Feliz aniversário para o teste que mostrou 'Deus joga dados' com o universo

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. (MELISSA MEISTER, DE FÓTONS LASER ATRAVÉS DE UM DIVISOR DE FEIXE)

Em 27 de setembro de 1972, os cientistas realizaram o primeiro teste da desigualdade de Bell. Afinal, Deus joga dados com o Universo.


Um dos aspectos mais intrigantes e contra-intuitivos da física quântica é a aparente ligação entre determinismo e medição. Faça uma medição precisa do estado quântico de sua partícula – de seu spin, sua posição ou por qual fenda ela passou – e você determinará exatamente essa propriedade. Escolha não fazer essa medição, e essa propriedade é indeterminada. Medir ou não medir, surpreendentemente, leva a diferentes resultados experimentais.



Isso pode estar certo? Poderia haver uma aleatoriedade fundamental no Universo: um indeterminismo inerente à própria natureza? Por gerações, os cientistas argumentaram se a capacidade de prever apenas probabilidades de resultados significava que a mecânica quântica estava incompleta. Havia mais na natureza do que tudo o que podemos ver? Aqui está a história de como, por meio de experimentos inteligentemente projetados e cuidadosamente executados, aprendemos a resposta.





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. (WIKIMEDIA COMMONS / PATRICK EDWIN MORAN)

O emaranhamento quântico é a ideia de que você pode criar duas partículas mecânicas quânticas com propriedades vinculadas, mas indeterminadas. Se você tiver apenas uma das partículas, ela parecerá se comportar exatamente como uma única partícula quântica deveria se comportar: agindo como uma onda ou partícula conforme apropriado, com propriedades determinadas ou indeterminadas de acordo com seu histórico de medição. Se você tiver ambas as partículas, no entanto – ou se você tiver uma e outro observador tiver a outra – você descobrirá que os resultados de uma não são completamente independentes dos resultados da outra. Mesmo que você os separe a uma distância arbitrária e faça medições simultaneamente (em qualquer quadro de referência específico), os resultados ainda exibirão essas correlações quânticas.



Isso é o que Einstein chamou de ação assustadora à distância.



Niels Bohr e Albert Einstein, discutindo muitos tópicos na casa de Paul Ehrenfest em 1925. Os debates Bohr-Einstein foram uma das ocorrências mais influentes durante o desenvolvimento da mecânica quântica. Hoje, Bohr é mais conhecido por suas contribuições quânticas, mas Einstein é mais conhecido por suas contribuições para a relatividade e equivalência massa-energia. (PAUL EHRENFEST)

A estranheza é esta: se você medir uma partícula, determinará seu estado quântico a partir de uma série de possibilidades potenciais. Mas você também determina (ou, pelo menos, restringe) o resultado da outra partícula, instantaneamente, mesmo que essa partícula esteja localizada em algum lugar distante no Universo.



Se isso soa como uma violação da relatividade para você, você não está sozinho. Essa foi a parte mais preocupante da física quântica para Einstein, o descobridor da relatividade. A informação não é transmitida de uma partícula para outra, mas as correlações ainda são reais. Mesmo se você fizer essas medições mais rápido do que a relatividade permitiria que um sinal fosse transmitido, os efeitos do emaranhamento aparecerão de qualquer maneira.

Se duas partículas estão emaranhadas, elas têm propriedades de função de onda complementares, e a medição de uma determina as propriedades da outra. (USUÁRIO DA WIKIMEDIA COMMONS DAVID KORYAGIN)



A grande esperança de Einstein (e outros), ao apontar esse quebra-cabeça, era que a mecânica quântica pudesse se mostrar incompleta. Talvez, subjacente à realidade, houvesse variáveis ​​que não podíamos ver que determinavam esses estados quânticos aparentemente indeterminados, e esse paradoxo nos levaria até lá. Einstein, com seus colaboradores Boris Podolsky e Nathan Rosen, publicou um artigo científico quantificando a afirmação poética Deus não joga dados com o Universo.



Se houvesse variáveis ​​ocultas subjacentes à realidade, talvez elas pudessem ser a solução para esse enigma. A chave seria conceber um experimento capaz de determinar quais eram as previsões de uma realidade variável oculta e se e como ela era diferente da imagem quântica padrão.

Um fóton pode ter dois tipos de polarizações circulares, definidas arbitrariamente para que uma seja + e outra seja -. Ao elaborar um experimento para testar correlações entre a polarização direcional de partículas emaranhadas, pode-se tentar distinguir entre certas formulações da mecânica quântica que levam a resultados experimentais diferentes. (DAVE3457 / WIKIMEDIA COMMONS)



Em 1964, o físico John Stewart Bell projetou um experimento mental para resolver exatamente isso, usando pares de partículas emaranhadas. Se houvesse variáveis ​​ocultas que determinassem a realidade, elas obedeceriam a leis clássicas, em vez de leis quânticas. Bell foi o primeiro a quantificar como as previsões do realismo local e as previsões da mecânica quântica seriam diferentes, como mostrado por pares de partículas emaranhadas.

Usar um par não serviria; você teria que pegar uma grande amostra de pares e analisá-los estatisticamente. Mas, por exemplo, se você tentar medir os spins de polarização (+ ou -) de dois fótons emaranhados, as previsões para o realismo local e a mecânica quântica dependem do ângulo em que um polarizador de fótons está orientado. Mas suas dependências são ligeiramente diferentes umas das outras.



A melhor imitação realista local possível (vermelho) para a correlação quântica de dois spins no estado singleto (azul), insistindo na anti-correlação perfeita a zero graus, correlação perfeita a 180 graus. Existem muitas outras possibilidades para a correlação clássica sujeita a essas condições laterais, mas todas são caracterizadas por picos agudos (e vales) em 0, 180, 360 graus, e nenhuma tem valores mais extremos (+/-0,5) em 45, 135, 225, 315 graus. Esses valores são marcados por estrelas no gráfico e são os valores medidos em um experimento padrão do tipo Bell-CHSH. As previsões quânticas e clássicas podem ser claramente discernidas. (RICHARD GILL, 22 DE DEZEMBRO DE 2013, DESENHADO COM R)

O primeiro teste foi realizado em 27 de setembro de 1972, por Stuart J. Freedman e John F. Clauser. Embora o experimento que eles realizaram fosse uma versão um pouco mais primitiva do que os experimentos modernos, foi monumental por demonstrar que há, de fato, uma diferença nas previsões entre uma interpretação determinista, local e real para o que vemos como incerteza quântica em comparação com as previsões quânticas padrão.

Você ajusta seu polarizador para vários ângulos, envia muitos conjuntos de pares emaranhados para baixo e mede suas polarizações. As proporções dos quatro resultados possíveis (+ +, + -, — + e — -) permitem medir o quão correlacionados ou anticorrelacionados esses pares emaranhados são. Como os experimentos mostraram, a mecânica quântica está correta, e as variantes avançadas por Einstein e seus adeptos não estavam.

Em um teste de dois fótons da desigualdade de Bell, os fótons terão polarização circular positiva (+) ou negativa (-). Dependendo do ângulo do polarizador, a proporção dos quatro resultados possíveis (+ +, + -, — +, — -) mudará de forma previsível em função do ângulo. (MAKSIM/CSTAR OF WIKIMEDIA COMMONS)

Sim; até mesmo seus maiores heróis científicos podem estar errados, e podem estar espetacularmente errados também. As ideias científicas são avaliadas apenas pelo seu mérito, não pela influência de quem as apresentou.

A data, todos os testes de mecânica quântica têm sido consistentes com as previsões quânticas comuns, e não uma variante determinística. A confiança aumentou para mais de 99,999999% de que variáveis ​​ocultas locais são descartadas, e qualquer física nos bastidores deve ser incrivelmente contra-intuitiva para explicar o Universo que vemos hoje.

Uma variedade de interpretações quânticas e suas diferentes atribuições de uma variedade de propriedades. Apesar de suas diferenças, não há experimentos conhecidos que possam diferenciar essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ​​ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas. (PÁGINA DA WIKIPEDIA EM INGLÊS SOBRE INTERPRETAÇÕES DA MECÂNICA QUÂNTICA)

Mas a própria física quântica é contra-intuitiva. Falando em 1985, o próprio Bell discutiu uma possível forma de ter um Universo governado por variáveis ​​ocultas, conhecidas hoje como superdeterminismo :

Existe uma maneira de escapar da inferência de velocidades superluminais e ação assustadora à distância. Mas envolve determinismo absoluto no universo, a completa ausência de livre-arbítrio. Suponha que o mundo seja superdeterminista, com não apenas a natureza inanimada funcionando nos bastidores, mas com nosso comportamento, incluindo nossa crença de que somos livres para escolher fazer um experimento em vez de outro, absolutamente predeterminado, incluindo o ' decisão' do experimentador de realizar um conjunto de medições em vez de outro, a dificuldade desaparece. Não há necessidade de um sinal mais rápido que a luz para dizer à partícula A qual medição foi realizada na partícula B, porque o universo, incluindo a partícula A, já “sabe” qual será essa medição e seu resultado.

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. (CHAD ORZEL)

A mecânica quântica é uma das ideias filosoficamente mais profundas e contraintuitivas que a humanidade já encontrou. Ele resistiu ao teste do tempo não por causa de sua beleza, elegância ou natureza convincente da teoria, mas porque seus resultados concordam com o experimento. A física quântica só foi adotada com relutância por muitos cientistas por causa de quão divorciadas suas regras são não apenas de nossa própria experiência, mas de uma das grandes ideias da ciência: que podemos aprender as regras da natureza para fazer previsões precisas sobre nossa própria experiência. futuro. Há um limite fundamental para nossa capacidade preditiva, e a física quântica é o que dita esse limite.

Não é trabalho da física deixá-lo confortável com o Universo; seu papel é descrever a realidade. Nisso, a física quântica é um sucesso sem paralelo. Mas filosoficamente, o que Bohr disse todos aqueles anos atrás, Qualquer um que não esteja chocado com a teoria quântica não a entendeu, ainda é verdade.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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