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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.