Figura 1. Uma mosca negra imitada por um microscópio eletrônico é tão monstruosa quanto qualquer criatura de ficção científica. (crédito: U.S. Department of Agriculture via Wikimedia Commons)
Mecânica quântica é o ramo da física necessário para lidar com objetos submicroscópicos. Como esses objetos são menores do que podemos observar diretamente com nossos sentidos e geralmente devem ser observados com a ajuda de instrumentos, partes da mecânica quântica parecem tão estranhas e bizarras quanto partes da relatividade. Mas, tal como a relatividade, a mecânica quântica demonstrou ser válida – a verdade é muitas vezes mais estranha que a ficção.
Figure 2. Os átomos e sua subestrutura são exemplos familiares de objetos que requerem que a mecânica quântica seja totalmente explicada. Algumas de suas características, tais como as discretas conchas de elétrons, são explicações clássicas da física. Na mecânica quântica conceptualizamos “nuvens de elétrons” discretas em torno do núcleo.
Alguns aspectos da mecânica quântica são-nos familiares. Aceitamos como fato que a matéria é composta de átomos, a menor unidade de um elemento, e que esses átomos se combinam para formar moléculas, a menor unidade de um composto. (Veja Figura 2.) Enquanto nós não podemos ver as moléculas de água individuais em um fluxo, por exemplo, nós estamos conscientes de que isto é porque as moléculas são tão pequenas e tão numerosas naquele fluxo. Quando introduzimos átomos, normalmente dizemos que os elétrons orbitam átomos em conchas discretas em torno de um núcleo minúsculo, ele próprio composto de partículas menores chamadas prótons e nêutrons. Sabemos também que a carga elétrica vem em pequenas unidades transportadas quase inteiramente por elétrons e prótons. Tal como acontece com moléculas de água num fluxo, não notamos cargas individuais na corrente através de uma lâmpada, porque as cargas são tão pequenas e tão numerosas nas situações macroscópicas que sentimos directamente.
Fazer ligações: Reinos da Física
Física Clássica é uma boa aproximação da física moderna em condições discutidas pela primeira vez na The Nature of Science and Physics. A mecânica quântica é válida em geral, e deve ser usada em vez da física clássica para descrever pequenos objetos, como átomos.
Atomos, moléculas e cargas fundamentais de elétrons e prótons são todos exemplos de entidades físicas que são quantizadas – ou seja, elas aparecem apenas em certos valores discretos e não têm todos os valores concebíveis. Quantized é o oposto de contínuo. Não podemos ter uma fracção de um átomo, ou parte de uma carga de electrões, ou 14-1/3 cêntimos, por exemplo. Ao contrário, tudo é construído de múltiplos integrais destas subestruturas. A física quântica é o ramo da física que lida com pequenos objetos e a quantização de várias entidades, incluindo a energia e o momento angular. Tal como na física clássica, a física quântica tem vários subcampos, como a mecânica e o estudo das forças eletromagnéticas. O princípio de correspondência afirma que no limite clássico (objetos grandes, de movimento lento), a mecânica quântica se torna a mesma que a física clássica. Neste capítulo, iniciamos o desenvolvimento da mecânica quântica e sua descrição do estranho mundo submicroscópico. Em capítulos posteriores, vamos examinar muitas áreas, como a física atômica e nuclear, nas quais a mecânica quântica é crucial.