A superposição quântica nos pede para perguntar: “O que é real?”
A superposição quântica desafia nossas noções do que é real.
- No mundo quântico, os objetos podem estar em vários lugares ao mesmo tempo, pelo menos até serem medidos.
- Isso se deve à estranheza da superposição quântica. A mesma experiência, repetida muitas vezes nas mesmas condições, pode dar resultados diferentes.
- Todas as analogias para entender esse fenômeno são insuficientes. Mas eles nos pedem para refletir: 'O que é real?'
Este é o sexto de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.
O mundo dos muito, muito pequenos é um paraíso de estranheza. Moléculas, átomos e suas partículas constituintes não revelaram prontamente seus segredos aos cientistas que lutaram com a física dos átomos no início do século XX. Drama, frustração, raiva, perplexidade e colapsos nervosos abundavam, e é difícil para nós agora, um século depois, entender o que estava em jogo. O que aconteceu foi um processo contínuo de demolição da visão de mundo. Você pode ter que desistir de acreditar em tudo o que pensava ser verdade sobre alguma coisa. No caso dos pioneiros da física quântica, isso significou mudar sua compreensão sobre as regras que ditam o comportamento da matéria.
energia da corda
Em 1913, Bohr desenvolveu um modelo para o átomo que parecia um sistema solar em miniatura. Os elétrons se moviam ao redor do núcleo atômico em órbitas circulares. Bohr acrescentou algumas reviravoltas ao seu modelo - reviravoltas que deram a eles um conjunto de propriedades estranhas e misteriosas. As reviravoltas foram necessárias para que o modelo de Bohr tivesse poder explicativo — ou seja, para que pudesse descrever os resultados das medições experimentais. Por exemplo, as órbitas dos elétrons foram fixadas como trilhos de trem ao redor do núcleo. O elétron não poderia estar entre as órbitas, caso contrário, poderia cair no núcleo. Uma vez que chegasse ao degrau mais baixo da escada orbital, um elétron permanecia lá, a menos que saltasse para uma órbita mais alta.
A clareza sobre por que isso aconteceu começou a surgir com a ideia de de Broglie de que os elétrons podem ser vistos tanto como partículas quanto como ondas . Essa dualidade onda-partícula de luz e matéria era surpreendente, e Princípio da incerteza de Heisenberg deu precisão. Quanto mais precisamente você localizar a partícula, menos precisamente você saberá com que velocidade ela se move. Heisenberg tinha sua própria teoria da mecânica quântica, um dispositivo complexo para calcular os possíveis resultados dos experimentos. Era lindo, mas extremamente difícil de calcular as coisas.
Um pouco mais tarde, em 1926, o físico austríaco Erwin Schrödinger teve uma grande ideia. E se pudéssemos escrever uma equação para o que o elétron está fazendo ao redor do núcleo? Como de Broglie sugeriu que os elétrons se comportam como ondas, isso seria como uma equação de onda. Foi uma ideia verdadeiramente revolucionária e reformulou nossa compreensão da mecânica quântica.
No espírito do eletromagnetismo de Maxwell, que descreve a luz como campos elétricos e magnéticos ondulantes, Schrödinger buscou uma mecânica ondulatória que pudesse descrever as ondas de matéria de De Broglie. Uma das consequências da ideia de De Broglie foi que, se os elétrons fossem ondas, seria possível explicar por que apenas certas órbitas eram permitidas. Para ver por que isso é verdade, imagine uma corda sendo segurada por duas pessoas, Ana e Bob. Ana a sacode rapidamente, criando uma onda em direção a Bob. Se Bob fizer o mesmo, uma onda se move em direção a Ana. Se Ana e Bob sincronizarem suas ações, um onda parada aparece, um padrão que não se move para a esquerda ou para a direita e que exibe um ponto fixo entre eles chamado de nó. Se Ana e Bob moverem suas mãos mais rapidamente, eles encontrarão novas ondas estacionárias com dois nós, depois três nós e assim por diante. Você também pode gerar ondas estacionárias dedilhando uma corda de violão com diferentes intensidades, até encontrar ondas estacionárias com diferentes números de nós. Existe uma correspondência de um para um entre a energia da onda estacionária e o número de nós.
O Legado Nascido
De Broglie imaginou o elétron como uma onda estacionária ao redor do núcleo. Como tal, apenas certos padrões vibratórios caberiam em um círculo fechado – as órbitas, cada uma caracterizada por um determinado número de nós. As órbitas permitidas foram identificadas pelo número de nós da onda do elétron, cada um com sua energia específica. A mecânica ondulatória de Schrödinger explicou por que a imagem de de Broglie do elétron como uma onda estacionária era precisa. Mas foi muito além, generalizando esse quadro simplista em três dimensões espaciais.
Em uma sequência de seis artigos notáveis, Schrödinger formulou sua nova mecânica, aplicou-a com sucesso ao átomo de hidrogênio, explicou como ela poderia ser aplicada para produzir respostas aproximadas para situações mais complicadas e provou a compatibilidade de sua mecânica com a de Heisenberg.
A solução da equação de Schrödinger era conhecida como função de onda . Inicialmente, ele pensou nisso como descrevendo a própria onda de elétrons. Isso estava de acordo com as noções clássicas de como as ondas evoluem no tempo, obedecendo ao determinismo. Dada sua posição inicial e velocidade, podemos usar sua equação de movimento para prever o que acontecerá no futuro. Schrödinger estava particularmente orgulhoso desse fato - que sua equação restaurou alguma ordem na confusão conceitual causada pela física atômica. Ele nunca gostou da ideia do elétron “pulando” entre órbitas discretas.
No entanto, o princípio da incerteza de Heisenberg arruinou essa interpretação determinística para a função de onda. No mundo quântico tudo era confuso e era impossível prever com exatidão a evolução temporal do elétron, seja partícula ou onda. A questão tornou-se: então, o que essa função de onda significa?
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Os físicos estavam perdidos. Como a dualidade onda-partícula de matéria e luz e o princípio da incerteza de Heisenberg podem ser reconciliados com a bela (e contínua) mecânica ondulatória de Schrödinger? Mais uma vez, uma nova ideia radical foi necessária e, novamente, alguém a teve. Desta vez foi a vez de Max Born, que além de ser um dos principais arquitetos da mecânica quântica também era o avô da estrela do rock dos anos 1970 Olivia Newton-John.
Born propôs, corretamente, que a mecânica ondulatória de Schrödinger não descrevia a evolução da onda do elétron, mas a probabilidade de encontrar o elétron nesta ou naquela posição no espaço. Resolvendo a equação de Schrödinger, os físicos calculam como essa probabilidade evolui em tempo. Não podemos prever com certeza se o elétron será encontrado aqui ou ali. Nós só podemos dar probabilidades de ser encontrado aqui ou ali uma vez que uma medição é feita. Na mecânica quântica, a probabilidade evolui de forma determinista de acordo com a equação de onda, mas o próprio elétron não. A mesma experiência, repetida muitas vezes nas mesmas condições, pode dar resultados diferentes.
superposição quântica
Isso é muito estranho. Pela primeira vez, a física tem uma equação que não descreve o comportamento de algo físico pertencente a um objeto – como a posição, momento ou energia de uma bola ou planeta. A função de onda não é algo real no mundo. (Pelo menos, não é assim esta físico. Abordaremos essa questão incômoda em breve.) Seu quadrado — na verdade, seu valor absoluto, visto que é uma quantidade complexa — dá a probabilidade de encontrar a partícula em um determinado ponto no espaço uma vez que a medição é feita. Mas o que acontece antes a medida? Não podemos dizer. O que dizemos é que a função de onda é uma sobreposição de muitos estados possíveis para o elétron. Cada estado representa uma posição em que o elétron pode ser encontrado assim que uma medição é feita.
Uma imagem possivelmente útil (todas duvidosas) é se imaginar em uma sala totalmente escura, caminhando em direção a uma parede onde estão pendurados muitos quadros. As luzes se acendem quando você chega a um local específico na parede, em frente a uma pintura. Claro, você sabe que é uma pessoa solteira caminhando em direção a uma das pinturas. Mas se você fosse uma partícula subatômica como um elétron ou um fóton, haveria muitas cópias de você caminhando em direção à parede simultaneamente. Você estaria em uma superposição de muitos você, e apenas uma cópia alcançaria a parede e acenderia as luzes. Cada cópia sua teria uma probabilidade diferente de atingir a parede. Repetindo o experimento muitas vezes, essas diferentes probabilidades são descobertas.
Todas as cópias que se movem no quarto escuro são reais, ou apenas aquela que bate na parede e acende as luzes? Se apenas aquele é real, como é que outros também poderiam ter batido na parede? Este efeito, conhecido como tanto quanto sobreposição , é talvez o mais estranho de todos. Tão estranho e fascinante que merece um artigo inteiro.
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