Por Geoff Brumfiel de Nature magazine

Ao contrário do que muitos alunos aprendem, a incerteza quântica pode nem sempre estar nos olhos de quem vê. Um novo experimento mostra que medir um sistema quântico não necessariamente introduz incerteza. O estudo destrói um ponto comum explicação em sala de aula de por que o mundo quântico parece tão confuso, mas o limite fundamental para o que é conhecível nas menores escalas permanece inalterado.

Na base da mecânica quântica está o princípio da incerteza de Heisenberg. Simplificando, o princípio afirma que há um limite fundamental para o que se pode saber sobre um sistema quântico. Por exemplo, quanto mais precisamente se sabe a posição de uma partícula, menos se pode saber sobre seu momento, e vice-versa. O limite é expresso como uma equação simples que é fácil de provar matematicamente.

Heisenberg às vezes explicava o princípio da incerteza como um problema de fazer medições. Seu experimento mental mais conhecido envolveu fotografar um elétron. Para tirar a foto, um cientista pode lançar uma partícula de luz na superfície do elétron. Isso revelaria sua posição, mas também transmitiria energia ao elétron, fazendo-o se mover. Aprender sobre a posição do elétron criaria incerteza em sua velocidade; e o ato de medição produziria a incerteza necessária para satisfazer o princípio.

Os alunos de física ainda aprendem esta versão de medição-perturbação do princípio da incerteza nas aulas introdutórias, mas acontece que nem sempre é verdade. Aephraim Steinberg da Universidade de Toronto, no Canadá, e sua equipe realizaram medições em fótons (partículas de luz) e mostraram que o ato de medir pode introduzir menos incerteza do que o exigido pelo princípio de Heisenberg. A incerteza total do que pode ser conhecido sobre as propriedades do fóton, no entanto, permanece acima do limite de Heisenberg.

Medição delicada
O grupo de Steinberg não mede posição e momento, mas duas propriedades inter-relacionadas diferentes de um fóton. : seus estados de polarização. Nesse caso, a polarização ao longo de um plano está intrinsecamente ligada à polarização ao longo do outro e, pelo princípio de Heisenberg, há um limite para a certeza com que ambos os estados podem ser conhecidos.

Os pesquisadores fizeram um medição “fraca” da polarização do fóton em um plano – não o suficiente para perturbá-lo, mas o suficiente para produzir uma noção aproximada de sua orientação. Em seguida, eles mediram a polarização no segundo plano. Em seguida, eles fizeram uma medição exata ou “forte” da primeira polarização para ver se ela havia sido perturbada pela segunda medição.

Quando os pesquisadores fizeram o experimento várias vezes, eles descobriram que a medição de um a polarização nem sempre perturbou o outro estado tanto quanto o princípio da incerteza previu. No caso mais forte, a imprecisão induzida foi apenas a metade do que seria previsto pelo princípio da incerteza.

Não fique muito animado: o princípio da incerteza ainda permanece, diz Steinberg: “No final , não há como saber com precisão ao mesmo tempo. ” Mas o experimento mostra que o ato de medição nem sempre é o que causa a incerteza. “Se já existe muita incerteza no sistema, então não precisa haver nenhum ruído da medição”, diz ele.

O experimento mais recente é o segundo a fazer um medição abaixo do limite de ruído de incerteza. No início deste ano, Yuji Hasegawa, físico da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, mediu grupos de spins de nêutrons e derivou resultados bem abaixo do que seria previsto se as medições estivessem inserindo toda a incerteza no sistema.

Mas os resultados mais recentes são o exemplo mais claro de por que a explicação de Heisenberg estava incorreta. “Este é o teste experimental mais direto do princípio de incerteza de perturbação de medição de Heisenberg”, disse Howard Wiseman, um físico teórico de Griffith University in Brisbane, Australia “Espero que seja útil para educar os escritores de livros para que saibam que a relação ingênua medição-perturbação está errada.”

Abalar a velha explicação da incerteza da medição pode ser difícil t, no entanto. Mesmo depois de fazer o experimento, Steinberg ainda incluiu uma pergunta sobre como as medições criam incerteza em uma tarefa de casa recente para seus alunos. “Só quando estava corrigindo é que percebi que meu dever de casa estava errado”, diz ele. “Agora tenho que ter mais cuidado.”

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 11 de setembro de 2012.