A mecânica quântica, a teoria que rege o micromundo dos átomos e das partículas, certamente tem o fator X. Ao contrário de muitas outras áreas da física, é bizarro e contra-intuitivo, o que o torna deslumbrante e intrigante. Quando o Prémio Nobel da Física de 2022 foi atribuído a Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger pela investigação que esclareceu a mecânica quântica, gerou entusiasmo e discussão.

Mas os debates sobre a mecânica quântica – sejam eles em fóruns de discussão, nos meios de comunicação social ou na ficção científica – podem muitas vezes ficar confusos graças a uma série de mitos e equívocos persistentes. Aqui estão quatro.


Conteúdo

1. Um gato pode estar vivo e morto
2. Analogias simples podem explicar o emaranhamento
3. A natureza é irreal e 'não local'
4. Ninguém entende a mecânica quânticaf

1. Um gato pode estar vivo e morto

Erwin Schrödinger provavelmente nunca poderia ter previsto que seu experimento mental, o gato de Schrödinger, alcançaria o status de meme da Internet no século XXI.

Isso sugere que um felino azarado preso em uma caixa com um interruptor de interrupção acionado por um evento quântico aleatório – decaimento radioativo, por exemplo – poderia estar vivo e morto ao mesmo tempo, desde que não abramos a caixa para verificar.



Há muito que sabemos que as partículas quânticas podem estar em dois estados – por exemplo, em dois locais – ao mesmo tempo. Chamamos isso de superposição.

Os cientistas conseguiram mostrar isto na famosa experiência da fenda dupla, onde uma única partícula quântica, como um fotão ou um electrão, pode passar simultaneamente por duas fendas diferentes numa parede. Como sabemos disso?

Na física quântica, o estado de cada partícula também é uma onda. Mas quando enviamos um fluxo de fótons — um por um — através das fendas, cria-se um padrão de duas ondas interferindo uma na outra em uma tela atrás da fenda. Como cada fóton não tinha nenhum outro fóton para interferir quando passou pelas fendas, isso significa que ele deve ter passado simultaneamente pelas duas fendas – interferindo consigo mesmo (imagem abaixo).

Para que isso funcione, entretanto, os estados (ondas) na superposição da partícula que passa por ambas as fendas precisam ser “coerentes” – tendo uma relação bem definida entre si.

Esses experimentos de superposição podem ser feitos com objetos de tamanho e complexidade cada vez maiores. Um experimento famoso de Anton Zeilinger em 1999 demonstrou a superposição quântica com grandes moléculas de Carbono-60 conhecidas como “fulerenos”.

Então, o que isso significa para o nosso pobre gato? Será que está realmente vivo e morto, desde que não abramos a caixa? Obviamente, um gato não se parece em nada com um fóton individual em um ambiente controlado de laboratório; é muito maior e mais complexo. Qualquer coerência que os trilhões e trilhões de átomos que compõem o gato possam ter entre si tem vida extremamente curta.

Isto não significa que a coerência quântica seja impossível em sistemas biológicos, apenas que geralmente não se aplica a grandes criaturas como gatos ou humanos.

2. Analogias simples podem explicar o emaranhamento

O emaranhamento é uma propriedade quântica que liga duas partículas diferentes de modo que, se você medir uma, saberá automática e instantaneamente o estado da outra – não importa a distância entre elas.

As explicações comuns para isso normalmente envolvem objetos cotidianos do nosso mundo macroscópico clássico, como dados, cartas ou até mesmo pares de meias de cores estranhas. Por exemplo, imagine que você diz ao seu amigo que colocou um cartão azul em um envelope e um cartão laranja em outro. Se o seu amigo tirar e abrir um dos envelopes e encontrar o cartão azul, ele saberá que você está com o cartão laranja.



Mas para entender a mecânica quântica, você tem que imaginar que as duas cartas dentro dos envelopes estão em uma superposição conjunta, o que significa que são laranja e azuis ao mesmo tempo (especificamente laranja/azul e azul/laranja). A abertura de um envelope revela uma cor determinada aleatoriamente. Mas abrir a segunda sempre revela a cor oposta porque está “assustadoramente” ligada à primeira carta.

Poderíamos forçar os cartões a aparecerem em um conjunto diferente de cores, semelhante a fazer outro tipo de medição. Poderíamos abrir um envelope perguntando:"Você é cartão verde ou vermelho?" A resposta seria novamente aleatória:verde ou vermelho. Mas, o que é crucial, se as cartas estivessem emaranhadas, a outra carta ainda produziria sempre o resultado oposto quando lhe fosse feita a mesma pergunta.

Albert Einstein tentou explicar isso com a intuição clássica, sugerindo que os cartões poderiam ter sido fornecidos com um conjunto de instruções internas ocultas que lhes dizia em que cor aparecer em determinada pergunta. Ele também rejeitou a aparente ação “assustadora” entre as cartas, que aparentemente permite que elas se influenciem instantaneamente, o que significaria uma comunicação mais rápida que a velocidade da luz, algo proibido pelas teorias de Einstein.

No entanto, a explicação de Einstein foi posteriormente descartada pelo teorema de Bell (um teste teórico criado pelo físico John Stewart Bell) e pelos experimentos dos ganhadores do Nobel de 2022. A ideia de que medir uma carta emaranhada altera o estado da outra não é verdadeira. As partículas quânticas estão misteriosamente correlacionadas de maneiras que não podemos descrever com a lógica ou linguagem cotidiana – elas não se comunicam enquanto contêm um código oculto, como Einstein pensava. Portanto, esqueça os objetos do cotidiano quando pensar em emaranhamento.

3. A natureza é irreal e ‘não local’

Costuma-se dizer que o teorema de Bell prova que a natureza não é “local”, que um objeto não é apenas influenciado diretamente por seu entorno imediato. Outra interpretação comum é que isso implica que as propriedades dos objetos quânticos não são “reais”, que não existem antes da medição.

Mas o teorema de Bell apenas nos permite dizer que a física quântica significa que a natureza não é ao mesmo tempo real e local se assumirmos algumas outras coisas ao mesmo tempo. Essas suposições incluem a ideia de que as medições têm apenas um único resultado (e não múltiplos, talvez em mundos paralelos), que a causa e o efeito fluem adiante no tempo e que não vivemos em um “universo mecânico” no qual tudo foi predeterminado. desde o início dos tempos.



Apesar do teorema de Bell, a natureza pode muito bem ser real e local, se permitirmos quebrar algumas outras coisas que consideramos senso comum, como o avanço do tempo. E esperamos que mais pesquisas reduzam o grande número de interpretações potenciais da mecânica quântica. No entanto, a maioria das opções que estão em cima da mesa — por exemplo, o tempo a retroceder ou a ausência de livre arbítrio — são pelo menos tão absurdas como desistir do conceito de realidade local.

4. Ninguém entende a mecânica quânticaf

Uma citação clássica (atribuída ao físico Richard Feynman, mas nesta forma também parafraseando Niels Bohr) supõe:"Se você pensa que entende a mecânica quântica, você não a entende."

Esta visão é amplamente defendida em público. A física quântica é supostamente impossível de ser compreendida, inclusive pelos físicos. Mas, da perspectiva do século XXI, a física quântica não é nem matemática nem conceitualmente particularmente difícil para os cientistas. Compreendemos isso extremamente bem, a ponto de podermos prever fenômenos quânticos com alta precisão, simular sistemas quânticos altamente complexos e até começar a construir computadores quânticos.



A superposição e o emaranhamento, quando explicados na linguagem da informação quântica, não exigem mais do que a matemática do ensino médio. O teorema de Bell não requer nenhuma física quântica. Pode ser derivado em poucas linhas usando a teoria das probabilidades e a álgebra linear.

Talvez a verdadeira dificuldade resida em como conciliar a física quântica com a nossa realidade intuitiva. Não ter todas as respostas não nos impedirá de progredir ainda mais com a tecnologia quântica. Podemos simplesmente calar a boca e calcular.

Felizmente para a humanidade, os vencedores do Nobel Aspect, Clauser e Zeilinger recusaram-se a calar a boca e continuaram a perguntar porquê. Outros como eles poderão um dia ajudar a reconciliar a estranheza quântica com a nossa experiência da realidade.

Alessandro Fedrizzi é professor de física na Universidade Heriot-Watt. Ele recebe financiamento do Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido (EPSRC).

Mehul Malik é professor de física na Universidade Heriot-Watt. Ele recebe financiamento do Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido (EPSRC) e do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) Starting Grant PIQUaNT.

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Você pode encontrar o artigo original aqui.