Incerteza numa fenda simples

PARA PENSAR

Esse é um simples experimento que demonstra como é possível tirar conclusões semelhantes às da física quântica, sem precisar "invadir" o mundo microscópico.

Um aluno é levado a uma sala sem janelas, a qual possui apenas uma fenda no teto.

A luz que atravessa da fenda é composta de raios paralelos e ilumina uma escala métrica inscrita no piso da sala.

Dois dispositivos são instalados sobre o teto da sala.

Na primeira prova, é instalado um pêndulo sobre a fenda:



Na segunda prova, é instalado um dispositivo que gira em velocidade constante sobre a fenda:



As esferas que estão presas em ambos dispositivos têm o mesmo tamanho.

O aluno dispõe de um cronômetro, lápis e caderno.

Com esses recursos em mãos, o aluno consegue tirar algumas conclusões da sombra projetada no piso da sala.

1 - Quando a sombra encontra-se nos extremos da escala, ele poderá dizer que a velocidade da esfera é zero, desde que o objeto esteja preso em um pêndulo. Se a esfera estiver presa ao dispositivo girante, a velocidade da esfera será sempre máxima.

2 - Quando a sombra encontra-se no centro da escala, a velocidade da sombra é máxima, mas o aluno não tem como determinar a posição da esfera. Se a esfera estiver presa num pêndulo, ela estará próxima ao teto da sala. Se a esfera estiver presa ao dispositivo girante, poderá estar próxima ao teto ou ao ponto mais distante do mesmo.

Lógico, o foco da sombra varia com a distância da esfera em relação ao piso. Mas esta variação é pequena e  pode passar despercebida.

O resumo do trabalho do aluno será:

"Não é possível determinar a velocidade e a posição do corpo que projeta a sombra no piso ao mesmo tempo. Quando se conhece a velocidade, não se conhece a posição. Quando se conhece a posição, não se conhece a velocidade".

O princípio da incerteza consiste num enunciado da mecânica quântica formulado em 1927 por Werner Heisenberg. Tal princípio estabelece um limite na precisão com que certos pares de propriedades de uma dada partícula física, conhecidas como variáveis complementares (tais como posição e momento linear), podem ser conhecidos. Em seu artigo de 1927, Heisenberg propõe que em nível quântico quanto menor for a incerteza na medida da posição de uma partícula, maior será a incerteza de seu momento linear [velocidade multiplicada pela massa do corpo em movimento] e vice-versa.

fonte
https://pt.wikipedia.org/wiki/Princ%C3%ADpio_da_incerteza_de_Heisenberg


Nesses singelos experimentos, procuramos demonstrar que:

- A física é uma ciência baseada na observação;

- No mundo macroscópico, visível pelo olho nu (física clássica), desde que observado de várias condições, não existem graves incertezas;

- No mundo macroscópico, fenômenos visto em condições restritivas podem dar origem a incertezas;

- No mundo microscópico, no qual só é possível observar parte da realidade (física quântica), as incertezas afloram.

Nos dois experimentos sugeridos abaixo, as matemáticas da física quântica e da fisica relativista são "postas à prova".

Clica:

O dilema do relógio quebrado.
https://fisica2100.forumeiros.com/t1501-o-dilema-do-relogio-quebrado

O robozinho quálion desafia os observadores quânticos.
https://fisica2100.forumeiros.com/t1674-efeito-qualico

A incerteza das observações poderão ser reduzidas, mas não eliminadas.

Analisem as três figuras, abaixo:


Movimento Pendular


Movimento Circular


Diferenças de Velocidades

O movimento das esferas, antes de projetarem suas sobras na escala instalada no piso da sala, são diferentes.

Se o aluno perceber essa diferença, poderá distinguir o objeto de origem do experimento.

No caso do pêndulo, será possível determinar a velocidade e posição da esfera ao mesmo tempo.

No entanto, no caso do movimento circular da esfera, em função do paralelismo dos raios de luz incidente, não haverá perda de foco da sombra da esfera na escala, de modo que ficará impossível determinar se a mesma está mais próxima ou mais distante do teto da sala.

Divulguei essa postagens em um grupo de apreciadores da ciência, CIENCIA DE TUDO, do Facebook.
Talvez entrem no fórum alguns amigos de lá.
Ou talvez me deem um banimento, vamuve..

Obrigado, Xevious, pelo apoio dado ao Forum Fisica2100.

Mais de quinhentas visualizações, mas sem novos usuários, é uma pena.
Tenho certeza que se eles tivessem olhado o conteúdo dos tópicos neste forum se inscreveriam.
Mas é um pessoal mais novo que nem sabe como funciona um forum

Xevious escreveu:Mais de quinhentas visualizações, mas sem novos usuários, é uma pena.
Tenho certeza que se eles tivessem olhado o conteúdo dos tópicos neste forum se inscreveriam.
Mas é um pessoal mais novo que nem sabe como funciona um forum

Em geral, a garotada serve-se dos fóruns para resolver problemas escolares. Adultos vão pelo mesmo caminho, para resolver problemas inerentes a concursos públicos.

Pessoas que têm paixão pelo conhecimento são poucas. Faço um paralelo com as TVs educativas que, em geral e em qualquer país do mundo, elas tem uma audiência que gira em torno de 1% a 2%.

Apesar de apresentar números aparentemente modestos, o Fórum Fisica2100 tem um desempenho muito bom se comparado aos demais fóruns pelo mundo afora.

O Princípio da Incerteza Relativizado





"A Física Quântica forneceu a refutação definitiva do princípio de causalidade."
-Werner Heisenberg

A física moderna é muito engraçada. A relatividade torna a velocidade da luz absoluta e o princípio da incerteza impõe uma certeza incontestável  !

Pensamento supracitado pelo querido colega Robson Conti.

O objetivo dessa brincadeira foi demonstrar que, mesmo em escalas macroscópicas, é possível perceber os limites de um experimento científico.

Saibam mais sobre o "verdadeiro" Princípio da Incerteza no endereço abaixo:
https://fisica2100.forumeiros.com/t2029-efeito-quantico-explicavel

Jonas Paulo Negreiros escreveu:Pessoas que têm paixão pelo conhecimento são poucas.

Nem tão poucas, o problema é reuni-las junto

Xevious escreveu:

Jonas Paulo Negreiros escreveu:Pessoas que têm paixão pelo conhecimento são poucas.

Nem tão poucas, o problema é reuni-las junto

Pois é, Xevious.

Trata-se de uma batalha quixotesca, a qual não devemos abandonar. Além da dificuldade "midiática" de encontrar pessoas  apaixonadas pela ciência, muitas delas se decepcionam quando se atrevem a apresentar suas ideias em fórum convencionais. Elas são taxadas de "crackpots", negacionistas ou praticar "pseudo ciência" e acabam por desistirem de levar seus sonhos adiante.

Fiquei admirado de não ser sido admoestado pela moderação do Fórum Física2100, ao abrir duas trilhas sobre terraplanismo. Mas me aborreceu quando um de nossos mais ativos colaboradores "perdeu o senso de humor" e desapareceu do Fórum.

Ideias nascem heréticas e morrem dogmáticas. Por isso admiro tanto a figura do pensador Bertrand Russel:
https://fisica2100.forumeiros.com/t1145-bertrand-russell#7452

Quanto à incerteza do experimento da fenda simples, uma ambiguidade se aflora, pois trata-se de um problema relativo a incerteza de medição, não necessariamente um problema de choque entre ondas e partículas.

Meu consolo é saber que a física quântica como um todo é um amontoado de paradoxos e ambiguidades !

No ano de 1927, na universidade de Leipzig, na Alemanha, o físico Werner Heinsenberg, um dos fundadores da mecânica quântica, enuncia uma das pedras fundamentais para o campo que estava a se desenvolver, no caso esse era um princípio que demonstrava não haver uma real certeza sobre alguns aspectos fundamentais, quando se estudava uma partícula.

Werner Heinsenberg percebeu que, para estudar um átomo, seria necessário atirar em sua direção um feixe de fótons, o qual possui uma energia específica, sendo que assim, o observável poderia absorver essa energia, excitando-se e liberando esse excesso energético na forma de luz. Com isso era possível determinar a posição de uma partícula, contudo, devido a interferência do aparelho que atira o feixe de fótons, torna-se completamente impossível determinar o momento da partícula, uma vez que o fornecimento de energia altera a velocidade da mesma.
 
Sendo assim, quanto menor for a incerteza existente em torno da posição de uma partícula, maior será a incerteza em torno do momento dessa partícula e, vice-versa. Logo, Heisenberg propôs uma expressão simples para explicar seu pensamento, no caso, o produto das incertezas posicionais e de momento, deveriam ser maior ou igual a metade da constante de Planck reduzida, ou seja: Δxi.Δpi ≥ ħ/2.

A constante de Planck é um número específico, igual a 6,63x10-34 J.s, e que representa uma constante fundamental da física e sempre aparece quando um sistema tem uma explicação por intermédio da mecânica quântica. Quando usamos o termo, constante reduzida, significa que o número foi dividido por pi, em outras palavras, por 3,1416. Logo, a constante reduzida de Plank é igua a 1,05x10-34 J.s.

E saber a constante de Planck é importante pois, com ela, torna-se possível determinar a energia de um fóton, em outras palavras, a energia com a que um fóton se choca com um observável, o qual pode ser um átomo, ou um elétron, por exemplo. Obviamente, essa energia fornecida a esse sistema, acaba por gerar a incerteza de momento (Δpi). A equação que calcula a energia fornecida é: E=hv, onde, E é a energia do fóton (também chamado de quantum de energia), h é a constante de Planck e v é a frequência de radiação do fóton.

O grande problema é que para determinar com grande precisão a posição de um elétron, é necessário que a radiação incidente, ou seja, o feixe de fótons, tenha um comprimento de onda muito pequeno. O problema em torno disso se dá na inversão da proporcionalidade em torno de frequência de onda e comprimento de onda, em outras palavras, quanto menor o comprimento de onda, maior será a frequência de onda e, vice-versa.

Logo, para a determinação com grande precisão da posição de um elétron, a energia tende a ser alta, uma vez que para um comprimento de onda pequeno a frequência de onda tem que ser grande. Com isso, há a liberação de energia na forma de raio-x, devido ao espalhamento do fóton, resultando na indeterminação da velocidade, que altera o momento da partícula.

Uma analogia que pode ser usada para explicar o princípio da incerteza é com o sonar de um morcego. Imagine que o animal libere seu sonar para encontrar insetos que voam de forma aleatória. Conforme as ondas de som se chocam com o inseto, e retornam ao mamífero voador, o morcego consegue calcular a distância que o mesmo se encontra dele. Contudo, vamos dizer que o sonar interferisse com o inseto, uma vez que fosse muito poderoso, empurrando-o para longe, devido a um deslocamento de ar, quando o morcego chegasse na posição calculada, o inseto não estaria mais lá.

Imaginemos um grande pátio de estacionamento vazio, sem iluminação artificial ou natural, onde dois veículos autônomos de massas diferentes transitam em velocidades igualmente diferentes e com os seus farois totalmente apagados.

Os veículos seguem em rota de colisão e chocam-se frontalmente. Por rebatimento, os veículos capotam e rolam para trás. Pela alteração de velocidade de cada veículo, será impossível que cada veículo calcule automaticamente a velocidade e massa do veículo opositor antes da batida, nem a posição exata onde se encontrarão quando pararem. Grosseiramente, isso é o tipo de "observação quântica" quando transposta para o mundo macroscópico.

Dá para levar isso à sério   ?

A física quântica é uma cretinice!

(Ao menos para os filósofos, é claro  !)

Immanuel Kant, pensador alemão, disse: “avalia-se a inteligência de uma pessoa pelo número de incertezas que ela é capaz de suportar.”

Pronto! Como sou incapaz de aceitar as incertezas quanticas, fui promovido a burro   !

Demonstramos com o exemplo da fenda simples apresentado ao início dessa trilha que é impossível determinar, através de uma sombra no chão, a velocidade e a posição de um objeto em movimento circular ao mesmo tempo. Na verdade, o resultado pode ser confundido com um movimento pendular.




Mas, se estivermos a observar um objeto que caminha em linha reta?




De acordo com o caso do MRU - Movimento Retilíeno Utópico, isso é impossível, pois durante a observação, além do objeto em movimento ora estar mais longe, ora estar mais perto do observador, há duas questões conceituais conflitantes:

- Quando um objeto está em movimento, é impossível determinar sua posição com precisão absoluta, por menor que seja o intervalo de tempo da observação.

- Quando um objeto está parado, é possível determinar sua posição. Logo, neste caso, a velocidade do objeto é nula.

A física é uma ciência observacional. Nunca se esqueçam disso!

Mas, e o caso do emaranhamento quântico, que prevê um objeto estar em dois lugares ao mesmo tempo?



Simples:
Basta uma  boa dose alcoolica no sangue para qualquer observador constatar esse fenômeno na prática   !

Mais:
Movimento Retilíneo Utópico
https://fisica2100.forumeiros.com/t986-movimento-retilineo-utopico?highlight=movimento+retilineo+utopico

Comentário Final
Os mais afoitos poderão argumentar que os filósofos não entendem nada de física e vão evocar o efeito Dunning-Kruger para rebatê-los. Mas o que uma dupla de pretensiosos psicólogos pode entender e discutir sobre física   ?

Mais:
https://www.michelbezerra.com.br/post/qual-%C3%A9-o-problema-da-certeza