• Começa com um estrondo

Qual é a verdadeira natureza da nossa realidade quântica?

Por quase um século, os físicos discutiram sobre como interpretar a física quântica. Mas a realidade existe independente de qualquer interpretação.

Principais conclusões

• No Universo clássico, existem objetos com propriedades específicas que continuam a possuir, independentemente de terem sido observados ou de quão recentemente foram observados.
• No Universo quântico, no entanto, muitas propriedades permanecem em um estado indeterminado até que uma medição, observação ou interação crítica force o problema.
• Embora muitos tenham discutido sobre qual interpretação reflete melhor a realidade, você pode esquecer Copenhagen, Muitos Mundos, Pilot Waves e todos os outros. O que resta é o que é verdadeiramente real.

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Quando se trata de entender o Universo, os cientistas tradicionalmente adotam duas abordagens em conjunto. Por um lado, realizamos experimentos e fazemos medições e observações de quais são os resultados; obtemos um conjunto de dados. Por outro lado, construímos teorias e modelos para descrever a realidade, onde as previsões dessas teorias são tão boas quanto as medições e observações que correspondem.

Durante séculos, os teóricos provocaram novas previsões de seus modelos, ideias e estruturas, enquanto os experimentalistas sondaram águas desconhecidas, procurando validar ou refutar as principais teorias da época. Com o advento da física quântica, no entanto, tudo isso começou a mudar. Em vez de respostas específicas, apenas resultados probabilísticos poderiam ser previstos. Como interpretamos isso tem sido objeto de um debate que dura quase um século. Mas ter esse debate pode ser uma missão tola; talvez a própria ideia de que precisamos de uma interpretação seja o próprio problema.

Uma bola no meio do salto tem suas trajetórias passadas e futuras determinadas pelas leis da física, mas o tempo só fluirá para o futuro para nós. Embora as leis do movimento de Newton sejam as mesmas, quer você avance ou retroceda o relógio no tempo, nem todas as regras da física se comportam de maneira idêntica se você avançar ou retroceder o relógio.

Por milhares de anos, se você quisesse investigar o Universo de maneira científica, tudo o que precisava fazer era descobrir como estabelecer as condições físicas corretas e, em seguida, fazer as observações ou medições críticas lhe daria a resposta.

Os projéteis, uma vez lançados, seguem uma trajetória específica, e as equações de movimento de Newton permitem que você preveja essa trajetória com precisão arbitrária a qualquer momento. Mesmo em campos gravitacionais fortes ou próximos à velocidade da luz, as extensões de Einstein das teorias de Newton permitiram o mesmo resultado: forneça as condições físicas iniciais com precisão arbitrária e você pode saber qual será o resultado, em qualquer ponto no futuro. ser.

Até o final do século XIX, todas as nossas melhores teorias físicas que descrevem o Universo seguiram esse caminho.

Um exemplo de um cone de luz, a superfície tridimensional de todos os possíveis raios de luz que chegam e partem de um ponto no espaço-tempo. Quanto mais você se move no espaço, menos se move no tempo e vice-versa. Somente as coisas contidas em seu cone de luz passado podem afetá-lo hoje; apenas as coisas contidas em seu futuro cone de luz podem ser afetadas por você no futuro.

Por que a natureza parecia se comportar dessa maneira? Porque as regras que o regiam - nossas melhores teorias que inventamos para descrever o que medimos e observamos - todas obedeciam aos mesmos conjuntos de regras.

1. O Universo é local, o que significa que um evento ou interação só pode afetar seu ambiente de forma limitada pelo limite de velocidade de qualquer coisa que se propague pelo Universo: a velocidade da luz.
2. O Universo é real, o que significa que certas quantidades e propriedades físicas (de partículas, sistemas, campos, etc.) existem independentemente de qualquer observador ou medição.
3. O Universo é determinístico, o que significa que, se você definir seu sistema em uma configuração específica e conhecer exatamente essa configuração, poderá prever perfeitamente qual será o estado de seu sistema em um período de tempo arbitrário no futuro.

Por mais de um século, no entanto, a natureza nos mostrou que as regras que a regem não são locais, reais e determinísticas, afinal.

A natureza quântica do Universo nos diz que certas quantidades têm uma incerteza inerente incorporada a elas e que pares de quantidades têm suas incertezas relacionadas umas com as outras. Não há evidências de uma realidade mais fundamental com variáveis ​​ocultas subjacentes ao nosso universo quântico observável.

Aprendemos o que sabemos hoje sobre o Universo fazendo as perguntas certas, ou seja, estabelecendo sistemas físicos e realizando as medições e observações necessárias para determinar o que o Universo está fazendo. Apesar do que poderíamos ter intuído de antemão, o Universo nos mostrou que as regras a que obedece são bizarras, mas consistentes. As regras são profunda e fundamentalmente diferentes de tudo que já vimos antes.

Não era tão surpreendente que o Universo fosse feito de unidades fundamentais indivisíveis: quanta, como quarks, elétrons ou fótons. O surpreendente é que esses quanta individuais não se comportaram como as partículas de Newton: com posições, momentos e momentos angulares bem definidos. Em vez disso, esses quanta se comportavam como ondas — onde você poderia calcular distribuições de probabilidade para seus resultados — mas fazer uma medição só lhe daria uma resposta específica, e você nunca pode prever qual resposta obterá para uma medição individual.

Um feixe de partículas disparado através de um ímã pode produzir resultados quânticos e discretos (5) para o momento angular de rotação das partículas ou, alternativamente, valores clássicos e contínuos (4). Esse experimento, conhecido como experimento de Stern-Gerlach, demonstrou vários fenômenos quânticos importantes.

Isso foi confirmado por uma enorme variedade de experimentos. Uma partícula como um elétron, por exemplo, tem um spin inerente (ou momento angular) de ±½. Você não pode eliminar esse momento angular intrínseco; é uma propriedade desse quantum de matéria que não pode ser extraída dessa partícula.

No entanto, você pode fazer essa partícula passar por um campo magnético. Se o campo estiver alinhado com o com -axis (usando x , Y , e com para representar nossas três dimensões espaciais), alguns dos elétrons irão desviar na direção positiva (correspondente a +½) e outros irão desviar na direção negativa (correspondente a -½).

Agora, o que acontece se você passar os elétrons que desviaram positivamente por outro campo magnético? Bem, se esse campo for:

• no x -direção, os elétrons se dividirão novamente, alguns na direção +½ ( x -)direção e outras na direção -½;
• no Y -direção, os elétrons irão desviar novamente, alguns na direção +½ ( Y- )direção e outras na direção -½;
• no com -direção, não há divisão adicional; todos os elétrons são +½ (no com -direção).

Múltiplos experimentos sucessivos de Stern-Gerlach, que dividem partículas quânticas ao longo de um eixo de acordo com seus spins, causarão mais divisão magnética em direções perpendiculares à medida mais recente, mas nenhuma divisão adicional na mesma direção.

Em outras palavras, cada elétron individual tem uma probabilidade finita de ter seu spin +½ ou -½, e isso fazendo uma medição em uma direção particular ( x , Y , ou com ) determina as propriedades do momento angular do elétron naquela dimensão enquanto destrói simultaneamente qualquer informação sobre as outras duas direções .

Isso pode parecer contra-intuitivo, mas não é apenas uma propriedade inerente ao Universo quântico, é também uma propriedade compartilhada por qualquer teoria física que obedeça a uma estrutura matemática específica: a não comutatividade. (Ou seja, a * b ≠ b * a.) As três direções do momento angular não comutam entre si. Energia e tempo não comutam, levando a incertezas inerentes às massas de partículas de vida curta. E a posição e o momento também não comutam, o que significa que você não pode medir a localização de uma partícula e a velocidade com que ela se move simultaneamente com precisão arbitrária.

Este diagrama ilustra a relação de incerteza inerente entre posição e momento. Quando um é conhecido com mais precisão, o outro é inerentemente menos capaz de ser conhecido com precisão. Outros pares de variáveis ​​conjugadas, incluindo energia e tempo, rotação em duas direções perpendiculares, ou posição angular e momento angular, também exibem essa mesma relação de incerteza.

Esses fatos são estranhos, mas não são o único comportamento estranho da mecânica quântica. Muitas outras configurações experimentais levam a resultados estranhamente estranhos, como no caso do gato de Schrödinger. Coloque um gato em uma caixa lacrada com comida envenenada e um átomo radioativo. Se o átomo decair, a comida é liberada e o gato vai comê-la e morrer. Se o átomo não decair, o gato não pode obter a comida envenenada e permanece vivo.

Você espera exatamente uma meia-vida desse átomo, onde ele tem uma chance 50/50 de decair ou permanecer em seu estado inicial. Você abre a caixa. Pouco antes de fazer a medição ou observação, o gato está vivo ou morto? De acordo com as regras da mecânica quântica, você não pode saber o resultado antes de fazer a observação. Há 50% de chance de um gato morto e 50% de chance de um gato vivo, e somente abrindo a caixa você pode saber a resposta com certeza.

Em um experimento tradicional do gato de Schrodinger, você não sabe se o resultado de um decaimento quântico ocorreu, levando à morte do gato ou não. Dentro da caixa, o gato estará vivo ou morto, dependendo se uma partícula radioativa decaiu ou não. Se fosse um verdadeiro sistema quântico, o gato não estaria nem vivo nem morto, mas em uma superposição de ambos os estados até ser observado. No entanto, você nunca pode observar o gato estar simultaneamente morto e vivo.

Por gerações, esse quebra-cabeça bloqueou quase todo mundo que tentou entendê-lo. De alguma forma, parece que o resultado de um experimento científico está fundamentalmente ligado ao fato de fazermos uma medição específica ou não. Isso tem sido chamado de “o problema da medição” na física quântica e tem sido objeto de muitos ensaios, opiniões, interpretações e declarações de físicos e leigos.

Parece natural fazer o que parece ser uma questão mais fundamental: o que realmente está acontecendo, objetivamente, nos bastidores, para explicar o que observamos de maneira independente do observador?

Esta é uma pergunta que muitos têm feito nos últimos 90 anos (mais ou menos), tentando obter uma visão mais profunda do que é verdadeiramente real. Mas, apesar de muitos livros e artigos de opinião sobre o assunto, desde Lee Smolin para Sean Carroll para Adam Becker para Anil Ananthaswamy para muitos outros , isso pode até não ser uma boa pergunta.

Esquema do experimento do terceiro Aspecto testando a não-localidade quântica. Fótons emaranhados da fonte são enviados para dois interruptores rápidos, que os direcionam para detectores de polarização. Os interruptores alteram as configurações muito rapidamente, alterando efetivamente as configurações do detector para o experimento enquanto os fótons estão em movimento. Diferentes configurações, intrigante o suficiente, resultam em diferentes resultados experimentais. Isso não pode ser explicado com uma teoria da mecânica quântica que é local e envolve realismo e determinismo.

o próprio Smolin colocá-lo muito sem rodeios durante uma palestra pública proferiu em 2019, postura que reiterou em uma entrevista comigo no ano passado :

“Uma descrição completa deve nos dizer o que está acontecendo em cada processo individual, independentemente de nosso conhecimento, crenças ou nossas intervenções ou interações com o sistema.”

Na ciência, isso é o que chamamos de suposição, postulado ou afirmação. Parece convincente, mas pode não ser verdade. A busca por “uma descrição completa” desta forma assume que a natureza pode ser descrita de uma forma independente do observador ou independente da interação, e este pode não ser o caso. É fácil argumentar que os físicos deveriam se preocupar mais (e gastar mais tempo e energia estudando) esses fundamentos quânticos, particularmente à luz do fato de que Prêmio Nobel de Física de 2022 acabou de ser premiado por isso.

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Mas definir o comportamento da natureza sob todos os tipos de circunstâncias é muito diferente de assumir que existe algum tipo de realidade objetiva que existe, deterministicamente, independente de qualquer observador ou interação chave.

O padrão de onda para os elétrons que passam por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir “por qual fenda” o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. As regras do Modelo Padrão e da Relatividade Geral não nos dizem o que acontece com o campo gravitacional de um elétron ao passar por uma fenda dupla; isso exigiria algo que vai além de nossa compreensão atual, como a gravidade quântica. Independentemente da interpretação, os experimentos quânticos parecem se importar se fazemos certas observações e medições (ou forçamos certas interações) ou não.

A realidade, se você quiser chamá-la assim, não é uma existência objetiva que vai além do que é mensurável ou observável. Na física, como já escrevi antes , descrever o que é observável e mensurável da forma mais completa e precisa possível é a nossa maior aspiração. Ao conceber uma teoria em que os operadores quânticos agem sobre funções de onda quânticas, ganhamos a capacidade de calcular com precisão a distribuição de probabilidade de quaisquer resultados que possam ocorrer.

Para a maioria dos físicos, isso é o suficiente. Mas você pode impor um conjunto de suposições sobre essas equações e chegar a um conjunto de diferentes interpretações da mecânica quântica:

• A função de onda quântica que define essas partículas fisicamente não tem sentido, até o momento em que você faz uma medição? (interpretação de Copenhague.)
• Todos os resultados possíveis realmente ocorrem, exigindo um número infinito de universos paralelos? (Interpretação de muitos mundos.)
• Você pode imaginar a realidade como um número infinito de sistemas identicamente preparados, e o ato de medição como o ato de escolher qual deles representa nossa realidade? (Interpretação do conjunto.)
• Ou as partículas sempre existem como absolutas, com posições reais e inequívocas, onde “ondas piloto” determinísticas ? (de Broglie-Bohm/interpretação da onda piloto.)

Sean Carroll acaba de inventar uma espécie de nova interpretação , que é indiscutivelmente tão interessante quanto (ou não mais interessante que) qualquer um dos outros. E oh, existem outros.

Uma variedade de interpretações quânticas e suas diferentes atribuições de uma variedade de propriedades. Apesar de suas diferenças, não há experimentos conhecidos que possam distinguir essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ​​ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas.

Frustrantemente, todas essas interpretações, além de outras, são experimentalmente indistinguíveis umas das outras. Não há nenhum experimento que tenhamos sido capazes de projetar ou realizar que diferencie uma dessas interpretações da outra e, portanto, elas são fisicamente idênticas. A ideia de que existe um objetivo fundamental, realidade independente do observador é uma suposição sem nenhuma evidência por trás dela, apenas milhares e milhares de anos de nossa intuição nos dizendo “Deveria ser assim”.

Mas a ciência não existe para mostrar que a realidade está de acordo com nossos vieses, preconceitos e opiniões; procura descobrir a natureza da realidade, independentemente de nossos preconceitos. Se realmente queremos entender a mecânica quântica, o objetivo deve ser mais sobre deixar de lado nossos preconceitos e abraçar, sem suposições adicionais, o que o Universo nos diz sobre si mesmo.

Ao fazer com que uma fonte emita um par de fótons emaranhados, cada um dos quais acaba nas mãos de dois observadores separados, medições independentes dos fótons podem ser realizadas. Os resultados devem ser aleatórios, mas os resultados agregados devem exibir correlações. Se essas correlações são limitadas pelo realismo local ou não, depende se elas obedecem ou violam a desigualdade de Bell.

Compreender o Universo não é revelar uma realidade verdadeira, divorciada de observadores, medições e interações. O Universo pode existir de tal forma que seja uma abordagem válida, mas também pode ser que a realidade esteja inextricavelmente entrelaçada com o ato de medição, observação e interação em um nível fundamental.

A chave, se você quiser aprofundar sua compreensão do Universo, é encontrar um teste experimental que irá discernir uma interpretação da outra, descartando-a ou elevando-a acima das outras. Até agora, apenas interpretações que exigem realismo local (com algum nível de determinismo lançado lá) foram descartados , enquanto o restante não foi testado; escolhendo entre eles é exclusivamente uma questão de estética .

A razão R(ϕ)/R_0 medida experimentalmente em função do ângulo ϕ entre os eixos dos polarizadores. A linha sólida não se ajusta aos pontos de dados, mas sim à correlação de polarização prevista pela mecânica quântica; acontece que os dados concordam com as previsões teóricas com uma precisão alarmante, e que não pode ser explicada por correlações locais e reais entre os dois fótons (que resultariam em linhas retas, não curvas, para previsões).

Na ciência, não cabe a nós declarar o que é a realidade e depois distorcer nossas observações e medições para que se ajustem às nossas suposições. Em vez disso, as teorias e modelos que nos permitem prever o que vamos observar e/ou medir com a maior precisão, com o maior poder preditivo e zero suposições desnecessárias, são os que sobrevivem. Não é um problema para a física que a realidade pareça enigmática e bizarra; só é um problema se você exigir que o Universo entregue algo além do que a realidade oferece.

Existe uma realidade estranha e maravilhosa lá fora, mas até que planejemos um experimento que nos ensine mais do que sabemos atualmente, é melhor abraçar a realidade como podemos medi-la do que impor uma estrutura adicional impulsionada por nossos próprios preconceitos. Até fazermos isso, estamos filosofando superficialmente sobre um assunto em que a intervenção científica é necessária. Até concebermos esse experimento-chave, todos permaneceremos no escuro.

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