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O maior legado de Einstein

Como os demônios e anjos de nossas maiores mentes avançaram a ciência.

Crédito da imagem: Luis Royo Fantasy Art, via usuário do Photobucket mikenolan78.

Quando a maioria das pessoas pensa em Einstein, pensa em suas grandes realizações: Relatividade Especial e Geral, E = mc^2, o efeito fotoelétrico e o emaranhamento quântico. No entanto, nenhum deles é seu maior legado, nem mesmo as fatias de seu cérebro são usadas para avançar nossa compreensão da neurociência. Em vez disso, seu maior legado é simplesmente uma palavra: experimento mental , alemão para experimento mental.

Einstein, como nenhum outro físico antes ou depois dele, demonstrou como o poder do pensamento humano sozinho, usado com habilidade, pode nos permitir considerar experimentos que nunca poderiam ser realizados na prática. Essa linha de pensamento, esses experimentos realizados apenas em nossa imaginação, mostraram que nós, pequenos humanos, muitas vezes temos o poder de deduzir equações que governam o mundo natural apenas por dedução lógica.

Crédito da imagem: Abstruse Goose, via http://abstrusegoose.com/384 .

Os experimentos mentais são comuns na física teórica hoje. Os físicos os usam para examinar as consequências de uma teoria além do que é mensurável com a tecnologia existente, mas ainda dentro do domínio do que é, em princípio, mensurável pela experimentação. Um experimento mental leva uma teoria ao seu limite e, assim, pode revelar inconsistências ou novos efeitos. As regras do jogo são duplas:

1. O que é relevante é só que o que é mensurável, e
2. Você não deve se enganar.

Isso não é tão fácil quanto parece.

Crédito da imagem: Foxtrot por Bill Amend.

O famoso Experimento Einstein-Podolsky-Rosen foi uma tal exploração das consequências de uma teoria - neste caso, a mecânica quântica - usando apenas o pensamento. Em um artigo seminal de 1935, os três físicos mostraram que a interpretação padrão de Copenhague da mecânica quântica tem uma consequência peculiar: ela permite a existência de partículas emaranhadas.

Partículas emaranhadas têm propriedades mensuráveis ​​(por exemplo, spin) que são correlacionadas entre duas partículas. Esta correlação existe mesmo que o valor para cada partícula não seja determinado enquanto não forem medidos. Por exemplo, você pode saber que se uma partícula tem spin para cima a outra tem spin para baixo ou vice-versa, mas não sabe qual é qual. A consequência é que se uma dessas partículas é medida, o estado da outra muda instantaneamente . No momento em que você mede uma partícula com spin para cima, a outra deve ter spin para baixo, mesmo que, de acordo com a interpretação de Copenhague, não tenha anteriormente nenhum valor de spin específico.

Einstein acreditava que essa ação 'assustadora' à distância deve ser um absurdo, levando a décadas de discussão. John Stewart Bell posteriormente quantificou exatamente como as partículas emaranhadas são mais fortemente correlacionadas do que as partículas clássicas jamais poderiam ser. De acordo com o teorema de Bell, o emaranhamento quântico pode violar uma desigualdade que limita as correlações clássicas.

Quando eu era estudante, os testes do teorema de Bell ainda eram experimentos mentais. Hoje, eles são experimentos reais, e sabemos, sem sombra de dúvida, que existe emaranhamento quântico. Está na base da informação quântica e das tecnologias computacionais quânticas, e as chances são fortes de que as principais tecnologias das próximas gerações se baseiem no experimento mental de Einstein, Podolsky e Rosen.

Crédito da imagem: usuários do Wikimedia commons Markus Poessel e Pbroks1 3.

Outro famoso experimento mental é O elevador de Einstein sendo acelerado por um anjo. Einstein argumentou que, para um observador dentro do elevador, não se pode dizer, por qualquer medida possível, se o elevador está em repouso em um campo gravitacional ou está sendo puxado para cima com aceleração constante. Este princípio de equivalência significa que localmente (no elevador) os efeitos da gravitação são os mesmos da aceleração na ausência de gravidade. Convertido em equações matemáticas, torna-se a base da Relatividade Geral.

Einstein também gostava de imaginar perseguindo fótons e ele parece ter passado muito tempo pensando em trens e espelhos e assim por diante, mas vejamos os pensamentos de alguns outros físicos.

Antes de Einstein e do advento da mecânica quântica, Laplace imaginou um onisciente capaz de medir as posições e velocidades de todas as partículas do universo. Ele concluiu, corretamente, que baseado na mecânica newtoniana este ser, denominado Demônio de Laplace , seria capaz de prever o futuro perfeitamente para todos os tempos. Laplace não conhecia naquela época o princípio da incerteza de Heisenberg e tampouco conhecia o caos, ambos prejudicando a previsibilidade. No entanto, seus pensamentos sobre o determinismo foram extremamente influentes e levaram à ideia de um universo mecânico, e nossa compreensão da ciência uma ferramenta de previsão em geral.

Crédito da imagem: Um novo exorcismo baseado em volume de fase do demônio de Maxwell em John D. Norton, All Shook Up: Flutuações, o Demônio de Maxwell e a Termodinâmica da Computação , Entropia , 15 (2013).

Laplace não é o único demônio famoso da física. Maxwell também imaginou um demônio, capaz de separar partículas de um gás em compartimentos dependendo da velocidade das partículas. A tarefa de O demônio de Maxwell era abrir e fechar uma porta ligando duas caixas que contêm gás que inicialmente tem a mesma temperatura em ambos os lados. Toda vez que uma partícula rápida se aproxima da direita, o demônio a deixa passar pela esquerda. Toda vez que uma partícula lenta chega da direita, o demônio fecha a porta e a mantém direita. Desta forma, a energia média das partículas e, portanto, a temperatura na caixa da esquerda aumenta e a entropia de todo o sistema diminui. Assim, o demônio de Maxwell parecia violar a segunda lei da termodinâmica!

O demônio de Maxwell deu dores de cabeça aos físicos por muitas décadas até que finalmente foi entendido que o próprio demônio deve aumentar sua entropia ou usar energia enquanto mede, armazena e, eventualmente, apaga informações. Não foi até alguns anos atrás que o demônio de Maxwell foi de fato realizado em laboratório .

Crédito da imagem: Arte conceitual da NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et ai.; ESA.

Um experimento mental que ainda dá dores de cabeça aos físicos teóricos hoje é o paradoxo da perda de informação do buraco negro. Se você combinar a relatividade geral e a teoria quântica de campos, cada uma das quais é uma teoria extremamente bem estabelecida, descobrirá que os buracos negros evaporam. Você também descobre, no entanto, que esse processo não é reversível; destrói a informação para sempre. No entanto, isso não pode acontecer na teoria quântica de campos e, portanto, enfrentamos uma inconsistência lógica ao combinar as duas teorias. Não pode ser assim que a natureza funciona, então devemos estar cometendo um erro. Mas quando e onde estamos enganados?

Existem muitas soluções propostas para o problema de perda de informação do buraco negro. A maioria dos meus colegas acredita que precisamos de uma teoria quântica da gravidade para resolver esse problema e que a inconsistência ocorre usando a relatividade geral em um regime em que ela não deveria mais ser usada. Os experimentos de pensamento projetados para resolver o problema normalmente usam um par imaginário de observadores, Bob e Alice, um dos quais infelizmente tem que pular no buraco negro enquanto o outro permanece do lado de fora.

Crédito da imagem: NASA / Dana Berr.

Uma das tentativas de solução mais populares atualmente é a complementaridade do buraco negro. Proposta em 1993 por Susskind e Thorlacius, a complementaridade dos buracos negros se baseia nas principais regras do experimento Gedanken: que o que importa é apenas o que pode ser medido, e você não deve se enganar. Pode-se evitar a perda de informações em buracos negros copiando informações e deixando-as cair no buraco negro e sair. Uma cópia fica com Bob, outra fica com Alice. Copiar informações quânticas, no entanto, é inconsistente com a teoria quântica. Susskind e Thorlacius apontaram que esses desacordos não seriam mensuráveis ​​por Bob ou Alice e, portanto, nenhuma inconsistência poderia surgir.

A complementaridade do buraco negro foi proposta antes que a dualidade AdS/CFT fosse conjecturada, e sua popularidade despertou quando se descobriu que a presença duplicada de informação (não localmente) parecia se encaixar bem com as dualidades que surgiram na teoria das cordas.

Crédito da imagem: lordphenix2002 do photobucket.

Recentemente, porém, ficou claro que esta solução proposta tem seus próprios problemas porque parece violar o princípio da equivalência. O observador que cruza o horizonte não deve perceber nada de incomum ali. Deveria ser como sentar naquele elevador sendo puxado por um anjo. Infelizmente, a complementaridade dos buracos negros parece implicar a presença de um firewall que assaria o observador desavisado em seu elevador. Este firewall é real ou estamos cometendo um erro novamente? Uma vez que a solução para este problema promete compreender a natureza quântica do espaço e do tempo, muito esforço se concentrou em resolvê-lo.

Sim, o legado de experimentos mentais de Einstein pesa muito sobre os físicos teóricos de hoje, talvez demais às vezes. Os pensamentos de Einstein foram baseados em experimentos reais. Ele tinha os experimentos de Michelson-Morley que refutavam o éter; ele teve a precessão do periélio de Mercúrio; ele tinha as medidas da lei de radiação de Planck. Pensamento sozinho só consegue um até agora. No final, ainda são os dados que decidem se um pensamento, por mais profundo que seja, pode se tornar relevante para a realidade ou permanecer estritamente uma fantasia.

Este post foi escrito por Sabine Hossenfelder , professor assistente de física na Nordita. Ela tweeta em @skdh , e você deve segui-la.

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