Nossa linguagem é inadequada para descrever a realidade quântica
O mundo quântico – e sua incerteza inerente – desafia nossa capacidade de descrevê-lo em palavras.
- No mundo do quantum, o observador desempenha um papel crucial na determinação da natureza física do que está sendo observado. Perde-se a noção de uma realidade objetiva.
- O progresso nesse campo bizarro só poderia ser feito por meio de abordagens radicalmente novas. A cognoscibilidade — isto é, a possibilidade de ter conhecimento absoluto de algo — é impossível.
- Embora a matemática seja incrivelmente clara, a linguagem é incapaz de descrever a realidade quântica.
Este é o quinto de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.
“Só Deus sabe que absurdo aparente pode não ser amanhã uma verdade demonstrada.”
Foi assim que o grande matemático e filósofo Alfred North Whitehead expressou sua frustração com o ataque de estranheza vindo da emergente física quântica. Ele escreveu isso em 1925, quando as coisas estavam ficando realmente estranhas. No momento, luz tinha sido mostrado para ser partícula e onda , e Niels Bohr apresentou um estranho modelo do átomo que mostrou como os elétrons estavam presos em suas órbitas. Eles só podiam pular de uma órbita para outra emitindo fótons para ir para uma órbita inferior ou absorvendo-os para ir para uma órbita superior. Os fótons, por sua vez, eram partículas de luz que Einstein conjecturou existirem em 1905. Elétrons e luz dançavam em uma melodia única.
Quando Whitehead falou, a dualidade onda-partícula da luz tinha acabado de ser estendido para a matéria . Ao tentar entender o átomo de Bohr, Louis De Broglie propôs em 1924 que os elétrons também eram onda e partícula, e que eles se encaixavam em suas órbitas atômicas como ondas estacionárias – do tipo que você obtém vibrando uma corda com uma extremidade fixa. Tudo ondula, então, embora a ondulação dos objetos rapidamente se torne menos aparente com o aumento do tamanho. Para os elétrons, essa ondulação é crucial. É muito menos importante, digamos, uma bola de beisebol.
libertação quântica
Dois aspectos fundamentais da teoria quântica surgem dessa discussão e são radicalmente diferentes do raciocínio clássico tradicional.
Primeiro, as imagens que construímos em nossas mentes quando tentamos retratar a luz ou partículas de matéria não são apropriadas. A própria linguagem luta para abordar a realidade quântica, uma vez que se limita a verbalizações dessas imagens mentais. Como o grande físico alemão Werner Heisenberg escreveu , “Queremos falar de alguma forma sobre a estrutura dos átomos e não apenas sobre os 'fatos'... Mas não podemos falar sobre os átomos em linguagem comum.”
Em segundo lugar, o observador não é mais um jogador passivo na descrição dos fenômenos naturais. Se a luz e a matéria se comportam como partículas ou ondas, dependendo de como montamos o experimento, não podemos separar o observador do que está sendo observado.
No mundo do quantum, o observador desempenha um papel crucial na determinação da natureza física do que está sendo observado. A noção de uma realidade objetiva, existindo independentemente de um observador – um dado na física clássica e mesmo na teoria da relatividade – está perdida. Até certo ponto, isso é controverso; o mundo lá fora, pelo menos dentro do reino do muito pequeno, é o que escolhemos que seja. Richard Feynman disse melhor :
“As coisas em uma escala muito pequena se comportam como nada sobre o qual você tenha uma experiência direta. Eles não se comportam como ondas, não se comportam como partículas, não se comportam como nuvens, bolas de bilhar, pesos sobre molas ou qualquer coisa que você já tenha visto.”
Dada a natureza bizarra do mundo quântico, o progresso só poderia ser feito por meio de abordagens radicalmente novas. No intervalo de dois anos na década de 1920, uma nova teoria do quantum foi inventada. Isso era a mecânica quântica, que podia descrever o comportamento dos átomos e suas transições sem invocar imagens clássicas como bolas de bilhar e sistemas solares em miniatura. Em 1925, Heisenberg produziu sua notável “mecânica matricial”, uma maneira completamente nova de descrever fenômenos físicos.
A construção de Heisenberg foi uma libertação brilhante das limitações impostas pelas imagens de inspiração clássica. Não incluía partículas ou órbitas, apenas números que descreviam as transições eletrônicas nos átomos. Infelizmente, também era notoriamente difícil de calcular – mesmo para o átomo mais simples, o hidrogênio. Entra outro jovem físico brilhante. (Havia muitos deles naquela época, todos na casa dos 20 anos e sob a tutela de Bohr.) O austríaco Wolfgang Pauli mostrou como a mecânica matricial poderia ser usada para obter os mesmos resultados do modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio. Em outras palavras, o mundo quântico exigia um modo de descrição completamente estranho à nossa intuição cotidiana.
A única certeza é a incerteza
Em 1927, Heisenberg seguiu sua nova mecânica com um avanço profundo na natureza da física quântica, distanciando-a ainda mais da física clássica. Este é o famoso Princípio da incerteza . Ele afirma que não podemos conhecer os valores de certos pares de variáveis físicas (como posição e velocidade, ou melhor, momento) com precisão arbitrária. Se tentarmos melhorar nossa medida de um dos dois, o outro se tornará mais impreciso. Observe que essa limitação não se deve ao ato de observar, como às vezes se diz. Heisenberg, tentando criar uma imagem para explicar a matemática do Princípio da Incerteza, afirmou que se, digamos, iluminarmos um objeto para ver onde ele está, a própria luz o afastará e sua posição será imprecisa. Ou seja, o ato de observar interfere naquilo que é observado.
Embora isso seja verdade, não é a origem da incerteza quântica. A incerteza está embutida na natureza dos sistemas quânticos, uma expressão da indescritível dualidade onda-partícula. Quanto menor o objeto - isto é, quanto mais localizado ele estiver no espaço - maior será a incerteza em seu momento.
Novamente, a questão aqui é explicar em palavras um comportamento para o qual não temos intuição. A matemática, no entanto, é muito clara e eficaz. No mundo dos muito pequenos, tudo é confuso. Não podemos atribuir formas a objetos desse mundo como estamos acostumados a fazer com o mundo ao nosso redor. Os valores das quantidades físicas desses objetos - valores como posição, momento ou energia - não são cognoscíveis além de um nível ditado pela relação de Heisenberg.
A cognoscibilidade, entendida aqui como a possibilidade de se ter conhecimento absoluto de algo, torna-se mais tênue do que a abstração no mundo quântico. Torna-se uma impossibilidade. Para os interessados, a expressão de Heisenberg para posição e momento de um objeto é ∆x ∆p ≥ h/4π, onde ∆x e ∆p são os desvio padrão de posição x e momento p, e h é constante de Planck . Se você tentar diminuir ∆x, ou seja, aumentar seu conhecimento de onde o objeto está no espaço, você diminuir seu conhecimento de seu momento. (Em objetos que se movem lentamente em relação à luz, o momento é apenas mv, massa vezes a velocidade.)
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A incerteza quântica foi um golpe devastador para aqueles que acreditavam que a ciência poderia fornecer uma descrição determinista do mundo: que a ação A causa a reação B. Planck, Einstein e de Broglie estavam incrédulos. Assim como Schrödinger, o herói da descrição ondulatória da física quântica, que abordaremos na próxima semana. A natureza poderia ser tão absurda? Afinal, a relação de Heisenberg estava dizendo ao mundo que, mesmo que você conhecesse a posição inicial e o momento de um objeto com precisão infinita, não seria capaz de prever seu comportamento futuro. O determinismo, a pedra angular da visão de mundo clássica da mecânica, de planetas orbitando estrelas, de objetos caindo previsivelmente no chão, de ondas de luz se propagando no espaço e refletindo em superfícies, teve que ser abandonado em favor de uma descrição probabilística da realidade.
Aqui é onde a verdadeira diversão começa. É quando as visões de mundo de gigantes como Einstein e Bohr se chocam em meio ao novo domínio da incerteza sobre a natureza da realidade. Cerca de um século atrás, o mundo, ou pelo menos nossa compreensão dele, tornou-se algo completamente diferente. E a revolução quântica estava apenas começando.
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