Física

Revolução da incerteza: O fim do determinismo newtoniano

Carlos Roberto de Lana, Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação

Em 1687, sir Isaac Newton publicou seus "Princípios Matemáticos de Filosofia Natural", demonstrando que tanto a queda das maçãs quanto a mecânica dos corpos celestes seguia leis físicas que podiam ser expressas em algumas poucas equações simples.

Era o início do que posteriormente foi chamado de determinismo científico: a ideia de que a ciência poderia sempre fazer previsões suficientemente precisas sobre os fenômenos sob sua alçada, bastando para isto a posse de dados suficientes.

O determinismo newtoniano influenciou o pensamento científico até o início do século 20, quando Albert Einstein apresentou sua Teoria da Relatividade, que demonstrou que o tempo e o espaço não eram referenciais absolutos, e Max Planck apresentou os resultados de seu célebre experimento sobre radiação dos corpos negros, que concluía que o comportamento dos elétrons se caracteriza por uma dualidade, podendo se apresentar tanto como partículas, quanto como ondas.

Princípio da Incerteza

Os experimentos de Planck marcam o início da física quântica, que estuda o comportamento das partículas subatômicas, que não obedecem às leis do movimento codificadas por Newton.

Coube ao cientista alemão Werner Karl Heisenberg (1901-1976) dar o golpe de misericórdia no império das certezas do determinismo ao formular, em 1927, o Princípio da Incerteza, que, resumidamente, declarava ser impossível determinar com precisão e simultaneamente a velocidade e a posição de um elétron.

Heinsenberg descobriu que os métodos utilizados para se medir o comportamento do elétron terminavam por influenciar este comportamento, de modo que, quanto mais precisa fosse a medição da variável posição, menos confiável seria a da variável velocidade.

É frequente associar o Princípio da Incerteza a outro enunciado que afirma que as medições das variáveis são incertas porque o observador influencia o comportamento das partículas observadas. Isso é correto, mas permite interpretações que sugerem que o simples olhar humano tenha o poder de moldar a realidade física.

Constante de Plank

Tais sugestões podem extrapolar muito o que os experimentos e teorias de Heisenberg nos permitem dizer, considerando principalmente o fato de que suas observações e conclusões são matematicamente restritas ao mundo subatômico, uma vez que o Princípio da Incerteza define que o produto das incertezas da medição da posição e velocidade da partícula não podem ser inferiores à constante de Planck.

A constante de Planck descreve o tamanho dos quanta (pacotes fundamentais de energia) e seu valor é de aproximadamente 6,626 x 10-34 J.s, ou seja, um número tão pequeno que desencoraja tentativas de aplicá-lo ao mundo macroscópico.

A ideia de que o observador influencia os fenômenos quânticos pode ser melhor entendida se lembramos que, na teoria em questão, o observador é representado pelos métodos de medição que nos permitem quantificar as variáveis estudadas.

Posição de um elétron

Assim, para determinar a posição de um elétron, precisamos lançar sobre ele algum tipo de radiação, da mesma forma que precisamos lançar luz sobre um objeto que queiramos observar a olho nu.

Só que a luz visível possui comprimentos de onda muito grandes para detectar elétrons, o que implica que para este tipo de pesquisa é necessário se utilizar radiações de comprimentos de onda mais curtos. Quanto mais curto for o comprimento de onda, mais precisa será a medição da posição do elétron. O problema é que quanto menor o comprimento de onda da radiação utilizada, maior será sua frequência e, portanto, a energia que esta radiação trocará com o elétron.

Esta energia trocada entre o elétron e a radiação usada para medir sua posição terminará por influenciar a velocidade do elétron, sendo que esta influência não obedece às leis da mecânica newtoniana, resultando em uma alteração imprevisível do comportamento desta variável.

Colapso da função de onda

É neste sentido que o Princípio da Incerteza define que o observador influencia o comportamento das partículas, provocando o fenômeno chamado colapso da função de onda, que de um modo bastante simplificado, pode ser representado pela ideia de que o elétron só está naquele estado específico porque está sendo observado. Poderia estar em qualquer outro se não estivesse.

Por isto a física quântica se define como uma ciência probabilística, uma vez que antes de se definir o estado fundamental do elétron, temos apenas possibilidades sobrepostas.

Seria mais ou menos como se quiséssemos estudar a velocidade média dos automóveis nas vias públicas pelos registros dos radares de controle. Teríamos certeza de que todos os automóveis que tiveram sua velocidade medida de fato passaram por aquele ponto, ou seja, podemos determinar com certeza sua posição, mas as velocidades medidas não representarão a média real que é desenvolvida nas ruas, pois a presença do radar motiva os motoristas a pisar no freio de seus veículos.

O que o Princípio da Incerteza nos mostra não é que a realidade das partículas subatômicas é volátil, mas que nossa capacidade de medir os fenômenos ocorridos nesta realidade é insuficiente.

Gato de Schrödinger

Esta percepção foi mostrada de modo bastante ilustrativo por Erwin Schrödinger através de seu experimento mental, chamado Gato de Schrödinger, no qual a aplicação direta dos enunciados da mecânica quântica e do Princípio da Incerteza resultam em determinado momento em um gato que ao mesmo tempo está morto e vivo, esperando que a influência do observador defina seu estado.

Como é absurdo admitir tal estado em um ser vivo, Schrödinger coloca a questão de que falta à mecânica quântica regras que definam quando e como a dualidade onda-partícula opta por um destes dois estados.

A Revolução da Incerteza pode ter destronado o determinismo newtoniano e conquistado o pensamento científico moderno. Mas, assim como a revolução de Newton nomeou a matemática como regente do cosmos, as incertezas de Heisenberg nos levam a um universo subatômico de probabilidades infinitas, mostrando mais uma vez que quando começamos a pensar na busca dos segredos do Universo como uma jornada previsível, a ciência nos revela novos e fascinantes caminhos.

Carlos Roberto de Lana, Especial para a Página 3 Pedagogia & Comunicação é engenheiro químico e professor.

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