O que é o Princípio da Incerteza de Heisenberg?

E sobre como o Sol brilha e porque o vácuo na verdade não está vazio. O Princípio da Incerteza de Heisenberg é uma das ideias mais famosas (e provavelmente uma das mais incompreendidas) na física....

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E sobre como o Sol brilha e porque o vácuo na verdade não está vazio.

O Princípio da Incerteza de Heisenberg é uma das ideias mais famosas (e provavelmente uma das mais incompreendidas) na física. Diz esse princípio físico que há uma um limite fundamental para o que podemos saber sobre o comportamento das partículas quânticas e, portanto, as menores escalas da natureza. Dessas escalas, o máximo que podemos esperar é calcular probabilidades de onde as coisas estão e como elas se comportarão. Ao contrário do universo de relógios de Isaac Newton, onde tudo segue leis claras sobre como se mover (e fazer previsão é fácil se você conhece as condições iniciais), o princípio da incerteza consagra um nível de confusão na teoria quântica.

A ideia simples de Werner Heisenberg nos diz por que os átomos não implodem, como o sol consegue brilhar e, estranhamente, que o vácuo do espaço realmente não está vazio.

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Werner Heisenberg, extraordinário físico, excepcional pesquisador. Físico teórico alemão, recebeu o Nobel de Física de 1932 “pela criação da mecânica quântica, cujas aplicações levaram à descoberta, entre outras, das formas alotrópicas do hidrogênio”.

Uma encarnação precoce do princípio da incerteza apareceu em um artigo de 1927 de Heisenberg, um físico alemão que trabalhava no instituto de Niels Bohr em Copenhague na época, intitulado “On the Perceptual Content of Quantum Theoretical Kinematics and Mechanics”. A forma mais conhecida da equação veio alguns anos mais tarde, quando ele tinha refinado ainda mais seus pensamentos em palestras e artigos posteriores.

Heisenberg estava trabalhando com as implicações da teoria quântica, uma estranha nova maneira de explicar como os átomos comportaram-se, que tinha sido desenvolvida por alguns físicos, incluindo Niels Bohr, Paul Dirac e Erwin Schrödinger, durante a década anterior. Entre suas muitas ideias contraintuitivas, a teoria quântica propôs que a energia não era contínua, mas em vez disso vem em pacotes discretos (quanta) e que a luz poderia ser descrita como uma onda e um fluxo desses quanta.

Ao desenvolver essa cosmovisão radical, Heisenberg descobriu um problema no modo como as propriedades físicas básicas de uma partícula em um sistema quântico podiam ser medidas. Em uma de suas cartas regulares a um colega, Wolfgang Pauli, ele apresentou os indícios de uma ideia que desde então se tornou uma parte fundamental da descrição quântica do mundo.

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O princípio da incerteza diz que não podemos medir a posição (x) e o momentum (p) de uma partícula com precisão absoluta. Quanto mais precisamente conhecemos um desses valores, menos sabemos exatamente o outro. Multiplicando os erros nas medições destes valores (os erros são representados pelo símbolo do triângulo na frente de cada propriedade, a letra grega delta) tem que dar um número maior ou igual à metade de uma constante chamada “h-barra”. Isto é, igual à constante de Planck (normalmente escrito como h) dividido por 2π. A constante de Planck é um número importante na teoria quântica, uma forma de medir a granularidade do mundo em suas menores escalas e tem o valor 6.626 x 10-34 joule segundos.

Uma maneira de pensar sobre o princípio da incerteza é como uma extensão de como vemos e medimos as coisas no mundo cotidiano. Você pode ler essas palavras porque partículas de luz, os fótons, ressaltaram da tela ou papel e atingiram seus olhos. Cada fóton nesse caminho traz consigo algumas informações sobre a superfície da qual ele saltou, à velocidade da luz. Ver uma partícula subatômica, como um elétron, não é tão simples. Você pode similarmente fazer um fóton saltar para fora dele e esperar, então, detectar esse fóton com um instrumento. Mas as chances são que o fóton vai transmitir algum momentum para o elétron quando ele bate nele e muda o caminho da partícula que você está tentando medir. Ou então, dado que as partículas quânticas muitas vezes se movem tão rápido, o elétron pode não estar mais no lugar onde estava quando o fóton originalmente saltou dele. De qualquer maneira, sua observação de posição ou momentum será imprecisa e, mais importante, o ato de observação afeta a partícula que está sendo observada.

O princípio da incerteza está no cerne de muitas coisas que observamos, mas não podemos explicar usando a física clássica (não quântica). Tomemos átomos, por exemplo, onde elétrons negativamente carregados orbitam um núcleo positivamente carregado. Pela lógica clássica, poderíamos esperar que as duas cargas opostas se atraíssem, levando tudo a colapsar em uma bola de partículas. O princípio da incerteza explica por que isso não acontece: se um elétron se aproximar muito do núcleo, então sua posição no espaço seria precisamente conhecida e, portanto, o erro em medir sua posição seria minúsculo. Isso significa que o erro na medição de seu momentum (e, por inferência, sua velocidade) seria enorme. Nesse caso, o elétron poderia estar se movendo rápido o suficiente para sair completamente do átomo.

A ideia de Heisenberg também pode explicar um tipo de radiação nuclear chamada decaimento alfa. As partículas alfas são dois prótons e dois nêutrons emitidos por alguns núcleos pesados, como o urânio-238. Normalmente, estes são ligados dentro do núcleo pesado e precisaria de muita energia para romper as ligações que os mantêm no lugar. Mas, como uma partícula alfa dentro de um núcleo tem uma velocidade muito bem definida, sua posição não é tão bem definida. Isso significa que há uma chance pequena, mas não zero, de que a partícula possa, em algum ponto, encontrar-se fora do núcleo, embora tecnicamente não tenha energia suficiente para escapar. Quando isso acontece — um processo metaforicamente conhecido como “tunelamento quântico”, porque a partícula que escapa tem que cavar seu caminho de alguma forma através de uma barreira de energia sobre a qual ela não pode saltar — a partícula alfa escapa e vemos a radioatividade.

Um processo semelhante de tunelamento quântico acontece, no sentido inverso, no centro do nosso sol, onde os prótons se fundem e liberam a energia que permite que a nossa estrela brilhe. As temperaturas no núcleo do Sol não são altas o suficiente para que os prótons tenham energia suficiente para superar sua repulsão elétrica mútua. Mas, graças ao princípio da incerteza, eles podem abrir caminho através da barreira energética.

Talvez o resultado mais estranho do princípio da incerteza seja aquele sobre os vácuos. Vácuos são muitas vezes definidos como a ausência de tudo. Mas não é assim na teoria quântica. Existe uma incerteza inerente na quantidade de energia envolvida nos processos quânticos e no tempo que leva para que esses processos aconteçam. Em vez de posição e momentum, a equação de Heisenberg também pode ser expressa em termos de energia e tempo. Novamente, quanto mais restrita for uma variável, menor será a restrição da outra. Portanto, é possível que, por períodos de tempo muito, muito curtos a energia de um sistema quântico possa ser altamente incerta, tanto que as partículas podem surgir no vácuo. Essas “partículas virtuais” aparecem em pares — um elétron e seu par de antimatéria, o pósitron, dizem — por um curto tempo e depois se aniquilam. Isso está mais que justificado pelas leis da física quântica, desde que as partículas só existam fugazmente e desapareçam quando seu tempo acabar. A incerteza, então, não é motivo de preocupação na física quântica e, de fato, não estaríamos aqui se esse princípio não existisse.

Traduzido do texto “Science: a short history of equations. What is Heisenberg’s Uncertainty Principle?” de  para o The Guardian.

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