é uma onda foi realizada no ano de 1801 pelo médico, cientista e físico inglês Thomas Young. Ele se interessou pelo estudo dos fenômenos luminosos e foi o primeiro a propor que as ondas luminosas são transversais e não longitudinais, como alguns cientistas acreditavam.

Young, com um experimento brilhante, descobriu um método para obter duas fontes de luz em fase. Thomas fez com a luz produzida por uma fonte luminosa fosse difratada ao passar por um pequeno orifício. Após ser difratada, a onda luminosa se propagava em direção a dois outros pequenos orifícios, onde sofria novamente o fenômeno da difração. Com isso, surgiam duas novas ondas luminosas que se propagavam com fases constantes. Finalmente, essas duas ondas atingiam um anteparo (alvo) onde era possível ver a existência de regiões claras e escuras. As regiões escuras correspondiam às interferências destrutivas, enquanto que as regiões claras correspondiam às interferências construtivas.

A experiência realizada por Young teve grande repercussão entre os cientistas, pois ele mostrou que é possível obter interferência com a luz, e dessa forma demonstrou, de forma quase definitiva, que a luz é um fenômeno ondulatório. O experimento da fenda dupla é um dos mais intrigantes que temos acesso em um primeiro contato com a teoria quântica. Muito se fala (de forma qualitativa) nos livros, mas pouco é mostrado do ponto de vista matemático, pela sua complexidade técnica. Qualitativamente ele mostra a dualidade onda-partícula. De forma resumida, quando o elétron passa por uma fenda ele exibe comportamento corpuscular e quando passa por duas fendas exibe comportamento ondulatório. Esta é uma abordagem quântica (com algumas aproximações) do experimento da fenda dupla com partículas livres. A mecânica quântica é uma teoria de observáveis e suas medidas. Os seus postulados fornecem instruções para o cálculo das probabilidades das medidas desses observáveis.

O experimento de dupla fenda está representado no vídeo abaixo:

''Partícula de Deus'' ou Bóson de Higgs

O Campo de Higgs é um campo de energia que existe em todos os lugares do universo. O campo é acompanhado por uma partícula fundamental chamada Bóson de Higgs a ''chamada partícula de Deus'' (apesar de muitos cientistas não concordarem com esse nome), que utiliza o campo para interagir continuamente com outras partículas. Conforme as partículas passam através do campo elas se ‘’comunicam’’ com a massa, como um objeto que passa pelo melado se torna mais lento. A massa em si não é criada com o campo de Higgs, pois isso contrariaria as leis de conservação que dizem que nada se cria nem se destrói na natureza, apenas se transforma. No entanto, massa é "transmitida" às partículas pelo campo de Higgs, que contém a massa relativa sob a forma de energia (relação expressa pela fórmula E= m.c² de Einstein) . Uma vez que o campo interage com uma partícula que era anteriormente sem massa, ela tem a possibilidade de desacelerar porque se tornou mais pesada. Se não existisse o campo de Higgs, partículas não teriam a massa necessária para atrair uma ao outra e que flutuariam livremente na velocidade da luz. Segundo a teoria, o bóson de Higgs deu massa à matéria expelida pelo Big Bang há 14 bilhões de anos.

Primeiramente, a energia começa nos chamados bósons de calibre (bósons W,Z, glúons e fótons) que interagem com o campo de Higgs. Essa energia tem a forma de energia cinética, como movimento. Após os bósons de calibre interagem com o campo de Higgs, eles tem sua velocidade diminuída, logo usa energia cinética também diminuí. No entanto, esta energia não é destruída, ela é convertida em massa-energia, que é a massa normal que vem de energia. A massa criada é o que chamamos de um bóson de Higgs. A quantidade de massa criada vem da famosa equação E = mc² de Einstein, que diz que a massa é igual a uma grande quantidade de energia (por exemplo, 1 kg de massa é equivalente a quase 90 quatrilhões de joules de energia , a mesma quantidade de energia utilizada por todo o mundo em cerca de uma hora e 15 minutos em 2008). Uma vez que a quantidade de massa -energia criada pelo Bóson de Higgs é igual à quantidade de energia cinética que os bósons de calibre perderam por serem desacelerados, a energia é conservada.
Porém essa partícula é apenas teórica pois é muito difícil detectá-la com o equipamento e tecnologia que temos agora. Acredita-se que essas partículas existem menos de um septillionth de um segundo (1 segundo dividido por 1 seguido de 24 zeros). Outra razão nessa dificuldade é porque é preciso muita energia para criar uma o Bóson de Higgs devido sua enorme massa (em comparação com outras partículas). Os aceleradores de partículas tem energia suficiente, um dos principais é o Large Hadron Collider da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, utilizado por cientistas para encontrá-lo. Quando se colide e quebra as partículas em conjunto, há uma pequena chance de um bóson de Higgs aparecer, de modo que o Large Hadron Collider já quebrou muitas partículas juntos para encontrá-lo com 100% de certeza.

Modelo Padrão do Átomo:

 Antes de começarmos a discutir sobre o Modelo Padrão, precisamos esclarecer alguns termos:
-O que é Átomo?
Todas as substâncias são formadas por partículas denominadas moléculas, e estas, por sua vez, são constituídas por partículas menores, denominadas átomos. No modelo mais aceito atualmente ( que leva em consideração o Modelo atômico de Bohr), o átomo possui um núcleo que concentra sua massa, composto por prótons e nêutrons e uma região periférica ao redor do núcleo onde os elétrons ficam girando, chamada de eletrosfera.

-O que é uma partícula subatômica?
O termo partícula deriva do latim partícula e significa parte muito pequena, corpo diminuto ou corpúsculo. As "partículas subatômicas" são entes de dimensões quase desprezíveis, como os elétrons ou as partículas que formam os nêutrons e prótons, ou seja, são as menores porções localizadas de matéria-energia conhecidas. O termo "matéria-energia" se deve ao comportamento dual onda-matéria, facilmente verificado para entes com essas minúsculas dimensões(esse comportamento será abordado em um segundo momento com o Experimento do Canhão de Fótons).
No final do século XIX, em 1897, foi descoberta a primeira partícula por Joseph John Thomson, o elétron. Depois da descoberta do núcleo (em 1911 por Ernest Rutherford) já foi comprovada a existência de muitas outras partículas subatômicas, que começaram a ser organizadas por um conjunto de números quânticos.

-O que é são antipartículas ?
Antipartículas são as partículas elementares que constituem a chamada antimatéria,  podendo originar os antielementos, como o antihidrogenio. Elas dão forma a antiátomos da mesma maneira que elétrons, prótons e nêutrons dão forma a átomos normais da matéria. Toda a partícula tem a sua antípartícula, que pode ser considerada igual à partícula correspondente apenas com a carga oposta. Existem ainda as partículas neutras, como o fóton.
Por exemplo:
·         anti-elétrons ( ou pósitrons, elétrons com carga positiva)
·          anti-prótons (prótons com carga negativa)
·          Anti-nêutrons (com carga nula como os nêutrons)
Sempre que uma antípartícula colide com a sua respectiva partícula, elas se aniquilam.


Desde que foram descobertos novas divisões para o átomo, foram estabelecidas leis fundamentais da matéria-energia que governam suas relações. Isso levou os cientistas a procurarem encontrar soluções teóricas que unifiquem e simplifiquem o estudo da estrutura fundamental do Universo. E esse é o objetivo da física de partículas, estudada pela Mecânica Quântica, a busca à forma mais básica da natureza, desde as enormes dimensões, como a formação de galáxias e estrelas ate as mais minúsculas dimensões imagináveis e inimagináveis.

 Todo o nosso mundo visível se fundamenta nesse nível invisível das partículas elementares(blocos básicos da matéria).

Uma das primeiras descobertas de subpartículas atômicas foram os quarks, capazes de interagir com as quatro forças existentes, a primeira evidência de sua existência foi encontrada nos experimentos feitos com aceleradores de partículas em 1967(esses experimentos serão explicados a diante quando tratarmos sobre Bóson de Higgs). A partir dessa descoberta foi possível descrever a composição de diversas outras partículas pela combinação de quarks, foi assim que a teoria do Modelo Padrão começou a ser montado. Com a evolução da teoria, foram descobertos outros quarks: quark do topo , quark do fundo, quark charmoso, quark estranho, "up" quark e o "down" quark.

Além dos quarks foram descobertos os Léptons, outro tipo de partícula que não interage fortemente, no grupo dos léptons pode se observar: o Elétron e seu neutrino correspondente, o Muon  e seu neutrino correspondente e o Tau  e seu neutrino correspondente.

As forças tem papel fundamental na construção desse Modelo, pois sem elas não existiria a interação entre as partículas, logo não existiria o universo. Existem quatro forças fundamentais na natureza:
·        Força eletromagnética: responsável pela propagação de luz e o magnetismo.
·        Força nuclear fraca: é usada para explicar a energia produzida pelo sol e é responsável pela radiação.
·        Força nuclear forte: responsável por manter os quarks unidos para formar os prótons e nêutrons, essa força, ao contrário das outras não fica menos poderosa com a distância de seu alcance.
·        Força gravitacional: responsável por atrair dois corpos um para o outro.
No nível quântico e minúsculo é preciso ter um jeito diferente de pensar sobre forças, elas são causadas por ‘’trocas’’ entre partículas, tais trocas geram partículas virtuais chamadas bósons, eles são responsáveis por gerar as forças fundamentais:
·         Os glúons são as partículas que surgem da interação dos quarks, eles são responsáveis por gerar a força forte.
·         Os bósons W e Z são responsáveis pela força fraca.
·         Os fótons (γ) são responsáveis por gerar a força eletromagnético.
·         Os bósons responsáveis pela gravidade são apenas hipotéticos, os ‘’ grávitons’’ não podem ser confirmados devido a pouca intensidade que a gravidade possui em nível atômico.

Essa troca que gera a força pode ser explicada por uma área da Física de partículas chamada Cromodinâmica Quântica (QCD), ela diz que os quarks estão em constante mudança e possuem três cargas diferentes que são descritas nas partículas como cores(vermelho, verde e azul) e nas suas antipartículas como anti-cores correspondentes(ciano, magenta e amarelo, respectivamente), o que fazem esses quarks se unirem é a troca de cor através dos glúons. Os glúons são então de duas cores, carregando uma unidade de cor e uma unidade de anti-cor. As trocas de cores pode ser entendida melhor por esse vídeo:
https://www.youtube.com/watch?v=3fcFTkgZUAU

UM POUCO MAIS SOBRE CADA PARTÍCULA:
Bósons:
Só existem virtualmente e geram as forças que unem as outras partículas e as fazem enteragir.
Entre os exemplos de bósons estão as partículas elementares, como o fóton, o glúon, o bóson de Higgs, e partículas compostas, como mésons.
 Quarks:
‘’Up" e "Down" Quarks, formam os prótons e nêutrons. Os demais (quark do topo (quark do fundo, quark charmoso, quark estranho) podem ser encontrados apenas em aceleradores de partículas. Os quarks interagem com a força nuclear fraca, a qual transmuta tipos distintos de quarks. Por exemplo, o quark tipo "charmoso" pode mudar para um quark tipo "estranho" pela emissão de um glúon, que transporta a força nuclear fraca.
Léptons:
Os léptons pertencem a outra ‘’família’’ de subpartículas e não são feitos de quarks. Eles não interagem fortemente, logo seus bósons são responsáveis pela força fraca.
 O Elétron possui carga negativa, é o responsável pela criação de campos magnéticos e elétricos.
·         O Muon é uma partícula semi-estável e carga eléctrica negativa.
·         O Tau é muito parecido com o elétron, ele pode ser genericamente chamado de elétron superpesado.

·         O Neutrino surge da desintegração de um nêutron em próton e elétron, é uma partícula sem carga elétrica e que interage com outras partículas através da interação fraca.

Introdução à Mecânica Quântica:

Mecânica Quântica é a ciência que estuda tudo aquilo que está além da nossa percepção, aquilo que não podemos enxergar a olho nu, que contém princípios que explicam a interação entre matéria e energia a níveis atômicos, e até mesmo subatômicos. Como dizia Richard Feynman, a mecânica quântica cuida da “natureza como Ela é - absurda” , assim como que ” se você acha que entendeu alguma coisa sobre mecânica quântica, então é porque você não entendeu nada” .

A Mecânica Clássica explica a interação entre matéria e energia a escala humana, como por exemplo corpos celestiais. Mas no final do século XIX, cientistas descobriram fenômenos que atuavam em ambos micro e macro escalas, os quais não podiam ser explicados pelas teorias anteriores. Foi aí que uma das maiores revoluções na física ocorreu, o surgimento da Mecânica Quântica.
A história da mecânica quântica e da física moderna começou a ser escrita quando na década de 90 do século XVIII foi pedido ao físico teórico alemão Max Planck para que ele aumentasse a intensidade da luz de uma lâmpada sem que aumentasse o consumo de energia. Após tentar descobrir como fazer isso, ele chegou teorias que funcionavam de um jeito, mas na prática se comportavam-se de forma diferente, assim ele descobriu que a luz era uma onda eletromagnética que necessitava de quantidades de energia para funcionar ( Quanta ou Quantum, no singular).Como isto se parecia muito absurdo para sua época, muitos desacreditaram na teoria de Planck, mas um famoso físico teórico também alemão, Albert Einstein, relacionou com outro problema comum entre ondas de luz , o de dividir energia , onde estas ondas de maiores frequências, requerem maiores quantidades de energia, mas elas não sabem dividir com as de menores frequências, logo você tem que supri-las com determinada quanta, assim quando você não fornece essa quantidade exata, as ondas de luz se dissipam, e a energia se distribui entre as ondas de menores frequências que estão “dispostas” a aceitar essas pequenas quantidades, e essa energia em comum que elas dividem nós denominamos como temperatura.. Assim altas temperaturas são ondas de luz com altas frequências, e temperaturas amenas carregam ondas de energia com menores frequências. Especificamente, a Teoria quântica da luz dispersa de Planck diz que filamentos de lâmpadas devem ser aquecidas até aproximadamente 3200 Kelvin para que tenha certeza que a maioria da energia seja emitida em forma de luz visível, porque se essa temperatura ultrapassasse este limite, começaríamos a nos bronzear.
E em março de 1905 Albert Einstein publicou uma série papéis que afirmava que a luz não era nada mais nada menos que partículas, e ele chegou a essa conclusão ao analisar que a luz emitida por algo quente tinha na verdade a mesma distribuição de energia que a de um gás, que foi muito interessante para físicos do século XVIII que pensavam que a luz era uma onda continua e não um gás composto de partículas. E mesmo que a teoria de que a luz se comportava como um gás já era conhecida antes de Einstein, ninguém prosseguiu com um passo lógico mas louco de que a luz deveria ser composta por partículas também. Essa teoria de Einstein fez com que ele ganhasse um prêmio Nobel, já que tudo o que ele propôs estava correto. 
Algumas das figuras mais influenciais da história da mecânica quântica são: Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Max Born, Paul Dirac, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Erwin Schrödinger, Richard Feynman.
O termo Mecânica quântica foi criado pelo grupo de físicos incluindo Max Born, Werner Heisenberg , e Wolfgang Pauli, na Universidade de Göttingen nos anos 20.
Alguns dos temas que ainda serão comentados neste blog que envolvem mecânica quântica são :
• O modelo padrão da física, que mostra a interação entre as forças eletromagnéticas , nuclear forte, e nuclear fraca, utilizando as partículas subatômicas.
• O Higgs Bóson, a famosa ''Partícula de Deus''.
• Entrelaçamento quântico, explicado pelo modelo padrão.
• O experimento de canhão de fótons, que explica a dualidade onda/partícula.
• O princípio da incerteza de Heisenberg, que explica porque não podemos medir ambas a posição e o momentum ( produto da velocidade e massa) da partícula subatômica.
• O experimento do Gato de Schrödinger, que fala sobre a possibilidade de vários universos paralelos

Introdução

Após ficarmos sabendo que teríamos um projeto de física para desenvolver, e que esse projeto poderia vir a se tornar um estande na Feira de Ciências do Colégio Senhora de Fátima, logo reunimos o nosso grupo, porém alguns membros foram relutantes sobre a decisão do tema, então fomos obrigados a formular um novo grupo, composto por Luiza Pereira, Vinícius Bet, Lais Feller. Com o grupo já formado fomos pesquisar sobre o possível tema a ser abordado pelo nosso projeto, quando um dos elementos do grupo nos apareceu com a intrigante de falar sobre a Mecânica Quântica. Explicação subatômica das forças intramoleculares, a teoria da existência de um multiverso, origem da expressão ‘’a curiosidade matou o gato’’ e o principio da incerteza serão alguns dos temas discutidos aqui.