Cientistas conseguem driblar o Princípio da Incerteza pela primeira vez

O Princípio da Incerteza, primeiro introduzido pelo Físico Werner Heisenberg no final da década de 1920, é um conceito fundamental da Teoria Quântica. No mundo quântico, governado por partículas subatômicas, estas se comportam também como ondas. Como resultado dessa natureza ondulatória, partículas elementares - como elétrons - não podem ter bem definidos posição e momento simultaneamente. Agora, um time internacional de pesquisadores, liderados pela cientista Dra. Mika Sillanpää da Universidade de Aalto, na Finlândia, mostrou - em um estudo publicado na Science (1) - que existe uma forma de driblar o Princípio da Incerteza, usando inclusive objetos macroscópicos se comportando como partículas subatômicas. 

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Na Física Clássica (Newtoniana), é estabelecido que se soubermos a posição inicial e o momento (produto da massa pela velocidade) de todas as partículas de um sistema, somos capazes de calcular suas interações e prever como ele se comportará. Porém, isso parte do pressuposto que, de fato, conhecemos a posição e o momento de todas as partículas no sistema. Segundo o Princípio da incerteza, não se pode conhecer com precisão absoluta a posição ou o momento (e, portanto, a velocidade) de uma partícula. Isto acontece porque para medir qualquer um desses valores acabamos os alterando (perturbamos o sistema), e isso não está ligado a limitações tecnológicas de medição, e, sim, à natureza intrínseca das partículas no mundo quântico.

No seu nível mais fundamental, o Princípio da Incerteza é uma consequência da dualidade partícula-onda e do Princípio de Broglie. Considerando a equação acima, se uma partícula encontra-se em uma região com erro ∆x, então seu comprimento de onda natural deve ser menor que ∆x, o que requer um momento elevado, variando entre  -h/4π/Δx  e  h/4π/Δx, ou seja, nossa 'incerteza'. O mesmo vale para a indeterminação do momento. Sinteticamente, quando mais acuradamente você sabe a posição de uma partícula, menos acuradamente você sabe o momento, e vice-versa.

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Medir um sistema mecânico-quântico sem perturbá-lo é impossível. Considere um oscilador de frequência angular ω0, posição adimensional x(t), e momento p(t). A medida de x(t) causa o p(t) a sofrer um distúrbio chamado de quantum backaction (QBA). O distúrbio do momento dinamicamente leva a um distúrbio da posição, e, portanto, a um limite fundamental sobre a contínua medida da posição, como já explicado anteriormente. A posição do oscilador pode ser escrito como x(t) = X sin(ω0t) + P cos(ω0t), onde, em um quadro de referência mecânico-quântico, as quadraturas do movimento X e P são observáveis não-concomitantes conjugadas que não podem ser conhecidas simultaneamente com uma alta precisão arbitrária: se X é medido então P é sujeito à incerteza, e vice-versa.

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No novo estudo, os pesquisadores mostraram que é possível construir um oscilador efetivo a partir de dois osciladores físicos para monitorar ambas as quadraturas de um oscilador sem qualquer limite fundamental. Para isso, ao invés de partículas elementares, eles realizaram experimentos usando objetos muito maiores: duas peles de tambor com 1/5 da espessura de um típico fio de cabelo humano. Ambas as peles de tambor foram manipuladas de forma a exibir um comportamento de emaranhamento quântico (onde duas entidades separadas se tornam fortemente ligadas de um modo que não pode ser explicado pela Física Clássica).

Até o momento, o emaranhamento quântico (Quantum Entanglement) tem sido limitado na prática a unidades quânticas microscópicas, como pares de múltiplos íons únicos, átomos, fótons e outras partículas ou sistemas em escala nanométrica ou menor. Objetos emaranhados não podem ser descritos independentemente um do outro, mesmo que estejam separados por grandes distâncias espaciais. 

Nos experimentos, após demonstração de um movimento quântico coletivo das peles de tambor, estes vibraram em uma fase oposta um em relação ao outro, de modo que quando um deles estava em uma posição final do ciclo de vibração, o outro estava na posição oposta no mesmo instante temporal. Nessa situação, a incerteza quântica do movimento das peles de tambor acaba sendo cancelada caso as duas peles sejam tratadas como uma única entidade mecânico-quântica.

Em outras palavras, os pesquisadores foram capazes de simultaneamente medir a posição e o momento das duas peles de tambor - algo que não deveria ser possível de acordo com o Princípio da Incerteza. As medidas das duas quadraturas coletivas foram realizadas enquanto evadindo a QBA por 8 decibéis (dB) em ambas, obtendo um ruído total dentro de um fator de 2 do limite quântico total. Quando a regra da incerteza foi quebrada, permitiu-se caracterizar forças extremamente fracas associadas aos movimentos das peles. Inclusive, como reportado e descrito no estudo, uma das peles de tambor respondia a todas as forças da outra pele de forma oposta, similar a existência de uma 'massa negativa' (!).

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A efetiva quebra do Princípio da Incerteza também fornece a mais sólida evidência até o momento de que objetos em escala macroscópica podem exibir o comportamento de emaranhamento quântico, e, no caso específico do novo estudo, satisfazendo o critério de Duan por uma margem de 1,4 dB - o que constitui uma medida robusta e direta do emaranhamento de dois massivos osciladores mecânicos. Esse é um importante avanço na área de tecnologia quântica, onde busca-se manipular efeitos quânticos em escalas macroscópicas para o desenvolvimento otimizado de computadores quânticos e de sistemas mais robustos de criptografia quântica.

Em objetos macroscópicos, efeitos quânticos como emaranhamento são muito frágeis, e acabam sendo destruídos muito facilmente por qualquer distúrbio a partir do ambiente ao redor. Portanto, é válido ressaltar que os experimentos no novo estudo foram realizados a temperaturas extremamente baixas, apenas um centésimo de grau acima do zero absoluto (273,15°C).

(1) Publicação do estudo: https://science.sciencemag.org/content/372/6542/625

Referência adicional: https://www.aalto.fi/en/news/evading-the-uncertainty-principle-in-quantum-physics