O que o debate de Einstein e Bohr sobre o emaranhamento quântico nos ensinou sobre a realidade

A incerteza é inerente ao nosso Universo.
Crédito: Annelisa Leinbach, local_doctor / Adobe Stock
Principais conclusões
  • O mundo microscópico se comporta de maneira muito diferente do mundo que vemos ao nosso redor.
  • A ideia do emaranhamento quântico surgiu em um momento em que as maiores mentes do mundo debatiam se as menores partículas do mundo são governadas pelo acaso.
  • O Prêmio Nobel de Física de 2022 acaba de ser concedido pelo teste experimental da Desigualdade de Bell, mostrando que há uma incerteza embutida no Universo.
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Este é o primeiro de uma série de quatro artigos sobre como o emaranhamento quântico está mudando a tecnologia e como entendemos o Universo ao nosso redor.



A física não é apenas uma busca para prever como as coisas funcionam. É uma tentativa de entender a verdadeira natureza da realidade. Por milhares de anos, os físicos e astrônomos do mundo tentaram entender como as coisas se comportavam. No início dos anos 1900, os cientistas tentavam aplicar essas regras a partículas muito pequenas, como elétrons ou fótons.



Para sua surpresa, as regras que governavam o movimento de um planeta ou de uma bala de canhão não funcionavam nessas pequenas escalas. Em escalas microscópicas, a realidade operava de maneiras muito diferentes.



Essas partículas são governadas pela incerteza. Por exemplo, se você medir a posição de um elétron com precisão, perderá informações sobre seu momento. Os elétrons podem ir de um espaço para outro sem ocupar nenhum espaço entre eles. E o mais confuso: as partículas podem ter muitas propriedades ao mesmo tempo até serem medidas. De alguma forma, é o ato de medir que força a partícula a escolher um valor.

Hoje, vamos explorar uma faceta da mecânica quântica: o que acontece quando duas (ou mais) partículas são emaranhadas. Ao fazer isso, embarcaremos em uma busca para entender a verdadeira natureza da realidade.



O que são partículas emaranhadas?

Partículas emaranhadas compartilham uma ligação. Onde quer que um esteja no Universo, o outro terá propriedades relacionadas quando medido. Várias propriedades podem ser emaranhadas: rotação, momento, posição ou qualquer uma de uma série de outros observáveis. Por exemplo, se um fóton emaranhado for medido como spin up, seu par seria spin down. Em essência, eles compartilham o mesmo estado quântico.



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Existem várias maneiras de criar partículas emaranhadas. Por exemplo, você pode ter uma partícula com spin zero decaindo em duas partículas filhas. Como o spin deve ser conservado, um terá spin para cima enquanto o outro terá spin para baixo.

Formas quânticas

Para entender o mistério do emaranhamento quântico, vamos fazer um experimento mental onde as formas se comportam como partículas subatômicas e podem ser emaranhadas.



Neste exemplo, nossas formas podem ser perfeitamente redondas (um círculo), ser achatadas em um oval ou ficar completamente achatadas em uma linha reta. Eles também podem ter cor, em algum lugar no espectro entre vermelho e roxo.

Digamos que nossas formas fiquem emaranhadas. Enviamos um desses objetos quânticos emaranhados para Alice e outro para Bob. Ninguém no Universo, nem Alice, nem Bob, nem nós, sabe neste momento qual é a cor ou a forma.



Quando Alice recebe seu objeto, ela faz um teste para determinar a cor de seu objeto e descobre que é verde. A função de onda que define a cor do objeto entra em colapso e ele “decide” ser verde. Como ambas as nossas formas compartilham um estado quântico, quando Bob mede sua forma, ela também deve ser verde. Isso acontece instantaneamente, como se os objetos pudessem de alguma forma se comunicar com uma mensagem que viaja mais rápido que a velocidade da luz. Isso é verdade não importa onde Alice e Bob estejam no Universo.



Isso pode não ser muito estranho. Afinal, talvez esses objetos tenham decidido ser verdes quando estiveram em contato pela última vez, mas simplesmente não contaram a ninguém sobre isso.

Mas e se Bob medir a forma? Quando Alice e Bob escolhem aleatoriamente se querem medir a forma ou a cor, repetem seu experimento várias vezes e depois compartilham seus resultados, começamos a ver que algo estranho está acontecendo. O fato de haver uma escolha aleatória entre duas (ou mais) medidas é um ponto importante, e voltaremos a isso mais adiante.



Einstein vs. Bohr

Agora vamos voltar ao estado da física no início dos anos 1900, quando as maiores mentes da ciência estavam tentando formar a estrutura da física quântica. Em 1905, com sua explicação do efeito fotoelétrico, Einstein propôs que a luz, até então considerada uma onda, também pode ser descrito como uma partícula . Em 1924, De Broglie estendeu essa ideia – se uma onda de luz pudesse atuar como uma partícula – talvez partículas podem agir como ondas . Em 1926, Schrödinger apresentou um fórmula matemática para escrever a função de onda – como as propriedades de uma onda, como a posição, podem realmente ser descritas como um intervalo de posições. Nesse mesmo ano, Nasceu estendeu isso para mostrar que essas funções de onda ilustram a probabilidade de posição de uma partícula. Isso significa que a partícula não tem posição definida até que seja observada. Neste ponto, a função de onda “colapsa” à medida que a partícula escolhe um valor para se estabelecer.

No ano seguinte, em 1927, Heisenberg apresentou seu famoso Princípio da incerteza . O Princípio da Incerteza de Heisenberg afirma que existem certas combinações de variáveis ​​que estão entrelaçadas. Por exemplo, a posição e o momento de uma partícula estão conectados. Quanto mais cuidadosamente você medir a posição da partícula, menos conhecerá seu momento e vice-versa. Isso é algo embutido na física quântica e não depende da qualidade de sua instrumentação.



Quando muitas dessas grandes mentes reuniu-se em 1927 em Bruxelas , Bohr lançou uma bomba na comunidade de física. Ele apresentou uma nova ideia, que combinava muitas dessas facetas da física. Se a posição de uma partícula pode ser descrita como uma onda, e se esta onda pode ser descrita como probabilidade de posição, a combinação disso com o Princípio da Incerteza de Heisenberg levou à conclusão de que as propriedades das partículas não são predeterminadas, mas regidas pelo acaso. Esta incerteza é fundamental no tecido do Universo.

Einstein não gostou dessa ideia e a divulgou na conferência. Assim começou um debate ao longo da vida entre Einstein e Bohr sobre a verdadeira natureza da realidade.

'Deus não joga dados com o universo.' – Einstein protestou.

Ao que Bohr respondeu: “Pare de dizer a Deus o que fazer”.

Em 1933, Einstein, juntamente com seus colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen, publicou o Paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) . Usando nossa analogia de forma acima, a ideia básica era que se você tem duas formas que estão “emaranhadas” (embora eles não usem esse termo), medindo uma, você pode conhecer as propriedades da outra sem nunca observá-la. Essas formas não podem se comunicar mais rápido que a velocidade da luz (isso violaria a relatividade, eles argumentaram). Em vez disso, eles devem ter algum tipo de “variável oculta” – uma característica que eles decidiram quando se envolveram. Isso foi escondido do resto do mundo até que um deles foi observado.

Quem está certo, e quão estranho é o nosso Universo, realmente?

Com seu paradoxo EPR, Einstein, Podolsky e Rosen inadvertidamente introduziram a ideia de emaranhamento quântico no mundo. Esta ideia foi posteriormente nomeada e exposta por Schrödinger.

Então, o que o emaranhamento nos diz? Nossos objetos têm características predeterminadas com as quais eles “concordaram” de antemão, como forma e cor (variáveis ​​ocultas de Einstein)? Ou suas propriedades são determinadas no instante da medição, e de alguma forma são compartilhadas entre objetos emaranhados, mesmo que estejam em lados opostos do Universo (proposição de Bohr)?

Não foi até décadas mais tarde, em 1964, quando o físico John Steward Bell surgiu com uma maneira de testar quem está certo – Einstein ou Bohr. Isso foi posto à prova por vários experimentos, o primeiro dos quais apenas ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2022 .

Vai algo assim. Partículas subatômicas podem ter uma propriedade que chamamos de spin. A partícula não está realmente girando da mesma forma que um objeto macroscópico, mas podemos imaginá-la girando com girar para cima ou para baixo . Se duas partículas estão emaranhadas, para conservar o momento angular, elas devem ter spins anti-alinhados entre si. Essas partículas emaranhadas são enviadas para nossos dois observadores, Alice e Bob.

Alice e Bob agora medem o spin de suas partículas usando um filtro alinhado com o eixo do spin da partícula. Sempre que Alice encontra spin up, Bob deve encontrar spin down e vice-versa. Mas Bob e Alice podem escolher medir o giro em um ângulo diferente, e é aqui que as coisas ficam interessantes.

Vamos dar três opções a Alice e Bob – eles podem medir seu giro em 0 graus, 120 graus ou 240 graus.

De acordo com as variáveis ​​ocultas de Einstein, as partículas já decidiram se serão ou não medidas como spin para cima ou para baixo para cada um desses filtros. Vamos fingir que a partícula de Alice decide girar para cima por 0°, girar para baixo por 120° e girar para baixo por 240° (e o oposto para Bob). Podemos escrever isso como UDD para Alice e DUU para Bob. Para diferentes combinações de medidas, Alice e Bob encontrarão:

  • Alice mede 0°, Bob mede 0°: giros diferentes
  • Alice mede 0°, Bob mede 120°: mesmo giro
  • Alice mede 0°, Bob mede 240°: mesmo giro
  • Alice mede 120°, Bob mede 0°: mesmo giro
  • Alice mede 120°, Bob mede 120°: giros diferentes
  • Alice mede 120°, Bob mede 240°: giros diferentes
  • Alice mede 240°, Bob mede 0°: mesmo giro
  • Alice mede 240°, Bob mede 120°: giros diferentes
  • Alice mede 240°, Bob mede 240°: giros diferentes

Assim, em 5/9 das vezes, Alice e Bob fazem medições diferentes. (As outras combinações de escolha de spins nos dão matematicamente os mesmos resultados, exceto para UUU ou DDD, nesse caso, 100% das vezes os spins serão diferentes.) Então, por mais da metade das vezes, se Einstein estiver certo , um giro medido por Alice e Bob em uma direção aleatória deve ser diferente.

Mas Bohr veria as coisas de forma diferente. Neste caso, a direção de rotação não é predeterminada em cada ângulo. Em vez disso, o spin é determinado no instante em que é medido. Vamos começar com o caso em que Alice e Bob escolhem aleatoriamente medir o giro em 0°. Se Alice descobre que sua partícula tem spin para cima, então Bob deve descobrir que a dele tem spin para baixo. O mesmo que no caso de Einstein.

Mas Alice e Bob podem escolher medir o spin de suas partículas em ângulos diferentes. Qual é a probabilidade de Alice e Bob medirem spins diferentes?

Por exemplo, digamos que a partícula seria medida como “spin up” a 0°. Mas, em vez disso, fazemos nossa medição em um ângulo de 120° do eixo de rotação. Como a partícula não está girando no mesmo eixo que o filtro, ela tem ¼ de chance de ser registrada como spin down e ¾ de chance de ser registrada como spin up. Da mesma forma, também pode ser medido em um ângulo de 240°.

Como a direção de medição é escolhida aleatoriamente, Bob tem 2/3 de chance de medir o giro em um ângulo diferente de Alice. Digamos que ele escolha 120°. Ele tem ¾ de chance de medir a partícula com spin para baixo (lembre-se, se ele escolhesse 0°, ele teria 100% de chance de medir o spin para baixo.) 2/3 vezes ¾ é metade. Então, na metade das vezes, Alice e Bob devem encontrar partículas com spins opostos.

Se Einstein estiver certo, vemos medidas diferentes mais da metade das vezes. Se Bohr estiver certo, veremos que essas medidas são diferentes na metade do tempo. As duas previsões não concordam!

Esta é a desigualdade de Bell, que pode ser testada. E foi testado usando partículas em laboratório para analisar a luz de quasares distantes.

Então, quem está certo?

Vez após vez, vemos que as medições de partículas emaranhadas são as mesmas na metade do tempo. Então Bohr estava certo! Não há variáveis ​​ocultas. As partículas não têm propriedades inerentes. Em vez disso, eles decidem no momento em que são medidos. E seu par, potencialmente do outro lado do Universo, de alguma forma sabe.

Há uma incerteza em nosso Universo, inerente à natureza da realidade.

O que tudo isso significa é algo que ainda estamos tentando descobrir. Mas o conhecimento do emaranhamento pode ser incrivelmente útil. Nos próximos artigos, exploraremos como o emaranhamento quântico em breve estará revolucionando a tecnologia mundial.

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