Princípio da incerteza de Heisenberg

Definição do Princípio da Incerteza de Heisenberg:

O princípio científico que afirma que é impossível determinar simultaneamente com perfeita precisão a posição e o momento de uma partícula (como um elétron) em um dado momento.

O que é o princípio da incerteza de Heisenberg?

O princípio da incerteza de Heisenberg é um princípio da física nuclear, descrito pela primeira vez pelo físico teórico Werner Heisenberg.

Ele afirma que não se pode medir com precisão e precisão o momento e a posição de uma dada partícula subatômica simultaneamente.

O princípio também afirma que a precisão das duas medições está inversamente relacionada – a precisão de uma medição é correspondentemente reduzida à medida que a medição da outra se aproxima do limite de sua precisão.

Heisenberg esclareceu o princípio, afirmando que não tinha nada a ver com técnicas experimentais ou aparelhos de medição. Mesmo sob condições teoricamente ideais e perfeitas, ele permaneceria válido.

No artigo de Heisenberg sobre a incerteza em relação às partículas subatômicas, o princípio da incerteza de Heisenberg afirma que “quanto mais precisamente a posição é determinada, menos exatamente o momento é conhecido neste instante e vice-versa”. Essa afirmação parece simples, mas teve implicações importantes para as ciências muito novas da mecânica quântica e da física quântica.

Revolucionou a maneira como os cientistas entendiam a física, o universo, a natureza da matéria e a realidade. Antes do desenvolvimento dessa idéia, a física se baseava na suposição de que, teoricamente, havia um valor exato e preciso para todos os aspectos de cada partícula do universo, mesmo que os meios para medir essas propriedades não existissem.

O princípio da incerteza de Heisenberg diz que não é apenas esse o caso, mas que nunca pode ser o caso, e que esse fato é resultado da estrutura fundamental da matéria e da maneira como as partículas que a compõem se comportam. Em vez de valores exatos para as várias propriedades de partículas subatômicas, a mecânica quântica lida com as probabilidades de tais valores e de como as partículas se comportarão. Também está relacionado à capacidade da luz de agir como uma onda e uma partícula e à velocidade finita na qual viaja.

Como parte de seu trabalho no desenvolvimento do princípio, Heisenberg elaborou as chamadas relações de incerteza. Como base para este trabalho, ele usou um único elétron hipotético movendo-se através do vácuo.

As observações do elétron são descritas em termos de seu momento, que é definido como sua velocidade – velocidade e direção – multiplicada por sua massa, sua carga e o tempo envolvido na observação.

Ele usou um experimento mental, usando um microscópio imaginário de raios gama, para mostrar que seu princípio indica que é impossível saber o valor exato de todas as variáveis das propriedades de uma partícula.

O que é incerteza quântica?

A incerteza quântica, ou mais formalmente, o princípio da incerteza de Heisenberg, é uma descoberta na física quântica que afirma que não se pode conhecer simultaneamente a posição exata e o momento exato de uma única partícula.

O princípio da incerteza também fornece limites de confiança matematicamente precisos (quantitativos) para pares de medições. Essencialmente, quanto mais precisamente você deseja conhecer um valor, mais precisão você deve sacrificar na sua medição do outro.

Devido à sua associação com a revolução da mecânica quântica, a incerteza quântica ocupa um lugar duradouro na cultura popular, onde é frequentemente mal interpretada.

A incerteza quântica em filmes e filmes às vezes é usada incorretamente para se referir a objetos grandes, quando realmente se aplica apenas a partículas.

Além disso, a idéia de incerteza quântica é muitas vezes apresentada de maneira misteriosa, sem mencionar que o conceito anda de mãos dadas com limites quantitativos precisos de confiança, que não são tão misteriosos.

A noção de incerteza quântica causou um tumulto no início do século XX, quando os físicos tentavam descobrir os detalhes da teoria quântica por meio de interpretações conflitantes.

Neils Bohr e muitos outros físicos defendiam a interpretação de Copenhague, que afirma que o universo é fundamentalmente nebuloso no nível mais baixo, descrito por distribuições de probabilidade em vez de estados bem definidos e deterministicamente vinculados.

Werner Heisenberg, que derivou o princípio da incerteza da estrutura matemática da teoria quântica, também defendeu a interpretação de Copenhague.

Albert Einstein, no entanto, não disse, famosamente: “Deus não joga dados”.

A teoria da incerteza quântica, apesar de ser embalada com limites de confiança matematicamente precisos, é realmente bastante misteriosa.

Ainda existem discordâncias na comunidade da física sobre se a interpretação de Copenhague segue inevitavelmente a certeza quântica.

A alternativa contemporânea à interpretação de Copenhague é a interpretação dos Muitos Mundos da mecânica quântica, que sustenta que a realidade é realmente determinística.

No contexto do grande sucesso da mecânica newtoniana por mais de um século antes, os físicos relutaram muito em desistir de teorias determinísticas sem evidências incrivelmente convincentes.

Então, eles tentaram apresentar teorias de “variáveis ocultas”, que tentavam explicar a incerteza quântica como uma propriedade de alto nível que emerge de interações determinísticas mais fundamentais.

No entanto, uma descoberta chamada desigualdade de Bell descobriu que as teorias de variáveis ocultas locais não poderiam ser usadas para descrever a incerteza quântica sem postular correlações mais rápidas que a luz entre todas as partículas do universo.

No entanto, teorias de variáveis ocultas não-locais ainda são propostas para explicar uma base determinística por trás da incerteza quântica.

O que é Mecânica Quântica?

O termo mecânica quântica geralmente se refere a uma formulação matemática da teoria quântica. Muitas vezes, descreve e prediz o movimento e o comportamento das partículas nos níveis atômico e subatômico.

Isso inclui partículas como átomos, elétrons, prótons e fótons. Segundo a mecânica quântica, o comportamento e o movimento de partículas nesses níveis microscópicos são contra-intuitivos, radicalmente diferentes de qualquer coisa observada na vida cotidiana. Isso requer uma teoria como a mecânica quântica para explicar melhor esse mundo diferente.

No mundo macroscópico, geralmente existem dois tipos de fenômeno que são classificados pelos cientistas: partículas e ondas. As partículas podem ser pensadas como localizadas, transportando massa e energia em seus movimentos. As ondas são um tipo de fenômeno que nunca é localizado e não tem massa, mas, no entanto, carrega energia.

As partículas do micro-mundo que são examinadas na mecânica quântica são diferentes das do macro-mundo, porque, em certas situações, as partículas podem atuar como ondas, enquanto, inversamente, as ondas podem atuar como partículas. Segundo a mecânica quântica, isso significaria que no nível quântico uma maçã poderia se comportar como uma onda, enquanto uma onda poderia se comportar como uma maçã.

A mecânica quântica usa a unidade quântica para atribuir e medir aproximadamente as quantidades das propriedades físicas dessas partículas.

As partículas geralmente são medidas considerando a função de onda registrada no momento da medição. No entanto, como as partículas podem se comportar como ondas, a localização ou a velocidade simultâneas de uma partícula nunca podem ser completamente determinadas.

Esse aparente dilema é conhecido como princípio da incerteza de Heisenburg, que em outras palavras afirma que posição e momento não podem ser exatamente medidos simultaneamente.

Isso não ocorre inteiramente porque existem limitações na medição de equipamentos ou habilidades, mas porque se acredita que essa incerteza seja inerente às próprias partículas.

A mecânica quântica, portanto, é uma teoria matemática que tenta calcular probabilidades de acordo com a função de onda.

Muitos cientistas não concordam com os postulados de mecânica quântica.

Albert Einstein era um cientista que às vezes criticava a teoria quântica, pois conflitava com sua própria teoria. Assim, um dos maiores problemas da física contemporânea é criar uma teoria que unifique as idéias da mecânica quântica com as da teoria geral da relatividade de Einstein.

Físicos como Julian Barbour propuseram algumas soluções inovadoras para esse problema, basicamente afirmando que, se os humanos consideram que o tempo em si não existe, não há obstáculo para unificar a mecânica quântica e a teoria da relatividade.

Resumo

O princípio da incerteza é uma das idéias mais famosas (e provavelmente mal compreendidas) da física.

Diz-nos que há 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. Destas escalas, o máximo que podemos esperar é calcular probabilidades de onde as coisas estão e como elas se comportarão. Diferentemente do universo mecânico de Isaac Newton, onde tudo segue leis claras sobre como se mover e a previsão é fácil se você conhecer as condições iniciais, o princípio da incerteza consagra um nível de imprecisão na teoria quântica.

A idéia 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 é realmente vazio.

Uma encarnação precoce do princípio da incerteza apareceu em um artigo de 1927 por Heisenberg, físico alemão que trabalhava no instituto de Niels Bohr em Copenhague 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 trabalhos subsequentes.

Heisenberg estava trabalhando com as implicações da teoria quântica, uma maneira estranha e nova de explicar como os átomos se comportaram que haviam sido desenvolvidos 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 vinha em pacotes discretos (quanta) e que a luz podia ser descrita como uma onda e um fluxo desses quanta. Ao desenvolver essa visão radical do mundo, 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 idéia que desde então se tornou 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 exatamente conhecemos o outro. Multiplicando os erros nas medições desses valores (os erros são representados pelo símbolo do triângulo na frente de cada propriedade, a letra grega “delta”) deve fornecer um número maior ou igual à metade de uma constante chamada “h- Barra”. Isso é igual à constante de Planck (geralmente escrita como h) dividida por 2p.

A constante de Planck é um número importante na teoria quântica, uma maneira de medir a granularidade do mundo em suas menores escalas e tem o valor de 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, fótons, ricochetearam na tela ou no papel e atingiram seus olhos. Cada fóton desse caminho leva consigo algumas informações sobre a superfície da qual saltou, na velocidade da luz. Ver uma partícula subatômica, como um elétron, não é tão simples. Da mesma forma, você pode rebater um fóton e esperá-lo detectá-lo com um instrumento.

Mas as chances são de que o fóton dê um momento 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. De qualquer forma, sua observação de posição ou momento será imprecisa e, mais importante, o ato de observação afeta a partícula sendo observada.

O princípio da incerteza está no centro de muitas coisas que observamos, mas não podemos explicar usando a física clássica (não quântica). Tomemos átomos, por exemplo, onde elétrons com carga negativa orbitam um núcleo com carga positiva. Pela lógica clássica, podemos esperar que as duas cargas opostas se atraiam, levando tudo a desmoronar 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 precisamente conhecida e, portanto, o erro na medição de sua posição seria minúsculo.

Isso significa que o erro ao medir seu momento (e, por inferência, sua velocidade) seria enorme. Nesse caso, o elétron pode 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 alfa são dois prótons e dois nêutrons emitidos por alguns núcleos pesados, como o urânio-238. Normalmente, eles estão presos dentro do núcleo pesado e precisariam de muita energia para romper os laços, mantendo-os no lugar. Mas, como uma partícula alfa dentro de um núcleo tem uma velocidade muito bem definida, sua posição não é assim.

Albert Einstein

Fonte: byss.uoregon.edu/www.theguardian.com/plato.stanford.edu/www.wisegeek.org/www.merriam-webster.com/chem.libretexts.org/history.aip.org/arxiv.org