O fantasma quântico de Einstein veio para ficar

Para Einstein, a natureza tinha que ser racional. Mas a física quântica nos mostrou que nem sempre havia uma maneira de fazer isso.
Crédito: Annelisa Leinbach, Artnivora / Adobe Stock
Principais conclusões
  • Einstein morreu recusando-se a acreditar que a estranheza quântica fosse uma propriedade da natureza. Ele viu um mundo que era racional, com as coisas tendo uma realidade própria.
  • Niels Bohr respondeu que a maneira quântica veio para ficar.
  • Por trás de sua disputa épica havia uma questão fundamental: os segredos mais profundos da natureza poderiam ser desconhecidos para nós?
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Este é o oitavo de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.



Os cientistas têm visões de mundo. Isso não é muito surpreendente, visto que eles são humanos e os humanos têm visões de mundo. Você tem uma maneira de pensar sobre política, religião, ciência e sobre o futuro, e essa maneira de pensar informa como você se move no mundo e as escolhas que faz.

Costuma-se dizer que você conhece as verdadeiras cores de alguém vendo como eles respondem a uma ameaça. Essa ameaça pode ser de muitos tipos diferentes, desde o arrombamento de sua casa até uma ameaça intelectual contra seu sistema de crenças. Nas últimas semanas , exploramos como a física quântica mudou o mundo, observando sua história inicial e o estranho novo mundo de leis e regras inesperadas que ditam o que acontece no nível de moléculas e componentes materiais menores. Hoje, veremos como essa nova ciência impactou a visão de mundo de alguns de seus próprios criadores, especialmente Albert Einstein e Erwin Schrödinger. O que estava em jogo para esses físicos era nada menos que a verdadeira natureza da realidade.



A perda de sentido

Em uma carta a Schrödinger de dezembro de 1950, Einstein escreveu:

“Se alguém quiser considerar a teoria quântica como final (em princípio), então deve-se acreditar que uma descrição mais completa seria inútil porque não haveria leis para isso. Se assim fosse, então a física só poderia reivindicar o interesse de lojistas e engenheiros; a coisa toda seria uma bagunça miserável.

Até o fim de sua vida, Einstein não conseguiu se resignar à nova visão de mundo vinda da física quântica – aquele conjunto de crenças que nos dizia, em essência, que a realidade era apenas parcialmente cognoscível para nós, humanos, e que o próprio núcleo da natureza era escondidos de nossos poderes de raciocínio. Werner de Heisenberg Princípio da incerteza selou o destino da física determinista. Ao contrário de uma pedra caindo, ou um planeta orbitando uma estrela, no mundo quântico só podemos conhecer o começo e o fim de uma história. Tudo no meio é incognoscível.



O físico Richard Feynman criou uma bela forma de expressar esse fato bizarro com seu caminho abordagem integral para a física quântica . Na formulação de Feynman, para calcular a probabilidade de uma partícula começar aqui e terminar ali, você deve somar todos os caminhos disponíveis que ela pode seguir até aquele fim. Cada caminho é possível e cada um tem uma probabilidade de ser o único. Mas ao contrário de uma rocha caindo ou um planeta que orbita uma estrela, não podemos saber qual caminho a partícula segue. A própria noção de caminho entre dois pontos perde o sentido.

Einstein não aceitaria nada disso. Para ele, a natureza tinha que ser racional, o que significa que tinha que ser passível de uma descrição que fizesse sentido. Ao fazer sentido, ele quis dizer que um objeto seguia um comportamento causal simples. Ele acreditava que a física quântica estava perdendo algo essencial e descobrir que algo restauraria a sanidade da física.

Então, em 1935, com os colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen — juntos eles ficaram conhecidos como EPR — Einstein publicou um papel tentando expor os absurdos da mecânica quântica. O título diz tudo: “A descrição da mecânica quântica da realidade física pode ser considerada completa?”

EPR reconheceu que a física quântica funcionou, pois poderia explicar os resultados dos experimentos com grande precisão. O problema deles era com o integridade da descrição quântica do mundo.



Eles propuseram um critério operacional para determinar os elementos de nossa realidade física percebida: eram aquelas quantidades físicas que podiam ser previstas com certeza (uma probabilidade de um) e sem perturbar o sistema. Em outras palavras, deve haver uma realidade física totalmente independente de como a sondamos. Por exemplo, sua altura e peso são elementos da realidade física. Eles podem ser medidos com certeza, pelo menos dentro da precisão do dispositivo de medição. Eles também podem ser medidos simultaneamente, pelo menos em princípio, sem qualquer interferência mútua. Você não ganha ou perde peso quando sua altura é medida.

Quando os efeitos quânticos dominam, essa independência clara não é possível para certos pares de quantidades muito importantes, conforme expresso no princípio da incerteza de Heisenberg. EPR rejeitou isso. Eles não podiam aceitar que o ato de medição comprometesse a noção de uma realidade independente do observador. O ato de medir cria a realidade de uma partícula estar em um determinado local no espaço, de acordo com a mecânica quântica, mas EPR achou essa ideia absurda. O que é real não deve depender de quem ou o que está olhando, eles insistiam.

Muitos especialistas erram o APE, mas Christopher Fuchs forneceu uma explicação inestimável de seus argumentos. Para ilustrar seu argumento, o EPR considerou um par de partículas idênticas, digamos A e B, movendo-se na mesma velocidade, mas em direções opostas. As propriedades físicas das partículas foram fixadas quando elas interagiram por um certo tempo antes de se afastarem umas das outras. Digamos que um detector meça a posição da partícula A. Como as partículas têm as mesmas velocidades, podemos inferir, sem perturbá-lo, onde a partícula B deve estar. Como alternativa, poderíamos ter escolhido medir o momento da partícula A. Nesse caso, poderíamos inferir o momento da partícula B sem perturbá-la.

Cada configuração experimental nos fornece informações sobre a posição ou momento de B sem medir diretamente e perturbar a partícula. Assim, EPR concluiu, essas duas propriedades devem ser elementos da realidade física, mesmo que a física quântica insista que não poderíamos conhecê-las antes de medir. Ou seja, as partículas têm essas propriedades antes de serem medidas. Claramente, argumentou EPR, a mecânica quântica deve ser uma teoria incompleta da realidade física. Eles fecharam o artigo esperando que uma teoria melhor (mais completa) restaurasse o realismo à física.

Niels Bohr, o campeão da visão de mundo de que a física quântica é estranha e tudo bem, respondeu em seis semanas. Bohr invocou sua noção de complementaridade , que afirma que no mundo quântico não podemos separar o que é detectado do detector. A interação da partícula com o detector induz uma incerteza na partícula, mas também no detector, uma vez que os dois estão correlacionados. O ato de medição, então, estabelece a propriedade medida da partícula de maneiras imprevisíveis. Antes da medição, não podemos dizer que a partícula tinha qualquer propriedade. Sendo este o caso, também não podemos atribuir realidade física a esta propriedade no sentido que EPR definiu.



Como Bohr escreve,

“A interação finita entre objeto e agências de medição acarreta a necessidade de renúncia final do ideal clássico de causalidade e uma revisão radical de nossa atitude em relação ao problema da realidade física.”

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Em essência, uma partícula só adquire uma propriedade concreta, como posição ou momento, devido à sua interação com um aparelho de medição. Antes da medição, não podemos dizer nada sobre essa partícula. Portanto, não podemos dizer nada sobre a realidade física da partícula antes que ela interaja com algo.

O fantasma quântico de Einstein

Einstein queria uma realidade que fosse cognoscível até o nível quântico. Bohr insistiu que não havia razão para esperar isso. Por que o mundo dos muito pequenos deve obedecer a princípios semelhantes ao mundo a que estamos acostumados? Schrödinger também estava chateado. Em resposta ao artigo de Bohr, ele escreveu o seu próprio, onde apresentou seu famoso gato, que logo conheceremos.

A peça que falta para ligar os pontos aqui é a noção de emaranhamento , um conceito chave na física quântica. É uma ideia muito difícil de engolir, afirmar que dois ou mais objetos podem ser conectados ou emaranhados de maneiras que desafiam o espaço e o tempo. Nesse caso, saber algo sobre um item de um par nos dirá algo sobre o outro, mesmo antes de alguém medi-lo. E isso acontece instantaneamente, ou pelo menos mais rápido do que a luz poderia ter viajado entre os dois. Isso foi o que Einstein chamou de “ação assustadora à distância”. Podemos ver de onde ele estava vindo. Ele havia exorcizado espetacularmente a ação à distância da gravidade newtoniana, mostrando que a atração da gravidade poderia ser explicada como o resultado de uma geometria curva do espaço-tempo em torno de um objeto massivo. Einstein queria fazer o mesmo para a física quântica. Mas o fantasma quântico, agora sabemos, veio para ficar. Veremos por que da próxima vez.

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