Compreendendo o Princípio da Incerteza de Heisenberg

O princípio da incerteza de Heisenberg é uma das pedras angulares da física quântica, mas muitas vezes não é profundamente compreendido por aqueles que não o estudaram cuidadosamente. Embora, como o nome sugere, defina um certo nível de incerteza nos níveis mais fundamentais de própria natureza, essa incerteza se manifesta de maneira muito restrita, de modo que não nos afeta em nosso cotidiano vidas. Somente experimentos cuidadosamente construídos podem revelar esse princípio em ação.

Em 1927, o físico alemão Werner Heisenberg apresentou o que ficou conhecido como Princípio da incerteza de Heisenberg (ou apenas princípio da incerteza ou, às vezes, Princípio de Heisenberg). Enquanto tentava construir um modelo intuitivo da física quântica, Heisenberg descobriu que havia havia certas relações fundamentais que colocavam limitações em como poderíamos conhecer certas quantidades. Especificamente, na aplicação mais direta do princípio:

Quanto mais precisamente você souber a posição de uma partícula, menos precisamente poderá conhecer simultaneamente o momento dessa mesma partícula.

O princípio da incerteza de Heisenberg é uma afirmação matemática muito precisa sobre a natureza de um sistema quântico. Em termos físicos e matemáticos, restringe o grau de precisão que podemos falar sobre um sistema. As duas equações a seguir (também mostradas, na forma mais bonita, no gráfico na parte superior deste artigo), chamadas relações de incerteza de Heisenberg, são as equações mais comuns relacionadas à incerteza princípio:

Equação 1: delta- x * delta- p é proporcional a h-Barra
Equação 2: delta- E * delta- t é proporcional a h-Barra

Os símbolos nas equações acima têm o seguinte significado:

• h-bar: chamada de "constante reduzida de Planck", isso tem o valor da constante de Planck dividido por 2 * pi.
• delta-x: Esta é a incerteza na posição de um objeto (digamos, de uma determinada partícula).
• delta-p: Esta é a incerteza no momento de um objeto.
• delta-E: Esta é a incerteza na energia de um objeto.
• delta-t: Esta é a incerteza na medição do tempo de um objeto.

A partir dessas equações, podemos distinguir algumas propriedades físicas da incerteza de medição do sistema com base no nível correspondente de precisão da mesma. Se a incerteza em qualquer uma dessas medições for muito pequena, o que corresponde a ter um valor extremamente preciso medição, essas relações nos dizem que a incerteza correspondente teria que aumentar, para manter a proporcionalidade.

Em outras palavras, não podemos medir simultaneamente as duas propriedades dentro de cada equação com um nível ilimitado de precisão. Quanto mais precisamente medimos a posição, menos precisamente somos capazes de medir o momento simultaneamente (e vice-versa). Quanto mais precisamente medimos o tempo, menos precisamente somos capazes de medir simultaneamente a energia (e vice-versa).

Embora o exposto possa parecer muito estranho, na verdade há uma correspondência decente com a maneira como podemos funcionar no mundo real (ou seja, clássico). Digamos que estávamos assistindo um carro de corrida em uma pista e que deveríamos gravar quando ele cruzasse a linha de chegada. Devemos medir não apenas o tempo em que ela cruza a linha de chegada, mas também a velocidade exata em que o faz. Medimos a velocidade pressionando um botão em um cronômetro no momento em que o vemos cruzar a linha de chegada e medimos a velocidade em olhando para uma leitura digital (que não está alinhada com a observação do carro, você deve virar a cabeça assim que cruzar o final) linha). Nesse caso clássico, há claramente algum grau de incerteza sobre isso, porque essas ações levam algum tempo físico. Vamos ver o carro tocar na linha de chegada, apertar o botão do cronômetro e olhar para o visor digital. A natureza física do sistema impõe um limite definido de quão preciso isso tudo pode ser. Se você está tentando assistir à velocidade, pode estar um pouco desanimado ao medir o tempo exato na linha de chegada e vice-versa.

Como na maioria das tentativas de usar exemplos clássicos para demonstrar comportamento físico quântico, existem falha nessa analogia, mas está um pouco relacionada à realidade física no trabalho no quantum reino. As relações de incerteza surgem do comportamento ondulatório dos objetos na escala quântica e as fato de que é muito difícil medir com precisão a posição física de uma onda, mesmo na clássica casos.

É muito comum o princípio da incerteza se confundir com o fenômeno da efeito observador na física quântica, como a que se manifesta durante o O gato de Schroedinger experimento mental. Na verdade, essas são duas questões completamente diferentes na física quântica, embora ambas tributem nosso pensamento clássico. O princípio da incerteza é, na verdade, uma restrição fundamental na capacidade de fazer declarações precisas sobre o comportamento de um sistema quântico, independentemente de nosso ato real de fazer a observação ou não. O efeito observador, por outro lado, implica que, se fizermos um certo tipo de observação, o próprio sistema se comportará de maneira diferente do que seria sem essa observação.

Devido ao seu papel central nos fundamentos da física quântica, a maioria dos livros que exploram o reino quântico fornecerá uma explicação do princípio da incerteza, com níveis variados de sucesso. Aqui estão alguns dos livros que fazem o melhor, na opinião deste humilde autor. Dois são livros gerais sobre física quântica como um todo, enquanto os outros dois são tão biográficos quanto científicos, fornecendo informações reais sobre a vida e obra de Werner Heisenberg:

• A incrível história da mecânica quântica por James Kakalios
• O Universo Quântico por Brian Cox e Jeff Forshaw
• Além da incerteza: Heisenberg, física quântica e a bomba de David C. Cassidy
• Incerteza: Einstein, Heisenberg, Bohr e a luta pela alma da ciência por David Lindley