Descoberta incerteza negligenciada nos experimentos do mundo real

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/01/2024

As pinças ópticas, mostradas aqui prendendo uma micropartícula, estão entre os sistemas impactados por um tipo de incerteza à qual os físicos nunca deram atenção.
[Imagem: Steven Hoekstra/Wikipedia]

Incertezas da ciência

A incerteza é uma companheira constante no reino da mecânica quântica, onde é impossível conhecer simultaneamente a posição e o momento de uma partícula, por exemplo - este conceito é conhecido como princípio da incerteza de Heisenberg.

Mas parece que há também componentes de incerteza no mundo clássico - especificamente no campo da termodinâmica - que os físicos e engenheiros não têm levado em conta.

As equações que descrevem sistemas físicos no nosso mundo cotidiano - que aqui chamamos "clássico", em contraposição ao mundo "quântico" - tipicamente assumem que características mensuráveis do sistema - temperatura ou potencial químico, por exemplo - podem ser conhecidas com exatidão.

Mas o mundo real é mais confuso do que isso e a incerteza é inevitável: As temperaturas flutuam, os instrumentos funcionam mal, o ambiente interfere e os sistemas evoluem com o tempo.

As regras da física estatística já lidam com a incerteza sobre o estado de um sistema, incerteza essa que surge quando esse sistema interage com o seu ambiente. Mas os professores David Wolpert e Jan Korbel, do Instituto Santa Fé, nos EUA, argumentam que existe uma incerteza adicional nos próprios parâmetros termodinâmicos, incorporados nas equações que governam o comportamento energético do sistema, e que também podem influenciar o resultado de um experimento.

"Atualmente, quase nada se sabe sobre as consequências termodinâmicas deste tipo de incerteza, apesar da sua inevitabilidade," disse Wolpert. Por causa disso, ele e Korbel estão estudando maneiras de modificar as equações da termodinâmica estocástica para acomodar essa incerteza adicional.

É curioso que a incerteza seja reconhecida tanto na Mecânica Quântica quanto na Termodinâmica, duas teorias altamente bem-sucedidas.
[Imagem: Florian Sterl/Sterltech Optics]

Incerteza clássica

As equações que descrevem sistemas termodinâmicos geralmente incluem termos definidos com precisão para coisas como temperatura e potenciais químicos. "Mas, como experimentador ou observador, você não conhece necessariamente esses valores com uma precisão muito grande," argumenta Korbel.

Ainda mais vexatório, os dois pesquisadores perceberam que é impossível medir parâmetros como temperatura, pressão ou volume com precisão, tanto por causa das limitações da medição quanto pelo fato de que essas quantidades mudam rapidamente. Um exemplo bem conhecido e incômodo é o do cilindro padrão que definia o peso de um quilograma - seu peso variava de uma medição para outra.

Assim, a incerteza sobre esses parâmetros não influencia apenas as informações sobre o estado original do sistema, mas também como ele evolui, ou seja, sua dinâmica. É quase paradoxal. "Na termodinâmica, você está assumindo a incerteza sobre o seu estado, então você o descreve de uma forma probabilística. E se você tem a termodinâmica quântica, você faz isso com a incerteza quântica. Mas, por outro lado, você está assumindo que todos os parâmetros são conhecido com precisão exata," detalha Korbel.

Há quem defenda que o caos é o elo perdido entre a física quântica e a termodinâmica.
[Imagem: TU Wien]

Incerteza explica variações nos resultados

O reconhecimento dessa incerteza tem implicações para uma série de sistemas naturais e de engenharia. Se uma célula precisar sentir a temperatura para realizar alguma reação química, por exemplo, sua precisão será limitada. A incerteza na medição da temperatura pode significar que a célula realiza mais trabalho - e utiliza mais energia. "A célula tem que pagar esse custo extra por não conhecer o sistema," disse Korbel.

As pinças ópticas oferecem outro exemplo. São feixes de laser de alta energia configurados para criar uma espécie de armadilha para capturar partículas. Os físicos usam o termo "rigidez" para descrever a tendência da partícula de resistir ao movimento da armadilha. Para determinar a configuração ideal dos lasers, eles medem a rigidez com a maior precisão possível. Eles normalmente fazem isso realizando medições repetidas, assumindo que a incerteza surge da própria medição.

Mas Korbel e Wolpert oferecem outra possibilidade: A de que a incerteza surge do fato de a própria rigidez poder mudar à medida que o sistema evolui. Se for esse o caso, medições idênticas repetidas não irão capturá-la, e encontrar a configuração ideal permanecerá difícil. "Se você continuar fazendo o mesmo protocolo, então a partícula não termina no mesmo ponto, você pode ter que dar um pequeno empurrão", o que significa trabalho extra que não é descrito pelas equações convencionais.

E essa incerteza pode ocorrer em todas as escalas: O que muitas vezes é interpretado como incerteza na medição pode ser uma incerteza disfarçada nos parâmetros. Talvez uma experiência tenha sido feita perto de uma janela onde o Sol brilhava e depois repetida quando estava nublado. Ou talvez o ar condicionado tenha ligado entre várias tentativas. Nestas e em muitas situações, é realmente relevante prestar atenção nesse outro tipo de incerteza, negligenciado pela física e pela engenharia até agora.

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