Poderia uma variável oculta explicar a estranheza da física quântica?
Experimentos nos dizem que o emaranhamento quântico desafia o espaço e o tempo.
- No mundo do muito pequeno, dois objetos podem ser emaranhados - de alguma forma conectados - de maneiras que parecem desafiar o espaço e o tempo.
- O emaranhamento quântico é confirmado por inúmeros experimentos e promete desempenhar um papel central no futuro das comunicações.
- Seu mistério persistente é uma confirmação de que a realidade pode ser mais estranha que a ficção.
Este é o nono de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.
Nas últimas semanas, exploramos alguns dos conceitos fundamentais da física quântica, desde saltos quânticos para sobreposição e bem além. Hoje exploramos o que pode ser o mais estranho dos efeitos quânticos, o de emaranhamento quântico , que Einstein chamou ação assustadora à distância . A palavra diz isso claramente: estar emaranhado é estar conectado - ter algum tipo de relação ou dependência de outra coisa.
A definição do dicionário é mais pragmática: “fazer com que se enrole ou fique preso”, como um peixe enredado em uma rede ou uma pessoa enredada em uma situação difícil. Bem, pares de objetos quânticos – como pares de fótons, pares de elétrons ou elétrons e detectores – ficam emaranhados. E esse tipo de emaranhamento quântico é de fato uma situação difícil, pelo menos de entender. Para entender o que é emaranhamento, talvez seja melhor aplicá-lo a uma circunstância prática. Se você ficar comigo, entenderá o básico do emaranhamento e por que é estranho.
Uma explicação polarizadora
Quando a luz é polarizada (por exemplo, passando por um filtro polarizador), sua onda associada sobe e desce na mesma direção da polarização, da mesma forma que subimos e descemos quando andamos a cavalo. (Esta é a direção do campo elétrico que caracteriza a onda eletromagnética.) Fótons, que podemos entender como partículas de luz , compartilham dessa polarização. Os detalhes de como isso funciona não são importantes. O que importa é que os fótons tenham essa propriedade e que ela possa ser medida.
Imagine que uma fonte de luz cria um par de fótons polarizados viajando em direções opostas, como no diagrama abaixo. Agora imagine que dois físicos, Alice e Bob, estejam cada um com um detector de luz a cem metros da fonte. Alice fica à esquerda e Bob à direita. Como os fótons viajam na velocidade da luz, Alice e Bob veriam fótons chegando a seus detectores ao mesmo tempo.
[Alice]———<———(fonte)———>———[Bob]
Os detectores podem detectar duas direções de polarização da luz: vertical (⎮) e horizontal (—). A fonte de luz sempre produz pares de fótons com a mesma polarização. Alice e Bob não sabem qual polarização o par tem até medirem seus fótons. Digamos que Alice meça na vertical; Bob também medirá na vertical. Se Alice mede na horizontal, Bob também mede. Mesmo que haja uma chance de 50/50 para o fóton estar em qualquer estado de polarização (algo como no cara ou coroa, a polarização vertical ou horizontal aparece aleatoriamente), Alice e Bob sempre obterão o mesmo resultado. Os dois fótons que saem da fonte estão emaranhados e parecem se comportar como um só.
Alice decide se aproximar um pouco mais da fonte. Dessa forma, seu fóton percorre uma distância menor até ela e chega antes do fóton de Bob. Ela mede um fóton com polarização vertical. Imediatamente, ela sabe que o fóton de Bob também terá polarização vertical. Ela sabe disso antes que o fóton alcance o detector de Bob.
De acordo com a mecânica quântica, você só pode saber o estado de algo olhando. E como nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz, Alice aparentemente influenciou o fóton de Bob instantaneamente sem interagir com ele. Ou, pelo menos, essa é uma maneira de pensar sobre isso. (Se não instantaneamente, a influência é pelo menos superluminal, mais rápida que a velocidade da luz.) Esse tipo de efeito pode ser usado no teletransporte quântico, onde a informação é transferida replicando o estado de um sistema quântico à distância. Mais diretamente, pode ser usado em sistemas de comunicação futuros que serão mais rápidos e seguros do que os que usamos hoje.
Navegando nas ondas do Universo
Surpreendentemente, o efeito não depende da distância entre Alice e Bob. Eles poderiam estar a 10 milhas ou 10 anos-luz de distância, e a mesma coisa teria acontecido. Dentro da precisão dos detectores de corrente, tudo parece acontecer instantaneamente. Observe, no entanto, que nenhuma informação foi transferida entre os dois fótons. Eles não interagiram uns com os outros de nenhuma maneira (conhecida). Eles se comportavam como uma única entidade perfeitamente impermeável à separação espacial.
Em 2018, um experimento separou fótons emaranhados quânticos para distâncias de mais de 30 milhas , e a mesma coisa aconteceu. Mais recentemente, um façanha semelhante foi realizada não com fótons emaranhados, mas com átomos de rubídio emaranhados separados por 33 quilômetros. O emaranhamento quântico é uma característica inquestionável da física quântica. Parece desafiar o espaço, pois independe da distância entre os objetos, e do tempo, pois se não é instantâneo — é pelo menos mais rápido que a luz.
Os físicos poderiam estar perdendo algo importante e óbvio? Simplesmente não atingimos o entendimento correto do que está acontecendo? Existem o que poderíamos chamar de variáveis ocultas, fora da formulação tradicional da mecânica quântica, que poderiam explicar isso? No início dos anos 1950, o físico David Bohm acrescentou um nível extra de explicação à teoria quântica, capaz de descrever a posição do elétron com certeza. Ele o chamou de função de onda piloto . Enquanto equação de Schrödinger permanecesse a mesma, outra equação funcionaria como seu “piloto”.
Assim como um maestro controla como diferentes seções de uma orquestra tocam durante uma sinfonia, o piloto de Bohm determinaria como a função de onda se ramificaria em seus diferentes estados prováveis. Essa condução acontecia por meio de uma ou mais variáveis ocultas indetectáveis, informações que ficavam fora do alcance dos experimentos. A onda piloto agia em todos os lugares ao mesmo tempo, como uma divindade onipresente, exercendo uma propriedade que os físicos chamam não-localidade . Na nova mecânica de Broglie-Bohm, as partículas permaneciam como partículas, e seu movimento coletivo era guiado de forma determinística pela ação não local da onda piloto. As partículas eram como um grupo de surfistas deslizando ao longo de uma única onda, cada um empurrado para um lado ou para o outro à medida que a onipresente onda avançava.
A variável oculta seria o elo perdido entre um conceito clássico de realidade e o mundo difuso da indeterminação quântica. O preço de tornar a mecânica quântica determinística foi impor uma rede infinita de influências em meio a tudo o que existe. Em princípio, significa que todo o Universo participa na determinação do resultado de cada experimento. Para Einstein, abandonar a localidade era um preço muito alto a pagar pela evolução determinística.
Ainda assim, precisávamos saber se a ideia de Bohm era válida ou não.
O emaranhamento quântico é realmente assustador
Em 1964, o físico irlandês John Bell, trabalhando na Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN), propôs uma maneira brilhante de testar se uma formulação alternativa da mecânica quântica que incluía local variáveis ocultas foi melhor para descrever os resultados de experimentos com partículas emaranhadas. O teste envolveu um experimento não muito diferente do anterior envolvendo Alice e Bob. O experimento de Bell, porém, usou outra propriedade quântica de partículas chamada spin. Este é um tipo de rotação intrínseca, como um pião que nunca para e só pode girar em certas velocidades quantizadas.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feiraA aceitação é que, nas últimas quatro décadas, o teste de Bell foi implementado em experimentos reais - que receberam o prêmio Prêmio Nobel 2022 em física – e os resultados foram realmente chocantes: não há teorias de variáveis ocultas locais compatíveis com a mecânica quântica.
Em outras palavras, a natureza parece funcionar por meio de ações assustadoras à distância. Influências não locais agindo superluminalmente entre membros de pares quânticos emaranhados espacialmente separados — são fantasmas que parecem reais. A realidade não é apenas mais estranha do que supomos. É muito mais estranho do que nós pode suponha.
Quais são as consequências do emaranhamento quântico e da superposição para nossa concepção da realidade física? Como interpretamos tudo isso? Na próxima semana, concluiremos esta série de artigos com uma visão geral das diferentes interpretações da física quântica ainda sendo debatidas apaixonadamente entre os físicos. Por trás das trincheiras, vemos Einstein e Bohr, tão inspiradores agora quanto o foram por mais de um século de perplexidade e triunfo quânticos.
Compartilhar:
