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A natureza probabilística do mundo quântico e a incerteza quântica


  
 Werner Heisenberg nasceu em Wurzburg, em 1901 e morreu em Munique no ano de 1976. Foi laureado com o Nobel de Física de 1932 e foi um dos fundadores da mecânica quântica. Formulou o princípio de incerteza, que descreve o comportamento das partículas subatômicas e escreveu várias obras nas quais discorreu sobre aspectos filosóficos da ciência.
  Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg desenvolveram equações, descrevendo matematicamente a natureza ondulatória da matéria e prognosticando as propriedades dos objetos quânticos, tais como a dualidade onda-partícula. Ao formalismo matemático que descreve a natureza subatômica, damos o nome de Mecânica Quântica.
   Segundo o físico Max Born, as ondas de elétrons são ondas de probabilidades. É provável que numa onda de possibilidades (região onde é provável que o elétron se encontre) localizemos uma partícula específica, mas não é certo. Será mais provável localizarmos a posição de um elétron ou obtermos o seu momentum( sua massa multiplicada por sua velocidade) em determinadas regiões da onda, e menos em outras. Haverá toda uma região onde será possível localizarmos-lo. Quanto mais ampla essa região, mais elevado o grau de incerteza quanto a estes dois pontos. Heisenberg estudou essa questão com afinco, e constatou que a indeterminação é inerente ao mundo quântico.
 “Na mecânica quântica, uma partícula não possui uma posição ou velocidade bem definida, mas seu estado pode ser representado pelo que se denomina função de onda. Uma função de onda é um número em cada ponto do espaço, que indica a probabilidade de a partícula ser encontrada naquela posição.”                         (Stephen Hawking – O Universo numa casca de noz – São Paulo, 2001 – pg. 106)
   No nível quântico, nada é certo e tudo é provável. Tudo que podemos saber, portanto, do mundo quântico, são as probabilidades de uma partícula existir ou não, estar ou não em uma região. Teríamos pensado como Laplace, que poderíamos conhecer o mundo nos seus mínimos detalhes. Mas parece, que a lição de Kant, de que a coisa em si nos é incognoscível, permanece, de certo modo, viva, na constatação que não podemos conhecer a realidade em si, do Universo, mas apenas a probabilidade desta realidade ser de um modo ou de outro. O véu da probabilidade encobre, ou a realidade mesma, ou o conhecimento que temos dela.  Nas palavras de Sir Arthur Eddington, professor de Astronomia e Filosofia Experimental da Universidade de Cambridge:
 "Debo todavia insistir em la pergunta: Que observamos realmente?  La teoria de la relatividad ha dado una respuesta: solo observamos relaciones. La teoria de los cuantos da outra: solo observamos probabilidades."                                           (EDDINGTON, A. S. 1946. P. 128)
  Porém, isto não significa que o mundo quântico não possua ordem. As partículas subatômicas estão sujeitas a leis rigorosas, mas leis probabilísticas e não determinísticas, permitindo que o nível quântico seja o plano criativo do qual toda a realidade emerge. Entretanto, se a incerteza quântica se aplicasse além das dimensões subatômicas, as características do nível quântico invadiriam a macro realidade, e viveríamos num mundo surreal. Essa incerteza é própria do mundo quântico. Vejamos essa questão mais detidamente: Segundo o princípio de incerteza de Heisenberg, a posição e o momentum de um elétron não podem ser obtidos com exatidão. Se determinarmos a posição, não podemos ter acesso ao momentum, e vice e versa. Nosso conhecimento sobre o nível quântico, de acordo com tal princípio, será sempre, “inexoravelmente” limitado. O máximo que podemos obter com relação a estes dados são seus valores prováveis, mas nunca seus valores exatos.
  O princípio da incerteza de Heisenberg destrói o determinismo causal da física clássica que postulava o conhecimento preciso a cerca das velocidades e das posições de um objeto. A física quântica demonstra que há um nível criativo de realidade, e que não é possível conhecer seus detalhes com exatidão, nem através da matemática, nem através da tecnologia. O que podemos fazer é intuir seus movimentos, deduzi-los com base nas leis da probabilidade. Dentro de um átomo, se espalhando como uma onda, o elétron poderá estar em qualquer parte, a qualquer velocidade. O princípio da incerteza é realmente revolucionário. Ele modifica um dos paradigmas científicos mais consolidados, a saber, o de que o empreendimento da Ciência é a obtenção de um conhecimento exato, preciso e detalhado a cerca da realidade. Se antes deste princípio, o objetivo da Ciência era esse conhecimento exato sobre a natureza, depois de tal princípio, ficou claro que há limites  para o conhecimento, que não podemos obter conhecimentos exatos, e que, no máximo, nossos conhecimentos serão prováveis, serão aproximações, modelos, representações da natureza.
  A natureza nos fornece sempre metade da verdade, mas deixa a outra metade velada. Quanto mais quisermos uma medição precisa da velocidade, mais energia teremos que utilizar no experimento, e maior será a alteração na posição da partícula, pois a energia empregada pertuba a mesma, quanto mais quisermos saber sua posição, mais energia, e mais oculta se tornara’ sua velocidade, pelo mesmo motivo. Estaremos sempre incertos quanto a um destes  dois aspectos.
  Deste modo, o principio da incerteza de Heisenberg deixa claro que o determinismo da natureza é uma ilusão. A Ciência não nos fornece certezas, mas probabilidades. A Ciência mora na incerteza! A incerteza é uma fina película, uma fronteira sutil, que, contudo, não pode ser ultrapassada pelas tecnologias mais avançadas e nem pelos cérebros mais empenhados. Para muitos, isto se deve ao fato de que a própria natureza é um jogo de probabilidades intercambiantes, de realidades mescladas, oscilantes, de informações interconectadas, umas aparecendo, no desaparecimento das outras. Para Stephen Hawking:
“O limite imposto pelo principio da incerteza não depende da maneira pela qual você tenta medir a posição ou velocidade da partícula, nem do tipo de partícula. O principio da incerteza de Heisenberg é uma propriedade fundamental, inescapável, do mundo, e teve profundas implicações na maneira como vemos o mundo”.                     (Stephen Hawking – Uma nova historia do tempo – pg. 95, 96)
    Nas palavras dos doutores Caruso e Vitor, da UERJ:
 “Há quem afirme que não se pode localizar exatamente um elétron, porque ele não se encontra em um lugar determinado.”                                                               (CARUSO & OGURI, 2006, P. 471).
   Na verdade, esta idéia de que a incerteza não é fruto de nossa deficiência observacional, nem do fato de que a observação afeta o observado, mas sim que se trata de uma característica da própria natureza, já está presente desde os primórdios da mecânica quântica. Um de seus pioneiros, Paul Dirac, que apresentou teoricamente a descoberta do positron, a anti-partícula do elétron, e que, portanto, postulou a existência de uma anti-partícula para cada partícula, (e que para tanto, teria percebido o que Heráclito anunciou, ou seja, que o conflito entre os opostos, na verdade, é que gera a harmonia (CARUSO & OGURI, 2006, P. 547)), já teria dito, nos primórdios do empreendimento quântico, que a incerteza é própria da natureza:
 “Existe um limite para os nossos poderes de observação e para o mínimo de perturbação que acompanha o nosso ato de observação, um limite inerente à natureza das coisas e que nunca pode ser vencido pelo aperfeiçoamento da técnica e da habilidade do observador.”                                                                            (CARUSO & OGURI, 2006, P.468)
 Somando-se à  incerteza, o fato de o nível quântico obedecer à regras probabilísticas e não determinísticas, permite que as partículas subatômicas se combinem e se comportem de infinitas formas, fazendo do mundo quântico, o nível da criatividade.
  Além disto, a dualidade onda-partícula implica que, mesmo que localizemos um elétron, em um feixe deles, detectando-o como uma partícula, ele é apenas parte de um pacote de elétrons que se propaga como onda, como descreveu Schrödinger. Assim, mesmo que um elétron seja localizado, em poucos segundos, ou partes de segundo, ele poderá sumir, espalhando-se como membro de uma onda que o levará  à posições imprevisíveis.  Luis Victor de Broglie descobriu a natureza ondulatória da matéria, mas prognosticou que os elétrons seriam ondas estacionárias, confinadas ao espaço atômico. Entretanto, as equações de Schrödinger, tão bem sucedidas em prever características quânticas confirmadas em laboratório, previram também que o caráter estacionário das ondas eletrônicas é passageiro. De acordo com suas equações, um pacote de ondas, que originariamente é estacionário, tem a probabilidade de se espalhar com a passagem do tempo. Isto quer dizer que todo elétron em um dado tempo, pode vir a desaparecer em um local para reaparecer em outro, mesmo que estejam bilhões de anos-luz separados... é uma questao de probabilidade.
   Se todos os objetos, tal como uma cadeira, são formados  por partículas subatômicas, isto significa que todos estão se espalhando continuamente? Tudo está desaparecendo e é possível que vá reaparecer depois, não se sabe quando, nem onde? Os objetos mais simples, compostos por um número pequeno de partículas, podem efetuar esse processo rapidamente. Uma única partícula pode vir à existência, desaparecer e voltar a existir, tudo em frações de segundo. Quanto mais complexo um corpo, ou seja; quanto maior o número de partículas que compõem um objeto, mais lentamente ele se espalha, e, afinal, até que as milhões de partículas componentes de um objeto se espalhem, é necessário um tempo longo. Por isso não vemos uma xícara desaparecer simplesmente. Pode levar centenas de bilhões de anos para que toda a matéria da tal xícara se espalhe e desapareça . Todos os elétrons que compõem uma cadeira, por exemplo, podem demorar milhares de bilhões de anos para desaparecerem em um ponto do universo, e reaparecerem em outro, talvez espalhados aleatoriamente (talvez agrupados, na mesma forma de cadeira de outros tempos, embora a probabilidade de isso acontecer, apesar de existir, ser muito “microscópica”). Entretanto, é uma questão de probabilidade, mesmo que isso seja difícil, é estatisticamente possível (Ocorre que o tempo de "vida" de um objeto, é menor que o tempo necessário para que tal efeito possa se efetivar, de modo que, se estatisticamente o fenômeno é possível, logicamente não. Lembremos, portanto, desta regra que Roland Omnes, pesquisador do CERN, apresenta em sua obra “Filosofia da Física Contemporânea”: A Lógica impõe limites ao probabilismo quântico. Mesmo que um fenômeno seja provável, se sua ocorrência fere a Lógica, ele não ocorrerá ). Se essa “pretensa” regra é universal, ou seja, se ela se aplica a todos os domínios quânticos,  há autores que defendem tal tese, e outros que não. Entretanto, empregando a filosofia do pragmatismo de Wilhiam James, eu diria que neste caso essa “regra” se aplica, logo, para este caso, trata-se de uma boa regra. Ou seja; “toda vez que o tempo necessário para que uma determinada probabilidade quântica se confirme for maior que o tempo de existência do sistema que abarca a possibilidade de tal fenômeno, então o valor estatístico da probabilidade em questão, será anulado pela impossibilidade lógica de que o mesmo se efetive”. Vejamos um exemplo. Digamos que há uma probabilidade maior que zero de que uma nave gigantesca efetive um salto quântico pegando um atalho pelo espaço-tempo e em frações de segundo percorra nossa galáxia de ponta a ponta. Se a probabilidade de que esse fenômeno ocorra for tão mínima, que o mesmo pudesse ocorrer a cada 50 bilhões de anos, e se a idade estimada do universo é de 15 bilhões de anos, então a possibilidade estatística de que tal fenômeno se efetive é anulada pela operação lógica que demonstra que este fenômeno, para ter ocorrido, necessitaria de um tempo maior que o tempo de existência do próprio universo. Logo, neste caso, a Lógica limita, direciona, e dá sentido ao probabilismo quântico, separando o que é Ficção do que é Ciência. Alguém poderá alegar que, apesar de tudo, se a operação lógica determina que tal fenômeno nunca ocorreu, ela não consegue descartar a possibilidade de que ocorra no futuro, pois quando o universo tiver com 50, 100 bilhões de anos, tempo suficiente terá transcorrido para que o fenômeno se efetive ao menos uma vez. Sou tentado a pensar assim...gosto de Ficção. Mas aplicando o pragmatismo aqui eu diria: “Bem, por mais sensacional que essa questão seja, (1) nunca poderei me decidir sobre o que pode ocorrer daqui há 50 bilhões de anos,  (1.1) isso não muda em nada nossa civilização, não  é o grande desafio da Ciência, não é de alcance tecnológico, logo (2) não é uma questão suficientemente importante para que eu perca o domingo com a família fazendo cálculos, embora seja um apaixonante tema, que, se virar filme, poderá me levar ao cinema, com minha família, no domingo...
  Mas há uma outra maneira de encarar o problema, que não o pragmatismo: Essa questão é  extremamente interessante para a Matemática Pura, mas não possui relação alguma com o mundo da Física.  
  Quão filosóficas são as implicações da nova física. O retorno da metafísica ao coração da ciência é um dos principais fenômenos decorrentes da mecânica quântica. O comportamento das partículas quânticas é tão misterioso e surreal, que nos abre caminho livre para reflexões metafísicas, sugerindo que muitas coisas que pensávamos ser sobrenaturais, na verdade podem possuir uma fundamentação física, ou que a física pode possuir uma fundamentação metafísica, dentro do escopo da nova mecânica (um efeito colateral disto é um nocivo sensacionalismo e um euforia leiga em torno da nova ciência – vemos escritores que não estudaram Física Quântica e sua Filosofia, interpretando-a descabidamente).
   Uma partícula existe mais como um conceito, como uma idéia, um hall de possibilidades, do que como um objeto. Nas palavras de Heisenberg;
 “O corpúsculo já não é um objeto bem definido e, de acordo com a nova teoria, sua existência já não se revela mais pelo caráter descontínuo e localizado de suas manifestações sucessivas. Enquanto onda, já não é, em mecânica ondulatória, a vibração de algum meio mais ou menos sutil. Adquiriu um caráter simbólico e matemático cada vez mais acentuado’’.                                                               (Werner Heisenberg – Biblioteca Salvat, Rio de Janeiro, 1972 - pg. 92)
  Sendo assim, a noção de corpo material parece perder o sentido no nível quântico. O objeto subatômico, mais do que um corpo, com dimensões e posições definidas, é um conceito matemático abstrato que representa um vasta gama de possibilidades, é uma onda de informações, flutuando por entre probabilidades diversas.


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