Fevereiro de 1927: Princípio da incerteza de Heisenberg

Werner Heisenberg

Em fevereiro de 1927, o jovem Werner Heisenberg desenvolveu uma peça-chave da teoria quântica, o princípio da incerteza, com profundas implicações.
Werner Heisenberg nasceu em dezembro de 1901 na Alemanha, em uma família acadêmica de classe média alta. Ele gostava de matemática e dispositivos técnicos quando era menino e seus professores o consideravam talentoso. Em 1920 ele começou a estudar na Universidade de Munique , e publicou quatro artigos de física em dois anos sob a orientação do mentor Arnold Sommerfeld. Heisenberg tornou-se amigo profissional de Wolfgang Pauli, que era apenas um ano mais velho que Heisenberg e também estudante em Munique.
Ele concluiu seu doutorado em 1923, com uma tese sobre um problema em hidrodinâmica, embora ele quase falhou devido ao seu fraco desempenho no teste experimental necessário perguntas sobre a prova oral. Depois de receber seu doutorado, ele trabalhou como assistente de Max Born em Göttingen, depois passou um ano trabalhando com Niels Bohr em seu instituto em Copenhague.
A teoria quântica prevalecente no início dos anos 1920 modelava o átomo como tendo elétrons em quantização fixa orbita em torno de um núcleo. Os elétrons poderiam se mover para uma energia mais alta ou mais baixa absorvendo ou emitindo um fóton com o comprimento de onda correto. O modelo funcionou bem para o hidrogênio, mas teve problemas com átomos maiores e com moléculas. Os físicos perceberam que uma nova teoria era necessária.
Heisenberg se opôs ao modelo atual porque afirmou que, uma vez que não se podia realmente observar a órbita dos elétrons ao redor de um núcleo, não se poderia dizer que tais órbitas existissem. Só se podia observar o espectro da luz emitida ou absorvida pelos átomos. A partir de 1925, Heisenberg começou a trabalhar tentando criar uma mecânica quântica que se baseasse apenas em propriedades que pudessem, pelo menos em teoria, ser observadas.
Com a ajuda e inspiração de vários colegas, Heisenberg desenvolveu uma nova abordagem para a mecânica quântica. Basicamente, ele pegou quantidades como posição e velocidade e encontrou uma nova maneira de representá-las e manipulá-las. Max Born identificou a matemática estranha no método de Heisenberg como matrizes. A nova formulação foi responsável por muitas propriedades observadas dos átomos.
Pouco depois de Heisenberg ter criado sua mecânica quântica baseada em matriz, Erwin Schrödinger desenvolveu sua formulação de onda. O quadrado absoluto da função de onda de Schrödinger foi logo interpretado como a probabilidade de encontrar uma partícula em um determinado estado. A formulação de onda de Schrödinger, que ele logo provou ser matematicamente equivalente aos métodos de matriz de Heisenberg, tornou-se a abordagem mais popular, em parte porque os físicos estavam mais confortáveis com ela do que com a matemática de matriz desconhecida. A impopularidade de seu próprio método incomodava Heisenberg, especialmente porque muita coisa estava em jogo na época, enquanto ele e outros jovens cientistas começavam a procurar seus primeiros empregos como professores, à medida que uma geração mais velha de cientistas estava se aposentando.

Embora outros possam ter achado a abordagem de onda mais fácil de usar, a mecânica da matriz de Heisenberg o levou naturalmente ao princípio da incerteza pelo qual ele é bem conhecido. Em matemática de matriz, nem sempre é o caso que a x b = b x a, e para pares de variáveis que não comutam, como posição e momento, ou energia e tempo, surge uma relação de incerteza.
Heisenberg também conduziu um experimento mental. Ele considerou tentar medir a posição de um elétron com um microscópio de raios gama. O fóton de alta energia usado para iluminar o elétron daria um impulso, mudando seu momento de maneira incerta. Um microscópio de resolução mais alta exigiria luz de energia mais alta, dando um impulso ainda maior ao elétron. Quanto mais precisamente se tentasse medir a posição, mais incerto se tornaria o momentum, e vice-versa, pensou Heisenberg. Essa incerteza é uma característica fundamental da mecânica quântica, não uma limitação de qualquer aparato experimental em particular.
Heisenberg descreveu seu novo princípio em uma carta de 14 páginas a Wolfgang Pauli, enviada em 23 de fevereiro de 1927. Em março, ele enviou seu artigo sobre o princípio da incerteza para publicação.
Niels Bohr apontou alguns erros no experimento mental de Heisenberg , mas concordou que o próprio princípio da incerteza estava correto, e o artigo foi publicado.
O novo princípio teve implicações profundas. Antes, pensava-se que se você conhecesse a posição e o momento exatos de uma partícula em um determinado momento, e todas as forças que agem sobre ela, você poderia, pelo menos em teoria, prever sua posição e momento no futuro . Heisenberg descobriu que isso não era verdade, porque você nunca poderia saber a posição exata de uma partícula e o momento ao mesmo tempo.O princípio da incerteza logo se tornou parte da base para a interpretação amplamente aceita de Copenhagen da mecânica quântica, e na conferência Solvay em Bruxelas naquele outono, Heisenberg e Max Born declararam a revolução quântica concluída.
No outono de 1927, Heisenberg assumiu o cargo de professor da Universidade de Leipzig, tornando-se o mais jovem professor titular da Alemanha. Em 1932, ele ganhou o Prêmio Nobel por seu trabalho em mecânica quântica. Ele continuou sua pesquisa científica na Alemanha. Durante a Segunda Guerra Mundial, embora não fosse membro do partido nazista, ele era um cidadão alemão patriótico e se tornou um líder do programa de fissão alemão, que falhou em seu esforço de construir uma bomba atômica. As ações e motivações de Heisenberg têm sido objeto de controvérsia desde então. Ele morreu em 1976.