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Monografia Mecanica Quantica

Principios da incerteza de Heisenberg

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Princípio da Incerteza de Heisenberg Diadema-SP Junho - 2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Princípio da Incerteza de Heisenberg Monografia apresentada como exigência parcial para aprovação na UC Metodologia Científica ministrada pela Profª. Dra. Carolina Vautier Teixeira Gionco no curso de Química Industrial da Universidade Federal de São Paulo. Autores: Claudia Soares Pimentel Cleiton A. de Arantes Cristiane Tieco Sato Tatiana Lica Kamioka Diadema-SP Junho – 2010 SUMÁRIO Resumo 4 Introdução 5 1. Werner Heisenberg 6 2. O Princípio 7 3. Gato de Schrödinger 8 4. Mecânica Quântica: Movimento de Objetos Macroscópicos 9 5. Considerações 10 Conclusão 12 Referências Bibliográficas 13 RESUMO No século passado, muitos cientistas buscavam explicar eventos até então ocultos ao homem como, por exemplo, o Big Bang, a estrutura das minúsculas partículas que compõem a matéria e o funcionamento do tempo. Logo, nomes como Albert Einstein, Niels Bohr, Luigi Brolie, Werner Heisenberg, dentre outros são, rapidamente, remetidos em nossa consciência. Este último, em especial, será nossa inspiração para a pesquisa em questão. O princípio da Incerteza de Heisenberg nos diz que é impossível determinar a posição exata de um elétron em um determinado tempo e espaço. Os mesmos reagem com a forma que medimos esta posição, isto é, o resultado é alterado pela radiação, já que um menor comprimento de onda é usado, para a obtenção de uma maior freqüência, altera-se a energia cedida pela radiação, afetando assim a posição do elétron, pois a mesma é diretamente proporcional a esta energia. Consequentemente, temos variadas aplicações deste princípio em teorias modernas como a Teoria das Cordas, Multiversos, 11º Dimensão, a Singularidade e a famosa Teoria da Membrana (Teoria M), que tem causado tanta euforia entre os físicos. INTRODUÇÃO Em tempos onde a ciência alcança um patamar jamais imaginado pelo homem, expandindo seus horizontes, resolvendo alguns mistérios até então impossíveis, criando novos questionamentos e mudando a maneira pela qual percebemos o tempo, o universo, a origem de tudo e até mesmo nossa própria existência, somos levados a entender o significado desta nova ramificação da ciência contemporânea chamada mecânica quântica. Desde o século passado, vários cientistas tentam descobrir os mistérios de nosso universo. Albert Einstein, renomado físico alemão, deu início a esta nova empreitada da ciência. Com a teoria da relatividade, ele conseguiu modificar os alicerces básicos que norteavam as regras tidas até então como "verdades absolutas", abrindo uma vasta gama de possibilidades para os eventos naturais que nos rodeiam, desde nosso mundo macroscópico às minúsculas partículas que compõem a menor parte da matéria - o átomo e seus componentes. 1. WERNER HEISENBERG Werner Karl Heisenberg nasceu em cinco de dezembro de 1901, em Würzburg, Alemanha. Casou-se com Elisabeth Schumacher tendo sete filhos. Dedicou sua vida à física, especializando-se no universo quântico. Aos 22 anos, doutorou-se pela Universidade de Munique, onde desenvolveu, paralelamente as suas pesquisas, experiências de energia nuclear durante a Segunda Guerra Mundial, da qual temia serem destinadas a fins bélicos. Em 1932, Heisenberg recebeu o Nobel de Física por "criar a mecânica quântica", já que seus estudos possibilitaram, dentre outros, a descoberta das formas alotrópicas do hidrogênio. Além disso, trabalhou com renomados cientistas como, por exemplo, Niels Bohr e Otto Hahn. Contudo, suas teorias eram um tanto quanto "surreais" à época fazendo com que até Albert Einstein rejeitasse suas idéias, pois contrariavam os princípios newtonianos. Além disso, dirigiu o Instituto de Física e Astrofísica de Göttingen, Alemanha, concentrando suas pesquisas no mundo das partículas elementares, descobrindo, inclusive, novidades do núcleo atômico, hidrodinâmica das turbulências, raios cósmicos e ferromagnetismo. Heisenberg faleceu em primeiro de fevereiro de 1976, com 74 anos, em Munique, Alemanha Ocidental. Seu principal legado à ciência é o Princípio da Incerteza, que contribui para estudos avançados sobre a constituição das menores partículas do átomo, bem como usadas em cálculos e teorias a respeito do mundo subatômico. 2. O PRINCÍPIO O Princípio da Incerteza de Heisenberg foi criado em 1927, e se resume basicamente na impossibilidade de se determinar a posição e a velocidade de um elétron em um determinado tempo e espaço. Quando tentamos localizar um elétron - cujo peso é aproximadamente 1/1836 da massa do próton e encontra-se em órbita ao redor do núcleo atômico - devemos fazer interagi-lo com algum tipo de radiação: ondas, da maneira clássica; ou fótons, da mecânica quântica. Para que a posição seja a mais próxima da realidade, devemos diminuir o comprimento de onda, resultando em maior freqüência. Consequentemente, a energia cedida pela radiação aumentará proporcionalmente à freqüência, pois segue a relação de Planck (energia e radiação): E=h.v; isto é, quanto maior a precisão, maior será o recuo do elétron (Efeito Compton), impossibilitando, portanto, localizá-lo. 3. GATO DE SCHRÖDINGER Figura 1 - http://static.hsw.com.br/gif/quantum-suicide-7.gif. A hipótese do gato Schrödinger, apresentada por Erwin Schrödinger é uma forma de conhecer o mundo quântico e demonstrar como seria feito em objetos grandes numa situação fácil de ser visualizada. Ele exemplifica o comportamento de partículas através de um gato preso em uma caixa com um recipiente contendo veneno que pode ser quebrado ou não por um martelo dependendo do estado da partícula quântica. O gato estaria vivo e morto simultaneamente, conforme figura 1. Porém, se alguém abrir a caixa para examiná-lo encontraria o gato vivo ou morto e não as duas coisas ao mesmo tempo. Erwin Schrödinger foi um dos cientistas que mais contribuiu para o desenvolvimento da mecânica quântica. Sua polêmica, hipótese do gato simultaneamente vivo e morto, foi lançada em 1935, dois anos depois de ter ganho o Prêmio Nobel de Física. FIGURA 1- GATO DE SCHRÖDINGER. FONTE: (HOWSTUFFWORKS). 4. MECÂNICA QUÂNTICA: MOVIMENTO DE OBJETOS MACROSCÓPICOS http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=mecani ca-quantica-movimento-objetos-macroscopicos&id=010165100426. Um artigo publicado pelo site Inovação tecnológica, em 24 de abril deste ano, mostra como a teoria da mecânica quântica aplica-se ao movimento mecânico de um objeto grande o suficiente para ser visto a olho nu. Cientistas da Universidade de Santa Bárbara, nos Estados Unidos, alcançaram o estado fundamental de uma partícula construindo um ressonador mecânico para a frequência das micro-ondas. Utilizando o qubit como um termômetro quântico, os pesquisadores demonstraram que o ressonador mecânico não continha nenhuma vibração extra. Em outras palavras, ele havia sido resfriado até um nível equivalente ao seu estado fundamental de energia. Com o ressonador mecânico parado até o nível das oscilações dos seus átomos, os cientistas adicionaram a ele um único quantum de energia, um fónon, a menor unidade física de vibração mecânica, provocando-lhe o menor grau de excitação possível. Os cientistas então observaram o conjunto conforme esse quantum de energia circulava entre o qubit e o ressonador mecânico. Ao trocar essa unidade fundamental de energia, o qubit e o ressonador se tornaram quanticamente entrelaçados, o que significa que qualquer alteração no estado quântico de um deles será imediatamente sentido no outro, ou seja, o ressonador respondeu precisamente conforme previsto pela teoria da mecânica quântica - quando os cientistas mediam a energia no qubit, o ressonador mecânico "escolhia" o estado vibracional no qual deveria permanecer. Em outro teste, os cientistas colocaram o ressonador mecânico em superposição quântica, um estado no qual ele tem um estado de excitação, ou vibração, que é simultaneamente igual a zero e igual a um, as duas coisas ao mesmo tempo. Este é o equivalente energético de uma partícula estar em dois lugares ao mesmo tempo. Portanto, o ressonador vibrava e não vibrava ao mesmo tempo. 5. CONSIDERAÇÕES Em nosso trabalho, percorremos algumas das teorias mais "excitantes" da ciência moderna. Constatamos que tudo o que vemos, pode ou não ser realidade, já que depende dos referencias. Atualmente, físicos do mundo inteiro trabalham para concluir a teoria que Albert Einstein deixou ao falecer. Sua tentativa de unificar tudo em nosso universo tem inspirado gerações de cientistas, resultando em diversas teorias, supracitadas anteriormente, mas que merecem uma nova lembrança, são elas: Teoria das Cordas, 11º dimensão, Supergravidade, Multiversos, a Singularidade e Teoria M (de membrana). Esta última causa euforia no meio científico, pois alguns afirmam ter chegado, finalmente, ao grande triunfo - a conclusão do trabalho de Einstein. Comprovada a existência de múltiplos universos (universos paralelos), podemos explicar - ou supor - alguns eventos que perduram por séculos no misticismo humano. Tomemos como ponto de partida à existência de um planeta semelhante ao nosso, em todos os aspectos naturais, porém com algumas diferenças, das quais são resultantes das probabilidades individuais, ou atitudes, que criamos em diariamente, como cor de cabelo, moradia atual, ou até mesmo a própria existência – fato que não entraremos em detalhes. Supomos que nosso planeta não seja estável, isto é, a energia localizada em determinados lugares da terra sofra fluxos que as tornam descontínuas ou contínuas. Com esta oscilação, podemos obter zonas onde a freqüência de ondas seja simultânea a de seu correspondente paralelo, ou seja, podemos obter vislumbres da outra realidade. Diante deste fato, podemos explicar, por exemplo, aquela sensação de se estar em uma rua deserta e ter a certeza de que viu alguém caminhando na mesma rua, sem que este alguém exista. De acordo com nossa suposição, a explicação mais plausível para tal fato, seria que naquele lugar houve uma "sincronização" de dois universos, dos quais possui a mesma semelhança (a rua), porém com outra pessoa caminhando, que, por sua vez, num dado momento resultaria em dois indivíduos dividindo o mesmo percurso e não em um fantasma1. Contudo, para que tais especulações sejam efetivas, teremos de esperar a conclusão de diversos trabalhos científicos, que estão em pleno vapor, para finalmente comprovar a existência dessas possibilidades. CONCLUSÃO O Princípio da Incerteza de Heisenberg demonstra que partículas microscópicas podem comportar-se como ondas e também como matéria ao mesmo tempo, ou seja, podemos apresentar dois tipos de resultados diferentes de uma mesma experiência. Um resultado quando a partícula age naturalmente e o outro resultado quando ela é observada, pois o processo de "observação" (equipamentos de medição) libera fótons que altera a natureza da partícula. Em uma das reuniões do grupo, a discussão mais relevante foi sobre partículas microscópicas que através do mundo quântico pode estar em vários lugares ao mesmo tempo bem como a contribuição deste acontecimento para a evolução da ciência a ser aplicada, por exemplo, em tecnologia computacional ou medicinal, além de aguçar a curiosidade intelectual de jovens cientistas na busca pelos mistérios que rondam a ciência. Através da incerteza de Heisenberg, pesquisadores do mundo todo buscam soluções para uma questão ainda a ser respondida pela ciência. O site www.inovacaotecnologica.com.br traz artigos recentes sobre raio lasers com um único átomo, computadores quânticos, desmedição do elétron e outras pesquisas interessantes sobre a mecânica quântica e estudos de problemas físicos que possam influenciar nos dois mundos em que vivemos. BIBLIOGRAFIA http://ciencia.hsw.uol.com.br/quantum-suicidio1.htm, acesso em maio 2010. Documentário: Universos Paralelos (Parallel Universes). BBC World, 2008. Artigo publicado pelo aluno bolsista David Lucas Desidério (Bolsa de Iniciação científica do programa CNPq/PIBIC – Reitoria UNESP); Orientador: Prof. Dr. Pablo Antonio Venegas Urenda. http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=mecani ca-quantica-movimento-objetos-macroscopicos&id=010165100426. A. D. O'Connell, M. Hofheinz, M. Ansmann, Radoslaw C. Bialczak, M. Lenander, Erik Lucero, M. Neeley, D. Sank, H. Wang, M. Weides, J. Wenner, John M. Martinis, A. N. Cleland Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature Physics, April 2010 Vol.: 464, 697-703. Figura 1 - http://static.hsw.com.br/gif/quantum-suicide-7.gif. http://pt.wikipedia.org/wiki/Princ%C3%ADpio_da_incerteza_de_Heisenberg acesso em junho de 2010. Kaku, Michio. Hiperespaço: uma odisséia científica através de universos paralelos, empenamentos do tempo e décima dimensão. Rio de Janeiro: Editora Rocco Ltda, 1994. Volume único; págs. 134 e 347-348.