Pergunte a Ethan: O que há de tão 'assustador' no emaranhamento quântico?
Ao criar dois fótons emaranhados de um sistema pré-existente e separá-los por grandes distâncias, podemos saber informações sobre o estado de um medindo o estado do outro. Crédito da imagem: Melissa Meister, de fótons de laser através de um divisor de feixe, sob c.c.-by-2.0 genérico, de https://www.flickr.com/photos/mmeister/3794835939 .
Isso pode ter intrigado Einstein até sua morte, mas isso não significa que você não possa entendê-lo!
Até onde as leis da matemática se referem à realidade, elas não são certas; e até onde são certas, não se referem à realidade. – Albert Einstein
Existem muitos quebra-cabeças por aí na física quântica, que é notória por desafiar nossa intuição. As partículas parecem saber se você está olhando para elas ou não, exibindo comportamentos diferentes se você as observar passar por uma fenda dupla versus se não o fizer. Medir uma quantidade, como a posição de uma partícula, cria uma incerteza inerente em uma quantidade complementar, como o momento. E se você medir seu giro na direção vertical, você destrói a informação sobre seu giro na direção horizontal. Mas o mais assustador de todos os fenômenos quânticos é o emaranhamento quântico, onde uma partícula de alguma forma sabe se seu parceiro emaranhado é medido ou não instantaneamente, mesmo de todo o Universo. Para o Ask Ethan desta semana, temos uma pergunta de Dana Doucet, que está intrigada com o motivo disso ser um mistério.
[Do] ponto de vista dos fótons, eles viajaram distância zero em tempo zero. Então... o que há de tão assustador nisso? Até que um deles seja medido, eles estão no mesmo lugar ao mesmo tempo (se você acredita na história deles) e, portanto, não é um mistério como eles coordenam seus estados.
É uma linha de pensamento bem fundamentada: essa dilatação do tempo para uma partícula em movimento rápido significa que eles podem coordenar seus estados tão rápido quanto quiserem. Mas o mistério não é tão fácil de resolver.
Esquema do experimento do terceiro Aspecto testando a não localidade quântica. Os fótons emaranhados da fonte são enviados para dois interruptores rápidos, que os direcionam para os detectores de polarização. Os interruptores alteram as configurações muito rapidamente, alterando efetivamente as configurações do detector para o experimento enquanto os fótons estão em voo. (Figura de Chad Orzel)
Vamos examinar a questão do emaranhamento para começar. O experimento normalmente é feito com fótons: você passa um único quantum de luz através de um material especializado (por exemplo, um cristal de conversão descendente) que o divide em dois fótons. Esses fótons serão emaranhados em um sentido particular, onde um tem um spin, ou momento angular interno, de +1, e o outro tem um spin de -1. Mas você não sabe qual é qual. Na verdade, existem alguns experimentos que você pode fazer onde, se você tivesse um grande número desses fótons, veria uma diferença entre:
- os resultados estatísticos se o giro foi +1,
- os resultados estatísticos se o spin foi -1,
- ou os resultados estatísticos se o spin for indeterminado.
É muito difícil visualizar de quais resultados estamos falando, mas há uma excelente analogia na mecânica quântica: passar uma partícula por uma fenda dupla.
Um padrão de interferência ocorre se você passar elétrons, fótons ou qualquer outra partícula através de uma fenda dupla. Mas só se você não verificar por qual fenda eles passaram! Imagem de domínio público por usuário do Wikimedia Commons carga indutiva.
Se você disparar uma partícula através de uma fenda dupla - isto é, uma tela com duas fendas muito estreitas muito, muito próximas - e ela passar em vez de ser bloqueada pela tela, você poderá detectar facilmente onde ela cai do outro lado. Se você disparar muitas, muitas partículas, uma de cada vez, através da fenda dupla, descobrirá que as que passam formam um padrão de interferência. Em outras palavras, cada partícula não age como se passasse por uma fenda ou outra; age como se passasse pelas duas fendas simultaneamente, interferiu em si mesmo como uma onda , e depois continuou.
Mas esse padrão, mostrando a estranha natureza mecânica quântica do Universo para todas as partículas, só surge se você não determinar por qual fenda a partícula passa.
Se você observar por qual fenda uma partícula passa, com todo o resto igual em relação à sua configuração experimental, você não obtém um padrão de interferência. Imagem de domínio público por usuário do Wikimedia Commons carga indutiva.
Se, em vez disso, você fizer uma medição da partícula enquanto ela passa por qualquer fenda - o que você pode fazer configurando uma porta, um fóton, um contador etc. - você não obtém um padrão de interferência. Você simplesmente pega uma pilha que corresponde às que passaram pela fenda 1 e uma pilha que corresponde à outra que passou pela fenda 2.
O padrão de onda para elétrons passando por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir por qual fenda o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. Observe que mais de um elétron é necessário para revelar o padrão de interferência. Crédito da imagem: Dr. Tonomura e Belsazar do Wikimedia Commons, sob c.c.a.-s.a.-3.0.
Em outras palavras, se você fizer uma medição que determine qual caminho a partícula segue, você altera o resultado de qual caminho a partícula segue! Para uma partícula individual, você só poderá determinar a probabilidade de ela passar pela fenda 1, fenda 2 ou ter interferido consigo mesma para passar por ambas. Você precisa de um grande número de estatísticas para demonstrar em qual configuração sua configuração está realmente.
O teste de Bell da mecânica quântica para partículas de spin semi-inteiro. Crédito da imagem: Maksim, usuário do Wikimedia Commons, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.
Então agora vamos voltar aos fótons emaranhados. Ou, a propósito, algum partículas emaranhadas. Você cria duas partículas emaranhadas, onde você conhece a soma total de suas propriedades, mas não de suas propriedades individuais. O spin é o exemplo mais simples — dois fótons seriam (+1 e -1) ou (-1 e +1), dois elétrons seriam (+½ e -½) ou (-½ e +½) — e você não sabe qual é qual até medir. Em vez de fendas, você pode passá-lo por um polarizador. E no instante em que você mede um, determina o outro. Em outras palavras, você sabe disso instantaneamente.
Uma configuração de experimento de borracha quântica, onde duas partículas emaranhadas são separadas e medidas. Nenhuma alteração de uma partícula em seu destino afeta o resultado da outra. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Patrick Edwin Moran, sob c.c.a.-s.a.-3.0.
A estranheza vem do fato de que nada mais vem instantaneamente na física. O mais rápido que qualquer tipo de sinal pode ser transmitido é c , a velocidade da luz no vácuo. No entanto, você pode separar essas duas partículas emaranhadas por metros, quilômetros, unidades astronômicas ou anos-luz, e medir uma determina o estado da outra instantaneamente. Não importa se as partículas emaranhadas se movem na velocidade da luz ou não, se elas não têm massa ou não, se são energéticas ou não, e se você as protege de enviar fótons umas para as outras ou não. Não há uma brecha onde a velocidade de interação em qualquer quadro de referência possa compensar isso. No final da década de 1990, experimentos montados para separar e medir simultaneamente essas partículas determinaram que, se alguma informação é transmitida entre as duas partículas, isso deve acontecer a velocidades mais de 10.000 vezes maiores que c .
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. Crédito da imagem: American Physical Society, via http://www.csm.ornl.gov/SC99/Qwall.html .
Claro que isso não pode acontecer! Na realidade, não há nenhuma informação sendo transmitida. Você não pode fazer uma medição de uma partícula em um lugar e usá-la para comunicar qualquer coisa à partícula a uma grande distância. De fato, havia um grande número de esquemas inteligentes planejados para tentar usar essa propriedade da natureza para transmitir informações mais rapidamente que a luz, mas ficou provado em 1993 que nenhuma transferência de informação jamais seria possível por este mecanismo. Na verdade, há uma razão simples para isso:
- Se você medir qual é o estado da partícula que eu tenho, você aprende o estado da outra partícula, mas não há nada que alguém possa fazer com essa informação até que você alcance a outra partícula ou a outra partícula chegue até você, e aquele comunicação tem que acontecer na velocidade da luz ou abaixo.
- Se, em vez disso, você forçar a partícula a estar nesse estado específico, isso não altera o estado da partícula emaranhada. Muito pelo contrário, ele realmente quebra o emaranhado, então você nem aprende o que a outra partícula está fazendo.
Se duas partículas estão emaranhadas, elas têm propriedades de função de onda complementares, e a medição de uma determina as propriedades da outra. Mas se a função de onda é meramente uma descrição matemática ou está subjacente a uma verdade mais profunda sobre o Universo e uma realidade determinista e fundamental ainda está aberta à interpretação. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons David Koryagin, sob c.c.a.-s.a.-4.0.
É um problema filosófico para os realistas. Isso significa que, se a função de onda de uma partícula – ou a função de onda emaranhada de várias partículas – é realmente uma coisa real e física que está evoluindo pelo Universo, mas requer um grande número de suposições feias. Você precisa assumir que há um número infinito de realidades possíveis por aí e que vivemos em apenas uma, mesmo que não haja evidências de outras. Se você é instrumentista* (o que é bem mais fácil e prático), você não tem esse problema filosófico; você simplesmente aceita que a função de onda é uma ferramenta de cálculo.
Einstein era totalmente realista quando se tratava de mecânica quântica, um preconceito que ele carregou consigo para o túmulo. Nenhuma evidência que comprove sua interpretação da mecânica quântica foi encontrada, embora ainda tenha muitos adeptos. Crédito da imagem: New York Times, 1935.
Stephen Weinberg, Prêmio Nobel, cofundador do Modelo Padrão e um brilhante físico teórico por várias razões, recentemente condenou a abordagem instrumentalista em Science News , afirmando que é:
tão feio imaginar que não temos conhecimento de nada lá fora - só podemos dizer o que acontece quando fazemos uma medição.
Mas, independentemente de suas prevaricações filosóficas, a mecânica quântica funciona, e a função de onda que emaranha as partículas permite que o emaranhamento seja quebrado instantaneamente, mesmo através de distâncias cósmicas. É a única coisa instantânea que conhecemos no Universo, e isso a torna muito especial!
- — Divulgação: o autor desta peça é instrumentista e acha que os realistas permitem que sua visão de como o Universo deveria funcionar para colorir sua interpretação de como ele realmente funciona. Os realistas discordam.
Envie suas perguntas para Ask Ethan para startswithabang no gmail dot com!
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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