Limite quântico e limite clássico

Vignamaru pergunta no formspring:

O que define algo como “quântico”. Física quântica não é física simplesmente? Não entendo essa divisão. For dummies, please!

Ok, for dummies então :)

Versão curta
Existe a Física Clássica, que vem desde Newton. Essa é a física que a gente aprende na escola e que já dá dores de cabeça o bastante. Só que há problemas que a Física Clássica não resolve. Para esses foi preciso criar uma nova descrição dos fenômenos muito grandes e uma outra para os muito pequenos. Essa última a gente chama de Física Quântica. É tudo física, mas uma complementa a outra.

Versão longa e elaborada
A física moderna começou com Galileu e Newton. O italiano começou a descrever o movimento dos corpos usando relações matemáticas e o inglês de uma tacada só codificou o movimento dos corpos terrestres e celestiais num único conjunto de leis simples. Isso é o que a gente chama de Mecânica.

Dali em diante as contribuições no campo da Óptica, Calorimetria, Termodinâmica, Eletricidade e Magnetismo foram seguindo o mesmo caminho da Mecânica — leis simples que descreviam os fenômenos que observávamos no mundo. De fato, esses fenômenos podiam ser reduzidos à Mecânica Newtoniana — tudo não passava de corpos pequenos ou grandes se movimentando, e as Leis de Newton serviam justamente para descrever esses movimentos.

Hoje em dia chamamos tudo isso de Física Clássica.

No começo do século XX, entretanto, já se conheciam alguns problemas que as Leis de Newton não resolviam. Por exemplo, há uma pequena diferença entre o valor observado e o previsto pela teoria newtoniana na órbita do planeta Mercúrio. Outro problema não resolvido pela física clássica era o da radiação do corpo negro.

Um "corpo negro" era o nome que se dá para um corpo perfeitamente escuro, que absorva qualquer radiação que incida sobre ele. Sabemos que corpos aquecidos acima do zero absoluto radiam calor de volta para o ambiente. Podemos prever qual vai ser o espectro de emissão de um corpo em equilíbrio térmico baseando-nos nas leis da física clássica. Ao tentar estudar o problema do emissor ideal (o tal corpo negro) em equilíbrio térmico, chegou-se a um impasse: a física clássica previa que ele deveria emitir uma quantidade *infinita* de radiação, porque todos os modos de vibração do campo eletromagnético contínuo tinham que ter a mesma energia. E como a teoria previa um espectro contínuo infinito, a energia emitida devia ser infinita também.

(Modos de vibração são as diferentes maneiras que um oscilador pode vibrar, conforme mais ou menos energia seja colocada nele. Pense numa corda esticada presa numa parede. Sacuda esta corda. Você vai ver que dependendo da sacudida a corda vai formar uma ou mais "corcovas", separadas por pontos fixos).

Para evitar essa catastrófica disparidade entre a teoria e a observação, Max Planck propôs que a energia *não é* contínua, mas vem em pacotes discretos, que ele chamou de quanta. Assim, para uma dada temperatura de equilíbrio, um corpo negro teria um número inteiro de modos de vibração do campo eletromagnético — e o aparente paradoxo é resolvido ao preço de imaginar que a energia é "quantizada".

Essa ideia de quantização mais tarde se provou útil para resolver vários outros problemas complicados para a física clássica. Mais importante, viu-se que existe uma fronteira (um pouco difusa, é verdade) que delimita os fenômenos clássicos e os quânticos. E nessa região de fronteira a Quântica tem que dar as mesmas respostas da Clássica e vice-versa.

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