Físicos acabam de ter mais certeza sobre a incerteza quântica

Com informações da New Scientist - 08/01/2024

Não precisa lidar com duas variáveis; uma é suficiente para que a incerteza se manifeste.
[Imagem: Yui Kuramochi et al. - 10.1103/PhysRevLett.131.210201]

Certeza sobre a incerteza

Se você fosse uma partícula na escala atômica, o que significaria que sua física seria regida pela mecânica quântica, seria impossível saber exatamente onde você está e exatamente para onde você está indo.

Esta ideia, conhecida como princípio da incerteza de Heisenberg, tem sido uma parte fundamental do estudo do reino quântico desde os anos 1920.

E, agora, os físicos estão ainda mais certos sobre a sua incerteza.

Antes do desenvolvimento da física quântica, os cientistas que buscavam medir um objeto com mais precisão simplesmente trabalhavam para desenvolver instrumentos de medição melhores. Mas, em 1927, Werner Heisenberg [1901-1976] descobriu que, ao lidar com objetos em escala atômica, existe um limite fundamental na precisão com que se pode medir simultaneamente certos pares de valores, como posição e momento.

Agora, Yui Kuramochi (Universidade de Kyushu) e Hiroyasu Tajima (da Universidade de Eletrocomunicações), ambas no Japão, provaram matematicamente que uma versão do princípio da incerteza de Heisenberg pode ser aplicada mesmo quando se mede apenas uma única variável - tipicamente a incerteza emerge quando tentamos medir posição e velocidade, por exemplo.

Em outras palavras, a incerteza vai mais fundo do que os físicos acreditavam.

A ciência parece não se dar bem com "provas definitivas". Por exemplo, dois tambores tocados com maestria podem anular a incerteza de Heisenberg.
[Imagem: Aalto University]

Truque matemático

Desde a década de 1950, os físicos questionam se a descrição da incerteza de Heisenberg precisa de ser modificada para sistemas como o de duas bolinhas de gude colidindo entre si, quando seu momento combinado é conservado - o que significa que ele tem o mesmo valor antes e depois de se chocarem. Poderia esta restrição extra sobre o momento tornar possível "trapacear" o princípio da incerteza, permitindo medir a posição das duas bolas com extrema precisão?

Para sistemas simples, onde as medições retornam valores discretos como 0 ou 1, a resposta parecia ser não. Mas, quando se trata de sistemas como as bolinhas de gude em colisão, a posição e o momento têm valores contínuos - em vez de valores discretos -, o que torna a matemática complexa o suficiente para ultrapassar o limite do impraticável.

Os físicos ainda presumiam que não era possível enganar o princípio da incerteza de Heisenberg, mas até agora não tinham conseguido provar isto. "Para isso, era necessária uma abordagem completamente nova, e nós a construímos," disse Kuramochi.

Para isso, ele e Tajima enfrentaram a dificuldade matemática de ter que realizar cálculos e provas para uma ideia muito geral de posição - como ela pode assumir infinitos valores, ela deve ser representada por uma grade infinita de números. Para contornar essa dificuldade, os dois pesquisadores empregaram um truque matemático que lhes permitiu esconder essa grade infinita dentro de outro objeto matemático, chamado função.

Eles então usaram essa função para a maior parte da prova e depois voltaram para a representação verdadeira da posição no final, depois de terem concluído todos os cálculos que, de outro modo, seriam intratáveis.

Recentemente foi quebrado o limite quântico nas medições de força e posição.
[Imagem: Mason et al. - 10.1038/s41567-019-0533-5]

Prova definitiva, só que não.

O truque matemático funcionou, e os dois pesquisadores obtiveram a primeira prova matemática conclusiva de que o princípio da incerteza de Heisenberg mergulha fundo no reino físico regido pela mecânica quântica.

Ao comentar o artigo, especialistas na área afirmam que o trabalho apresenta uma prova matemática rigorosa, com conclusão completamente geral, "em todos os experimentos, em todas as interações de medição, para sempre". Assim, parece que simplesmente não há como evitar a incerteza para obter uma medição mais precisa da posição de um objeto quântico.

Contudo, como na ciência igualmente nem tudo parece representar certezas eternas, todo o arcabouço teórico usado nesta prova depende da própria interpretação da mecânica quântica, e o entendimento atual, conhecido como "interpretação de Copenhague", embora largamente aceita na comunidade científica, pode ser tudo, menos uma prova matemática irrefutável.

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