O princípio da incerteza é uma das ideias mais famosas (e provavelmente mal compreendidas) da física. Diz-nos que existe uma imprecisão na natureza, 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 as probabilidades de onde as coisas estão e como elas irá se comportar. Ao contrário do universo mecânico de Isaac Newton, onde tudo segue leis claras sobre como se mover e a previsão é fácil se você conhece as condições iniciais, o princípio da incerteza consagra um nível de imprecisão 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 não está realmente vazio.
Uma encarnação inicial do princípio da incerteza apareceu em um Artigo de 1927 de Heisenberg, um físico alemão que estava trabalhando no instituto de Niels Bohr em Copenhagen na época, intitulado “Sobre o conteúdo perceptivo da cinemática e mecânica teórica quântica”. A forma mais familiar da equação surgiu alguns anos depois, quando ele refinou ainda mais seus pensamentos em palestras e artigos subsequentes.
Heisenberg estava trabalhando nas implicações da teoria quântica, uma nova maneira estranha de explicar como os átomos comportamento que havia sido desenvolvido por físicos, incluindo Niels Bohr, Paul Dirac e Erwin Schrödinger, na década anterior. Entre suas muitas idéias contra-intuitivas, a teoria quântica propôs que a energia não era contínua, mas em vez disso vinha em pacotes discretos (quanta) e que a luz poderia ser descrita como uma onda e um fluxo desses quanta
. Ao desenvolver essa visão de mundo radical, Heisenberg descobriu um problema na maneira 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.
O princípio da incerteza diz que não podemos medir a posição (x) e o momento (p) de uma partícula com precisão absoluta. Quanto mais precisamente conhecemos um desses valores, menos precisamente conhecemos o outro. Multiplicando juntos os erros nas medidas desses 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 a metade de uma constante chamada “h- Barra”. Isso é igual à constante de Planck (geralmente escrita como h) dividida 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 segundos joule.
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, fótons, ricochetearam na tela ou no papel e atingiram seus olhos. Cada fóton nesse caminho carrega consigo algumas informações sobre a superfície da qual foi refletido, à velocidade da luz. Ver uma partícula subatômica, como um elétron, não é tão simples. Da mesma forma, você pode lançar um fóton nele e, então, esperar detectá-lo com um instrumento. Mas é provável que o fóton dê algum impulso ao elétron ao atingi-lo e mude o caminho da partícula que você está tentando medir. Ou então, dado que as partículas quânticas geralmente se movem tão rápido, o elétron pode não estar mais no lugar em que estava quando o fóton originalmente ricocheteou nele. De qualquer forma, sua observação da posição ou do momento será imprecisa e, mais importante, o ato de observação afeta a partícula sendo observada.
O princípio da incerteza está no cerne de muitas coisas que observamos, mas não podemos explicar usando a física clássica (não quântica). Tome átomos, por exemplo, onde elétrons carregados negativamente orbitam um núcleo carregado positivamente. Pela lógica clássica, podemos esperar que as duas cargas opostas se atraiam, levando tudo ao colapso em uma bola de partículas. O princípio da incerteza explica por que isso não acontece: se um elétron se aproximasse demais do núcleo, sua posição no espaço seria conhecida com precisão e, portanto, o erro na medição de sua posição seria minúsculo. Isso significa que o erro em medir seu momento (e, por inferência, sua velocidade) seria enorme. Nesse caso, o elétron poderia estar se movendo rápido o suficiente para voar para fora do átomo.
A ideia de Heisenberg também pode explicar um tipo de radiação nuclear chamada decaimento alfa. Partículas alfa são dois prótons e dois nêutrons emitidos por alguns núcleos pesados, como o urânio-238.Normalmente, eles estão ligados dentro do núcleo pesado e precisariam de muita energia para quebrar 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 diferente de zero, de que a partícula possa, em algum momento, se encontrar fora do núcleo, mesmo que tecnicamente não tenha energia suficiente para escapar. Quando isso acontece – um processo metaforicamente conhecido como “tunelamento quântico” porque a partícula que escapa precisa de alguma forma cavar seu caminho através de uma barreira de energia que não pode pular – a partícula alfa escapa e vemos radioatividade.
A processo de tunelamento quântico semelhante acontece, ao contrário, no centro do nosso sol, onde os prótons se fundem e liberam a energia que permite que nossa estrela brilhe. As temperaturas no centro 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 de energia.
Talvez o resultado mais estranho do princípio da incerteza seja o que ele diz sobre aspiradores. Os vácuos são freqüentemente definidos como a ausência de tudo. Mas não é assim na teoria quântica. Existe uma incerteza inerente à quantidade de energia envolvida nos processos quânticos e no tempo que leva para esses processos acontecerem. Em vez de posição e momento, a equação de Heisenberg também pode ser expressa em termos de energia e tempo. Novamente, quanto mais restrita é uma variável, menos restrita é a outra. Portanto, é possível que, por períodos muito, muito curtos de Com o tempo, a energia de um sistema quântico pode ser altamente incerta, tanto que partículas podem aparecer do vácuo. Essas “partículas virtuais” aparecem em pares – um elétron e seu par de antimatéria, o pósitron, digamos – por um curto período e então se aniquilam. Isso está dentro das leis da física quântica, contanto que as partículas existam apenas fugazmente e desapareçam quando seu tempo acabar. A incerteza, então, não é nada com que se preocupar na física quântica e, de fato, não estaríamos aqui se esse princípio não existisse.
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