Não devemos nos iludir com propagandas e promessas que usam a ‘quântica’, palavra da moda que tem sido aplicada para ‘fenômenos’ que a nossa vã filosofia não consegue compreender. Tudo para dar ares de ficção científica aos mais diferentes contextos e prometer soluções para problemas da contemporaneidade, abrindo espaço para charlatanismos. 

A palavra quântica, quando sozinha, não significa quase nada para a ciência. Ou melhor, do latim ‘quantum’, significa quantidade, algo que pode ser medido, quantificado. Agora, quando a palavra está associada a uma área do conhecimento científico e fundamentada por teorias e metodologias, e se estiver associada à tecnologia e inovação e vir de fontes confiáveis da ciência, pode confiar.

Nas Ciências Exatas, especificamente na Física, ‘quântico’ refere-se a entidades físicas que não são contínuas, mas que existem em unidades discretas ou “quanta“, como a energia de um elétron. Assim, “quântica” deve ser entendida como teoria quântica, também conhecida como Mecânica Quântica, que estuda o comportamento das partículas subatômicas, como elétrons, prótons e nêutrons. 

A teoria quântica descreve o universo em um nível microscópico, espaço em que as leis da Física clássica não se aplicam. Ela estuda o comportamento das partículas no nível microscópico, onde a energia, a quantidade de movimento e outras propriedades físicas são quantizadas, e onde os princípios da Física clássica são insuficientes.

Porém, o que mais choca nesse universo de desinformação em torno da teoria quântica é a aura de novidade que tais propagandas anunciam, especialmente de uma área da Física que há mais de um século desafia teóricos e pesquisadores pelo mundo. Ela é, realmente, resultado da observação de um fenômeno complexo que se dá numa dimensão microscópica que a ciência vem desvendando e formulando teorias e suas aplicações, servindo de ferramenta epistemológica para outras áreas de conhecimento.

Tanto que, para incentivar que instituições de pesquisa e ensino se engajem na divulgação de conceitos relacionados ao tema e ampliar o conhecimento da teoria em sociedade, a Organização das Nações Unidas para a Educação e a Cultura (Unesco) declarou 2025 o Ano Internacional da Ciência e Tecnologia Quânticas (IYQ, na sigla em inglês). 

A comemoração proposta pela Unesco marca não só os 100 anos do desenvolvimento da Mecânica Quântica, mas pretende instigar os jovens sobre as tecnologias e avanços na área da Física Quântica. Em 1925, Werner Heisenberg introduziu a ideia de “mecânica matricial”, marcando o início formal da Mecânica Quântica, conceito desenvolvido também por Max Born e Pascual Jordan. Em 1932, Heisenberg venceu o Nobel de Física pela criação da Mecânica Quântica. É dele o Princípio da Incerteza, na qual afirmava ser impossível medir com precisão a velocidade e a posição de uma partícula.

Porém, pouco antes, em 1900, o físico alemão Max Planck postulou a quantização de energia a partir da radiação de “corpo negro”, que é um objeto que absorve toda a radiação e, quando aquecido, emite radiação térmica. Tal explicação deu origem à Física Quântica e o torna pai dessa nova área do conhecimento, como reconhecem os próprios físicos e pelo qual também recebeu o Nobel de Física em 1918.

Newton & Planck

O professor do Departamento de Física da Universidade Estadual de Maringá (UEM), Breno Ferraz de Oliveira, explica que a Mecânica em si, tanto a Quântica quanto a Clássica, envolve a descrição do movimento dos corpos, dos objetos, de tudo que se movimenta.

“Quando os objetos têm dimensões do nosso cotidiano, a gente chama de Mecânica clássica. E essa foi feita lá atrás, bem desenvolvida por Isaac Newton, considerado o pai da Física clássica. Depois vieram vários outros cientistas que tiveram suas contribuições também”, afirma o professor que também é divulgador científico, inclusive participando da edição deste ano do Pint Of Science, que aconteceu em Maringá, região Noroeste do Paraná. 

Oliveira destaca que a partir do avanço da tecnologia para se observar as coisas pequenas,  como o interior do átomo ou alguns outros fenômenos, percebeu-se que a Mecânica Clássica, não dava conta de responder ou prever esses movimentos. “Assim, não se tinha mais uma teoria que funcionava para o mundo microscópico e foi aí, então, que surgiu a Mecânica Quântica”, reforça.

O pesquisador aponta certa divergência, nada grave, sobre as datas do surgimento desta importante parte da Física. “Na verdade, a Mecânica Quântica surge, o pessoal brinca, em 14 de dezembro de 1900, quando Planck apresentou uma ideia de quântica, ou seja, a palavra quantum para dar essa ideia de quantizar, de dividir alguma coisa, ou seja, não ser mais um contínuo”.

Planck observou que o objeto de seu estudo fazia absorção de energia, não de uma maneira contínua, mas discreta, o que foi considerado um absurdo para época. Só que Planck percebeu que existia um problema aberto chamado ‘catástrofe do ultravioleta’.

“Planck estava louco? Não. Tinha ali mais uma evidência: a natureza se comportava de uma maneira discreta e no sentido de que a absorção de energia ocorria de maneira quantizada. Ela ia pegando chamados ‘pacotinhos de energia’ como se fosse uma torneira despejando água a conta-gotas.  Ali se começou a estudar muito essa questão das propriedades do mundo microscópico”, destaca Breno. 

Muito bom em Matemática, o pai da Física Quântica afirmou, à época, saber como resolver esse problema. “Só que ele viola algumas intuições físicas do nosso meio, que é essa questão de que o corpo que ele estava estudando fazia absorção da energia de maneira discreta, provando que o seu modelo matemático de discretização funcionava”, completa o professor da UEM.

Na esteira de Planck, Albert Einstein, em 1905, investiga a dualidade onda-partícula para esclarecer o efeito fotoelétrico, uma propriedade inerente da natureza tanto para partículas quanto para ondas no comportamento de elétrons, prótons, nêutrons e até dos átomos. 

Einstein mostrou que a luz se comportava de forma quantizada, ou seja, distribuía-se em pequenos “pacotes” de energia que arrancavam elétrons do metal se, e somente se, esses pacotes tivessem um nível de energia que pudesse ser absorvido pelos átomos do metal. Foi assim que, na origem da Física Quântica e com a contribuição de outros físicos teóricos, já se antevê as infinitas possibilidades para o que acontece no mundo microscópico que esta teoria se propõe a explicar.

Essa questão da dualidade na Mecânica Quântica é bem delicada porque ela apresenta um comportamento que, classicamente, não existe. “Como uma coisa é uma onda e uma partícula ao mesmo tempo e porque escolhe uma das propriedades somente quando eu vou olhar pra ela?”, questiona Breno, que acrescenta: “a solução vem com a equação de Erwin Schrodinger, em 1925, quando ele traz as probabilidades de se encontrar as partículas, pequeníssimas, em algum lugar do espaço, dadas algumas condições, e que muda o tempo todo”.

E foi com esse, digamos, novo olhar para o mundo físico microscópico que a ciência alcança um novo patamar. “Na década de 1960, com a continuidade das pesquisas, os físicos deram para a humanidade a maior contribuição, a meu ver, que foi a criação do transistor, um componente que revolucionou a eletrônica e permitiu termos hoje o smartphone, computador e encaminhar toda essa questão que envolve a qualidade de processamento. Tudo graças a esse desenvolvimento da Mecânica Quântica”, enaltece Oliveira.

Para saber mais detalhes sobre a teoria quântica e sua origem, preparamos o podcast “Conexão Quântica” com o pesquisador e professor Breno Ferraz de Oliveira, que fala inclusive da importância da teoria quântica na grade curricular do curso e como decidiu pela formação em Física.

Simetrias Generalizadas

Agora que apresentamos a origem da Física Quântica, alguns dos principais conceitos e seus desdobramentos, é possível compreender a dimensão da complexidade da teoria quântica. Percebe-se como suas proposições para explicar o mundo microscópio podem influenciar, e revolucionar, o futuro da humanidade, seja no campo das Ciências Exatas, Biológicas e até Humanas.

No Brasil, várias universidades possuem centros e laboratórios em diversas áreas do conhecimento que desenvolvem a pesquisa a partir da teoria quântica, e no Paraná não seria diferente. Um grupo de pesquisadores da Universidade Estadual de Londrina (UEL) tem se dedicado na última década ao projeto “Simetrias Generalizadas em Teoria de Campos e Matéria Condensada”, sob a coordenação do professor de Física, Pedro Rogério Sergi Gomes.  

Único grupo no país a se debruçar sobre um dos temas emergentes da física teórica contemporânea, a equipe produz estudos das ‘simetrias generalizadas’ que representam não apenas o avanço no entendimento da Teoria Quântica de Campos, como sinalizam descobertas de novos aspectos e aplicações.

“Uma grande área importante é a Teoria Quântica de Campos. Como se consegue a descrição de partículas elementares no nível quântico? Quais são as partículas, como elas interagem, e se a gente consegue entender todos esses tipos de processos? Esta é a área central que eu trabalho. Nos últimos anos, tenho empregado os métodos da teoria quântica dos campos para investigar as chamadas fases exóticas da matéria sob a perspectiva das simetrias generalizadas, que é um assunto de grande efervescência recente devido à confluência de ideias de diferentes áreas da física”, explica Gomes. 

Uma dessas áreas é a chamada Computação Quântica, que é de grande relevância tecnológica. “Basicamente, certas fases exóticas da matéria constituem plataformas promissoras para a construção de computadores quânticos, que tem capacidade de processamento muito superior à de um computador usual (clássico), podendo levar a uma revolução tecnológica”, justifica o pesquisador da UEL. 

Além dessa, Pedro conta que há uma corrida mundial para o desenvolvimento de novos materiais, a partir da contribuição da Física Quântica, que têm muito potencial de aplicação para várias coisas do cotidiano. Um deles são os chamados isolantes topológicos, um material híbrido que é isolante no seu interior e condutor em sua superfície, e que foi descoberto no contexto das fases exóticas da matéria. 

De forma geral, a pesquisa tenta descobrir propriedades da matéria exótica, decorrentes do caráter quântico de seus constituintes, o que torna essa empreitada complexa e desafiadora para teóricos e experimentalistas. “Primeiro você tem que entender as propriedades físicas subjacentes, dominar os mecanismos internos envolvidos, para depois conseguir aplicar para tirar as vantagens daquilo”, resume Pedro Gomes.

Para o pesquisador, a decisão da Unesco em declarar 2025 como o Ano Internacional da Ciência e Tecnologia Quânticas traz um aspecto positivo para um dos maiores problemas da população em geral, que é a falta de cultura científica. “Eu acho que é super relevante, embora entenda que isso não vai mudar o jeito que as pessoas fazem Física, mas deve mudar os mecanismos de financiamento e elevar a cultura científica no país”, acredita o físico.

Química Quântica

Além da Física, a teoria quântica tem sido uma aliada fundamental nos estudos da Química. Na Universidade Federal do Paraná (UFPR), o departamento abriga dois grupos com linhas de pesquisas distintas e que demonstram a relevância e versatilidade da área para a ciência.

O pesquisador e professor Eduardo Lemos de Sá está na docência há mais de 30 anos, trabalhando com a teoria quântica em seus estudos desde a época do doutorado em Espectroscopia.

“Por sugestão de um colega, usei princípios de Mecânica Quântica para um cálculo do espectro de infravermelho. A partir dessa época, a quântica ficou desmistificada para mim no sentido de que era negócio lá nas nuvens. Ela tem aplicação e eu tenho trabalhado até hoje com a teoria quântica para resolver problemas experimentais”, explica Sá.

O professor conta que fizeram várias aplicações, algumas bastante interessantes, e resolveram muitos problemas para modelar e explicar o comportamento das moléculas, fenômeno que acontece em nível microscópico e que causa a mudança de cor. 

“Por não darmos conta ou de resolver o problema matemático, ou de não termos computador com capacidade suficiente para resolver, algumas simplificações são feitas, mas a ideia é usar a Mecânica Quântica”, detalha Eduardo. 

Além de contribuir para a formação de novos pesquisadores na área, o grupo de Química teórica e computacional da UFPR se envolve em pesquisas na Espectroscopia, Estado Sólido, desenvolvimento de métodos de Mecânica Quântica, entre outras linhas. São estudos que desenvolvem, por exemplo, catalisadores para a indústria farmacêutica na produção de antibióticos. Na parte da Química Computacional, há ainda o trabalho de programação de máquinas para fazer o tratamento dos resultados, bem como o hardware, ou seja, a montagem de equipamentos eletrônicos.

Efeitos quânticos

Integrante daquele pequeno grupo de alunos que se interessam pela teoria quântica ainda na graduação, o professor e pesquisador Diego Guedes-Sobrinho, também do Departamento de Química da UFPR, contou que, “já na Iniciação Científica, eu já estava interessado em síntese de nanomateriais, que tinha muitas questões que a gente tratava ali que só se resolvia por questões teóricas, por modelos teóricos, fazendo cálculos e tudo mais”.

Diego lembra que, embora  gostasse de laboratório, de estar ali mexendo com equipamento e fazendo caracterização, o que mais chamava mais atenção era essa questão do modelo matemático, fazer os cálculos em computador e na mão, também. “Sou um químico teórico, bastante imerso na Física por minha formação inicial, no que eu chamo de física da matéria condensada, física do estado sólido, para o estudo de diversos materiais”, destaca.

Na UFPR desde 2019, Diego já montou um grupo de pesquisa, que é registrado no Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) como ‘Grupo de Química Quântica e Termodinâmica de Materiais’. 

“Na medida em que os alunos foram chegando, fomos pensando em estudar materiais tridimensionais, que do ponto de vista do cálculo teórico faz muita diferença entre materiais 3D e 2D.  Os materiais 3D são semicondutores para aplicações em tecnologias optoeletrônicas, principalmente em dispositivos como células solares, leds, transistores, lasers, entre outros”, detalha o pesquisador.

Assim como seu colega de departamento, Diego também enfatiza a formação de recursos humanos como objetivo primordial para o Brasil se colocar como um país competitivo ou, no mínimo, autossuficiente na aplicação da teoria quântica que já é desenvolvida nas universidades e centros de pesquisa. 

“A gente importa, basicamente, quase toda a tecnologia que envolve equipamentos eletrônicos, computador, sensores, tecnologia de comunicação, altas tecnologias envolvendo, por exemplo, transmissão de informação, internet, redes, tudo isso é importado. É o mesmo cenário no setor energético e a demanda por energias alternativas, em que boa parte dos materiais é importado”, aponta Guedes-Sobrinho.  

Por tudo o que há em termos de pesquisa que se vale da teoria quântica, as universidades paranaenses estão na vanguarda da produção de conhecimento, acompanhando grandes centros mundiais que já investem em tecnologia e inovação na área. 

Oxalá este 2025, Ano Internacional da Ciência e Tecnologia Quânticas, promova o surgimento de uma nova mentalidade junto à população em relação à ciência e ao universo quântico e, especialmente, entre os gestores para a definição de políticas públicas que invistam em centros de pesquisas aplicadas na área.

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Texto: Silvia Calciolari
Revisão de texto: Ana Paula Machado Velho
Edição de vídeo: Luiza da Costa
Arte: Any Veronezi
Supervisão de Arte: Lucas Higashi
Edição Digital: Guilherme Nascimento

A pesquisa que mencionamos contribui para os seguintes ODS:

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