Como a melhor alternativa ao fantasma quântico falhou
Muitos ainda se apegam à ideia de que vivemos em um Universo determinístico, apesar da natureza da física quântica. Agora, a interpretação 'menos assustador' não funciona mais.
A ideia de que dois quanta podem ser instantaneamente emaranhados um com o outro, mesmo em grandes distâncias, é frequentemente considerada a parte mais assustadora da física quântica. Se a realidade fosse fundamentalmente determinista e governada por variáveis ocultas, essa assombro poderia ser removida. Infelizmente, todas as tentativas de acabar com esse tipo de estranheza quântica falharam. (Crédito: Alan Stonebraker/American Physical Society)
Principais conclusões- Até a descoberta da radioatividade e da física quântica, pensava-se que cada partícula e interação obedecia a equações completamente determinísticas.
- A mecânica quântica só pode produzir uma distribuição de probabilidade indeterminada de resultados. Ele não pode dizer o que vem a seguir.
- A principal interpretação determinística, envolvendo variáveis ocultas, é chamada de mecânica de Bohm. Sua única previsão distinta foi apenas falsificada.
Ao longo de toda a história, houve uma suposição subjacente, mas tácita, sobre as leis que governam o Universo: se você conhece informações suficientes sobre um sistema, pode prever com precisão como esse sistema se comportará no futuro. A suposição é, em outras palavras, determinística. As equações clássicas do movimento – as leis de Newton – são completamente deterministas. As leis da gravidade, tanto as de Newton quanto as de Einstein, são determinísticas. Até as equações de Maxwell, que governam a eletricidade e o magnetismo, também são 100% determinísticas.
Mas essa imagem do Universo virou de cabeça para baixo com uma série de descobertas que começaram no final de 1800. Começando com a radioatividade e o decaimento radioativo, a humanidade lentamente descobriu a natureza quântica da realidade, lançando dúvidas sobre a ideia de que vivemos em um Universo determinístico. Preditivamente, muitos aspectos da realidade só poderiam ser discutidos de forma estatística: onde um conjunto de resultados prováveis poderia ser apresentado, mas qual ocorreria, e quando, não poderia ser estabelecido com precisão. A esperança de evitar a necessidade do fantasma quântico foi defendida por muitos, incluindo Einstein, com a alternativa mais convincente ao determinismo apresentada por Louis de Broglie e David Bohm. Décadas depois, a mecânica bohmiana foi finalmente submetida a um teste experimental, onde falhou espetacularmente. Veja como a melhor alternativa para a natureza assustadora da realidade simplesmente não resistiu.
Talvez o mais assustador de todos os experimentos quânticos seja o experimento da fenda dupla. Quando uma partícula passa pela dupla fenda, ela pousará em uma região cujas probabilidades são definidas por um padrão de interferência. Com muitas dessas observações plotadas juntas, o padrão de interferência pode ser visto se o experimento for realizado corretamente. ( Crédito : Thierry Dugnolle/Wikimedia Commons)
Existem todos os tipos de experimentos que podemos realizar que ilustram a natureza indeterminada de nossa realidade quântica.
- Coloque um número de átomos radioativos em um recipiente e espere um determinado período de tempo. Quando você observa seu recipiente mais tarde, você pode prever quantos átomos permanecem versus quantos decaíram, em média, mas você não pode prever quais decairão versus quais permanecerão.
- Dispare uma série de partículas através de uma fenda dupla estreitamente espaçada e você poderá prever que tipo de padrão de interferência surgirá na tela atrás dela. No entanto, para cada partícula, mesmo quando você é capaz de enviá-las através das fendas uma de cada vez, você não pode prever – exceto puramente probabilisticamente – onde cada uma irá pousar.
- Passe uma série de partículas (que possuem spin quântico) através de um campo magnético e observe metade delas desviando para cima e metade para baixo na direção do campo. Se você os passar por outro ímã orientado da mesma maneira, os que subiram ainda subirão e os que desceram ainda descerão, a menos que você os passe por um ímã intermediário orientado em uma das duas direções perpendiculares. Se você fizer isso, o feixe se dividirá novamente e os giros das partículas na direção original serão re-aleatorizados mais uma vez, sem nenhuma maneira de determinar de que maneira elas se dividirão quando você as passar pelo ímã final.
Quando uma partícula com spin quântico passa por um ímã direcional, ela se divide em pelo menos 2 direções, dependendo da orientação do spin. Se outro ímã for configurado na mesma direção, nenhuma outra divisão ocorrerá. No entanto, se um terceiro ímã for inserido entre os dois em uma direção perpendicular, não apenas as partículas se dividirão na nova direção, mas a informação que você obteve sobre a direção original será destruída, deixando as partículas se dividirem novamente quando passarem. o ímã final. ( Crédito : MJasK/Wikimedia Commons)
A lista de experimentos que exibem esse tipo de estranheza ou estranheza quântica é longa, e esses exemplos estão longe de ser exaustivos. Esse comportamento inerentemente quântico aparece em todos os tipos de sistemas físicos, tanto para partículas individuais quanto para sistemas complexos de partículas, sob uma variedade de condições. Embora os físicos tenham sido capazes de escrever as regras e equações que governam esses sistemas quânticos, incluindo o Princípio de Exclusão de Pauli, o Princípio da Incerteza de Heisenberg, a equação de Schrõdinger e muitos mais, o fato é que apenas um conjunto de condições e resultados prováveis podem ser previsto na ausência de uma medição.
De alguma forma, em sistemas quânticos, o ato de fazer uma medição parecia ser um fator muito importante, contrariando a ideia de que habitamos uma espécie de realidade independente que era independente do observador. Propriedades de um sistema físico que antes eram tratadas como intrínsecas e imutáveis – como posição, momento, momento angular ou mesmo a energia de uma partícula – eram subitamente conhecidas apenas com uma certa precisão. Além disso, o ato de medir essas propriedades, que exigia uma interação com outro quantum de algum tipo, altera fundamentalmente, ou talvez até determina, esses valores, ao mesmo tempo em que aumenta o indeterminismo e/ou incertezas de outros parâmetros mensuráveis.
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. Cada vez que você mede com precisão uma, você garante uma incerteza maior na quantidade complementar correspondente. ( Crédito : Maschen/Wikimedia Commons)
A ideia central por trás do que agora chamamos de Interpretação de Copenhague da mecânica quântica, que é a maneira padrão que os alunos de física são ensinados a conceber o universo quântico, é que nada é certo até aquele momento crítico em que ocorre uma observação. Tudo o que não pode ser calculado exatamente a partir do que já é conhecido é descrito por algum tipo de função de onda – uma onda que codifica um continuum de resultados possíveis mais prováveis e menos prováveis – até o momento crítico em que uma medição é feita. Nesse preciso instante, a descrição da função de onda é substituída por uma única realidade agora determinada: o que alguns descrevem como um colapso da função de onda.
Era esse nível de estranheza, ou assombro, que era tão censurável para muitos. Einstein foi talvez o mais famoso. Ele ficou horrorizado com a ideia de que de alguma forma a realidade era aleatória por natureza, e que os efeitos poderiam ocorrer – como um membro de um par de átomos idênticos decaindo enquanto o outro não – sem causa identificável . De muitas maneiras, essa posição foi resumida em uma famosa observação atribuída a Einstein, Deus não joga dados com o Universo. Embora o próprio Einstein nunca tenha apresentado uma alternativa, um de seus contemporâneos (e de Bohr) teve uma ideia de como a realidade poderia funcionar: Louis de Broglie.
A ideia de uma onda de de Broglie é que cada partícula de matéria também pode apresentar comportamento ondulatório, com as propriedades da onda dadas por quantidades como momento e energia do sistema. Tudo, de elétrons a seres humanos, se comporta como uma onda nas condições adequadas. ( Crédito : Maschen/Wikimedia Commons)
Nos primórdios da mecânica quântica, de Broglie ganhou fama por mostrar que não era simplesmente a luz que possuía uma natureza dupla de ser simultaneamente semelhante a uma onda e a uma partícula, mas que a própria matéria possui uma natureza semelhante a uma onda quando submetida a as condições quânticas adequadas. Sua fórmula para calcular o comprimento de onda das ondas de matéria ainda é amplamente usada hoje e, para De Broglie, é porque deveríamos tomar a natureza dual dos quanta literalmente.
Na versão da física quântica de de Broglie, sempre havia partículas concretas, com posições definidas (mas nem sempre bem medidas), que são guiadas pelo espaço por essas funções de onda da mecânica quântica, que ele chamou de ondas piloto. Embora a versão da física quântica de de Broglie não pudesse descrever sistemas com mais de uma partícula e sofresse com o desafio de não ser capaz de medir ou identificar precisamente o que havia de físico na onda piloto, ela representava uma alternativa interessante à interpretação de Copenhague.
Em vez de ser governado pelas estranhas regras do fantasma quântico, havia uma realidade oculta subjacente que era completamente determinista. Muitas das ideias de de Broglie foram expandidas por outros pesquisadores, que procuraram descobrir uma alternativa menos assustadora para a realidade quântica que gerações de estudantes, sem alternativa superior, foram obrigadas a aceitar.
Esta ilustração genérica de tunelamento quântico assume que há uma barreira alta, fina, mas finita, separando uma função de onda quântica de um lado do eixo x do outro. Embora a maior parte da função de onda e, portanto, a probabilidade do campo/partícula para o qual é um proxy, reflita e permaneça no lado original, há uma probabilidade finita e diferente de zero de tunelamento para o outro lado da barreira. Este fenômeno deve ser explicável em todas as interpretações da mecânica quântica. ( Crédito : Yuvalr/Wikimedia Commons)
Talvez a extensão mais famosa tenha sido cortesia do físico David Bohm, que na década de 1950 desenvolveu sua própria interpretação da física quântica: a teoria de Broglie-Bohm (ou onda piloto) . A equação de onda subjacente, nesta ideia, é a mesma que a equação de Schrõdinger convencional, como na interpretação de Copenhague. No entanto, também há uma equação orientadora que atua na função de onda, e propriedades como a posição de uma partícula podem ser extraídas da relação dessa equação guia. É uma interpretação explicitamente causal, determinista, com uma não-localidade fundamental.
Mas essa interpretação apresentava suas próprias dificuldades. Por um lado, você não pode recuperar a dinâmica clássica usando essa teoria de onda piloto; de Newton F = m para não descreve a dinâmica de uma partícula. Na verdade, a própria partícula não afeta a função de onda de forma alguma; em vez disso, a função de onda descreve o campo de velocidade de cada partícula ou sistema de partículas, e você precisa aplicar a equação guia apropriada para descobrir exatamente onde a partícula está e como seu movimento é afetado por qualquer coisa que esteja exercendo uma força sobre ela.
Quando uma bola flutua sobre um rio, seu caminho seguirá a corrente do rio, mas sua inércia também determinará sua trajetória. Como resultado, normalmente leva apenas um curto período de tempo antes de acabar em uma das margens da água: perto da costa. (Crédito: pxfuel)
De muitas maneiras, a teoria da onda piloto foi mais um contra-exemplo interessante para a afirmação de que nenhuma teoria de variável oculta poderia reproduzir o sucesso do indeterminismo quântico. Poderia, como a teoria da onda piloto de Bohm ilustrou, mas ao custo de uma não-localidade fundamental e da difícil noção de ter que extrair propriedades físicas de uma equação guia, cujos resultados não são necessariamente fáceis de trabalhar.
Considere o seguinte exemplo: uma partícula, como uma bola, flutuando no topo de um rio. Na mecânica newtoniana, o que acontece com a bola é simples: a bola tem massa, o que significa que tem inércia, e isso significa que segue a primeira e a segunda leis de Newton. Este objeto em movimento permanecerá em movimento a menos que seja atuado por uma força externa. Se for acionado por uma força externa, ele acelera por meio dessa famosa equação, F = m para . À medida que a bola viaja rio abaixo, as voltas e reviravoltas do rio farão com que a água flua rio abaixo, mas rapidamente conduzirá a bola para uma margem do rio ou outra. A inércia é o princípio orientador por trás do movimento da bola flutuante.
Mas na mecânica bohmiana, o fluxo do rio determina a evolução da função de onda, que deve ficar preferencialmente no centro do rio. Isso mostra a dificuldade conceitual com a teoria da onda piloto: se você quer que sua partícula navegue na função de onda como um surfista – como de Broglie imaginou originalmente – você tem que passar por uma variedade de contorções retorcidas para obter de volta as previsões básicas de que estamos todos familiarizados com a mecânica clássica.
Como uma alternativa à estranheza quântica ou assustadora, onde um quantum se comporta como uma onda até que você o meça, onde ele se comporta como uma partícula, a interpretação da onda piloto afirma que a partícula é como um surfista no topo das ondas que sustentam o sistema. No entanto, qualquer interpretação que faça essas afirmações deve concordar com os experimentos: uma tarefa difícil. ( Crédito : Dan Harris/MIT)
Como a interpretação perfeitamente válida de Copenhague demonstrou há muito tempo, no entanto, só porque algo é contra-intuitivo ou mesmo ilógico não significa que seja incorreto. O comportamento físico é muitas vezes mais bizarro do que esperávamos, e é por isso que devemos sempre confrontar nossas previsões com a dura realidade dos experimentos.
Em 2006, os físicos Yves Couder e Emmanuel Fort começaram a rebater uma gota de óleo sobre um banho de fluido vibrante feito desse mesmo óleo, recriando o análogo do experimento quântico de dupla fenda. À medida que a onda desce pelo tanque e se aproxima das duas fendas, a gota salta sobre as ondas e é guiada através de uma fenda ou outra pelas ondas. Quando muitas gotículas passaram pelas fendas e um padrão estatístico surgiu, descobriu-se que ele reproduzia exatamente as previsões padrão da mecânica quântica.
Em 2013, uma equipe expandida liderada por John Bush no MIT aproveitou a mesma técnica para testar um sistema quântico diferente: confinando elétrons em uma área circular semelhante a um curral por um anel de íons. Para a surpresa de muitos, com um limite adequadamente configurado, os padrões de onda subjacentes produzidos são complexos, mas a trajetória da(s) gota(s) em cima deles, de fato, segue um padrão determinado pelo comprimento de onda das ondas. , de acordo com as previsões quânticas que as fundamentam.
Ondas de superfície com uma gota saltitante confinada em uma área circular refletem umas nas outras, produzindo ondulações que orientam a gota em uma trajetória não aleatória que possui muitos dos aspectos da mecânica quântica. ( Crédito : Dan Harris/MIT)
O que parecia ser aleatório, nesses experimentos, não era realmente aleatório, mas forneceu uma confirmação emocionante das ideias da teoria da onda piloto.
E então tudo desmoronou.
Normalmente, o experimento da fenda dupla só fornece o padrão de interferência alardeado se você não medir por qual das duas fendas a partícula passa. Em escalas quânticas, a instalação de um detector nas próprias fendas informa por qual fenda cada partícula passa, mas destrói o padrão de interferência. Você simplesmente pega duas pilhas de partículas do outro lado, com cada pilha correspondendo a uma das duas fendas.
Dentro O experimento original de 2006 de Couder e Fort , eles colocaram 75 gotículas saltitantes separadas através das fendas, onde poderiam observar por qual fenda cada gota passava - enquanto também registravam o padrão de onde elas pousavam na tela - encontrando o padrão de interferência necessário. Se isso se confirmasse, pareceria confirmar que, talvez, realmente pudesse haver essas variáveis ocultas subjacentes ao que parecia ser uma realidade quântica indeterminada.
E então as tentativas de reprodução vieram . E eis que, assim que o caminho através de uma das duas fendas foi destacado por cada gota, os caminhos que a partícula percorre se afastam do que a mecânica quântica prevê. Não houve padrão de interferência e verificou-se que a obra original continha alguns erros que foram corrigidos na tentativa de reprodução. Como concluem os autores do estudo de 2015 que refuta o trabalho de Couder e Fort:
Mostramos que a dinâmica partícula-onda resultante pode capturar algumas características da mecânica quântica, como a quantização orbital. No entanto, a dinâmica partícula-onda não pode reproduzir a mecânica quântica em geral, e mostramos que a estatística de partícula única para nosso modelo em um experimento de dupla fenda com uma placa divisora adicional difere qualitativamente da mecânica quântica.
Uma superfície de óleo vibrante com uma gota quicando sobre ela parecerá reproduzir vários aspectos da mecânica quântica, mas mostrou apresentar diferenças fundamentais em relação à verdadeira teoria quântica. O experimento da dupla fenda, importante, não pode ser reproduzido por esse sistema analógico quântico. ( Crédito : A. Andersen et ai., Phys. Rev. E, 2015)
É claro que discutir se a realidade é verdadeiramente acausal, verdadeiramente indeterminada ou sem variáveis ocultas equivale a jogar um jogo interminável de bater na toupeira. Qualquer afirmação específica que possa ser testada sempre pode ser descartada, mas pode ser substituída por uma afirmação mais complexa, até então não testável, que ainda pretende ter quaisquer aspectos (ou combinação de aspectos) que se deseje. Ainda assim, ao montar nossa imagem da realidade, é importante ter certeza de que não escolhemos ideologicamente uma que entre em conflito com os experimentos que podemos realizar.
Podemos não ter a resposta certa para a questão de como o Universo funciona, mas derrubamos um tremendo número de pretendentes do trono. Se suas previsões não concordam com os experimentos, sua teoria está errada, não importa quão popular ou bonita ela seja. Ainda não descartamos todas as possíveis encarnações da mecânica bohmiana, ou teorias de ondas piloto, ou interpretações da mecânica quântica que tenham variáveis ocultas. Talvez nunca seja possível fazê-lo. No entanto, toda tentativa de construir uma teoria que concorde com o experimento requer algum nível de assombro quântico que simplesmente não pode ser eliminado. A alternativa menos assustadora agora foi falsificado , como uma realidade única e concreta não pode descrever tudo o que observamos e medimos.
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