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O legado de Einstein-Bohr: podemos descobrir o que a teoria quântica significa?

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• A estranheza da teoria quântica vai de encontro ao que experimentamos em nossas vidas cotidianas.
• A estranheza quântica rapidamente criou uma divisão na comunidade da física, cada lado defendido por um gigante: Albert Einstein e Niels Bohr.
• Como mostram dois livros recentes que defendem visões opostas, o debate ainda continua quase um século depois. Cada 'resolução' vem com um preço alto.

Albert Einstein e Niels Bohr, dois gigantes de 20^ºciência do século, defendia visões de mundo muito diferentes.

Para Einstein, o mundo era, em última análise, racional. As coisas tinham que fazer sentido. Eles devem ser quantificáveis ​​e exprimíveis por meio de uma cadeia lógica de interações de causa e efeito, desde o que experimentamos em nossas vidas cotidianas até as profundezas da realidade. Para Bohr, não tínhamos o direito de esperar tal ordem ou racionalidade. A natureza, em seu nível mais profundo, não precisa seguir nenhuma de nossas expectativas de determinismo bem-comportado. As coisas podem ser estranhas e não determinísticas, desde que se tornem mais parecidas com o que esperamos quando viajamos do mundo dos átomos para o mundo das árvores, sapos e carros. Bohr dividiu o mundo em dois reinos, o familiar mundo clássico e o desconhecido mundo quântico. Eles devem ser complementares entre si, mas com propriedades muito diferentes.

Os dois cientistas passaram décadas discutindo sobre o impacto da física quântica na natureza da realidade. Cada um tinha grupos de físicos como seguidores, todos eles próprios gigantes. O grupo de negadores da estranheza quântica de Einstein incluía os pioneiros da física quântica Max Planck, Louis de Broglie e Erwin Schrödinger, enquanto o grupo de Bohr tinha Werner Heisenberg (famoso pelo princípio da incerteza), Max Born, Wolfgang Pauli e Paul Dirac.

Quase um século depois, o debate continua.

Einstein vs. Bohr, Redux

Dois livros - um de autoria de Sean Carroll e publicado no outono passado e outro publicado muito recentemente e de autoria de Carlo Rovelli – ilustram perfeitamente como os principais físicos atuais ainda não conseguem chegar a um acordo com a natureza da realidade quântica. As posições opostas ainda ecoam, embora com muitas reviravoltas modernas e atualizações experimentais, o debate original Einstein-Bohr.

Albert Einstein e Niels Bohr, dois gigantes da ciência do século 20, defendiam visões de mundo muito diferentes.

Eu resumi a disputa em andamento em meu livro A Ilha do Conhecimento : As equações da física quântica são uma ferramenta computacional que usamos para dar sentido aos resultados dos experimentos (Bohr), ou deveriam ser uma representação realista da realidade quântica (Einstein)? Em outras palavras, as equações da teoria quântica são como as coisas realmente são ou apenas um mapa útil?

Einstein acreditava que a teoria quântica, tal como era nas décadas de 1930 e 1940, era uma descrição incompleta do mundo dos muito pequenos. Tinha que haver um nível subjacente de realidade, ainda desconhecido para nós, que dava sentido a toda a sua estranheza. De Broglie e, mais tarde, David Bohm, propuseram uma extensão da teoria quântica conhecida como teoria da variável oculta que tentou preencher a lacuna. Foi uma tentativa brilhante de apaziguar o desejo que Einstein e seus seguidores tinham de um mundo natural ordenado, previsível e razoável. O preço – e toda tentativa de lidar com o problema de descobrir a teoria quântica tem um preço – era que todo o universo tinha que participar na determinação do comportamento de cada elétron e de todas as outras partículas quânticas, implicando a existência de um estranha ordem cósmica .

Mais tarde, na década de 1960, o físico John Bell provou um teorema que testou essas ideias. Uma série de experimentos notáveis ​​iniciados na década de 1970 e ainda em andamento refutaram essencialmente a hipótese de Broglie-Bohm, pelo menos se restringirmos suas ideias ao que poderíamos chamar de razoáveis, isto é, teorias que têm interações e causas locais. A onipresença – o que os físicos chamam de não-localidade – é uma pílula difícil de engolir na física.

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No entanto, o fenômeno quântico da superposição insiste em manter as coisas estranhas. Aqui está uma maneira de imaginar a superposição quântica. Em uma espécie de estado de sonho psicodélico, imagine que você tem um closet mágico cheio de camisas idênticas, a única diferença entre elas é a cor. O que há de mágico nesse armário? Bem, ao entrar neste armário, você se divide em cópias idênticas de si mesmo, cada um vestindo uma camisa de uma cor diferente. Há um você de camisa azul, outro vermelho, outro branco, etc., todos coexistindo alegremente. Mas assim que você sai do armário ou alguém ou alguma coisa abre a porta, apenas um você sai, vestindo uma única camisa. Dentro do armário, você está em um estado de superposição com seus outros eus. Mas no mundo real, aquele onde os outros te veem, existe apenas uma cópia sua, vestindo uma única camisa. A questão é se a superposição interna dos muitos vocês é tão real quanto o você que emerge do lado de fora.

Para Einstein, o mundo era, em última análise, racional... Para Bohr, não tínhamos o direito de esperar tal ordem ou racionalidade.

A (versão moderna da) equipe de Einstein diria que sim. As equações da física quântica devem ser tomadas como a descrição real do que está acontecendo, e se elas predizem superposição, que assim seja. A chamada função de onda que descreve essa superposição é uma parte essencial da realidade física. Este ponto é mais dramaticamente exposto pela interpretação de muitos mundos da física quântica, defendida no livro de Carroll. Para essa interpretação, a realidade é ainda mais estranha: o armário tem muitas portas, cada uma para um universo diferente. Uma vez que você sai, todas as suas cópias saem juntas, cada uma em um universo paralelo. Então, se acontecer de eu ver você vestindo uma camisa azul neste universo, em outro, eu verei você vestindo uma vermelha. O preço da interpretação de muitos mundos é aceitar a existência de um número incontável de universos paralelos não comunicantes que encenam todas as possibilidades a partir de um estado de superstição. Em um universo paralelo, não houve pandemia de COVID-19. Não muito reconfortante.

A equipe de Bohm diria para aceitar as coisas como elas são. Se você saiu do armário e alguém viu você vestindo uma camisa de uma determinada cor, então é essa. Período. A estranheza de seus muitos eus superpostos permanece escondida no armário quântico. Rovelli defende sua versão dessa visão de mundo, chamada de interpretação relacional, na qual os eventos são definidos pelas interações entre os objetos envolvidos, sejam eles observadores ou não. Neste exemplo, a cor da sua camisa é a propriedade em jogo e, quando a vejo, estou enredado com essa sua camisa específica. Poderia ser de outra cor, mas não foi. Como Rovelli coloca, Emaranhamento... é a manifestação de um objeto para outro, no curso de uma interação, na qual as propriedades dos objetos se tornam reais. O preço a pagar aqui é desistir da esperança de realmente entender o que acontece no mundo quântico. O que medimos é o que obtemos e tudo o que podemos dizer sobre isso.

Em que devemos acreditar?

Tanto Carroll quanto Rovelli são mestres expositores da ciência para o público em geral, sendo Rovelli o mais lírico da dupla.

Não há nenhuma resolução a ser esperada, é claro. Eu, por exemplo, estou mais inclinado à visão de mundo de Bohr e, portanto, à de Rovelli, embora a interpretação que eu mais simpatiza, chamada QBismo , não é devidamente explicado em nenhum dos livros. É muito mais próximo em espírito do de Rovelli, na medida em que as relações são essenciais, mas coloca o observador no centro do palco, já que a informação é o que importa no final. (Embora, como Rovelli reconhece, informação seja uma palavra carregada.)

Criamos teorias como mapas para nós, observadores humanos, darmos sentido à realidade. Mas na excitação da pesquisa, tendemos a esquecer o simples fato de que teorias e modelos não são a natureza, mas nossas representações da natureza. A menos que alimentemos esperanças de que nossas teorias sejam realmente como o mundo é (o campo de Einstein) e não como nós humanos o descrevemos (o campo de Bohr), por que deveríamos esperar muito mais do que isso?

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