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10 mitos sobre o universo quântico

Em um nível fundamental, mesmo o espaço puramente vazio ainda é preenchido com campos quânticos, que afetam o valor da energia do ponto zero do espaço. Até sabermos como realizar esse cálculo, devemos ou fazer uma suposição sobre o valor a que chegamos ou admitir que não sabemos como realizar esse cálculo. (NASA/CXC/M.WEISS)

Até os físicos às vezes caem nessa.

Durante séculos, as leis da física pareciam completamente deterministas. Se você soubesse onde cada partícula estava, quão rápido ela estava se movendo e quais as forças entre elas a qualquer momento, você poderia saber exatamente onde elas estariam e o que elas estariam fazendo em qualquer ponto no futuro. De Newton a Maxwell, as regras que governavam o Universo não tinham qualquer forma de incerteza inerente a elas. Seus únicos limites surgiram de seu conhecimento, medidas 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 podíamos prever a probabilidade de que vários resultados surgissem como consequência da natureza quântica do nosso Universo. Mas junto com essa nova e contra-intuitiva imagem da realidade, surgiram muitos mitos e equívocos. Aqui está a verdadeira ciência por trás de 10 deles.

Ao criar uma trilha onde os trilhos magnéticos externos apontam em uma direção e os trilhos magnéticos internos apontam na outra, um objeto supercondutor Tipo II levitará, permanecerá preso acima ou abaixo da trilha e se moverá ao longo dela. Isso poderia, em princípio, ser ampliado para permitir movimento livre de resistência em grandes escalas se supercondutores à temperatura ambiente forem alcançados. (HENRY MÜHLPFORDT / TU DRESDEN)

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.

Metais condutores resfriados abaixo de uma certa temperatura tornam-se supercondutores: onde sua resistência cai para zero. Construindo trilhas supercondutoras onde os ímãs levitam acima deles e viajam ao redor deles sem nunca desacelerar é um projeto de ciências de rotina do estudante estes dias, construído em efeitos inerentemente quânticos.

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. (LABORATÓRIO DE PESQUISA DO EXÉRCITO M.S. LITZ E G. MERKEL, SEDD, DEPG ADELPHI, MD)

2.) Quântico sempre significa discreto. A ideia de que você pode dividir a matéria (ou energia) em pedaços individuais – ou quanta – é um conceito importante na física, mas não abrange totalmente o que significa algo ser de natureza quântica. 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?

Mesmo que o elétron seja uma entidade quântica, sua posição é incerta até que você o meça. Pegue muitos átomos e una-os (como em um condutor), e você descobrirá frequentemente 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 fundamental, quântico, são contínuos , também.

Ao criar dois fótons emaranhados de um sistema pré-existente e separá-los por grandes distâncias, podemos ‘teleportar’ informações sobre o estado de um medindo o estado do outro, mesmo de locais extraordinariamente diferentes. Interpretações da física quântica que exigem localidade e realismo não podem explicar uma miríade de observações, mas interpretações múltiplas parecem todas igualmente boas. (MELISSA MEISTER, DE FÓTONS LASER ATRAVÉS DE UM DIVISOR DE FEIXE)

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 em sua extremidade,
• e você pode saber algumas informações sobre o estado quântico de outra partícula instantaneamente: mais rápido que a velocidade da luz.

Mas aqui está a coisa sobre este 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 resultados prováveis ​​da outra partícula. Se alguém for medir a outra partícula, não terá como saber que a primeira partícula foi medida e que o emaranhamento foi rompido. A única maneira de determinar se o emaranhamento foi quebrado ou não é reunir os resultados de ambas as medições novamente: um processo que só pode ocorrer na velocidade da luz ou mais lenta. Nenhuma informação pode ser passada mais rápido que a luz ; esta foi provado em um teorema de 1993 .

Em um experimento tradicional do gato de Schrõdinger, 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 o gato 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. (WIKIMEDIA COMMONS USER DHATFIELD)

4.) A superposição é fundamental para a física quântica . Imagine que você tenha vários estados quânticos possíveis nos quais 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 vai fazer uma medição, no entanto, nunca vê uma mistura desses estados possíveis; você só obterá um resultado de estado único: é A, B ou C.

As superposições são incrivelmente úteis como etapas de cálculo intermediárias para determinar quais serão seus possíveis resultados (e suas probabilidades), mas nunca podemos medi-los diretamente. Além disso, as superposições não se aplicam a todos os mensuráveis ​​igualmente, 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 diferenciar essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ​​ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas. (PÁGINA DA WIKIPEDIA EM INGLÊS SOBRE INTERPRETAÇÕES DA MECÂNICA QUÂNTICA)

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 concorda igualmente com os experimentos. A realidade pode ser:

• uma série de funções de onda quântica que colapsam instantaneamente 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 sobre outra não nos ensina nada exceto, talvez, nossos próprios preconceitos humanos. É melhor aprender o que podemos observar e medir sob várias condições, o que é fisicamente real, do que preferir uma interpretação que não tenha nenhum benefício experimental sobre qualquer outra.

Teletransporte quântico, um efeito (erroneamente) apresentado como uma viagem mais rápida que a luz. Na realidade, nenhuma informação está sendo trocada mais rápido que a luz. No entanto, o fenômeno é real e está de acordo com as previsões de todas as interpretações viáveis ​​da mecânica quântica. (SOCIEDADE FÍSICA AMERICANA)

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 mantiver uma por perto enquanto envia a outra para um destino desejado, você pode teletransportar a informação do estado quântico desconhecido de uma extremidade 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 se você pudesse aumentar isso para transmitir as informações quânticas que codificam um ser humano inteiro, transferir informações não é o mesmo que transferir matéria: você não pode teletransportar um humano, nunca, com 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. (WIKIMEDIA COMMONS USER MASCHEN)

7.) Tudo é incerto em um universo quântico . Algumas coisas são incertas, mas muitas são extremamente bem definidas e conhecidas em um universo quântico. Se você pegar um elétron, por exemplo, você não pode saber:

• sua posição e seu impulso,
• ou seu momento angular em direções múltiplas e mutuamente perpendiculares,

exata e simultaneamente sob 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 que são incertas na física quântica são pares de quantidades físicas que têm uma relação específica entre elas: 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 com exatidão.

A largura inerente, ou metade da largura do pico na imagem acima quando você está a meio caminho do topo, é medida em 2,5 GeV: uma incerteza inerente de cerca de +/- 3% da massa total. (COLABORAÇÃO ATLAS (SCHIECK, J. PELA COLABORAÇÃO) JINST 7 (2012) C01012)

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 é apenas porque prótons e elétrons são partículas estáveis ​​com tempos de vida infinitos.

Se você pegar partículas instáveis ​​que decaíram após um curto período de tempo – como dois quarks top ou dois bósons de Higgs – e colocá-los em uma escala perfeitamente precisa, você não obterá os mesmos valores. Isso ocorre porque há uma incerteza inerente entre energia e tempo: se uma partícula vive apenas por uma quantidade finita de tempo, então há uma incerteza inerente na quantidade de energia (e, portanto, de E = mc² , massa de repouso) que a partícula tem. Na física de partículas, chamamos isso de largura de partícula e pode levar a 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 para a relatividade e equivalência massa-energia. No que diz respeito aos heróis, os dois homens possuíam tremendas falhas em suas vidas profissionais e pessoais. (PAUL EHRENFEST)

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 discutir sobre como interpretar a mecânica quântica, não um argumento contra a própria mecânica quântica.

Na verdade, a natureza do argumento de Einstein era que pode haver mais no Universo do que podemos observar atualmente, e se pudéssemos entender as regras que ainda não descobrimos, talvez o que parece ser aleatoriedade para nós aqui possa revelar um verdade não aleatória. Embora essa posição não tenha dado resultados úteis, a exploração dos fundamentos da física quântica continua 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 todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. Mas não pode ser uma imagem exata. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

10.) Trocas de partículas na teoria quântica de campos descrevem completamente 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 outras trocas possíveis que poderiam ocorrer como etapas intermediárias.

Se você pudesse extrapolar isso para todas as interações possíveis - para o que os cientistas chamam de arbitrárioordens de loop- você acabaria com um absurdo. Esta técnica é apenas uma aproximação: uma série assintótica, não convergente que se decompõe além de 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.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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