Bizarro fenômeno da física indica que o mesmo objeto pode ter duas temperaturas ao mesmo tempo

Por , em 2.11.2018

O famoso experimento teórico conhecido como “gato de Schrödinger” implica que um gato em uma caixa pode estar morto e vivo ao mesmo tempo – um fenômeno bizarro chamado de superposição, consequência da mecânica quântica (entenda melhor aqui).

Agora, físicos da Universidade de Exeter (Inglaterra) descobriram que um estado ambíguo similar pode existir para a temperatura: o mesmo objeto pode ter duas temperaturas ao mesmo tempo no nível quântico.

Esse estranho paradoxo é a primeira nova relação de incerteza quântica a ser formulada em décadas.

Princípio de incerteza

Em 1927, o físico alemão Werner Heisenberg postulou que quanto mais precisamente você mede a posição de uma partícula quântica, menos precisamente você pode medir seu momentum, e vice-versa.

Essa regra se tornou o famoso “princípio de incerteza de Heisenberg”.

A nova incerteza quântica afirma que quanto mais precisamente você conhece a temperatura de um objeto, menos pode dizer sobre sua energia e vice-versa.

Tal postulação tem grandes implicações para a nanociência, que estuda objetos menores que um nanômetro. Este princípio vai mudar a maneira como os cientistas medem a temperatura de coisas extremamente pequenas, como pontos quânticos, pequenos semicondutores ou células isoladas.

Temperatura x energia em objetos não quânticos

Essa não é a primeira incerteza do tipo. Já na década de 1930, Heisenberg e o físico dinamarquês Niels Bohr estabeleceram uma relação de incerteza entre energia e temperatura na escala não quântica.

A ideia era que, se você quisesse saber a temperatura exata de um objeto, a melhor e mais precisa maneira científica de fazer isso seria mergulhá-lo em um “reservatório” – digamos, uma banheira de água ou uma geladeira – com uma temperatura conhecida, e permitir que o objeto lentamente adquirisse essa temperatura. Isso é chamado de equilíbrio térmico.

No entanto, esse equilíbrio térmico é mantido pelo objeto e o reservatório constantemente trocando energia. A energia do próprio objeto, portanto, oscila em quantidades infinitesimais, o que impossibilita uma definição precisa.

O inverso também é verdadeiro: se você quisesse saber a energia precisa de um objeto, teria que isolá-lo para que não pudesse entrar em contato e trocar energia com nada. Mas daí não seria capaz de medir com precisão a sua temperatura usando um reservatório.

As coisas ficam mais estranhas ainda na escala quântica

Se um termômetro típico tiver uma energia que oscila ligeiramente, essa energia ainda pode ser conhecida dentro de uma faixa pequena. Isso não é verdade em todos os níveis quânticos, conforme mostrou a nova pesquisa.

Os pesquisadores usaram matemática para prever exatamente como o fenômeno da superposição afeta a medição da temperatura em objetos quânticos.

“Um termômetro quântico estará em uma superposição de estados de energia simultaneamente. O que descobrimos é que, como o termômetro não tem mais uma energia bem definida e está na verdade em uma combinação de diferentes estados de uma vez, isso realmente contribui para a incerteza na medição”, disse Harry Miller, um dos físicos da Universidade de Exeter, ao portal Live Science.

Por exemplo, um termômetro desses que você tem em casa pode lhe dizer que sua temperatura está entre 36 e 37 graus Celsius. No mundo quântico, um termômetro pode nos dizer que um objeto está com ambas as temperaturas ao mesmo tempo.

Aplicações

Interações entre objetos na escala quântica podem criar superposições e também energia. A antiga relação de incerteza ignorou esses efeitos, porque eles não importam para objetos não quânticos.

Contudo, eles afetam bastante a medição da temperatura de um ponto quântico, por exemplo. Assim, a nova relação de incerteza compõe uma estrutura teórica diferente que leva essas interações em consideração.

Isso pode ajudar qualquer cientista que esteja projetando um experimento para medir mudanças de temperatura em objetos abaixo da escala nanométrica. “Nosso resultado vai dizer a ele exatamente como projetar precisamente suas sondas e como explicar a incerteza quântica adicional que obtiver”, explica Miller.

O estudo foi publicado na revista científica Nature Communications. [LiveScience]

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