Temos liberdade de escolha ou nossas decisões são predeterminadas? A realidade física é local, ou o que fazemos aqui e agora tem uma influência imediata sobre os eventos em outros lugares? As respostas a essas perguntas são buscadas pelos físicos nas desigualdades de Bell. Acontece que a livre escolha e o realismo local podem ser habilmente medidos e comparados. Os resultados obtidos revelam relações surpreendentes de carácter fundamental e universal, indo muito além da própria mecânica quântica.

Causalidade, localidade, e o livre arbítrio são relacionados por algumas fórmulas simples conhecidas como desigualdades de Bell. Experimentos sofisticados em óptica quântica nas últimas décadas provaram inquestionavelmente que essas desigualdades são quebradas. Hoje, os físicos enfrentam um dilema:devemos aceitar uma visão do mundo real em que questionamos a suposição sobre a livre escolha do experimentador, ou rejeita a suposição de localidade dos experimentos? Cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências de Cracóvia (IFJ PAN), a British City University of London (CUL) e a German Technische Hochschule Mittelhessen em Giessen (THM) enfrentaram esse problema. Os resultados de suas pesquisas, que vão muito além da física sozinha, são discutidos em um artigo recém-publicado na prestigiosa Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )

"O realismo é um conceito físico no qual descrevemos o mundo em termos de relações de causa e efeito. Localidade significa que as ações não podem se disseminar instantaneamente. Portanto, se a realidade física deve atender aos requisitos do realismo local, o resultado do experimento será influenciado apenas pelo que está em sua vizinhança imediata, e não pelo que está acontecendo agora em uma galáxia distante, "explica o Dr. Pawel Blasiak, o primeiro autor do artigo.

Livre escolha, um conceito aparentemente tipicamente filosófico, também pode ser tratado como um problema físico ou mesmo matemático. Nesta abordagem, a livre escolha se refere às variáveis ​​que descrevem os parâmetros de um experimento, ou seja, o que medimos no laboratório. Presumimos que podemos escolher essas variáveis ​​livremente, independentemente do que aconteceu no passado.

Como parte de uma visão de mundo em que o realismo local e a livre escolha se aplicam, pode-se derivar as desigualdades de Bell e então conduzir um experimento para verificá-las. As ideias principais podem ser ilustradas da seguinte forma. Alice e Bob trabalham em laboratórios em extremos opostos da galáxia. Um dia cada um deles recebe uma caixa. Eles colocam as caixas em suas mesas e em um determinado ponto, abra-os com cuidado. Uma moeda girando sai da caixa, que cada um dos experimentadores pressiona sobre a mesa com as palmas das mãos. Alice e Bob agora observam se a moeda caiu cara ou coroa. Breve, mais remessas semelhantes chegam. Depois de um tempo, Alice e Bob têm uma longa lista de observações nas quais pressionam as moedas de várias maneiras. Nenhum deles vê nada de incomum em seus dados:cara e coroa aparecem em suas listas de maneira puramente aleatória.

A situação muda drasticamente quando Alice e Bob se encontram no Congresso Intergaláctico de Ciências. Eles comparam seus dados e, de repente, descobrem que, nas mesmas observações, quando a moeda de Alice caiu, A moeda de Bob sempre caía cara - e vice-versa. Então, ambos assumem que não é uma coincidência e que as correlações que observam devem ser atribuídas a alguma causa comum oculta no passado de ambos os objetos enviados da mesma fonte. O misterioso remetente das caixas poderia simplesmente ter instruído cada moeda como pousar quando pressionada contra a mesa de uma determinada maneira. Se fosse realmente assim, Alice e Bob poderiam adivinhar esta instrução e anunciar uma descoberta espetacular. Infelizmente, seus esforços deram em nada!

Desesperado, Alice e Bob pedem ajuda ao gênio teórico John. Ele primeiro pergunta quais premissas os dois cientistas adotaram em seu trabalho como verdadeiras e certas. “Acreditamos que as correlações que observamos devem ser explicadas por uma série de causas e efeitos que se propagam ao longo do tempo, "diz Alice. Bob esclarece, "Também achamos que nenhuma causa afeta imediatamente o experimento se estiver longe o suficiente do laboratório." Ambos acreditam firmemente que a maneira como abrem as caixas não lhes é imposta de forma alguma e estão absolutamente convencidos de que são eles que decidem sobre como pressionar a moeda. Para sua grande surpresa, John explica calmamente que todas essas suposições não podem ser reconciliadas com as correlações que observam.

Na verdade, As desigualdades de Bell foram descobertas pelo físico da Irlanda do Norte John Stewart Bell em 1964. Ele foi inspirado pelo famoso problema da "ação fantasmagórica à distância", colocado por Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen em 1935. Em experimentos físicos, onde o papel das moedas é desempenhado por fótons e cara e coroa são suas polarizações observadas em várias direções, essas desigualdades estão realmente quebradas. Física contemporânea, Portanto, tem um dilema fundamental:é melhor abandonar a ideia de realismo local, ou talvez questione a livre escolha dos cientistas? Poucos físicos estão dispostos a questionar o realismo que pressupõe causalidade alinhada com a flecha do tempo. Portanto, ou algo "não está totalmente certo" com a suposição do realismo local ou com a livre escolha dos experimentadores.

"O fato de a realidade estar quebrando a desigualdade de Bell nos leva a fazer perguntas intrigantes. Por exemplo:com que frequência, enquanto mantém a localidade completa, teríamos que quebrar o livre arbítrio para recriar as correlações observadas nos experimentos? Com cada medição, a maior parte do tempo, ou talvez apenas às vezes? De forma similar, se mantivermos o livre arbítrio, quantas vezes teríamos que quebrar a localidade? "pergunta o Dr. Blasiak.

Os resultados da pesquisa do grupo polonês-britânico-alemão trazem uma resposta surpreendente. Acontece que, a fim de recriar as correlações registradas, ao mesmo tempo que se mantém a livre escolha, a localidade deve ser interrompida com a mesma frequência que a livre escolha enquanto se mantém a localidade. Por algum motivo (desconhecido), a natureza não favorece nem a localidade nem a livre escolha nem um pouco.

Os cientistas conseguiram derivar fórmulas para calcular a frequência com que Alice e Bob teriam que quebrar a localidade ou a livre escolha para recriar as correlações observadas (na mecânica quântica e não apenas). Em particular, Acontece que o formalismo da mecânica quântica impõe que, com o emaranhamento máximo entre os fótons, a quebra de localidade ou livre escolha ocorre a cada medição (o que generaliza os resultados anteriores sobre a própria localidade).

"O mais interessante é que o teorema de Bell não é uma afirmação da mecânica quântica, mas da teoria da probabilidade, por isso tem um caráter universal. Os teoremas por nós provados também não se limitam à própria física quântica, mas se aplicam a todas as situações que lidam com correlações relativas a sistemas separáveis, "enfatiza o Dr. Blasiak.

"Além da física em sentido estrito, a quebra da localidade ou da livre escolha não precisa ser dramática. Em pesquisas sobre comportamento humano, seria o suficiente para Alice sussurrar algo para Bob violar a localidade, "observa o Prof. Emmanuel Pothos, psicóloga do CUL. Outro exemplo é dado pelo Prof. Christoph Gallus, economista da THM:"Se Alice e Bob são jogadores no mercado de ações, suas escolhas podem ser correlacionadas simplesmente pelo uso de certas informações públicas. "

A universalidade das dependências encontradas abre a porta para aplicações muito práticas, como o estudo dos mecanismos de fluxo de informação em sistemas complexos. É importante enfatizar que a natureza geral desses tipos de considerações vem da própria natureza da questão sobre as causas das correlações observadas, que é fundamental e comum a toda a ciência.