O Princípio da Incerteza é um dos conceitos primordiais no estudo da física quântica. De acordo com esse princípio, não há como determinar com precisão as partículas quânticas, ou seja, o comportamento de grandezas como átomos e moléculas, quando estudadas em sistemas de escalas reduzidas.
Segundo esse princípio, não é possível medir ao mesmo tempo as medidas de posição e a quantidade de movimento, pois quando se conhece uma delas perde-se a informação da outra. Nesse caso, o máximo que pode ocorrer é o cálculo das probabilidades de onde e como os mecanismos se comportarão.
Como funciona o Princípio da Incerteza
O princípio da incerteza se aplica às grandezas de quantidade de movimento e posição, assim como das grandezas de energia e tempo.
O conceito define que a posição x e o momentum p de uma partícula não pode ser definida com precisão. Dessa forma, quando se multiplica os erros nas medições dos valores, o resultado deve ser maior ou igual à constante de Planck, que mede 6.626 x 10^-34 J.s, dividida por 2π.
Para entender mais precisamente o princípio da incerteza, é preciso medir a posição de um átomo que, no processo, precisaria de fótons com certa quantidade de movimento transferida.
Com isso, a posição do átomo seria determinada, porém, no sentido oposto, onde a precisão de sua quantidade de movimento se perderia.
Para medir a posição desse átomo, seria preciso vê-lo e, para isso, entraria em ação o princípio da óptica geométrica, ou seja, o objeto de estudo precisaria ser iluminado, de preferência com uma onda de luz com pouco comprimento.
A física quântica diz que, nesse caso, para medir a posição de um elétron, é preciso incidir sobre ele um fóton com muita energia, isto é, com muita frequência e pouco comprimento.
Porém, para iluminar esse elétron, o fóton tem que se chocar com ele, modificando sua velocidade e tornando impossível medir sua posição com total precisão.
Quem era Werner Heisenberg
Werner Karl Heisenberg nasceu na cidade de Wurzburg, na Alemanha, em 05 de dezembro de 1901. Iniciou o curso de Física, em 1920, em Munique.
Um ano antes, em 1919, formulou o Princípio da Incerteza. Sua curiosidade era tentar explicar como os átomos se comportavam. Dessa forma, ele propôs que a energia não era contínua e vinha em pacotes (quanta), que a luz poderia ser descrita como uma onda em apenas um fluxo desse pacote.
Em 1923, tornou-se doutor pela Universidade de Munique. Foi um dos fundadores da Mecânica Quântica. Em 1927, começou a lecionar física na Universidade de Leipzig e, posteriormente, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1932 pela criação da Mecânica Quântica.
Entre 1942 e 1945, dirigiu o Instituto Max Planck e trabalhou no projetor de um reator nuclear durante a II Guerra Mundial. Porém, o físico era contra o uso de energia nuclear para fins bélicos.
Em 1958, iniciou o estudo sobre a teoria das partículas elementares enquanto dirigia o Instituto de Física e Astrofísica de Gottingen que, em seguida, mudaria sua sede para Munique.
O cientista morreria em 01 de fevereiro de 1976, em Munique, na Alemanha.
O Princípio da Incerteza e suas diferentes aplicações
Utilizando a Física Clássica, podemos tomar como exemplo átomos, que possuem elétrons carregados negativamente orbitando em núcleo positivamente carregado. A definição mais comum, então, diria que o as duas cargas se atrairiam, formando uma bola de partículas.
Contudo, o princípio da incerteza da Física Quântica explica que a atração não ocorre porque um elétron se aproxima rapidamente do núcleo, então sua posição seria conhecida e o erro na medição de seu momentum ou velocidade seria enorme.
De modo semelhante ocorre no centro do Sol, onde prótons e fundem e liberam energia suficiente para que a estrela possa brilhar.
A temperatura no núcleo do Sol não é alta o suficiente para que os prótons tenham energia para superar a repulsão elétrica mútua. Nesse caso, graças ao princípio criado por Heisenberg, eles podem abrir caminho através de uma barreira de energia.
5 conceitos para entender o Princípio da Incerteza
O estudo da Física Quântica compreende diversos fenômenos envolvendo o estudo de átomos, moléculas, partículas subatômicas e também a quantidade de energia dessas forças.
Seus principais pensadores foram Max Planck (que criou a Constante de Planck), Albert Einstein com a sua teoria da relatividade, Rutherford que identificou o núcleo e as partículas atômicas (prótons e elétrons), Niels Bohr que continuou o estudo de Rutherford aprimorando o Modelo Atômico e o próprio Heisenberg, com o Princípio da Incerteza.
Para entender de uma vez o assunto, fizemos um resumo com cinco características da teoria que irá te ajudar.
1 – É impossível medir com precisão
O princípio da incerteza diz que não é possível medir com precisão a posição x e o momentum p de uma partícula. Isso porque, se multiplicarmos os erros nas medições dos valores, o resultado precisa ser sempre maior ou igual a constante de Plank.
2 – Por que não ocorre a atração entre os opostos?
Como dito anteriormente, o princípio da incerteza afirma que o elétron, ao se aproximar demais do núcleo, tem sua posição conhecida precisamente e, de forma oposta, a medição do momentum (velocidade) seria muito imprecisa. Nesse caso, o elétron sairia rapidamente do átomo.
3 – E no vácuo, há como medir a energia e o tempo?
Sim. Para a teoria quântica e a equação de Heisenberg, existe uma incerteza na quantidade de energia e no tempo necessário para o inicio dos processos. Nesse sentido, é possível que essa medição seja muito incerta e por períodos extremamente curtos de tempo, quando as partículas surgem no vácuo.
4 – A ideia principal
Em síntese, a teoria quântica diz que a energia não é contínua e sim dividida em pacotes, chamados de quanta. Já a luz poderia ser descrita como uma onda e um fluxo desses pacotes.
5 – Como medir o comportamento das moléculas?
Por fim, o princípio da incerteza diz que há um limite para o estudo do comportamento das menores escalas da natureza, leia-se, átomos e moléculas, denominadas também de partículas quânticas. Além disso, o máximo que pode ser feito é calcular probabilidades de como elas se comportam e onde estão localizadas.
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Fontes: So Científica, Mundo Educação, Brasil Escola, Revista Galileu
Imagens: Ciencial, Freepik, Green Me Brasil, Cola da Web, Universo Racionalista, Medium, Manual da Quimica, MiniLua, Centro do Professorado Paulista, Twenergy
