A mecânica quântica revela que o universo opera com base na probabilidade e não na certeza. Uma de suas ideias mais famosas é o princípio da incerteza de Heisenberg, que explica por que nunca podemos medir a posição e a velocidade de uma partícula com precisão perfeita.
Essa limitação não tem a ver com instrumentos defeituosos ou técnica ruim. Ela está embutida na própria estrutura da realidade. O princípio surgiu das primeiras descobertas da física quântica e tem profundas implicações sobre o que podemos saber sobre o mundo. Para explicar como o princípio da incerteza de Heisenberg funciona e o que ele significa, reunimos ideias do físico teórico e cosmólogo Stephen Hawking e do astrofísico Adam Becker.
Crédito da imagem: Bundesarchiv via Wikimedia Commons(licença). Imagem cortada.
Índice
Explicação do princípio da incerteza de Werner Heisenberg
Em seu livro Uma Breve História do TempoHawking explica que o princípio da incerteza de Heisenberg afirma que sempre há pelo menos um certo grau de incerteza em sua medição da posição e da velocidade de uma partícula. Isso é importante porque, para prever para onde uma partícula irá (ou tem maior probabilidade de ir) no futuro, você precisa saber onde ela estava e para que lado estava indo em algum momento do passado ou do presente. A incerteza sobre o presente gera maior incerteza sobre o futuro.
(Nota breve: Hawking explica como a incerteza pode limitar a precisão de suas previsões na física, mas esse conceito geral também se aplica a outras áreas, especialmente em campos como as ciências sociais, em que os resultados são mais difíceis de medir ou quantificar. Em seu livro Superforecasting (Superprevisão)Philip Tetlock discute a importância da medição na previsão do futuro. Em particular, ele ressalta que muitas previsões políticas e econômicas dos analistas nunca são realmente comparadas com as medições após o fato. Isso dificulta a avaliação da credibilidade do analista ou da precisão de seus métodos).
Para entender como funciona o princípio da incerteza, é importante conhecer alguns aspectos da mecânica quântica. Por um lado, como Hawking observa, uma premissa básica da mecânica quântica é que certas quantidades, como energia e frequência, precisam ser incrementadas em pelo menos um determinado valor mínimo. (Nota resumida: essa unidade mínima é chamada de "quantum" de energia, e é daí que vem o nome "mecânica quântica").
Para explicar esse fenômeno, é útil considerar como a mecânica quântica foi descoberta, portanto, vamos discutir suas origens. Em seguida, mostraremos como a mecânica quântica dá origem ao princípio da incerteza.
As origens da mecânica quântica
Hawking conta que, por volta de 1900, os cientistas perceberam que suas teorias de transferência de calor radiante previam que qualquer objeto quente deveria irradiar uma quantidade infinita de energia, o que obviamente não era o caso. O motivo foi que, nessas teorias, a radiação poderia ter qualquer frequência, e acreditava-se que os objetos emitiam radiação uniformemente em uma faixa de frequências.
Por exemplo, um objeto quente pode emitir radiação a 10 Mhz, 10,1 MHz, 10,01 Mhz e assim por diante. Matematicamente, há um número infinito de frequências entre 10 e 11 MHz (ou quaisquer duas frequências), portanto, se o objeto irradiar energia em todas as frequências possíveis, ele emitirá uma quantidade infinita de energia.
Hawking explica como, para resolver esse problema, Max Planck levantou a hipótese de que as quantidades físicas, como a frequência da radiação, são "quantizadas", o que significa que elas só podem ter determinados valores distintos. Se a frequência só pudesse ser incrementada em um valor finito, então um objeto emitiria apenas uma quantidade finita de radiação, pois haveria apenas um número finito de frequências nas quais ele poderia emitir radiação. Isso resolveu o problema e levou ao desenvolvimento da teoria da mecânica quântica.
Shortform Note: Standing Waves and Quantization (Ondas estacionárias e quantização)
Como Hawking relata, Planck foi o primeiro a reconhecer que a energia eletromagnética era quantizada, e Planck pode ter cunhado o termo "quantum". Entretanto, na época de Planck, já era de conhecimento comum que certas quantidades físicas eram "quantizadas", no sentido de que só podiam ter determinados valores.
Em particular, os harmônicos das ondas estacionárias são quantizados, como Pitágoras descreveu por volta de 500 a.C. Se você tocar uma corda de violão (ou qualquer corda esticada entre dois pontos fixos), ela só vibrará em determinadas frequências, chamadas de harmônicas. Isso ocorre porque as extremidades fixas da corda a restringem, de modo que ela só pode suportar ondas se o comprimento da corda for igual à metade do comprimento de onda da onda ou a um múltiplo de número inteiro desse comprimento. Portanto, se a corda do violão tiver 24 polegadas de comprimento, ela só vibrará em frequências que correspondam a ondas com comprimento de onda de 48 polegadas, 24 polegadas, 16 polegadas, 12 polegadas, 9,6 polegadas e assim por diante.
Atualmente, os físicos costumam descrever a órbita de um elétron ao redor do núcleo de um átomo como um tipo de onda estacionária e usam isso para explicar a quantização da energia eletromagnética.
Incerteza quântica
Mas como o fato de a frequência ser quantizada dá origem ao princípio da incerteza? Isso tem a ver com a maneira como a luz perturba as partículas.
Como Hawking explica, só é possível ver algo se ele estiver refletindo (ou emitindo) luz. Se não houver luz, não será possível vê-la. O mesmo princípio se aplica à medição de partículas subatômicas: Os instrumentos que medem sua posição e velocidade só podem "vê-las" quando a luz (ou outras partículas, como os elétrons) incide sobre elas.
No entanto, de acordo com Hawking, isso impõe limitações fundamentais à precisão da medição, pois os fótons ou elétrons que ricocheteiam em uma partícula subatômica alteram sua velocidade. Quanto mais alta for a frequência da luz que rebate em uma partícula subatômica, mais energia seus fótons terão e mais ela mudará a velocidade da partícula que você está tentando medir. A frequência também é inversamente proporcional ao comprimento de onda, e a luz que incide sobre a partícula indicará sua posição somente até o comprimento de onda mais próximo.
Assim, se você usar uma luz de frequência muito alta, poderá medir a posição da partícula com muita precisão, mas perturbará tanto sua velocidade que não obterá nenhuma informação útil sobre ela. Se você usar luz de frequência muito baixa, poderá medir sua velocidade com precisão, mas não sua posição. Se você usar uma frequência intermediária, poderá medir a posição e a velocidade com uma quantidade intermediária de incerteza, mas sua incerteza total mas a incerteza total sempre será de pelo menos um determinado valor.
Erro de medição vs. incerteza quântica É importante distinguir entre a incerteza de medição comum e a incerteza quântica. Na vida real, todo dispositivo de medição tem precisão limitada. Por exemplo, imagine que você esteja tentando medir o comprimento de uma haste de metal. Se você medi-la com uma régua, sua medição será tão precisa quanto as marcas na régua. Digamos que a régua esteja marcada em dezesseis avos de polegada, portanto, a medida só é exata para o dezesseis avos de polegada mais próximo. Se, em vez disso, você medir com um paquímetro, poderá obter uma medida mais precisa, mas ela ainda terá alguns milésimos de polegada de incerteza. Com ferramentas de medição cada vez mais precisas, é possível reduzir a incerteza da medição. O mesmo princípio geralmente se aplica à medição de posição, velocidade ou qualquer outra coisa que você queira medir: quanto melhores forem as ferramentas de medição, menor será a incerteza da medição. Quando se trata de medir a posição e a velocidade de partículas subatômicas, a precisão dos instrumentos de medição ainda é importante. Mas, como já discutimos, o princípio da incerteza impõe limites adicionais à sua capacidade de determinar tanto a posição quanto a velocidade de uma partícula. Portanto, mesmo no caso hipotético em que você tivesse ferramentas de medição perfeitas, ainda haveria incerteza em sua medição (e qualquer incerteza de medição de seus instrumentos é adicionada à incerteza quântica). |
Qual é o significado de incerteza?
Heisenberg interpretou isso não apenas como uma limitação de medição, mas como uma declaração fundamental sobre a própria realidade. De acordo com Adam Becker em seu livro What Is Real?o princípio da incerteza - a ideia de que, quanto mais precisamente você mede a posição de uma partícula, menos precisamente você pode saber seu momento, e vice-versa - foi a abordagem de Heisenberg para o problema de medição da mecânica quântica. Isso não se deveu a instrumentos imperfeitos, mas a restrições impostas pela mecânica quântica.
Por que o princípio da incerteza é realmente sobre o comportamento das ondas O princípio da incerteza faz mais sentido intuitivamente quando você visualiza as partículas quânticas se comportando como ondas. Pense em uma ondulação na superfície de um lago, mas imagine que você não pode observá-la passivamente. Em vez disso, você precisa interagir fisicamente com a água para obter qualquer informação. Para medir a velocidade da onda, você precisaria colocar sensores na água para cronometrar o tempo que os picos e vales levam para passar entre eles - mas esses sensores impedem que você identifique o local exato de um único pico sem perturbá-lo. Para identificar onde está um pico, você precisaria colocar um sensor bem naquele ponto, mas isso perturbaria a onda e impediria que você medisse a velocidade com que ela está se movendo. Heisenberg percebeu que a medição de partículas quânticas funciona da mesma forma: Qualquer tentativa de observá-las requer interação física, o que cria "descontinuidades" que alteram o que se está tentando medir. Essa troca fundamental não existe para objetos clássicos, que teoricamente podem ser medidos com precisão perfeita se tivermos instrumentos perfeitos. Mas as partículas quânticas são fundamentalmente ondulatórias, e é essa natureza ondulatória que cria a incerteza descrita por Heisenberg. |
Becker explica que, assim como Niels Bohr, Heisenberg adotou uma posição antirrealista em relação ao problema da medição, argumentando que as partículas não têm propriedades definidas até serem medidas. No entanto, enquanto Bohr negava a existência de qualquer realidade entre as medições, Heisenberg propôs que as partículas existem, mas apenas em um reino de "potencialidades" em vez de realidades. Essa solução criou novos quebra-cabeças: Se as partículas existem apenas como potencialidades, como elas interagem com os instrumentos científicos para produzir medições definidas? Como algo sem características reais pode causar leituras específicas? Apesar de suas diferenças, tanto Bohr quanto Heisenberg chegaram à mesma conclusão: Perguntas sobre o que as partículas estão fazendo entre as medições não têm sentido.
As raízes antigas das potencialidades quânticas O conceito de potencialidades quânticas de Heisenberg foi emprestado da filosofia grega antiga, especificamente da distinção de Aristóteles entre "potencialidade"(dunamis) e "atualidade"(energeia). Para Aristóteles, a realidade tinha várias camadas: não apenas o que existe de fato, mas também o que poderia existir potencialmente. Por exemplo, uma bolota contém a potencialidade de se tornar um carvalho; o carvalho maduro é a realização desse potencial. A bolota contém a "treeness" como um aspecto real, mas ainda não manifesto, de seu ser. No entanto, o fato de se tornar uma árvore não é garantido; a bolota pode não se tornar nada. Assim como Aristóteles argumentou que a mesma coisa poderia ter potencialidades contraditórias, mas nunca realidades contraditórias, Heisenberg argumentou que as partículas quânticas existem em superposições de vários estados até que a medição atualize um desses estados. A física clássica pressupõe que os objetos tenham apenas propriedades definidas e reais, mas o pensamento aristotélico explica como a mecânica quântica pode descrever situações que são impossíveis na física clássica: Ela não lida com objetos clássicos, mas com coisas que existem em várias camadas de realidade simultaneamente. |
Saiba mais sobre a incerteza quântica
Para entender melhor o princípio da incerteza de Heisenberg no contexto mais amplo da mecânica quântica, confira os guias do Shortform sobre os livros mencionados neste artigo:
- Uma breve história do tempo por Stephen Hawking
- O que é real? por Adam Becker