Fazer uma medição quântica realmente destrói as informações?

Normalmente pensamos em medições quânticas como afetando o resultado, levando você de um estado indeterminado para um determinado, como uma superposição de estados colapsando em um único autoestado na física quântica. Mas o que é menos apreciado é igualmente importante: a informação quântica também pode ser destruída por uma medição. (WIKIMEDIA COMMONS USER DHATFIELD)

O ato de observar não determina apenas um estado previamente indeterminado, mas também pode destruir informações.


Imagine que você é um cientista tentando entender a realidade em um nível fundamental. Como você faria para explorá-lo? Você tentaria dividir o assunto com o qual está lidando em componentes minúsculos e bem compreendidos. Você projetaria experimentos para testar e medir as propriedades dessas minúsculas partículas subatômicas sob uma variedade de condições. E – se você fosse esperto – você tentaria usar as propriedades que você mediu e os experimentos que você realizou para aprender exatamente quais regras o Universo obedeceu.



Em princípio, você pensaria, você poderia fazer medições suficientes ou realizar experimentos suficientes para aprender o quanto quisesse sobre qualquer partícula (ou conjunto de partículas) em todo o Universo. De fato, essa era a expectativa de muitos no início do século XX. Como se viu, no entanto, o Universo quântico tinha outras ideias reservadas para nós. Certas medições, quando você as faz, invalidam completamente as informações que você aprendeu com sua medição anterior. O ato de medir, aparentemente, realmente destrói informações . Aqui está como descobrimos.



Certas operações matemáticas, como adição ou multiplicação, são independentes da ordem, o que significa que são comutativas. Se a ordem importa e você obtém um resultado diferente dependendo da ordem em que você executa suas operações, essas operações não são comutativas. Isso tem implicações importantes para o mundo da física. (GETTY)

Em teoria, a história começa com uma ideia básica da matemática: a noção de comutatividade . Comutativo significa que você pode mover algo e isso não muda. A adição é comutativa: 2 + 3 = 3 + 2. A mesma coisa com a multiplicação: 2 × 3 = 3 × 2. Mas a subtração não é: 2–3 ≠ 3–2, mas você precisa colocar um sinal negativo lá para tornar a expressão verdadeira. A divisão também não é, e é um pouco mais complicada: 2 ÷ 3 ≠ 3 ÷ 2, e você precisaria pegar o recíproco (o inverso) de um lado para igualar o outro.



Na física, essa ideia de comutatividade não se aplica apenas a operações matemáticas, mas também a manipulações físicas ou medições que você pode fazer. Um exemplo simples que podemos observar é a ideia de rotações. Se você pegar um objeto diferente em suas três dimensões – como um celular – você pode tentar fazer duas rotações:

  • segurando um objeto à sua frente, gire-o 90 graus no sentido anti-horário em torno do eixo voltado para você,
  • em seguida, pegue esse mesmo objeto e gire-o 90 graus no sentido horário em torno do eixo vertical à sua frente.

Talvez surpreendentemente, a ordem em que você executa essas duas rotações realmente importa.

O último celular do autor na era pré-smartphone exemplifica como as rotações no espaço 3D não comutam. À esquerda, as linhas superior e inferior começam na mesma configuração. No topo, uma rotação de 90 graus no sentido anti-horário no plano da fotografia é seguida por uma rotação de 90 graus no sentido horário em torno do eixo vertical. Na parte inferior, as mesmas duas rotações são executadas, mas na ordem oposta. Isso demonstra a não comutatividade das rotações. (E. SIEGEL)



Essa ideia de não comutatividade aparece até mesmo no mundo clássico da física, mas sua aplicação mais famosa vem no reino quântico: na forma do Princípio da incerteza de Heisenberg . Aqui em nosso mundo clássico, existem todos os tipos de propriedades de um objeto que podemos medir a qualquer momento. Coloque-o em uma balança e você mede sua massa. Coloque um sensor de movimento nele e você poderá medir seu momento. Dispare um conjunto de lasers nele e você poderá medir sua posição. Envie-o para um calorímetro e você poderá medir sua energia. E se você configurar um cronômetro enquanto estiver oscilando, poderá medir a quantidade de tempo que leva para completar um ciclo completo.

Bem, no universo quântico, muitas dessas medições ainda são válidas no instante em que você as faz, mas não para sempre. A razão é esta: certas quantidades que você pode medir - pares de observáveis ​​conhecidos como variáveis ​​conjugadas — estão inerentemente relacionados entre si. Se você medir o momento com uma certa precisão, você não pode conhecer sua posição inerentemente melhor do que uma certa precisão específica, mesmo que você tenha medido sua posição com mais precisão do que anteriormente.

Uma ilustração entre a incerteza inerente entre posição e momento no nível quântico. Quanto melhor você conhece ou mede a posição de uma partícula, menos conhece seu momento, e vice-versa. Tanto a posição quanto o momento são melhor descritos por uma função de onda probabilística do que por um único valor. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO MASCHEN)



A ideia da incerteza de Heisenberg era intragável para muitos e, no entanto, o Universo parecia exigir isso. Isso se estendeu a outros conjuntos de variáveis ​​conjugadas também:

  • posição (Δ x ) e momento (Δ p ),
  • energia (Δ E ) e tempo (Δ t ),
  • potencial elétrico, ou tensão (Δ Phi ) e carga elétrica livre (Δ que ),
  • ou momento angular (Δ eu ) e orientação, ou posição angular (Δ θ ).

No entanto, se você realmente deseja demonstrar a necessidade física de algo, é absolutamente necessário obter os resultados experimentais para apoiá-lo. Não é necessariamente suficiente dizer algo como não sei com que precisão posso confiar em minhas medidas, você tem que descobrir uma maneira de revelar que a informação que você sabia ou mediu com algum grau de precisão foi destruída pelo ato de medições subsequentes.



Em 1921, o físico Otto Stern surgiu com uma ideia brilhante para testar exatamente isso.

Partículas individuais e compostas podem possuir momento angular orbital e momento angular intrínseco (spin). Quando essas partículas têm cargas elétricas internas ou intrínsecas a elas, elas geram momentos magnéticos, fazendo com que sejam defletidas por uma quantidade particular na presença de um campo magnético. (IQQQI / HAROLD RICH)

Imagine que você tem uma partícula quântica, como um elétron, um próton, um núcleo composto: um objeto feito de prótons e nêutrons unidos, ou mesmo um átomo neutro com um núcleo e elétrons orbitando-o. Há uma série de propriedades quânticas inerentes a esse objeto, como massa, carga elétrica, etc. Em teoria, também deveria haver uma forma de momento angular inerente a essa partícula, não apenas pelo fato de ela orbitar (ou é orbitado por) outras partículas, mas intrínseco a si mesmo isoladamente. Essa propriedade quântica é chamada de spin, em analogia com a ideia de um pião girando em torno de seu eixo.

Se você tivesse um pião, pode imaginar imediatamente duas maneiras de girar:

  • no sentido horário em torno de seu eixo vertical,
  • ou no sentido anti-horário em torno de seu eixo vertical.

Se você vivesse em um mundo que não fosse sobrecarregado pela gravidade - onde você tem uma direção preferida (em direção ao centro da Terra) que orienta seu eixo de rotação - você também poderia imaginar que ele poderia girar no sentido horário ou anti-horário em qualquer eixo em qualquer uma das três dimensões permitidas. Essa é a configuração: a noção de que a ideia de spin, ou momento angular intrínseco, existe para essas partículas. Embora 1921 tenha ocorrido vários anos antes de Uhlenbeck e Goudsmit formularem sua hipótese do spin de um elétron, a noção ainda estava presente na antiga teoria quântica original de Bohr e Sommerfeld.

Se você tem uma partícula quântica que possui a propriedade intrínseca do spin, passar essa partícula através de um campo magnético irá desviá-la de acordo com os possíveis valores de seu momento magnético, que está relacionado ao spin. Na teoria quântica, isso significa que o spin deve ser quantizado e discreto. (FUNDAÇÃO CK-12 / WIKIMEDIA COMMONS)

Como se poderia medir o spin de partículas quânticas? E como, além disso, você poderia determinar se o spin era uma quantidade contínua capaz de assumir qualquer valor, como o Universo clássico previa, ou se era inerentemente quântico por natureza, com apenas valores discretos específicos que poderia assumir?

Stern percebeu que, se você tivesse um campo magnético que apontasse em uma direção específica que fosse perpendicular à direção em que essa partícula giratória e carregada estivesse se movendo, o campo desviaria a partícula de acordo com seu momento magnético, que estaria relacionado ao seu spin. . Uma partícula sem qualquer spin não defletiria, mas uma partícula com spin (positivo ou negativo) seria defletida ao longo da direção do campo magnético.

Se o spin fosse quantizado e discreto, você veria apenas locais específicos onde essas partículas, todas se movendo na mesma velocidade, pousariam. Mas se o spin fosse clássico e contínuo, essas partículas poderiam pousar em qualquer lugar.

Um feixe de partículas disparado através de um ímã pode produzir resultados quânticos e discretos (5) para o momento angular de rotação das partículas ou, alternativamente, valores clássicos e contínuos (4). Esse experimento, conhecido como experimento de Stern-Gerlach, demonstrou vários fenômenos quânticos importantes. (THERESA KNOTT / TATOUTE OF WIKIMEDIA COMMONS)

Em 1922, o físico Walther Gerlach pôs à prova as ideias de Stern, concebendo o que hoje é conhecido como o Experiência Stern-Gerlach . Gerlach começou montando um eletroímã em torno de um feixe de átomos de prata, que eram fáceis de acelerar a uma velocidade uniforme. Com o eletroímã desligado, todos os átomos de prata pousaram no mesmo local em um detector do outro lado do ímã. Quando o ímã foi aumentado e ligado, o feixe se dividiu em dois: com metade dos átomos desviados ao longo da direção do campo magnético e metade desviados em oposição ao campo magnético. Como sabemos hoje, isso corresponde a spins de +½ e -½, alinhados ou antialinhados com o campo magnético.

Esse experimento inicial foi suficiente para provar que o spin existia e que era quantizado em valores discretos. Mas o que veio a seguir realmente demonstraria o poder da mecânica quântica de destruir informações previamente conhecidas. Quando você passa esses átomos de prata através de um aparelho de Stern-Gerlach com o campo ligado, o feixe de átomos se divide em dois, correspondendo a spins em cada uma das duas direções permitidas.

O que, então, aconteceria se você passasse uma dessas duas metades do feixe através outro Experiência Stern-Gerlach?

Quando você dispara partículas através de um experimento de Stern-Gerlach, o campo magnético fará com que elas se dividam em várias direções, correspondendo aos estados possivelmente permitidos para o momento angular de rotação. Quando você aplica um segundo aparato de Stern-Gerlach na mesma direção, não ocorre mais nenhuma divisão, pois essa propriedade quântica já foi determinada. (CLARA-KATE JONES / MJASK DO WIKIMEDIA COMMONS)

A resposta, talvez surpreendente, é que depende de qual direção seu ímã está orientado. Se o seu aparelho Stern-Gerlach original fosse orientado, digamos, no x -direção, você obteria uma divisão onde algumas das partículas foram desviadas na direção + x direção e outros foram desviados no - x direção. Agora, vamos apenas salvar o + x partículas. Se você os passar por outro ímã que também esteja orientado na x -direção, as partículas não se dividirão; todos eles serão orientados no + x direção ainda.

Mas se você orientou seu segundo campo magnético no e -direção em vez disso, você acharia algo um pouco surpreendente. O feixe de partículas que originalmente tinha um + x orientação agora dividida ao longo do e -direção, com meia deflexão no + e direção e a outra metade se desviando na direção – e direção.

Agora, é aqui que ocorre o momento crítico: o que acontece se você salvar, por exemplo, apenas o + e partículas, e passá-los mais uma vez através de um campo magnético orientado na x -direção?

Quando você passa um conjunto de partículas através de um único ímã de Stern-Gerlach, elas defletem de acordo com sua rotação. Se você passar por um segundo ímã perpendicular, eles se dividirão novamente na nova direção. Se você voltar para a primeira direção com um terceiro ímã, eles se dividirão novamente, provando que as informações previamente determinadas foram randomizadas pela medição mais recente. (CLARA-KATE JONES/ MJASK DO WIKIMEDIA COMMONS)

Mais uma vez, assim como fizeram inicialmente, eles se dividiram em + x e - x instruções. Quando você os passou por esse segundo campo magnético, em uma direção diferente (ortogonal) do primeiro campo magnético, você destruiu as informações obtidas em sua primeira medição. Como entendemos hoje, as três diferentes direções possíveis para o momento angular de rotação - a x , e , e com direções - todos não se deslocam entre si. Fazer uma medição quântica de um tipo de variável realmente destrói qualquer informação anterior sobre suas variáveis ​​conjugadas.

Múltiplos experimentos sucessivos de Stern-Gerlach, que dividem partículas quânticas ao longo de um eixo de acordo com seus spins, causarão mais divisão magnética em direções perpendiculares à medida mais recente, mas nenhuma divisão adicional na mesma direção. (FRANCESCO VERSACI DA WIKIMEDIA COMMONS)

O experimento Stern-Gerlach passou a ter implicações duradouras. Em 1927, foi demonstrado que essa divisão ocorre mesmo para átomos de hidrogênio, mostrando que o hidrogênio tem um momento magnético diferente de zero. Os próprios núcleos atômicos têm um momento angular quantizado intrínseco a eles e também se dividem em um aparelho semelhante a Stern-Gerlach. Ao variar o campo magnético ao longo do tempo, os cientistas descobriram como forçar o momento magnético a entrar em um estado ou outro, com transições de estado capazes de serem induzidas por um campo variável no tempo. Isso levou ao nascimento da ressonância magnética, ainda usada de forma onipresente nas modernas máquinas de ressonância magnética, com aplicações subsequentes da transição chave levando também aos relógios atômicos.

Um moderno scanner de ressonância magnética clínica de alto campo. As máquinas de ressonância magnética são o maior uso médico ou científico de hélio hoje e fazem uso de transições de spin quântico em partículas subatômicas. A física por trás deles foi descoberta em 1937, onde campos variantes no tempo foram descobertos pela primeira vez para induzir a oscilação de Rabi. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KASUGAHUANG)

O ato de medição e observação parece que não deve afetar o resultado, pois é uma ideia verdadeiramente absurda que observar um sistema pode alterar suas propriedades. Mas no universo quântico, isso não apenas ocorre, mas foi demonstrado antes que a teoria fosse totalmente compreendida. Se você medir o spin de uma partícula em uma direção, destruirá qualquer informação obtida anteriormente sobre as outras duas direções. Mesmo se você os tivesse medido anteriormente e os conhecesse exatamente, o ato de fazer essa nova medição fundamentalmente apaga (ou randomiza) qualquer informação que você obteve anteriormente.

Quando muitos físicos ouvem pela primeira vez a piada de Einstein sobre como Deus não joga dados com o Universo, este é o primeiro experimento que eles deveriam pensar como um contra-exemplo. Não importa o quão bem você acha que entende a realidade – não importa o quão precisamente ou precisamente você a mede de várias maneiras – o ato de fazer qualquer nova medição irá intrinsecamente randomizar algumas das informações que você havia fixado antes de sua medição. Fazer essa nova medição realmente destrói informações antigas, e tudo o que você precisa é de um ímã e algumas partículas para provar que isso é verdade.


Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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