100 anos da mecânica quântica e seus impactos na compreensão do universo

No curso de Física, eu aprendi que no final do século XIX, Lord Kelvin, o cientista mais influente da época, fez uma famosa declaração sobre a física de seu tempo: dizia em sentido figurado que o céu estava praticamente limpo, salvo por duas “pequenas nuvens” que ainda pairavam sobre o horizonte da ciência. Essas duas nuvens se tornariam os maiores motores de revolução científica do século XX.  

A primeira era o problema da radiação do corpo negro. O conhecimento clássico não conseguia explicar por que a energia emitida por um corpo aquecido não crescia indefinidamente nas frequências mais altas. Essa falha levou Max Planck, em 1900, a propor a ideia da quantização da energia, inaugurando o caminho que resultaria na mecânica quântica.  

A segunda nuvem era a incompatibilidade entre a descrição do movimento de Newton e a teoria eletromagnética de Maxwell. Experimentos como o de Michelson-Morley mostravam que não havia “éter” para justificar a propagação da luz, e isso colocava em xeque os fundamentos da física clássica. Essa crise foi resolvida por Albert Einstein em 1905, com a teoria da relatividade restrita, que redefiniu espaço e tempo.  

Essas duas “pequenas nuvens” de Kelvin se transformaram em tempestades criativas que mudaram para sempre a ciência. A mecânica quântica abriu caminho para compreender o mundo microscópico, tornou-se essencial para a astronomia ao explicar espectros estelares, fusão nuclear e a origem das estruturas cósmicas. 

Porém, as ideias de Planck eram conceitos isolados que dariam origem à mecânica quântica consolidada somente entre 1925 e 1926 com sua formulação matemática por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Pascual Jordan e Max Born. Por isso estamos comemorando os 100 anos desta importante área da ciência. 

Essa nova física surgiu para explicar o comportamento das partículas subatômicas, mas rapidamente mostrou que suas implicações iam muito além do mundo microscópico. A astronomia, que até então se apoiava em modelos clássicos, encontrou na mecânica quântica a chave para compreender a luz das estrelas, a formação dos elementos e até a evolução do cosmos.  

Sem a mecânica quântica, não seria possível explicar como os átomos emitem e absorvem fótons. Esse detalhe aparentemente técnico é o que permite aos astrônomos decifrar a composição química das estrelas e galáxias. Cada linha espectral que vemos ao analisar a luz de um astro é resultado direto das transições quânticas dos elétrons.

É por isso que sabemos que o Sol tem hidrogênio e hélio em abundância, ou que nebulosas distantes carregam carbono, oxigênio e ferro. A espectroscopia, base da astronomia observacional, é filha direta da mecânica quântica.  

Outro impacto decisivo está na compreensão das estrelas. O processo de fusão nuclear que mantém o Sol brilhando há bilhões de anos só pode ser descrito com precisão usando princípios quânticos, como o efeito túnel, que permite que prótons superem a barreira de repulsão eletrostática e se fundam. Sem esse detalhe, a teoria clássica diria que o Sol jamais poderia produzir energia suficiente para existir como estrela estável.  

A mecânica quântica também abriu caminho para a astrofísica de objetos extremos. Buracos negros, estrelas de nêutrons e pulsares só podem ser entendidos quando combinamos relatividade geral com efeitos quânticos. A pressão de degenerescência dos elétrons, por exemplo, é o que impede que estrelas anãs brancas colapsem sob sua própria gravidade. Esse conceito é puramente quântico e sem ele não haveria explicação para a existência desses corpos.  

Na cosmologia, os avanços são igualmente impressionantes. As flutuações quânticas no universo primordial, amplificadas pela inflação cósmica, são apontadas como a origem das estruturas que vemos hoje: galáxias, aglomerados e até superestruturas cósmicas.

Além disso, a tecnologia derivada da mecânica quântica revolucionou a astronomia prática. Detectores CCD, que captam a luz em telescópios modernos, funcionam com base em efeitos quânticos. Telescópios espaciais como o Hubble e o James Webb dependem desses dispositivos para registrar imagens e espectros com precisão. Até mesmo a busca por exoplanetas e sinais de vida em outros mundos só é possível graças a instrumentos que exploram princípios quânticos. 

Assim, mesmo a Mecânica Quântica sendo a ciência que estuda coisas muito pequenas como átomo, ela nos ajuda a entender o imenso universo da Astronomia!

* Esse texto reflete, exclusivamente, a opinião do autor.