10 mitos quânticos que precisam ser quebrados
A própria palavra 'quântica' faz a imaginação das pessoas correr solta. Mas é provável que você tenha caído em pelo menos um desses mitos.- A palavra quântica faz as pessoas pensarem na natureza fundamental e dual de partículas e ondas do nosso Universo nas menores escalas de todas.
- Mas essa impressão deu às pessoas a ideia errada: que as coisas quânticas são pequenas, que se comportam de uma maneira ou de outra e que o emaranhamento acontece mais rápido que a luz.
- Os fatos verdadeiros sobre nossa realidade quântica são muito mais interessantes e abriram caminho para uma ampla variedade de experimentos reveladores da realidade.
Durante séculos, as leis da física pareciam completamente deterministas. Se você soubesse onde cada partícula está, com que velocidade ela se move e quais são as forças entre elas em qualquer instante, você poderia saber exatamente onde elas estariam e o que estariam fazendo em qualquer ponto no futuro. De Newton a Maxwell, as regras que governavam o Universo não continham nenhuma incerteza intrínseca e inerente a elas de nenhuma forma. Seus únicos limites surgiram de seu conhecimento, medições e poder de cálculo limitados.
Tudo isso mudou há pouco mais de 100 anos. Da radioatividade ao efeito fotoelétrico ao comportamento da luz quando você a passa por uma fenda dupla, começamos a perceber que, em muitas circunstâncias, só poderíamos prever a probabilidade de que vários resultados surgiriam como consequência da natureza quântica do nosso Universo. Mas junto com essa nova imagem contraintuitiva da realidade, muitos mitos e equívocos surgiram. Aqui está a verdadeira ciência por trás de 10 deles.
Ao criar um trilho onde os trilhos magnéticos externos apontam para uma direção e os trilhos magnéticos internos apontam para outra, um objeto supercondutor Tipo II irá levitar, permanecer preso acima ou abaixo do trilho e se mover ao longo dele. Isso poderia, em princípio, ser ampliado para permitir movimento livre de resistência em grandes escalas se supercondutores à temperatura ambiente fossem alcançados.1.) Os efeitos quânticos só acontecem em pequenas escalas . Quando pensamos em efeitos quânticos, normalmente pensamos em partículas individuais (ou ondas) e nas propriedades bizarras que elas exibem. Mas ocorrem efeitos macroscópicos de grande escala que são inerentemente quânticos por natureza.
Os metais condutores resfriados abaixo de uma certa temperatura tornam-se supercondutores: onde sua resistência cai para zero. Construir pistas supercondutoras onde ímãs levitam acima delas e viajam ao redor delas sem nunca desacelerar nos dias de hoje, construídas com base em um efeito quântico inerente.
Os superfluidos podem ser criados em grandes escalas macroscópicas, assim como tambores quânticos que simultaneamente vibram e não vibram . Nos últimos 25 anos, 6 Prêmios Nobel foram concedidos para vários fenômenos quânticos macroscópicos.
As diferenças de nível de energia em um átomo de Lutécio-177. Observe como existem apenas níveis de energia específicos e discretos que são aceitáveis. Enquanto os níveis de energia são discretos, as posições dos elétrons não são.2.) Quantum sempre significa “discreto”. A ideia de que você pode cortar matéria (ou energia) em pedaços individuais — ou quanta — é um conceito importante na física, mas não abrange totalmente o que significa algo ser “quântico” na natureza. Por exemplo: considere um átomo. Os átomos são feitos de núcleos atômicos com elétrons ligados a eles.
Agora, pense sobre esta questão: onde está o elétron em qualquer momento no tempo?
Embora o elétron seja uma entidade quântica, sua posição é incerta até que você a meça. Pegue muitos átomos e ligue-os (como em um condutor), e você frequentemente descobrirá que, embora existam níveis discretos de energia que os elétrons ocupam, suas posições podem estar literalmente em qualquer lugar dentro do condutor. Muitos efeitos quânticos são contínuos por natureza, e é eminentemente possível que espaço e tempo, em um nível quântico fundamental, são contínuos , também.
Ao criar dois fótons emaranhados de um sistema pré-existente e separá-los por grandes distâncias, podemos “teletransportar” informações sobre o estado de um medindo o estado do outro, mesmo de locais extraordinariamente diferentes. As interpretações da física quântica que exigem localidade e realismo não podem dar conta de uma miríade de observações, mas interpretações múltiplas parecem ser igualmente boas.3.) O emaranhamento quântico permite que a informação viaje mais rápido que a luz . Aqui está um experimento que podemos realizar:
- criar duas partículas emaranhadas,
- separá-los por uma grande distância,
- medir certas propriedades quânticas (como o spin) de uma partícula do seu lado,
- e você pode saber algumas informações sobre o estado quântico de outra partícula instantaneamente: mais rápido que a velocidade da luz.
Mas aqui está o problema desse experimento: nenhuma informação está sendo transmitida mais rápido que a velocidade da luz. Tudo o que está acontecendo é que, ao medir o estado de uma partícula, você está restringindo os prováveis resultados da outra partícula. Se alguém for medir a outra partícula, não terá como saber que a primeira partícula foi medida e o emaranhamento foi quebrado. A única maneira de determinar se o emaranhamento foi quebrado ou não é reunir novamente os resultados de ambas as medições: um processo que só pode ocorrer na velocidade da luz ou mais devagar. Nenhuma informação pode ser passada mais rápido que a luz ; isto foi provado em um teorema de 1993 .
Em um experimento tradicional do gato de Schrodinger, você não sabe se o resultado de um decaimento quântico ocorreu, levando à morte do gato ou não. Dentro da caixa, o gato estará vivo ou morto, dependendo se uma partícula radioativa decaiu ou não. Se fosse um verdadeiro sistema quântico, o gato não estaria nem vivo nem morto, mas em uma superposição de ambos os estados até ser observado. No entanto, você nunca pode observar o gato estar simultaneamente morto e vivo.4.) A superposição é fundamental para a física quântica . Imagine que você tenha vários estados quânticos possíveis em que um sistema pode estar. Talvez ele possa estar no estado “A” com 55% de probabilidade, no estado “B” com 30% de probabilidade e no estado “C” com 15% de probabilidade. Sempre que você fizer uma medição, no entanto, nunca verá uma mistura desses estados possíveis; você obterá apenas um resultado de estado único: é 'A', 'B' ou 'C'.
As superposições são incrivelmente úteis como etapas intermediárias de cálculo para determinar quais serão seus possíveis resultados (e suas probabilidades), mas nunca podemos medi-los diretamente. Além disso, as superposições não se aplicam igualmente a todos os mensuráveis, pois você pode ter uma superposição de momentos, mas não de posições ou vice-versa. Ao contrário do emaranhamento, que é um fenômeno quântico fundamental , a superposição não é quantificável ou universalmente mensurável.
Uma variedade de interpretações quânticas e suas diferentes atribuições de uma variedade de propriedades. Apesar de suas diferenças, não há experimentos conhecidos que possam distinguir essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas.5.) Não há nada de errado em todos nós escolhermos nossa interpretação quântica favorita . A física é tudo sobre o que você pode prever, observar e medir neste universo. No entanto, com a física quântica, existem várias maneiras de conceber o que está ocorrendo em um nível quântico que concordam igualmente com os experimentos. A realidade pode ser:
- uma série de funções de onda quânticas que instantaneamente “colapsam” quando uma medição é feita,
- um conjunto infinito de ondas quânticas, onde uma medição seleciona um membro do conjunto,
- uma superposição de potenciais de movimento para frente e para trás que se encontram em um “aperto de mão quântico”,
- um número infinito de mundos possíveis correspondentes aos resultados possíveis, onde simplesmente ocupamos um caminho,
assim como muitos outros. Ainda escolher uma interpretação em detrimento de outra não nos ensina nada exceto, talvez, nossos próprios preconceitos humanos. É melhor aprender o que podemos observar e medir sob várias condições, que é fisicamente real, do que preferir uma interpretação que não tem nenhum benefício experimental sobre qualquer outra.
Muitas redes quânticas baseadas em emaranhamento em todo o mundo, incluindo redes que se estendem para o espaço, estão sendo desenvolvidas para alavancar os fenômenos assustadores de teletransporte quântico, repetidores e redes quânticas e outros aspectos práticos do emaranhamento quântico. O estado quântico é “recortado e colado” de um local para outro, mas não pode ser clonado, copiado ou “movido” sem destruir o estado original. Na realidade, nenhuma informação está sendo trocada mais rápido que a luz.6.) O teletransporte é possível, graças à mecânica quântica . Na verdade existe um fenômeno real conhecido como teletransporte quântico , mas definitivamente não significa que seja fisicamente possível teletransportar um objeto físico de um local para outro. Se você pegar duas partículas emaranhadas e manter uma por perto enquanto envia a outra para o destino desejado, poderá teletransportar as informações do estado quântico desconhecido de uma ponta para a outra.
Isso tem enormes restrições, no entanto, incluindo que só funciona para partículas únicas e que apenas informações sobre um estado quântico indeterminado, não qualquer matéria física, podem ser teletransportadas. Mesmo que você pudesse escalar isso para transmitir a informação quântica que codifica um ser humano inteiro, transferir informação não é o mesmo que transferir matéria: você não pode teletransportar um humano, nunca, com o teletransporte quântico.
Este diagrama ilustra a relação de incerteza inerente entre posição e momento. Quando um é conhecido com mais precisão, o outro é inerentemente menos capaz de ser conhecido com precisão. Outros pares de variáveis conjugadas, incluindo energia e tempo, rotação em duas direções perpendiculares, ou posição angular e momento angular, também exibem essa mesma relação de incerteza.7.) Tudo é incerto em um Universo quântico . Algumas coisas são incertas, mas muitas coisas são extremamente bem definidas e bem conhecidas em um Universo quântico. Se você pegar um elétron, por exemplo, você não pode saber:
- sua posição e seu momento,
- ou seu momento angular em múltiplas direções mutuamente perpendiculares,
exatamente e simultaneamente em quaisquer circunstâncias. Mas algumas coisas sobre o elétron podem ser conhecidas exatamente! Podemos conhecer sua massa de repouso, sua carga elétrica ou seu tempo de vida (que parece ser infinito) com certeza exata.
As únicas coisas incertas na física quântica são pares de quantidades físicas que têm uma relação específica entre si: que são pares de variáveis conjugadas . É por isso que existem relações de incerteza entre energia e tempo, tensão e carga livre, ou momento angular e posição angular. Enquanto muitos pares de quantidades têm uma incerteza inerente entre eles, muitas quantidades ainda são conhecidas exatamente.
A largura inerente, ou metade da largura do pico na imagem acima quando você está a meio caminho da crista do pico, é medida em 2,5 GeV: uma incerteza inerente de cerca de +/- 3% da massa total. A massa da partícula em questão, o bóson Z, atinge um pico de 91,187 GeV, mas essa massa é inerentemente incerta por uma quantidade significativa devido ao seu tempo de vida excessivamente curto. Este resultado é notavelmente consistente com as previsões do Modelo Padrão.8.) Cada partícula do mesmo tipo tem a mesma massa . Se você pudesse pegar duas partículas idênticas — como dois prótons ou dois elétrons — e colocá-las em uma escala perfeitamente precisa, elas sempre teriam a mesma massa exata uma da outra. Mas isso ocorre apenas porque prótons e elétrons são partículas estáveis com tempo de vida infinito.
Se, em vez disso, você pegasse partículas instáveis que decaíssem após um curto período de tempo – como dois quarks top ou dois bósons de Higgs – e as colocasse em uma escala perfeitamente precisa, você não obteria os mesmos valores. Isso ocorre porque há uma incerteza inerente entre energia e tempo: se uma partícula vive apenas por um período finito de tempo, há uma incerteza inerente na quantidade de energia (e, portanto, de E = mc² , massa de repouso) que a partícula possui. Na física de partículas, chamamos isso de “largura” da partícula, e isso pode fazer com que a massa inerente de uma partícula seja incerta em até alguns por cento.
Niels Bohr e Albert Einstein, discutindo muitos tópicos na casa de Paul Ehrenfest em 1925. Os debates Bohr-Einstein foram uma das ocorrências mais influentes durante o desenvolvimento da mecânica quântica. Hoje, Bohr é mais conhecido por suas contribuições quânticas, mas Einstein é mais conhecido por suas contribuições à relatividade e à equivalência massa-energia. No que diz respeito aos heróis, os dois homens possuíam falhas tremendas em suas vidas profissionais e pessoais.9.) O próprio Einstein negou a mecânica quântica . É verdade que Einstein tinha uma citação famosa sobre como “Deus não joga dados com o Universo”. Mas argumentar contra uma aleatoriedade fundamental inerente à mecânica quântica — que é o contexto dessa citação — é argumentar sobre como interpretar a mecânica quântica, não um argumento contra a própria mecânica quântica.
Na verdade, a natureza do argumento de Einstein era que poderia haver mais no Universo do que podemos observar atualmente, e se pudéssemos entender as regras que ainda não descobrimos, talvez o que parece ser aleatório para nós aqui possa revelar uma explicação mais profunda, verdade não aleatória. Embora esta posição não tenha produzido resultados úteis, as explorações dos fundamentos da física quântica continuam sendo uma área ativa de pesquisa, descartando com sucesso uma série de interpretações envolvendo “variáveis ocultas” presentes no Universo.
Hoje, os diagramas de Feynman são usados no cálculo de cada interação fundamental abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. Mas não pode ser uma imagem exata.10.) As trocas de partículas na teoria quântica de campos descrevem completamente o nosso Universo . Este é o “pequeno segredo sujo” da teoria quântica de campos que os físicos aprendem na pós-graduação: a técnica que mais comumente usamos para calcular as interações entre quaisquer duas partículas quânticas. Nós os visualizamos como partículas sendo trocadas entre esses dois quanta, juntamente com todas as possíveis trocas posteriores que poderiam ocorrer como etapas intermediárias.
Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!Se você pudesse extrapolar isso para todas as interações possíveis — para o que os cientistas chamam de interações arbitrárias ordens de loop - você acabaria com um absurdo. Esta técnica é apenas uma aproximação: uma série assintótica não convergente que se decompõe após um certo número de termos. É uma imagem incrivelmente útil, mas fundamentalmente incompleta. A ideia de trocas virtuais de partículas é atraente e intuitiva, mas é improvável que seja a resposta final.
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