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A Física Quântica e o transístor

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Física quântica

A forma como vemos a matéria.

A física quântica não é de fácil entendimento. Na nossa compreensão intuitiva do dia a dia, entendemos como tudo funciona. Atire uma pedra no lago e formará uma onda. Se você empurrar seu carro ele vai andar, muito embora seja bem melhor com o motor. Ao tentar atravessar uma parede você vai perceberá claramente que é impossível. Há leis muito básicas da física que estão acontecendo em torno de nós e que intuímos instintivamente. Com uma força suficiente, um ponto de apoio e uma alavanca, você pode mover qualquer coisa. Duas coisas não podem ocupar o mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo etc..

Na virada do século, os cientistas pensavam que todas as regras básicas como esta deveriam se aplicar a tudo na natureza, mas então começaram a estudar o mundo do ultra-pequeno. Átomos, elétrons, ondas de luz, nenhuma dessas coisas seguia as mesmas regras. Quando físicos como Niels Bohr e Albert Einstein começaram a estudar partículas, descobriram novas leis da física que eram francamente peculiares. Essas eram as leis da “mecânica quântica”, e eles obtiveram esse nome do trabalho de Max Planck.

Experiência da caixa preta

Em 1900, Max Planck então físico em Berlim estudando algo chamado de “catástrofe ultravioleta”. O problema era que as leis da física prediziam que se você aquecer uma caixa de maneira que nenhuma luz possa sair (conhecida como “caixa preta”), ela deveria produzir uma quantidade infinita de radiação ultravioleta. Na vida real, não aconteceu isso: a caixa irradiava cores diferentes, vermelho, azul, branco, assim como o metal aquecido, mas não havia quantidade infinita de nada. Não fazia sentido. As leis da física que descreviam com exatidão como a luz se comportava fora da caixa. Por que então, não descreveram com precisão esse cenário de caixa preta?

Planck tentou um truque matemático. Ele presumiu que a luz não era realmente uma onda contínua como todos assumiam. Então talvez pudesse existir quantidades específicas, ou “quanta”, de energia. Planck realmente não acreditava que isso fosse verdade sobre a luz. Na verdade mais tarde ele se referiu a este truque de matemática como “um ato de desespero”. Mas com esse ajuste, as equações funcionaram, descrevendo com precisão a radiação da caixa.

Demorou um tempo para que todos concordassem com o que isso significava. Eventualmente, Albert Einstein interpretou as equações de Planck para significar que a luz pode ser pensada como partículas discretas, assim como elétrons ou prótons. Em 1926, o físico de Berkeley, Gilbert Lewis, os chamou de fótons.

 

Quanta, quanta em todos os lugares

Essa ideia de que as partículas só poderiam conter pedaços de energia em certos tamanhos se moviam para outras áreas da física também. Durante a próxima década, Niels Bohr puxou-o para a descrição de como funcionava um átomo. Ele disse que os elétrons que viajavam ao redor de um núcleo não podiam ter quantidades arbitrariamente pequenas ou arbitrariamente grandes de energia. Eles só podiam ter múltiplos de um “quantum” padrão de energia.

Eventualmente, os cientistas perceberam que isso explicava por que alguns materiais são condutores de eletricidade e alguns não são. Já que os átomos com diferentes órbitas de elétrons de energia conduzem eletricidade de forma diferente. Esta compreensão foi crucial para a construção de um transistor. Já que o cristal no seu núcleo é feito misturando materiais com quantidades variáveis ​​de condutividade.

A natureza da luz

Mas eles são ondas também. Aqui está uma das coisas peculiares sobre a mecânica quântica. Apenas porque um elétron ou um fóton pode ser pensado como uma partícula, não significa que eles ainda não podem ser como uma onda também. Na verdade, em muitos experimentos, a luz age muito mais como uma onda do que como uma partícula. Essa onda de natureza produz alguns efeitos interessantes. Por exemplo, se um elétron que viaja ao redor de um núcleo se comporta como uma onda, sua posição em qualquer momento torna-se incerto. Em vez de estar em um ponto concreto, o elétron é manchado no espaço.

Esta mancha significa que os elétrons nem sempre viajam do jeito que se poderia esperar. Ao contrário da água que flui em uma direção através de uma mangueira, os elétrons que se deslocam como corrente elétrica podem, às vezes, seguir caminhos estranhos. Especialmente se eles estão se movendo perto da superfície de um material. Além disso, os elétrons que agem como uma onda às vezes podem atravessar uma barreira. Compreender esse comportamento estranho de elétrons era necessário, já que os cientistas tentavam controlar o fluxo de corrente através dos primeiros transistores.

Então, o que é isso – uma partícula ou uma onda?

Os cientistas interpretam a mecânica quântica para significar que uma pequena peça de material como um fóton ou elétron é uma partícula e uma onda. Pode ser, dependendo de como se olha ou que tipo de experiência está fazendo. Na verdade, pode ser mais preciso dizer que os fótons e os elétrons não são nem uma partícula ou uma onda – eles estão indefinidos até o momento em que alguém os olha ou executa uma experiência, forçando-os a ser uma partícula ou uma onda.

Princípio da incerteza de Heisenberg

Isso vem com outros efeitos colaterais: a saber, que uma série de qualidades para partículas não estão bem definidas. Por exemplo, há uma teoria de Werner Heisenberg chamada de Princípio da Incerteza. Ele afirma que, se um pesquisador quiser medir a velocidade e a posição de uma partícula, ele não pode fazer as duas coisas com muita precisão. Se ele mede a velocidade com cuidado, então ele também não pode medir a posição. Isso não significa apenas que ele não tem ferramentas de medição suficientemente boas – é mais fundamental do que isso. Se a velocidade estiver bem estabelecida, simplesmente não existirá uma posição bem estabelecida e vice-versa.

Albert Einstein não gostou dessa ideia. Quando confrontado com a noção de que as leis da física deixaram espaço para essa dualidade, ele anunciou: “Deus não joga dados com o universo”. No entanto, a maioria dos físicos hoje aceita as leis da mecânica quântica como uma descrição precisa do mundo subatômico. E certamente foi uma compreensão completa dessas novas leis que ajudaram Bardeen, Brattain e Shockley a inventar o transistor.

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