Nas escalas atômica e subatômica, os objetos se comportam de maneiras que desafiam a visão de mundo clássica baseada nas interações do dia-a-dia com a realidade macroscópica. Um exemplo familiar é a descoberta de que os elétrons podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas, dependendo do contexto experimental em que são observados. Para explicar esse e outros fenômenos, que parecem contrários às leis da física herdadas de séculos anteriores, modelos autoconsistentes, mas com interpretações contraditórias, foram propostos por cientistas como Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885 -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) e David Bohm (1917-1992), entre outros.
No entanto, os grandes debates que acompanharam a formulação da teoria quântica, envolvendo especialmente Einstein e Bohr, não levaram a resultados conclusivos. A maioria da próxima geração de físicos optou por equações derivadas de estruturas teóricas conflitantes sem se preocupar muito com os conceitos filosóficos subjacentes. As equações "funcionaram" e isso aparentemente foi suficiente. Vários artefatos tecnológicos que agora são triviais foram baseados em aplicações práticas da teoria quântica.

É da natureza humana questionar tudo, e uma questão-chave que surgiu mais tarde foi por que o comportamento estranho, até mesmo contra-intuitivo, observado em experimentos quânticos não se manifestou no mundo macroscópico. Para responder a essa pergunta, ou contorná-la, o físico polonês Wojciech Zurek desenvolveu o conceito de "darwinismo quântico".

Simplificando, a hipótese é que a interação entre um sistema físico e seu ambiente seleciona certos tipos de comportamento e exclui outros, e que os tipos de comportamento conservados por essa "seleção natural" são precisamente aqueles que correspondem à descrição clássica.

Assim, por exemplo, quando alguém lê este texto, seus olhos recebem fótons que interagem com a tela de seu computador ou smartphone. Outra pessoa, de um ponto de vista diferente, receberá fótons diferentes, mas embora as partículas na tela se comportem de maneira estranha, potencialmente produzindo imagens completamente diferentes umas das outras, a interação com o ambiente seleciona apenas um tipo de comportamento e exclui o descanso, para que as duas leituras acabem acessando o mesmo texto.

Essa linha de investigação teórica foi levada adiante, com um grau ainda maior de abstração e generalização, em artigo do físico brasileiro Roberto Baldijão publicado em Quantum , uma revista revisada por pares de acesso aberto para ciência quântica e campos relacionados.

O artigo relata achados que fazem parte do doutorado de Baldijão. pesquisa, orientada por Marcelo Terra Cunha, professor do Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica da Universidade de Campinas (IMECC-UUNICAMP) no Brasil.

Os coautores do artigo incluem Markus Müller, que supervisionou o estágio de pesquisa de Baldijão no Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências em Viena.

"O darwinismo quântico foi proposto como um mecanismo para obter a objetividade clássica a que estamos acostumados em sistemas inerentemente quânticos. Em nossa pesquisa, investigamos quais princípios físicos podem estar por trás da existência de tal mecanismo", disse Baldijão.

Ao conduzir sua investigação, ele adotou um formalismo conhecido como teorias probabilísticas generalizadas (GPTs). "Esse formalismo nos permite produzir descrições matemáticas de diferentes teorias físicas e, portanto, compará-las. Também nos permite entender quais teorias obedecem a certos princípios físicos. A teoria quântica e a teoria clássica são dois exemplos de GPTs, mas muitos outros também podem ser descrito", disse.

Segundo Baldijão, trabalhar com GPTs é conveniente porque permite obter resultados válidos mesmo que a teoria quântica tenha que ser abandonada em algum momento. Além disso, a estrutura fornece uma melhor apreensão do formalismo quântico, comparando-o com o que não é. Por exemplo, pode ser usado para derivar a teoria quântica de princípios físicos mais simples sem assumir a teoria do zero. "Com base no formalismo das GPTs, podemos descobrir quais princípios permitem a existência do 'darwinismo' sem precisar recorrer à teoria quântica", disse ele.

O resultado paradoxal a que Baldijão chegou em sua investigação teórica foi que a teoria clássica só emerge por "seleção natural" de teorias com certas características não-clássicas se elas envolvem "emaranhamento".

“Surpreendentemente, a manifestação de comportamentos clássicos via darwinismo depende de uma propriedade notavelmente não clássica como o emaranhamento”, disse ele.

O emaranhamento, que é um conceito chave na teoria quântica, ocorre quando as partículas são criadas ou interagem de tal forma que o estado quântico de cada partícula não pode ser descrito independentemente das outras, mas depende de todo o conjunto.

O exemplo mais famoso de emaranhamento é o experimento mental conhecido como EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). São necessários vários parágrafos para explicá-lo. Em uma versão simplificada do experimento, Bohm imaginou uma situação em que dois elétrons interagem e são separados por uma distância arbitrariamente grande, como a distância entre a Terra e a Lua. Se o spin de um elétron for medido, ele pode ter spin para cima ou para baixo, com ambos tendo a mesma probabilidade. Os spins dos elétrons sempre acabam apontando para cima ou para baixo após uma medição - nunca em algum ângulo intermediário. No entanto, devido à maneira como eles interagem, os elétrons devem estar emparelhados, o que significa que eles giram e orbitam em direções opostas, qualquer que seja a direção de medição. Qual dos dois será girado para cima ou para baixo é desconhecido, mas os resultados serão sempre opostos devido ao seu emaranhamento.

O experimento deveria mostrar que o formalismo da teoria quântica era incompleto porque o emaranhamento pressupunha que a informação viajava entre as duas partículas em velocidade infinita, o que era impossível de acordo com a teoria da relatividade. Como as partículas distantes poderiam "saber" para que lado girar para produzir resultados opostos? A ideia era que variáveis ​​ocultas estavam agindo localmente por trás da cena quântica e que a visão de mundo clássica seria justificada se essas variáveis ​​fossem consideradas por uma teoria mais abrangente.

Albert Einstein morreu em 1955. Quase uma década depois, seu argumento foi mais ou menos refutado por John Bell (1928-1990), que construiu um teorema para mostrar que a hipótese de que uma partícula tem valores definitivos independentemente do processo de observação é incompatível com teoria quântica, assim como a impossibilidade de comunicação imediata à distância. Em outras palavras, a não localidade que caracteriza o emaranhamento não é um defeito, mas uma característica fundamental da teoria quântica.

Qualquer que seja sua interpretação teórica, a existência empírica do emaranhamento foi demonstrada em vários experimentos realizados desde então. Preservar o emaranhamento é agora o principal desafio no desenvolvimento da computação quântica, uma vez que os sistemas quânticos tendem a perder a coerência rapidamente se interagirem com o ambiente. Isso nos traz de volta ao darwinismo quântico.

"No nosso estudo, mostramos que se uma GPT apresenta decoerência é porque há uma transformação na teoria capaz de implementar o processo idealizado de darwinismo que consideramos", disse Baldijão. "Da mesma forma, se uma teoria tem estrutura suficiente para permitir computação reversível - computação que pode ser desfeita -, há também uma transformação capaz de implementar o darwinismo. Isso é muito interessante, considerando as aplicações computacionais das GPTs."

Como resultado complementar do estudo, os autores oferecem um exemplo de "darwinismo não quântico" na forma de extensões ao modelo de brinquedo de Spekkens, teoria proposta em 2004 pelo físico canadense Robert Spekkens, atualmente pesquisador sênior do Perimeter Institute para Física Teórica em Waterloo, Ontário. Este modelo é importante para a investigação aprofundada dos fundamentos da física quântica porque reproduz muitas formas de comportamento quântico com base em conceitos clássicos.

"O modelo não apresenta nenhum tipo de não-localidade e é incapaz de violar quaisquer desigualdades de Bell", disse Baldijão. "Demonstramos que pode exibir darwinismo, e este exemplo também mostra que as condições que encontramos para garantir a presença do darwinismo - decoerência ou computação reversível - são suficientes, mas não necessárias para que esse processo ocorra em GPTs."

Como pesquisador principal do projeto financiado pela FAPESP, Cunha disse:"A teoria quântica pode ser considerada uma generalização da teoria das probabilidades, mas está longe de ser a única possível. Os grandes desafios em nosso campo de pesquisa incluem compreender as propriedades que distinguir a teoria clássica da teoria quântica nesse oceano de teorias possíveis A tese de doutorado de Baldijão se propôs a explicar como o darwinismo quântico poderia eliminar uma das características mais claramente não clássicas da teoria quântica:a contextualidade, que engloba o conceito de emaranhamento.

"Durante seu estágio de pesquisa com o grupo de Markus Müller em Viena, Baldijão trabalhou em algo ainda mais geral:o processo do darwinismo nas teorias probabilísticas gerais. Suas descobertas nos ajudam a entender melhor a dinâmica de certos tipos de teoria, mostrando que porque o darwinismo preserva apenas a mais apto e, portanto, cria um mundo clássico, não é um processo exclusivamente quântico." + Explorar mais

O emaranhamento é uma característica inevitável da realidade