O que é o Princípio dd Incerteza de Heisenberg? - Chad Orzel

Veja a aula completa: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

O Princípio de Incerteza de Heisenberg afirma que não é possível conhecer simultaneamente a posição exata e a velocidade exata de um objeto. Por que não? Porque tudo no universo se comporta ao mesmo tempo como uma partícula e uma onda. Chad Orzel discorre sobre este conceito complexo da física quântica.

Aula de Chad Orzel, animação de Henrik Malmgren.

O Princípio de Incerteza de Heisenberg
é uma das ideias da física quântica

que foram adotadas pela cultura popular.

Ele diz que você nunca pode saber
ao mesmo tempo a posição exata

e a velocidade exata de um objeto
e é usado como uma metáfora

em situações desde a crítica literária
até o comentário esportivo.

A incerteza é geralmente explicada como
uma consequência da mensuração,

o ato de medir a posição de um objeto
muda sua velocidade e vice-versa.

A causa real é muito mais profunda
e mais surpreendente:

O Princípio da Incerteza existe
porque tudo no universo

se comporta como uma partícula e uma onda
ao mesmo tempo.

Na mecânica quântica, a posição exata
e a velocidade exata de um objeto

não têm sentido.

Para entender isso,

precisamos pensar no que significa

o comportamento de
partícula ou onda.

Partículas, por definição, existem em
um único lugar a todo instante no tempo.

Podemos representar isso num gráfico
que mostra a probabilidade

de encontrar o objeto
em um determinado lugar.

O gráfico apresenta um pico,

de 100% em uma posição específica,
e zero nos outros lugares.

Ondas, por outro lado, são perturbações
que se propagam expandindo no espaço,

como as ondulações
na superfície de um lago.

Podemos facilmente
identificar características

do padrão de onda como um todo,

principalmente o comprimento de onda,

que é a distância entre dois picos
consecutivos ou dois vales consecutivos.

Mas não podemos dar a eles
uma única posição.

Há uma grande chance

de ele estar em
vários lugares diferentes.

O comprimento de onda é essencial
na física quântica

pois o comprimento de onda
de um objeto

está associado ao seu momento linear,

massa vezes a velocidade.

Um objeto a alta velocidade
tem momento linear grande,

que corresponde a
um comprimento de onda muito curto.

Um objeto pesado tem momento grande
mesmo a baixa velocidade,

e também tem um comprimento
de onda muito curto.

É por isso que não percebemos

a natureza ondulatória
dos objetos cotidianos.

Se você lançar uma bola de beisebol,
o comprimento de onda dela será

um bilionésimo de trilionésimo
de trilionésimo de um metro,

minúsculo demais para ser detectado.

Mesmo assim, coisas pequenas,
como átomos ou elétrons,

têm comprimento de onda
suficientemente grandes

para serem medidos
em experimentos de física.

Assim, se temos uma onda pura,
podemos medir seu comprimento de onda,

e portanto seu momento,
mas ela não possui uma posição.

Podemos até saber a posição
de uma partícula,

mas elas não têm
um comprimento de onda,

portanto não sabemos seu momento.

Para ter uma partícula
com posição e também momento,

precisamos misturar as duas coisas,

construindo um gráfico que tem ondas,
mas apenas em uma pequena área.

Como se faz isso?

Combinando ondas de
comprimento de ondas diferentes,

isto é, dando ao objeto quântico
a possibilidade de ter

vários momentos diferentes.

Quando juntarmos duas ondas,

descobrimos que há locais

onde os picos se alinham,
formando uma onda maior,

e locais onde os picos de uma
coincidem com os vales da outra.

A resultante terá regiões onde vemos ondas
separadas por regiões sem nada.

Se adicionarmos uma terceira onda,

as regiões onde as ondas se cancelam
ficam maiores,

mais uma e os vazios serão ainda maiores,
e as regiões onduladas mais estreitas.

Se continuarmos juntando ondas,
teremos um pacote de onda,

com um comprimento de onda
nítido em uma pequena região.

Teremos um objeto quântico com
natureza simultânea de onda e partícula.

Mas para conseguir isso,
foi preciso abrir mão da certeza

tanto da posição quanto do momento.

A posição não está restrita
a um único ponto.

Há uma boa probabilidade
de encontrá-lo dentro de uma região

perto do centro do pacote de onda.

Nós construímos o pacote de onda
juntando várias ondas,

ou seja, há probabilidade
de encontrá-lo com um momento

igual ao momento
de qualquer uma dessas ondas.

A posição e o momento agora
são indeterminados,

e essas incertezas estão ligadas.

Se você quiser reduzir
a incerteza na posição

fazendo um pacote de ondas menor,
é preciso adicionar mais ondas,

o que implica em
maior incerteza no momento.

Já um pacote de ondas maior

permitirá conhecer melhor o momento,
o que implica

maior incerteza na posição.

Esse é o Princípio de Incerteza
de Heisenberg,

enunciado pelo físico alemão
Werner Heisenberg em 1927.

Tal incerteza não é uma questão
de medir bem ou mal,

mas um resultado inevitável

da combinação das naturezas
de partícula e de onda.

O Princípio de Incerteza não é apenas
um limite prático de mensuração.

É um limite das propriedades
que um objeto pode ter,

é parte integrante da
estrutura fundamental do universo.