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Pergunte a Ethan: O que estamos errando sobre o gato de Schrodinger?

Se você configurar um sistema quântico onde o resultado determina algo macroscópico, como a vida ou a morte de um gato em uma caixa, você pode intuir que isso significa que, até abrir a caixa, o gato está em uma superposição de morto e vivo. estados. A história real é muito, muito mais rica do que isso. (GETTY)

É talvez o experimento mental mais famoso de toda a física, mas está cheio de mitos e equívocos populares.

Uma das ideias mais bizarras sobre o Universo quântico é a noção de estados indeterminados. Em nosso universo macroscópico convencional, estamos acostumados a coisas que simplesmente existem de uma maneira particular e não controversa. Quer olhemos para algo ou não, ele simplesmente existe, independentemente de nossas observações. Mas no universo quântico, os sistemas individuais exibem um comportamento diferente dependendo se você os mede ou não. Talvez a popularização mais famosa dessa ideia seja na forma do gato de Schrödinger, onde um sistema é configurado para que, se um átomo radioativo decair, o gato morre, mas se não, o gato vive. Mas há mais mitos do que verdades em torno desse experimento, e Dave Wagner quer que os desvendemos, sugerindo:

Eu estava lendo um de seus Principais n mitos/mal-entendidos sobre… peças, e pensei que uma boa ideia para uma seria os principais n mitos/mal-entendidos sobre o gato de Schrödinger.

Vamos dar uma olhada no que realmente está acontecendo por trás desse famoso experimento mental.

Os elétrons exibem propriedades de onda, bem como propriedades de partículas, e podem ser usados ​​para construir imagens ou sondar tamanhos de partículas tão bem quanto a luz. Aqui, você pode ver os resultados de um experimento em que os elétrons (ou, com resultados equivalentes, os fótons) são disparados um de cada vez através de uma fenda dupla. Uma vez que elétrons suficientes são disparados, o padrão de interferência pode ser visto claramente. (THIERRY DUGNOLLE / DOMÍNIO PÚBLICO)

Em primeiro lugar, é importante reconhecer de onde veio a ideia do gato de Schrödinger: um experimento físico real com resultados inequívocos, mas muito pouco intuitivos. Tudo o que você precisa fazer é direcionar um pouco de luz para duas fendas finas e espaçadas e observar que tipo de padrão visual aparece na tela do outro lado. Desde que sua luz tenha o mesmo comprimento de onda e você olhe apenas para a tela, você obterá um padrão de interferência ou um conjunto alternativo de muitas faixas claras e escuras.

Mas se você reconhecer, ei, a luz é feita de fótons, e cada fóton individual deve passar por uma fenda ou outra, você começará a ver a estranheza em jogo. Mesmo o envio de fótons um de cada vez ainda oferece o padrão de interferência. E então você tem a brilhante ideia de medir por qual fenda cada fóton passa. Assim que você faz isso – e você é bem-sucedido, a propósito – o padrão de interferência desaparece.

Se você medir por qual fenda um elétron passa ao realizar um experimento de fenda dupla de uma partícula por vez, não obterá um padrão de interferência na tela atrás dele. Em vez disso, os elétrons (ou fótons) se comportam não como ondas, mas como partículas clássicas. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Como damos sentido a isso? Este experimento é, de muitas maneiras, a melhor ilustração de como a física quântica funciona e também por que é tão estranho. É como se os próprios quanta individuais se comportassem como ondas e interferissem consigo mesmos, viajando pelas duas fendas simultaneamente e produzindo o padrão observado. Mas se você se atreve a ir medi-los - determinando assim por qual fenda eles passam - eles só passam por uma fenda ou outra, e não produzem mais essa interferência.

Isso deixa uma coisa muito clara: o ato de observar um sistema quântico pode, de fato, mudar muito o resultado . Mas isso, como a maioria das descobertas da física, só traz mais perguntas. Em que condições uma observação altera o resultado? O que constitui fazer uma observação? E um humano é obrigado a ser um observador, ou uma medição inorgânica, não viva, seria suficiente?

Os resultados do experimento “mascarado” da dupla fenda. Observe que quando a primeira fenda (P1), a segunda fenda (P2) ou ambas as fendas (P12) estão abertas, o padrão que você vê é muito diferente dependendo se uma ou duas fendas estão disponíveis. (R. BACH ET AL., NOVA REVISTA DE FÍSICA, VOLUME 15, MARÇO DE 2013)

Essas são todas boas perguntas, e foi pensando exatamente nesses tipos de questões que Erwin Schrödinger formulou seu famoso paradoxo felino. Fica mais ou menos assim:

• você monta um sistema fechado, ou seja, uma caixa,
• onde dentro da caixa está um sistema quântico, como um único átomo radioativo,
• e quando o átomo decai, uma porta se abre,
• atrás daquela porta está comida de gato envenenada,
• e também na caixa está um gato que comerá a comida quando estiver disponível,
• então você espera o tempo de uma meia-vida,
• e então você faz a pergunta chave: o gato está vivo ou morto?

É isso. Essa é a ideia completa do experimento mental do gato de Schrödinger.

O gato está vivo ou morto? Embora possamos pensar que o próprio gato está em uma superposição de estados mortos e vivos até abrirmos a caixa, essa é uma linha de pensamento errônea que persistiu por muitas décadas, apesar do fato de o próprio Schrõdinger nunca ter afirmado tal coisa. (GERALT / PIXABAY)

Então, o que acontece quando você abre a caixa?

Abrir a caixa deve ser equivalente a fazer uma observação, então:

1. você encontrará um gato morto que comeu a comida que foi revelada pela decomposição do átomo radioativo, ou
2. você encontrará um gato vivo onde nenhum alimento foi revelado e o átomo radioativo original ainda não se decompôs.

Mas antes de abrir a caixa – porque é assim que os sistemas quânticos funcionam – o sistema gato/comida/átomo deve estar em uma superposição de ambos os estados. Há apenas uma probabilidade indeterminada de que o átomo tenha decaído e, portanto, o átomo deve estar em uma superposição de estados decaídos e não decaídos simultaneamente. Como o decaimento do átomo controla a porta, a porta controla a comida e a comida determina se o gato vive ou morre, o próprio gato, então, deve estar em uma superposição de estados quânticos. De alguma forma, o gato está parcialmente morto e parcialmente vivo até que uma observação seja feita.

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)

E isso, em poucas palavras, é o maior mito e equívoco associado ao gato de Schrödinger.

Na verdade, o próprio Erwin Schrödinger não apresentou sua ideia do gato como um experimento proposto. Ele não o criou para fazer perguntas profundas sobre o papel de um ser humano no processo de observação. Na verdade, ele não afirmou que o próprio gato estaria em uma superposição de estados quânticos, onde está parcialmente morto e parcialmente vivo simultaneamente, da mesma forma que um fóton parece passar parcialmente pelas duas fendas no experimento da fenda dupla.

Cada ideia nesse sentido é em si um mito e um equívoco que vai contra o propósito original de Schrödinger ao realizar esse experimento mental. Seu verdadeiro propósito? Para ilustrar como é fácil chegar a uma previsão absurda – como uma previsão de um gato simultaneamente meio morto e meio vivo – se você interpretar mal ou entender mal a mecânica quântica.

Quando você realiza um experimento em um estado qubit que começa como |10100> e o passa por 10 pulsos de acoplador (ou seja, operações quânticas), você não obterá uma distribuição plana com probabilidades iguais para cada um dos 10 resultados possíveis. Em vez disso, alguns resultados terão probabilidades anormalmente altas e alguns terão probabilidades muito baixas. Medir o resultado de um computador quântico pode determinar se você está mantendo o comportamento quântico esperado ou perdendo-o em seu experimento. Mantê-lo, mesmo por apenas alguns qubits, por qualquer período de tempo substancial, é um dos maiores desafios enfrentados pela computação quântica hoje; boa sorte fazendo isso para algo tão complexo quanto um gato. (C. NEILL ET AL. (2017), ARXIV: 1709.06678V1, QUANT-PH)

Em outras palavras, praticamente tudo o que você já ouviu sobre o gato de Schrödinger é provavelmente um mito, com a única exceção do fato de que os sistemas quânticos na verdade são bem descritos por uma superposição probabilisticamente ponderada de todos os estados possíveis e permitidos, e que um observação ou medição sempre revelará um e apenas um estado definitivo.

Isso não é apenas verdade, mas é verdade, independentemente de qual interpretação quântica você escolher. Não importa se você está selecionando um resultado do conjunto de todos os resultados possíveis; não importa se você está colapsando uma função de onda indeterminada em um estado determinado; não importa se você está caindo em um universo particular de um conjunto infinito de universos paralelos.

Tudo o que importa é que ocorreu uma observação quântica.

A Interpretação de Muitos Mundos da mecânica quântica sustenta que existe um número infinito de Universos paralelos que existem, contendo todos os resultados possíveis de um sistema mecânico quântico, e que fazer uma observação simplesmente escolhe um caminho. Essa interpretação é filosoficamente interessante, mas nosso gato estará vivo ou morto, não uma superposição de ambos, independentemente do comportamento de um observador externo. (ESQUIRO CRISTÃO)

Na realidade, o próprio gato é um observador perfeitamente válido. O fato de a porta ou portão se abrir e o mecanismo que o controla ser acionado é uma observação perfeitamente válida. Jogar um contador Geiger ali, um instrumento sensível a decaimentos radioativos, contaria como uma observação. E, de fato, qualquer interação irreversível que ocorra dentro desse sistema, mesmo que esteja completamente isolado do mundo exterior nessa caixa, revelará um e apenas um estado definitivo: ou o átomo decaiu ou não.

A razão subjacente a isso é simplesmente que cada interação entre duas partículas quânticas tem o potencial de determinar o estado quântico, efetivamente colapsando a função de onda quântica na interpretação mais comum. Na realidade, o decaimento (ou não decaimento) do átomo acionará (ou deixará de acionar) o mecanismo da porta, e só isso, bem ali, é onde ocorre a transição desse comportamento quântico bizarro para nosso comportamento clássico familiar.

Este gráfico mostra (em rosa) a quantidade de uma amostra radioativa que permanece após várias meias-vidas terem passado. Após uma meia-vida, resta metade da amostra; após duas meias-vidas, resta metade do restante (ou um quarto); e depois de três meias-vidas, resta metade disso (ou um oitavo). Se essa decadência serve como gatilho para que algo ocorra ou não ocorra, no entanto, isso por si só é suficiente para constituir uma observação. (ANDREW FRAKNOI, DAVID MORRISON E SIDNEY WOLFF / RICE UNIVERSITY, SOB C.C.A.-4.0)

O próprio Schrödinger foi muito claro neste ponto, afirmando:

É típico desses casos que uma indeterminação originalmente restrita ao domínio atômico se transforme em indeterminação macroscópica, que pode então ser resolvida por observação direta. Isso nos impede de aceitar tão ingenuamente como válido um modelo indistinto de representação da realidade. Em si, não incorporaria nada obscuro ou contraditório. Há uma diferença entre uma fotografia tremida ou fora de foco e um instantâneo de nuvens e bancos de neblina.

Em outras palavras, Schrödinger sabia que o gato devia estar vivo ou morto. O próprio gato nunca estará em uma superposição de estados quânticos, mas estará definitivamente morto ou definitivamente vivo a qualquer momento. Só porque sua câmera está fora de foco, ele argumenta, não significa que a realidade esteja fundamentalmente desfocada.

Este painel de 2 mostra observações do Centro Galáctico com e sem Óptica Adaptativa, ilustrando o ganho de resolução. As posições reais das estrelas (direita) não são inerentemente incertas por causa das limitações de nosso equipamento (esquerda) e, da mesma forma, um gato não tem certeza de sua morte ou status de vida por causa da caixa em que o colocamos. (UCLA GALACTIC GRUPO CENTRAL — EQUIPE DE LASER DO OBSERVATÓRIO WM KECK)

Quando Einstein falou sobre Deus não jogar dados com o Universo, era a isso que ele se referia. De fato, Einstein escreveu o seguinte ao próprio Schrödinger, perguntando retoricamente: O estado do gato só pode ser criado quando um físico investiga a situação em algum momento definido?

A resposta, talvez infelizmente, é claro que não. Esse comportamento quântico indeterminado é, na verdade, tremendamente difícil de manter; este é um dos maiores desafios na construção de sistemas quânticos em larga escala. Emaranhado meramente alguns milhares de átomos por um breve período é uma conquista muito recente, e uma das razões pelas quais a computação quântica é tão difícil é porque qubits emaranhados só podem ser mantidos em um estado indeterminado por intervalos de tempo tão curtos .

O universo quântico com certeza é um lugar desconhecido para quase todos nós, e o gato de Schrödinger é principalmente uma ilustração de como é fácil para nós interpretá-lo mal. Talvez o principal mito sobre o gato de Schrödinger seja que ele tenha algo a ver com a estranheza quântica.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

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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