Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: O que todos deveriam saber sobre mecânica quântica?

A física quântica não é exatamente mágica, mas requer um conjunto inteiramente novo de regras para dar sentido ao universo quântico.

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. (Crédito: DHatfield/Wikimedia Commons)

Principais conclusões

As leis da física sempre se aplicam a todos os objetos do universo, mas em escalas quânticas, o comportamento está longe de ser intuitivo.
Em um nível fundamentalmente quântico, tudo é onda e partícula, e os resultados só podem ser previstos probabilisticamente.
Ainda assim, é a estrutura mais bem-sucedida e poderosa já desenvolvida para descrever a realidade, e tudo o que existe obedece às suas regras.

A ideia mais poderosa em toda a ciência é esta: o universo, apesar de toda a sua complexidade, pode ser reduzido aos seus componentes mais simples e fundamentais. Se você puder determinar as regras, leis e teorias subjacentes que governam sua realidade, contanto que possa especificar como é seu sistema a qualquer momento, poderá usar sua compreensão dessas leis para prever como as coisas serão. tanto no futuro distante como no passado distante. A busca para desvendar os segredos do universo é fundamentalmente sobre enfrentar esse desafio: descobrir o que compõe o universo, determinar como essas entidades interagem e evoluem e, em seguida, escrever e resolver as equações que permitem prever os resultados que você tem. ainda não medido para si mesmo.

Nesse sentido, o universo faz muito sentido, pelo menos em conceito. Mas quando começamos a falar sobre o que, precisamente, é que compõe o universo, e como as leis da natureza realmente funcionam na prática, muitas pessoas se irritam quando confrontadas com essa imagem contra-intuitiva da realidade: a mecânica quântica. Esse é o assunto do Ask Ethan desta semana, onde Rajasekaran Rajagopalan escreve para perguntar:

Você pode, por favor, fornecer um artigo muito detalhado sobre mecânica quântica, que até um… estudante possa entender?

Vamos supor que você já tenha ouvido falar sobre física quântica antes, mas ainda não sabe o que é. Aqui está uma maneira que todos podem – pelo menos, até os limites que qualquer um pode – entender nossa realidade quântica.

Experimentos de dupla fenda realizados com luz produzem padrões de interferência, como fariam para qualquer onda. As propriedades de diferentes cores de luz são devido aos seus diferentes comprimentos de onda. (Crédito: Grupo de Serviços Técnicos/MIT)

Antes da mecânica quântica, tínhamos uma série de suposições sobre a forma como o universo funcionava. Presumimos que tudo o que existe era feito de matéria e que, em algum momento, você chegaria a um bloco de construção fundamental da matéria que não poderia ser mais dividido. Na verdade, a própria palavra átomo vem do grego ἄτομος, que significa literalmente indestrutível, ou como comumente pensamos, indivisível. Todos esses constituintes fundamentais e incortáveis da matéria exerciam forças uns sobre os outros, como a força gravitacional ou eletromagnética, e a confluência dessas partículas indivisíveis empurrando e puxando umas às outras é o que estava no centro de nossa realidade física.

As leis da gravitação e do eletromagnetismo, no entanto, são completamente deterministas. Se você descrever um sistema de massas e/ou cargas elétricas e especificar suas posições e movimentos a qualquer momento, essas leis permitirão que você calcule – com precisão arbitrária – quais as posições, movimentos e distribuições de cada partícula foi e será em qualquer outro momento no tempo. Do movimento planetário às bolas saltitantes ao assentamento dos grãos de poeira, as mesmas regras, leis e constituintes fundamentais do universo descreveram tudo com precisão.

Até que, isto é, descobrimos que havia mais no universo do que essas leis clássicas.

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. ( Crédito : Maschen/Wikimedia Commons)

1.) Você não pode saber tudo, exatamente, tudo de uma vez . Se há uma característica definidora que separa as regras da física quântica de suas contrapartes clássicas, é esta: você não pode medir certas quantidades com precisões arbitrárias, e quanto melhor você as mede, mais mais inerentemente incerto outras propriedades correspondentes tornam-se.

Meça a posição de uma partícula com uma precisão muito alta e seu momento se torna menos conhecido.
Meça o momento angular (ou spin) de uma partícula em uma direção e você destruirá as informações sobre seu momento angular (ou spin) nas outras duas direções.
Meça o tempo de vida de uma partícula instável e, quanto menos tempo ela viver, mais intrinsecamente incerta será a massa de repouso da partícula.

Estes são apenas alguns exemplos da estranheza da física quântica, mas são suficientes para ilustrar a impossibilidade de saber tudo o que você pode imaginar saber sobre um sistema de uma só vez. A natureza limita fundamentalmente o que é simultaneamente cognoscível sobre qualquer sistema físico, e quanto mais precisamente você tenta identificar qualquer uma de um grande conjunto de propriedades, mais intrinsecamente incerto se torna um conjunto de propriedades relacionadas.

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. A massa do bóson em questão, o bóson Z, tem um pico de 91,187 GeV, mas essa massa é inerentemente incerta por uma quantidade significativa. ( Crédito : J. Schieck para a Colaboração ATLAS, JINST7, 2012)

2.) Apenas uma distribuição de probabilidade de resultados pode ser calculada: não uma previsão explícita, inequívoca e única . Não só é impossível conhecer todas as propriedades, simultaneamente, que definem um sistema físico, mas as próprias leis da mecânica quântica são fundamentalmente indeterminadas. No universo clássico, se você jogar uma pedra por uma fenda estreita em uma parede, poderá prever onde e quando ela atingirá o chão do outro lado. Mas no universo quântico, se você fizer o mesmo experimento, mas usar uma partícula quântica – seja um fóton e elétron, ou algo ainda mais complicado – você só poderá descrever o possível conjunto de resultados que ocorrerão.

A física quântica permite que você preveja quais serão as probabilidades relativas de cada um desses resultados, e permite que você faça isso para um sistema quântico tão complicado quanto seu poder computacional pode suportar. Ainda assim, a noção de que você pode configurar seu sistema em um ponto no tempo, saber tudo o que é possível saber sobre ele e então prever com precisão como esse sistema terá evoluído em algum ponto arbitrário no futuro não é mais verdade na mecânica quântica. . Você pode descrever qual será a probabilidade de todos os resultados possíveis, mas para qualquer partícula em particular, há apenas uma maneira de determinar suas propriedades em um momento específico: medindo-as.

O efeito fotoelétrico detalha como os elétrons podem ser ionizados por fótons com base no comprimento de onda de fótons individuais, não na intensidade da luz ou em qualquer outra propriedade. Acima de um certo limite de comprimento de onda para os fótons de entrada, independentemente da intensidade, os elétrons serão lançados. Abaixo desse limite, nenhum elétron será disparado, mesmo se você aumentar a intensidade da luz. Ambos os elétrons e a energia em cada fóton são discretos. (Crédito: WolfManKurd/Wikimedia Commons)

3.) Muitas coisas, na mecânica quântica, serão discretas, em vez de contínuas . Isso chega ao que muitos consideram o coração da mecânica quântica: a parte quântica das coisas. Se você fizer a pergunta quanto na física quântica, descobrirá que existem apenas certas quantidades permitidas.

As partículas só podem vir em certas cargas elétricas: em incrementos de um terço da carga de um elétron.
As partículas que se unem formam estados ligados – como átomos – e os átomos só podem ter conjuntos explícitos de níveis de energia.
A luz é composta de partículas individuais, fótons, e cada fóton tem apenas uma quantidade específica e finita de energia inerente a ele.

Em todos esses casos, há algum valor fundamental associado ao estado mais baixo (diferente de zero), e todos os outros estados só podem existir como algum tipo de múltiplo inteiro (ou inteiro fracionário) desse estado de valor mais baixo. Dos estados excitados dos núcleos atômicos às energias liberadas quando os elétrons caem em seus buracos nos dispositivos de LED às transições que governam os relógios atômicos, alguns aspectos da realidade são verdadeiramente granulares e não podem ser descritos por mudanças contínuas de um estado para outro.

A expectativa clássica de enviar partículas através de uma única fenda (L) ou de uma fenda dupla (R). Se você atirar objetos macroscópicos (como seixos) em uma barreira com uma ou duas fendas, esse é o padrão esperado que você pode esperar observar. ( Crédito : Carga Indutiva/Wikimedia Commons)

4.) Os sistemas quânticos exibem comportamentos semelhantes a ondas e partículas . E qual você obtém – veja isso – depende de se ou como você mede o sistema. O exemplo mais famoso disso é o experimento da fenda dupla: passar uma única partícula quântica, uma de cada vez, através de um conjunto de duas fendas próximas. Agora, aqui é onde as coisas ficam estranhas.

Se você não medir qual partícula passa por qual fenda, o padrão que você observará na tela atrás da fenda mostrará interferência, onde cada partícula parece estar interferindo consigo mesma ao longo da jornada. O padrão revelado por muitas dessas partículas mostra interferência, um fenômeno puramente quântico.
Se você medir por qual fenda cada partícula passa - a partícula 1 passa pela fenda 2, a partícula 2 passa pela fenda 2, a partícula 3 passa pela fenda 1, etc. - não há mais padrão de interferência. Na verdade, você simplesmente obtém dois pedaços de partículas, cada um correspondendo às partículas que passaram por cada uma das fendas.

É quase como se tudo apresentasse um comportamento ondulatório, com sua probabilidade se espalhando pelo espaço e pelo tempo, a menos que uma interação o force a ser semelhante a partículas. Mas dependendo de qual experimento você realiza e de como você o realiza, os sistemas quânticos exibem propriedades que são semelhantes a ondas e partículas.

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 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. ( Crédito : Thierry Dugnolle/Domínio Público)

5.) O ato de medir um sistema quântico altera fundamentalmente o resultado desse sistema . De acordo com as regras da mecânica quântica, um objeto quântico pode existir em vários estados ao mesmo tempo. Se você tiver um elétron passando por uma fenda dupla, parte desse elétron deve passar pelas duas fendas simultaneamente para produzir o padrão de interferência. Se você tem um elétron em uma banda de condução em um sólido, seus níveis de energia são quantizados, mas suas posições possíveis são contínuas. A mesma história, acredite ou não, para um elétron em um átomo: podemos saber seu nível de energia, mas perguntar onde está o elétron é algo que só pode responder probabilisticamente.

Assim você tem uma ideia. Você diz, ok, vou causar uma interação quântica de alguma forma, colidindo-o com outro quantum ou passando-o por um campo magnético ou algo assim, e agora você tem uma medida. Você sabe onde o elétron está no momento da colisão, mas aqui está o kicker: ao fazer essa medição, você mudou o resultado do seu sistema. Você fixou a posição do objeto, adicionou energia a ele e isso causa uma mudança no momento. As medições não determinam apenas um estado quântico, mas criam uma mudança irreversível no estado quântico do próprio sistema.

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. (Crédito: Melissa Meister/ThorLabs)

6.) O emaranhamento pode ser medido, mas as superposições não . Aqui está uma característica intrigante do universo quântico: você pode ter um sistema que está simultaneamente em mais de um estado ao mesmo tempo. O gato de Schrödinger pode estar vivo e morto ao mesmo tempo; duas ondas de água colidindo em seu local podem fazer com que você suba ou desça; um bit quântico de informação não é apenas 0 ou 1, mas pode ser uma porcentagem 0 e uma porcentagem 1 ao mesmo tempo. No entanto, não há como medir uma superposição; quando você faz uma medição, você obtém apenas um estado por medição. Abra a caixa: o gato está morto. Observe o objeto na água: ele vai subir ou descer. Meça seu bit quântico: obtenha um 0 ou um 1, nunca ambos.

Mas enquanto a superposição são diferentes efeitos ou partículas ou estados quânticos todos sobrepostos uns aos outros, o emaranhamento é diferente: é uma correlação entre duas ou mais partes diferentes do mesmo sistema. O emaranhamento pode se estender a regiões dentro e fora dos cones de luz um do outro e basicamente afirma que as propriedades estão correlacionadas entre duas partículas distintas. Se eu tivesse dois fótons emaranhados e quisesse adivinhar o giro de cada um, teria chances de 50/50. Mas se eu medisse o giro de um, saberia o giro do outro com probabilidades de 75/25: muito melhor do que 50/50. Não há nenhuma informação sendo trocada mais rapidamente do que a luz, mas vencer as probabilidades de 50/50 em um conjunto de medições é uma maneira infalível de mostrar que o emaranhamento quântico é real e afeta o conteúdo de informações do universo.

As diferenças de nível de energia em Lutécio-177. Observe como existem apenas níveis de energia específicos e discretos que são aceitáveis. Dentro dessas bandas contínuas, o estado dos elétrons pode ser conhecido, mas não sua posição. ( Crédito : EM. Litz e G. Merkel Laboratório de Pesquisa do Exército, SEDD, DEPG)

7.) Existem muitas maneiras de interpretar a física quântica, mas nossas interpretações são não realidade . Esta é, pelo menos na minha opinião, a parte mais complicada de todo o esforço. Uma coisa é ser capaz de escrever equações que descrevem o universo e concordar com os experimentos. Outra coisa é descrever com precisão exatamente o que está acontecendo de maneira independente de medição.

Você pode?

Eu diria que esta é uma missão de tolos. A física é, em sua essência, sobre o que você pode prever, observar e medir neste universo. No entanto, quando você faz uma medição, o que está ocorrendo? E o que isso significa sobre a realidade? É realidade:

uma série de funções de onda quânticas que colapsam instantaneamente ao fazer uma medição?
um conjunto infinito de ondas quânticas, a medição seleciona um desses membros do conjunto?
uma superposição de potenciais de movimento para frente e para trás que se encontram, agora, em algum tipo de aperto de mão quântico?
um número infinito de mundos possíveis, onde cada mundo corresponde a um resultado e, no entanto, nosso universo só caminhará por um desses caminhos?

Se você acredita que essa linha de pensamento é útil, você responderá, quem sabe; vamos tentar descobrir. Mas se você for como eu, pensará que essa linha de pensamento não oferece conhecimento e é um beco sem saída. A menos que você possa encontrar um benefício experimental de uma interpretação sobre outra – a menos que você possa testá-las umas contra as outras em algum tipo de ambiente de laboratório – tudo o que você está fazendo ao escolher uma interpretação é apresentar seus próprios preconceitos humanos. Se não é a evidência que decide, é muito difícil argumentar que há algum mérito científico em seu esforço.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. É um exemplo espetacular de como a natureza quântica da realidade afeta todo o universo em grande escala. (Crédito: E. Siegel; ESA/Planck e a Força-Tarefa Interagências DOE/NASA/NSF em pesquisa CMB)

Se você apenas ensinasse a alguém as leis clássicas da física que pensávamos governar o universo tão recentemente quanto o século 19, eles ficariam totalmente surpresos com as implicações da mecânica quântica. Não existe uma realidade verdadeira que seja independente do observador; na verdade, o próprio ato de fazer uma medição altera seu sistema de forma irrevogável. Além disso, a própria natureza é inerentemente incerta, com flutuações quânticas sendo responsáveis por tudo, desde o decaimento radioativo dos átomos até as sementes iniciais da estrutura que permitem que o universo cresça e forme estrelas, galáxias e, eventualmente, seres humanos.

A natureza quântica do universo está escrita na face de cada objeto que agora existe dentro dele. E, no entanto, nos ensina um ponto de vista humilde: que, a menos que façamos uma medição que revele ou determine uma propriedade quântica específica de nossa realidade, essa propriedade permanecerá indeterminada até que chegue esse momento. Se você fizer um curso de mecânica quântica no nível universitário, provavelmente aprenderá a calcular distribuições de probabilidade de resultados possíveis, mas é apenas fazendo uma medição que você determina qual resultado específico ocorre em sua realidade. Por mais pouco intuitiva que a mecânica quântica seja, experimento após experimento continua a provar que está correta. Enquanto muitos ainda sonham com um universo completamente previsível, a mecânica quântica, não nossas preferências ideológicas, descreve com mais precisão a realidade em que todos habitamos.

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Neste artigo, física de partículas