O Prêmio Nobel de Física de 2022 reconheceu três cientistas que fizeram contribuições inovadoras na compreensão de um dos mais misteriosos de todos os fenômenos naturais:o emaranhamento quântico.

Em termos mais simples, o emaranhamento quântico significa que os aspectos de uma partícula de um par emaranhado dependem dos aspectos da outra partícula, não importa quão distantes estejam ou o que existe entre eles. Essas partículas poderiam ser, por exemplo, elétrons ou fótons, e um aspecto poderia ser o estado em que se encontram, como se estão “girando” em uma direção ou outra.



A parte estranha do emaranhamento quântico é que quando você mede algo sobre uma partícula em um par emaranhado, você imediatamente sabe algo sobre a outra partícula, mesmo que elas estejam separadas por milhões de anos-luz. Esta estranha ligação entre as duas partículas é instantânea, aparentemente quebrando uma lei fundamental do universo. Albert Einstein chamou o fenômeno de "ação assustadora à distância".

Depois de passar a maior parte de duas décadas conduzindo experimentos enraizados na mecânica quântica, passei a aceitar sua estranheza. Graças a instrumentos cada vez mais precisos e fiáveis ​​e ao trabalho dos vencedores do Nobel deste ano, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, os físicos integram agora os fenómenos quânticos no seu conhecimento do mundo com um grau de certeza excepcional.

No entanto, mesmo até a década de 1970, os pesquisadores ainda estavam divididos sobre se o emaranhamento quântico era um fenômeno real. E por boas razões – quem ousaria contradizer o grande Einstein, que duvidava disso? Foi necessário o desenvolvimento de novas tecnologias experimentais e pesquisadores ousados ​​para finalmente resolver esse mistério.


Conteúdo

1. Partículas existem em vários estados ao mesmo tempo
2. A realidade da superposição quântica
3. A teoria quântica precisou ser modificada?

As partículas existem em vários estados ao mesmo tempo

Para compreender verdadeiramente o aspecto assustador do emaranhamento quântico, é importante primeiro compreender a superposição quântica. A superposição quântica é a ideia de que as partículas existem em vários estados ao mesmo tempo. Quando uma medição é realizada, é como se a partícula selecionasse um dos estados da superposição.

Por exemplo, muitas partículas têm um atributo chamado spin que é medido como “para cima” ou “para baixo” para uma determinada orientação do analisador. Mas até que você meça o spin de uma partícula, ela existirá simultaneamente em uma superposição de spin para cima e spin para baixo.



Existe uma probabilidade associada a cada estado e é possível prever o resultado médio a partir de muitas medições. A probabilidade de uma única medição aumentar ou diminuir depende dessas probabilidades, mas é em si imprevisível.

Embora muito estranha, a matemática e um vasto número de experiências mostraram que a mecânica quântica descreve corretamente a realidade física.

A realidade da superposição quântica

O aspecto assustador do emaranhamento quântico emerge da realidade da superposição quântica e ficou claro para os fundadores da mecânica quântica que desenvolveram a teoria nas décadas de 1920 e 1930.

Para criar partículas emaranhadas você essencialmente divide um sistema em dois, onde a soma das partes é conhecida. Por exemplo, você pode dividir uma partícula com spin zero em duas partículas que necessariamente terão spins opostos para que sua soma seja zero.

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Em 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen publicaram um artigo que descreve um experimento mental projetado para ilustrar um aparente absurdo do emaranhamento quântico que desafiava uma lei fundamental do universo.

Uma versão simplificada deste experimento mental, atribuída a David Bohm, considera o decaimento de uma partícula chamada méson pi. Quando essa partícula decai, ela produz um elétron e um pósitron que têm spin oposto e se afastam um do outro. Portanto, se o spin do elétron for medido para cima, então o spin medido do pósitron só poderá ser para baixo e vice-versa. Isto é verdade mesmo que as partículas estejam separadas por bilhões de quilômetros.

Isso seria bom se a medição do spin do elétron estivesse sempre para cima e o spin medido do pósitron estivesse sempre para baixo. Mas, por causa da mecânica quântica, o spin de cada partícula é parte para cima e parte para baixo até ser medido. Somente quando a medição ocorre é que o estado quântico do spin “colapsa” para cima ou para baixo – colapsando instantaneamente a outra partícula no spin oposto. Isto parece sugerir que as partículas comunicam entre si através de algum meio que se move mais rápido que a velocidade da luz. Mas de acordo com as leis da física, nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Certamente o estado medido de uma partícula não pode determinar instantaneamente o estado de outra partícula no extremo do universo?

Os físicos, incluindo Einstein, propuseram uma série de interpretações alternativas do emaranhamento quântico na década de 1930. Eles teorizaram que havia alguma propriedade desconhecida – apelidada de variáveis ​​ocultas – que determinava o estado de uma partícula antes da medição. Mas na altura, os físicos não tinham a tecnologia nem a definição de uma medição clara que pudesse testar se a teoria quântica precisava de ser modificada para incluir variáveis ​​ocultas.

A teoria quântica precisou ser modificada?

Demorou até a década de 1960 para que houvesse alguma pista para uma resposta. John Bell, um brilhante físico irlandês que não viveu para receber o Prémio Nobel, concebeu um esquema para testar se a noção de variáveis ​​ocultas fazia sentido.

Bell produziu uma equação agora conhecida como desigualdade de Bell que é sempre correta – e apenas correta – para teorias de variáveis ​​ocultas, e nem sempre para a mecânica quântica. Assim, se a equação de Bell não for satisfeita em um experimento do mundo real, as teorias de variáveis ​​ocultas locais podem ser descartadas como uma explicação para o emaranhamento quântico.



As experiências dos laureados com o Nobel de 2022, especialmente as de Alain Aspect, foram os primeiros testes da desigualdade de Bell. Os experimentos usaram fótons emaranhados, em vez de pares de elétron e pósitron, como em muitos experimentos mentais. Os resultados descartaram conclusivamente a existência de variáveis ​​ocultas, um atributo misterioso que predeterminaria os estados das partículas emaranhadas. Coletivamente, esses e muitos experimentos subsequentes justificaram a mecânica quântica. Os objetos podem ser correlacionados em grandes distâncias de maneiras que a física antes da mecânica quântica não consegue explicar.

É importante ressaltar que também não há conflito com a relatividade especial, que proíbe a comunicação mais rápida que a luz. O fato de as medições em grandes distâncias estarem correlacionadas não implica que a informação seja transmitida entre as partículas. Duas partes distantes que realizam medições em partículas emaranhadas não podem usar o fenômeno para transmitir informações mais rapidamente do que a velocidade da luz.

Hoje, os físicos continuam a pesquisar o emaranhamento quântico e a investigar potenciais aplicações práticas. Embora a mecânica quântica possa prever a probabilidade de uma medição com incrível precisão, muitos pesquisadores permanecem céticos quanto ao fato de ela fornecer uma descrição completa da realidade. Uma coisa é certa, no entanto. Ainda há muito a ser dito sobre o misterioso mundo da mecânica quântica.

Andreas Müller é professor associado de física na Universidade do Sul da Flórida. Ele recebe financiamento da National Science Foundation.

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