Mistério quântico: as coisas só existem quando interagimos com elas?
A equação central da mecânica quântica, a equação de Schrödinger, é diferente das equações encontradas na física clássica.
- Quanto mais os físicos entendiam a natureza da mecânica quântica, mais bizarra ela se tornava.
- Houve drama e luta sem fim enquanto as pessoas tentavam digerir o que suas teorias estavam dizendo.
- No fundo de tudo isso está a questão perene: podemos realmente descobrir a natureza da realidade?
Este é o sétimo de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.
Talvez a coisa mais estranha sobre o mundo quântico seja que a noção de objeto desmorona. Fora do mundo das moléculas, átomos e partículas elementares, temos uma imagem muito clara de um objeto como algo que podemos contemplar. Isso se aplica a uma porta, um carro, um planeta e um grão de areia. Passando para coisas menores, o conceito ainda vale para uma célula, um vírus e uma grande biomolécula como o DNA. Mas é aqui, ao nível das moléculas e das distâncias inferiores a um bilionésimo de metro, mais ou menos, que começam os problemas. Se continuarmos nos movendo para distâncias cada vez menores e continuarmos a perguntar quais são os objetos que existem, a física quântica entra em ação. As “coisas” tornam-se confusas, suas formas pouco claras e seus limites incertos. Os objetos evaporam em nuvens, tão indescritíveis em seus contornos quanto as palavras são para descrevê-los. Ainda podemos pensar nos cristais como sendo feitos de átomos arranjados em certos padrões – como nosso familiar sal de cozinha, que é feito de redes cúbicas de átomos de sódio e cloro.
Mas mergulhe nos próprios átomos e imagens simples evaporam em uma nuvem de perplexidade.
A oscilação quântica
O físico alemão Werner Heisenberg atribuiu essa imprecisão a uma propriedade inerente da matéria que ele descreveu com o que chamou de Princípio da incerteza . Simplificando, o princípio afirma que não podemos identificar a posição de um objeto com precisão arbitrária. Quanto mais tentamos determinar onde ele está, mais elusivo ele se torna, pois a incerteza em sua velocidade aumenta. Esse efeito é insignificante para objetos maiores como um ser humano, um grão de areia ou até mesmo uma grande biomolécula. Mas torna-se crucial quando olhamos para coisas menores, como um átomo ou um elétron. Podemos dizer com certeza que “sim, minha caneta está aqui neste lugar na minha mesa”. Na verdade, até essa afirmação é uma aproximação, pois tudo mexe. Mas a oscilação é tão pequena para objetos maiores que podemos negligenciá-la. Mas define o que significa ser um elétron, um próton ou um fóton.
Essa imprecisão foi um golpe terrível para muitos dos arquitetos da física quântica, incluindo Erwin Schrödinger, Albert Einstein, Max Planck e Louis de Broglie. Esses físicos brilhantes eram uma espécie de velha guarda da visão quântica. Eles se esforçaram para trazer as noções clássicas de determinismo de volta à cena. Mas os elétrons saltam de uma órbita para outra nos átomos. Não são bolinhas movendo-se em torno do núcleo atômico como a Lua em torno da Terra. Eram nuvens de probabilidade. A nova mecânica quântica previu coisas, mas nunca as determinou.
A frustração de Schrödinger explodiu em um altercação quando ele visitou Niels Bohr em Copenhague:
Schrödinger: Se ainda vamos ter que aturar esses malditos saltos quânticos, sinto muito por ter tido algo a ver com a teoria quântica.
Bohr: Mas o resto de nós somos muito gratos por isso, e sua mecânica ondulatória em sua clareza e simplicidade matemática é um progresso gigantesco em relação às formas anteriores da mecânica quântica.
A frustração de Schrödinger levou a um colapso nervoso. E embora a Sra. Bohr mostrasse alguma compaixão por Schrödinger enquanto ele estava doente na cama, o Prof. Bohr não mostrou nenhuma misericórdia. Ele continuou bombardeando o enfraquecido Erwin com argumentos em apoio à realidade dos saltos quânticos.
Bohr e seus seguidores venceram. A noção aconchegante e concreta de um objeto mudou. A noção de um nebuloso objeto quântico tomou conta, ainda que se assente claramente numa expressão paradoxal. Um objeto quântico só é uma coisa quando os observadores ou suas máquinas pedem que seja. Pensadores radicais como Pascual Jordan continuariam afirmando que as coisas quânticas só existem quando interagimos com elas.
A razão do mistério
Um cínico pode descartar tudo isso como uma perda de tempo. 'Quem se importa? O que importa é o que observamos no laboratório, não o que algo ‘é’”, eles podem dizer. “A física é sobre dados, não sobre especulações metafísicas.”
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feiraNosso cínico tem razão. Se tudo o que importa são os dados, então realmente não importa o que acontece com um elétron antes que algum dispositivo o detecte. A matemática da mecânica quântica funciona incrivelmente bem como um preditor do que esses dados deveriam ser. Não lhe dará certeza, mas lhe dará previsões probabilísticas confiáveis.
A razão do mistério é que a equação central da mecânica quântica, a equação de Schrödinger , é diferente das equações usuais encontradas na física clássica. Quando você deseja calcular o caminho que uma pedra seguirá ao ser lançada, a equação de Newton descreverá como a posição da pedra muda com o tempo desde sua posição inicial até seu ponto de repouso final. Você esperaria que a equação para o movimento de um elétron também descrevesse como sua posição muda com o tempo. Mas isso não acontece.
Na verdade, não há nenhum elétron na equação de Schrödinger. Em vez disso, há o elétron função de onda . Este é o objeto quântico que encapsula a imprecisão. Por si só não tem um significado. O que tem significado é seu valor ao quadrado — seu valor absoluto, pois é uma função complexa. Este valor emite as probabilidades de que o elétron se encontre nesta ou naquela posição no espaço quando for detectado. A função de onda é uma superposição de possibilidades. Todos os caminhos possíveis que levam a diferentes resultados estão lá. Mas uma vez que a medição é feita, apenas uma posição prevalece.
Uma luta essencial no mundo da física
Esta é a essência da superposição quântica: ela contém todos os resultados possíveis, cada um com uma certa probabilidade de ser realizado após a medição. É por isso que as pessoas dizem que o elétron “não está em lugar nenhum” antes de ser medido. Não há nenhuma equação para dar-lhe uma localização precisa. Antes de ser medido, ele está em todos os lugares em que pode receber as restrições de sua situação - fatores como as forças que interagem com ele e o número de dimensões nas quais ele se move. A mecânica quântica conta uma história que tem apenas um começo e um fim. Tudo no meio da trama está embaçado.
A questão então é o que fazer com isso. Poderíamos assumir nossa posição cínica e adotar a abordagem pragmática de que tudo o que importa é o resultado das medições. Muitos físicos estão felizes com isso. Mas se você acredita que a ciência deve ver mais profundamente a natureza da realidade, você vai querer saber mais. Você vai querer ter certeza de que não há nenhum segredo escondido atrás das probabilidades da mecânica quântica. Você desejará investigar mais profundamente, esperando encontrar a fonte oculta da imprecisão quântica, a razão dessa aparente perda de poder determinístico na física. Era isso que Einstein, Schrödinger, de Broglie e, mais tarde, David Bohm queriam. As apostas eram altas, para descobrir a verdadeira essência da realidade. Enquanto isso, Bohr, Heisenberg, Jordan, Pauli e outros diziam às pessoas que aceitassem a estranha natureza do quantum. Uma luta estava prestes a começar entre visões de mundo conflitantes. É uma luta que continua até hoje, e é para lá que iremos a seguir.
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