A palavra incerteza é muito usada na mecânica quântica. Uma escola de pensamento é que isso significa que existe algo no mundo sobre o qual não temos certeza. Mas a maioria dos físicos acredita que a própria natureza é incerta.

A incerteza intrínseca foi fundamental para a forma como o físico alemão Werner Heisenberg, um dos criadores da moderna mecânica quântica, apresentou a teoria.

Ele colocou avançar o Princípio da Incerteza que mostrou que nunca podemos saber todas as propriedades de uma partícula ao mesmo tempo.

Por exemplo, medir a posição da partícula nos permitiria saber sua posição. Mas essa medição necessariamente perturbaria sua velocidade, em um valor inversamente proporcional à precisão da medição da posição.

Heisenberg estava errado?

Heisenberg usou o Princípio da Incerteza para explicar como a medição seria destruir aquela característica clássica da mecânica quântica, o padrão de interferência de duas fendas (mais sobre isso abaixo).

Mas, na década de 1990, alguns eminentes físicos quânticos alegaram ter provado que é possível determinar qual dos duas fendas pelas quais uma partícula passa, sem perturbar significativamente sua velocidade.

Isso significa que a explicação de Heisenberg deve estar errada? No trabalho que acaba de ser publicado na Science Advances, meus colegas experimentais e eu mostramos que não seria sensato pular para essa conclusão.

Mostramos que um distúrbio de velocidade – do tamanho esperado pelo Princípio da Incerteza – sempre existe , em certo sentido.

Mas antes de entrar em detalhes, precisamos explicar brevemente sobre o experimento das duas fendas.

O experimento das duas fendas

Neste tipo de experimento existe é uma barreira com dois orifícios ou fendas. Também temos uma partícula quântica com uma incerteza de posição grande o suficiente para cobrir ambas as fendas se for disparada contra a barreira.

Como não podemos saber por qual fenda a partícula passa, ela age como se fosse através de ambas as fendas. A assinatura disso é o chamado “padrão de interferência”: ondulações na distribuição de onde a partícula provavelmente será encontrada em uma tela no campo distante além das fendas, significando um longo caminho (muitas vezes vários metros) depois das fendas .

Mas e se colocarmos uma medição dispositivo próximo à barreira para descobrir por qual fenda a partícula passa? Ainda veremos o padrão de interferência?

Sabemos que a resposta é não, e a explicação de Heisenberg foi que se a medição da posição é precisa o suficiente para dizer qual fenda a partícula atravessa, ela dará uma perturbação aleatória à sua velocidade apenas grande o suficiente para afetar onde ela termina está no campo distante e, assim, elimina as ondulações de interferência.

O que os eminentes físicos quânticos perceberam é que descobrir por qual fenda a partícula passa não requer uma medição de posição como tal. Qualquer medição que forneça resultados diferentes dependendo da fenda pela qual a partícula passa serve.

E eles criaram um dispositivo cujo efeito na partícula não é o de um chute de velocidade aleatória conforme ela passa. Portanto, eles argumentaram, não é o Princípio da Incerteza de Heisenberg que explica a perda de interferência, mas algum outro mecanismo.

Como Heisenberg previu

Não temos que entrar no que eles alegou ser o mecanismo para destruir a interferência, porque nosso experimento mostrou que há um efeito na velocidade da partícula, exatamente do tamanho que Heisenberg previu.

Vimos o que outros perderam porque esse distúrbio de velocidade não acontece quando a partícula passa pelo dispositivo de medição. Em vez disso, é atrasado até que a partícula passe bem pelas fendas, no caminho em direção ao campo distante.

Como isso é possível? Bem, porque as partículas quânticas não são realmente apenas partículas. Eles também são ondas.

Na verdade, a teoria por trás de nosso experimento era aquela em que tanto a natureza da onda quanto da partícula são manifestas – a onda guia o movimento da partícula de acordo com a interpretação introduzida pelo físico teórico David Bohm , uma geração depois de Heisenberg.

Vamos experimentar

Em nosso último experimento, cientistas da China seguiram uma técnica sugerida por mim em 2007 para reconstruir o movimento hipotético das partículas quânticas, a partir de muitos pontos de partida possíveis em ambos fendas, e para ambos os resultados da medição.

Eles compararam as velocidades ao longo do tempo quando não havia dispositivo de medição presente com aquelas quando havia, e assim determinaram a mudança nas velocidades como resultado da medição.

O experimento mostrou que o efeito da medição na velocidade das partículas continuou por muito tempo depois que as partículas passaram pelo próprio dispositivo de medição, a até 5 metros dele. Nesse ponto, no campo distante, a mudança cumulativa na velocidade era grande o suficiente, em média, para eliminar as ondulações no padrão de interferência.

Então, no final, o Princípio da Incerteza de Heisenberg emerge triunfante.

A mensagem para levar para casa? Não faça afirmações de longo alcance sobre qual princípio pode ou não pode explicar um fenômeno até que você tenha considerado todas as formulações teóricas do princípio.

Sim, essa é uma mensagem um pouco abstrata, mas é um conselho que pode ser aplicado em campos distantes da física.