Aula 05 - Aplicação da Mecânica Quântica

Confira o usos de algumas  tecnologias desenvolvidas pela Mecânica Quântica em nosso dia a dia

Por muito tempo, o mundo que conhecemos parecia seguir regras facilmente compreendidas por nossas intuições. E muitas descobertas científicas vieram a partir destas intuições: a gravidade tende a puxar tudo para “baixo” – para o centro da Terra; ao observar um navio desaparecendo no horizonte, ele desaparece por “partes”, sendo a última parte o mastro, e assim pode-se concluir que a Terra não é plana; a água é indispensável à vida na Terra; e assim por diante.

Mas isso tudo mudou com a mecânica quântica. Este campo de estudo colocou a intuição humana de cabeça para baixo. Elétrons são, ao mesmo tempo, onda e partícula, e a forma como se comportam muda apenas pela observação; partículas são “entrelaçadas” de tal forma que podem se comunicar quase que instantaneamente a distâncias absurdas; isso só para citar alguns exemplos.

Neste texto, não pretendo entrar no mérito de explicar a física quântica, coisa que já foi feita várias vezes aqui no Astropt (por mim e por especialistas de verdade que sabem muito mais do que eu sobre o assunto). Colocarei alguns links para você se aprofundar ao final deste texto. O que quero mesmo fazer é aludir a uma frase que o Carlos usa com frequência, e que é muitíssimo adequada: “a ciência não é democrática. Por exemplo, o facto da gravidade ou da electricidade funcionarem, não depende da quantidade de pessoas que acreditam nisso”.

Esta frase é adequadíssima por que ela aponta para uma característica fundamental da ciência: A capacidade de traduzir modelos científicos em aplicações no mundo real. Graças ao nosso conhecimento da gravidade, movimento e aceleração somos capazes de sair do nosso planeta e voar todos os dias em vôos comerciais de um continente a outro. Graças ao nosso conhecimento sobre energia, somos capazes de coletar eletricidade do sol, do movimento e da fissão de átomos.

Tudo isso tem aplicação prática no dia a dia. Sem estas descobertas, você provavelmente não estaria lendo este texto num computador, que funciona a eletricidade, nem faria aquelas tão desejadas férias em Machu Picchu ou Stonehenge.

E é aí que retornamos para a Física Quântica. Andei reparando que muitas pessoas interessadas em ciência (algumas que inclusive se consideram céticos), principalmente pela ignorância em relação a como a ciência funciona, possuem sentimentos confusos em relação a mecânica quântica, o que muitas vezes os levam a acreditar em vigarices pseudocientíficas e documentários tolos como “Quem Somos Nós?”. Um dos motivos que consegui perceber é a crença de que a física quântica não é uma teoria “comprovada” (sim, lá vamos nós de novo), por que não tem aplicação no mundo real. Acham que, por que este campo de estudo trata do muito pequeno, que não há um impacto relevante na vida dos cidadãos.

Estas pessoas, é claro, não poderiam estar mais enganadas. As aplicações da teoria quântica no dia a dia não são novas, e graças à ela fomos capazes de aperfeiçoar e inovar em diversas tecnologias que usamos hoje. Vou citar apenas alguns exemplos que possuem profunda relevância no mundo de hoje:

Transístor:

O que é: Componente eletrônico indispensável para qualquer equipamento de eletrônica, que age tanto como amplificador quanto como um switch para sinais eletrônicos.

O que tem a ver com a física quântica: Transistores dependem de uma propriedade singular dos semicondutores para operar. Graças às descobertas da mecânica quântica foi possível passar dos inseguros tubos de vácuo do ENIAC para computadores mais confiáveis e cada vez menores.

Onde se usa isso: Basicamente, em tudo que é eletrônico: de computadores a tablets, passando por GPS, satélites, naves espaciais, aviões, radares, entre outros.

Laser:

O que é: Dispositivo que produz radiação eletromagnética com características muito especiais, como se propagar como um feixe de ondas paralelas e possuir um mesmo comprimento de onda.

O que tem a ver com física quântica: Lasers funcionam quando agitamos os elétrons que orbitam átomos, os quais emitem fótons conforme retornam aos seus níveis mais baixos de energia. Os fótons emitidos fazem outros átomos liberarem fótons com o mesmo nível de energia e direção, criando um feixe de fótons que vemos como o raio laser. Todo esse processo funciona baseado num dos princípios fundamentais da mecânica quântica, que estabelece que a luz se propaga em “pacotes” chamados Quanta (meio que como a transmissão de dados via internet) e o laser funciona estimulando a emissão de um quanta específico de energia.

Onde se usa isso: Tudo que usa lasers, como o espectroscópio, scanners de código de barras, microscopia, sistemas militares de defesa, CD e Blu-Ray players, entre outros.

Gerador de números aleatórios:

O que é: dispositivo desenvolvido para gerar números realmente aleatórios.

O que tem a ver com física quântica: Por mais estranho que pareça, jogar um dado gera números aparentemente aleatórios, mas não realmente aleatórios. Acontece que a única aleatoriedade verdadeira acontece ao nível quântico (ex.: com informações suficientes, os cientistas são capazes de predizer resultados de uma jogada de dados). Já ouviu falar do Princípio da Incerteza de Heisenberg? (os fãs de Breaking Bad vão ter outra percepção da série agora) Nele, se estabelece que, a nível quântico, não podemos determinar com precisão e simultaneamente a posição e o momento de uma partícula. Aproveitando-se dessa imprevisibilidade, os cientistas criam o equivalente a um “dado quântico” gerando algo chamado “ruído quântico”, através de flutuações no vácuo. Medindo os níveis aleatórios de ruído produzido, os pesquisadores podem desenvolver números realmente aleatórios.

Onde se usa isso: Estatística, simulações de computador, criptografia, e em qualquer área que necessite produzir resultados totalmente aleatórios.

Relógio Atômico

O que é: Relógio ultrapreciso (na verdade, o tipo mais preciso de relógio já criado)

O que tem a ver com a Física Quântica: O ruído quântico, por ser totalmente aleatório, limita a precisão do relógio para medir a vibração dos átomos de césio (que é como estes relógios funcionam). Mas, com este conhecimento, foi possível para pesquisadores de duas universidades alemãs desenvolverem uma forma de suprimir estes níveis de ruídos manipulando os estados de energia dos átomos de césio nos relógios atômicos.

Onde se usa isso: Em diversas aplicações que necessitam de uma precisão realmente grande, como quando engenheiros precisam calcular trajetórias para espaçonaves, para saber precisamente quão veloz o objeto de destino, seja uma estrela ou asteróide, está se movendo.

Fora isso, ainda podemos citar outras aplicações conhecidas e que sabemos que, em breve, irão avançar muito nossa tecnologia, como computação e criptografia quântica, transmissão de informações virtualmente instantâneas e até teletransporte.

Eu poderia ficar citando aqui outros exemplos, mas este texto é apenas uma forma de demonstrar o quanto a mecânica quântica não é uma teoria dissociada da realidade prática e nem suas aplicações são novidade; pelo contrário, sem ela, nossa evolução tecnológica durante o século XX não teria sido possível.

Descubra como a física quântica está mais presente no nosso cotidiano do que imaginamos.

A física quântica começa a confundir a cabeça de qualquer um quando se percebe que a maior parte dos conceitos válidos no universo para eu, você, a Terra e até mesmo o Sol, simplesmente deixam de valer no mundo subatômico. Mas não se preocupe, a física quântica não está aqui para dar um nó no seu cérebro, mas sim para mostrar como compreender a forma que as partículas subatômicas interagem pode mudar a nossa vida.

Computadores

Todos os dispositivos digitais da atualidade utilizam a física quântica para poder funcionar. Se não fosse por ela, provavelmente você ainda estaria lendo esse texto em um jornal ao invés de seu notebook, tablet ou smartphone. O componente básico que compõe um computador é sua CPU, o cérebro da máquina. Ele é composto de milhares de transistores, peças que funcionam como interruptores de “ligado” e “desligado”.

Essa ideia é fundamental para o funcionamento da computação da máquina, pois o “ligado” é interpretado pelo computador como 1 e o “desligado” como 0. A representação binária depois é convertida por uma série de programas até chegar a algo que um ser humano possa compreender. Ok, mas e onde a física quântica entra nisso?

Cada transistor é composto de Sílica, um metal semi-condutor que permite que os elétrons dos átomos assumam estados de energia distintos. Mas somente a Sílica não basta, então outros elementos como Fósforo ou Boro são misturados e criam um componente lógico que permite a programação dos estados dos elétrons. Assim, quando a corrente elétrica passa pelo transistor, é possível perceber o estado de energia do elétron para indicar se o interruptor está “ligado” ou “desligado”.

LED

Aproveitando o conceito dos semi-condutores, vamos explorar outra aplicação da física quântica: a tecnologia LED (Light Emitting Diodes – Diodos emisores de luz). Essa tecnologia está presente hoje na maior parte das telas de smartphones, TVs, computadores e nas lâmpadas também. Aqui a ideia quântica do funcionamento dessa tecnologia também é muito simples de se compreender.

Basicamente, o diodo LED é composto por dois tipos de materiais semi-condutores, separados por um região chamada de “ativa”. Quando uma corrente elétrica passa pelo diodo, o elétron entra por um dos semi-condutores em um estado de energia e sai pelo outro em um estado diferente. Nessa passagem, ele perde energia em forma de luz, através de partículas menores ainda chamada de fótons.

A tecnologia LED avançou muito para tornar a luz emitida pelos elétrons mais forte e mais branca, além de ser capaz de gerar uma quantidade de luz muito maior com um gasto de energia elétrica bem menor quando comparada com tecnologias anteriores como as presentes em lâmpadas fluorescentes.

Câmeras digitais

Os diodos que utilizam tecnologia quântica também estão presentes nas câmeras digitais. Nesse caso, eles são chamados de fotodiodos e estão presentes em cada pixel dos sensores da lente da câmera. Por esse motivo, quanto mais megapixels o dispositivo possuir, melhor será feita a captura da imagem, produzindo resultados com resoluções cada vez mais superiores.

Da mesma forma que a tecnologia dos semi-condutores, os fotodiodos recebem luz e geram uma corrente elétrica que muda o estado de energia dos elétrons ao passar de uma ponta a outra do diodo. Na “ponta” final do diodo se encontra o “negativo” do sensor, que captura o pixel que, junto dos outros pixels capturados pelos inúmeros sensores, gera a imagem final.

Lasers

A física quântica aqui se encontra no processo que os lasers usam para criar o feixe de luz intensa: emissão estimulada. Um elétron de um átomo é estimulado para um nível de energia

liberada em forma de luz monocromática do laser.

GPS

Atualmente quase todos os dispositivos móveis possuem tecnologia GPS (Global Positioning System – Sistema de Posicionamento Global), que lhes permite identificar a localização do aparelho no mundo com um alto grau de precisão. O sistema funciona por meio de uma série de satélites ao redor do globo que enviam sinais aos aparelhos.

O principal requisito para que o sistema funcione é que os relógios internos dos satélites precisam estar sincronizados entre si, já que eles enviam o sinal ao aparelho de tempos em tempos para gerar sua localização exata no globo.

Para gerar esse sincronismo, os sistemas digitais dos satélites utilizam um relógio quântico, que utiliza como contador um átomo de Césio, que gera o horário conforme a frequência de transição de estado de energia de um elétron para um nível alto (spin up) ou para um nível baixo (spin down).

Então, da próxima vez que você ouvir falar de física quântica, não fique assustado. Ela está mais próxima do nosso cotidiano do que podemos imaginar, apesar de continuar parecendo confusa e complexa de ser compreendida.