O inesperado

No final do século 19, a física clássica parecia quase completa para alguns, mas essa percepção foi desafiada por achados experimentais que tal física não era capaz de explicar. Teorias físicas que funcionavam bem para situações na escala humana de espaço e tempo falhavam para explicar situações que eram muito pequenas, muito massivas, ou que se movia a velocidades muito elevadas. Uma visão do universo que havia sido imposta por observações comuns estava sendo desafiada por observações e teorias que previam corretamente onde a mecânica clássica havia dado resultados impossíveis. Mas a figura que emergia era a de um universo que se recusava a comportar-se de acordo com o senso comum humano. Nas grandes escalas a  teoria da relatividade  dizia que o tempo não passa à mesma proporção para todos observadores, que a matéria poderia se converter em energia e vice-versa, que dois objetos, se movendo a velocidades maiores que a metade da velocidade da luz, não poderiam se aproximar a uma velocidade que excedesse aquela da luz, que o tempo progride a taxas menores próximo a corpos massivos, etc. As coisas não funcionavam da maneira que as experiências com réguas e relógios aqui na terra haviam levado os humanos a esperar. Nas pequenas, as maravilhas eram ainda mais abundantes. Um fóton ou elétron não têm nem uma posição nem uma trajetória entre os pontos onde são emitidos e onde são detectados. Os pontos onde tais partículas podem ser detectadas não são onde alguém esperaria que fosse baseado nas experiências cotidianas. Com uma pequena probabilidade, o ponto de detecção pode até mesmo ser do outro lado de uma barreira sólida. A probabilidade é um fator saliente nas interações nessa escala. A trajetória de qualquer objeto de escala atômica é imprecisa no sentido de que qualquer medida que faça a posição de um objeto tornar-se mais precisa reduz a precisão com a qual nós podemos observar sua velocidade e vice-versa. Na era da física clássica, Isaac Newton  e seus seguidores acreditavam que a luz era constituída por um feixe de partículas, e outros acreditavam que a luz consistia de ondas se propagando em algum meio. Ao invés de encontrar um experimento que provasse que um dos lados estava certo, os físicos descobriram que um experimento designado a mostrar a frequência da luz ou outras "características de ondas" demonstrará a natureza ondulatória da luz, enquanto que um experimento designado a mostrar seu  momentum linear  ou outra "característica corpuscular" revelará a natureza corpuscular da luz. Ainda mais, objetos do tamanho de átomos, e até mesmo algumas moléculas, revelaram sua natureza ondulatória quando observados de maneira apropriada. Os mais eminentes físicos avisaram que se uma explicação sobre a física quântica faz sentido no senso comum, então ela muito provavelmente tem falhas. Em 1927 Niels Bohr escreveu: "Qualquer um que não se chocar com a teoria quântica não a compreende." Como o inesperado veio à luz

10 físicos que fizeram diferença para a teoria quântica.

As fundações da mecânica quântica tiveram seu início com os primeiros trabalhos sobre as propriedades da luz, no século 17, e a descoberta das propriedades da  eletricidade  e do magnetismo, no início do século 19. Em 1690,  Christiaan Huygens  empregou a teoria ondulatória para explicar a reflexão e a refração da luz. Isaac Newton acreditava que a luz consistia de partículas infinitesimalmente pequenas que ele chamou de "corpúsculos". Em 1827, Thomas Young e Augustin Fresnel conduziram experimentos sobre a interferência da luz que encontrou resultados que eram inconsistentes com a teoria corpuscular da luz. Todos resultados teóricos e empíricos ao longo do século 19 pareciam inconsistentes com a teoria corpuscular da luz de Newton. Experimentos posteriores identificaram fenômenos, como o  efeito fotoelétrico, que eram consistentes apenas com um modelo de pacotes, ou quântico, da luz. Quando a luz incide sobre um  condutor elétrico,  elétrons parecem se mover para longe de suas posições originais. Em um  material fotoelétrico, como o medidor de luz em uma câmera, a luz incidindo sobre o detector metálico faz com que os elétrons se movam. Aumentar a intensidade  de uma luz que tenha apenas uma frequência fará com que mais elétrons se movam. Mas fazer com que os elétrons se movam mais rápido requer um aumento da frequência  da luz. Portanto, a intensidade da luz controla a  corrente elétrica  através do circuito, enquanto que sua frequência controla sua  voltagem. Essas observações contrariaram a teoria ondulatória da luz derivada do estudo das ondas sonoras e ondas do mar, onde a intensidade do impulso inicial era o suficiente para prever a energia da onda resultante. No caso da luz, a energia era função somente da frequência, um fato que precisava de uma explicação. Era também necessário reconciliar experimentos que mostravam a natureza corpuscular da luz com outros experimentos que revelavam sua natureza ondulatória. Em 1874, George Johnstone Stoney foi o primeiro a propor que uma quantidade física, a carga elétrica, não poderia variar menos que um valor irredutível. Portanto a carga elétrica foi a primeira quantidade física a ser quantizada teoricamente. Em 1873, James Clerk Maxwell demonstrou teoricamente que um circuito elétrico oscilando deveria produzir ondas eletromagnéticas. Devido às  equações de Maxwell foi possível calcular a velocidade da radiação eletromagnética puramente através de medidas elétricas e magnéticas, e o valor calculado correspondia muito proximamente à velocidade da luz medida. Em 1888, Heinrich Hertz fez um aparelho elétrico que produzia radiação cuja  frequência  era mais baixa do que a da luz visível, radiação que nós atualmente chamamos  microondas. Pesquisadores iniciais diferiam na maneira de explicar a natureza fundamental do que é chamado de  radiação eletromagnética, alguns afirmando que ele era composta por partículas, enquanto outros diziam que era um fenômeno ondulatório. Na física clássica essas ideias são mutualmente exclusivas. A mecância quântica teve início com o artigo pioneiro de Max Planck em 1900 sobre a radiação de corpo negro, marcando a primeira aparição da hipótese quântica. O trabalho de Planck deixou claro que nem o modelo ondulatório nem o corpuscular conseguem explicar a radiação eletromagnética. Em 1905, Albert Einstein estendeu a teoria de Planck para o efeito fotoelétrico. Em 1913, Niels Bohr lançou seu modelo atômico, incorporando a teoria quântica de Planck de uma maneira essencial. Esses e outros trabalhos do início do século 20 formam a antiga teoria quântica. Em 1924, Louis de Broglie criou a hipótese da dualidade onda-corpúsculo. Essa hipótese provou ser um ponto de virada, e rapidamente levou a uma variante mais sofisticada e completa da mecânica quântica. Contribuidores importantes em meados dos anos 20 para o que veio a ser chamado de "nova mecânica quântica" ou "nova física" foram Max Born, Paul Dirac, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli e Erwin Schrödinger. No final da década de 1940 e começo da de 1950, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga, Richard Feynman  e Freeman Dyson  descobriram a eletrodinâmica quântica, que avançou significamente nossa compreensão da teoria quântica do eletromagnetismo e do elétron. Mais tarde, Murray Gell-Mann desenvolveu uma teoria relacionada da força nuclear forte, chamada de cromodinâmica quântica.