A física quântica está bem, o preconceito humano sobre a realidade é o verdadeiro problema

Ao criar dois fótons emaranhados de um sistema pré-existente e separá-los por grandes distâncias, podemos ‘teleportar’ informações sobre o estado de um medindo o estado do outro, mesmo de locais extraordinariamente diferentes. Interpretações da física quântica que exigem localidade e realismo não podem explicar uma miríade de observações, mas interpretações múltiplas parecem todas igualmente boas. (MELISSA MEISTER, DE FÓTONS LASER ATRAVÉS DE UM DIVISOR DE FEIXE)



Esqueça Copenhagen, Many-Worlds, Pilot Waves e todos os outros. O que resta é a realidade.


Quando se trata de entender o Universo, os cientistas tradicionalmente adotam duas abordagens em conjunto. Por um lado, realizamos experimentos e medimos e observamos 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 com as quais elas correspondem.



Durante séculos, os teóricos provocaram novas previsões de seus modelos, ideias e estruturas, enquanto os experimentalistas sondavam 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 durou quase um século. Mas ter esse debate pode ser uma tarefa tola; talvez a própria ideia de que precisamos de uma interpretação seja o 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 faça o relógio avançar ou retroceder no tempo, nem todas as regras da física se comportam de forma idêntica se você executar o relógio para frente ou para trás. (WIKIMEDIA COMMONS USERS MICHAELMAGGS E (EDITADO POR) RICHARD BARTZ)

Por milhares de anos, se você quisesse investigar o Universo de maneira científica, tudo o que você precisava fazer era descobrir as condições físicas certas para configurar 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 da 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, a qualquer momento no futuro. estar.



Até o final do século 19, todas as nossas melhores teorias físicas descrevendo o Universo seguiram esse caminho.

Um exemplo de um cone de luz, a superfície tridimensional de todos os raios de luz possíveis que chegam e partem de um ponto no espaço-tempo. Quanto mais você se move no espaço, menos você 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. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO MISSMJ)



Por que a natureza parecia se comportar dessa maneira? Porque as regras que a governavam – 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 uma maneira limitada pelo limite de velocidade de qualquer coisa que se propaga 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 medida.
  3. O Universo é determinístico, o que significa que, se você configurar seu sistema em uma configuração específica e souber exatamente essa configuração, poderá prever perfeitamente qual será o estado do seu sistema em um período arbitrário de tempo no futuro.

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



A natureza quântica do Universo nos diz que certas quantidades têm uma incerteza inerente embutida nelas, e que pares de quantidades têm suas incertezas relacionadas umas às outras. Não há evidências de uma realidade mais fundamental com variáveis ​​ocultas subjacentes ao nosso universo quântico observável. (NASA/CXC/M.WEISS)



Aprendemos o que sabemos hoje sobre o Universo fazendo as perguntas certas, o que significa configurar sistemas físicos e depois realizar 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 que ele obedece são bizarras, mas consistentes. As regras são apenas 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 que foi surpreendente é que esses quanta individuais não se comportavam 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 daria uma resposta específica, e você nunca pode prever qual resposta obterá para uma medição individual.



A passagem de partículas com duas configurações de spin possíveis através de um tipo específico de ímã fará com que as partículas se dividam em estados de spin + e -, com a magnitude da separação dependente da carga, massa e spin intrínseco (ou momento angular) da partícula . (THERESA KNOTT / TATOUTE OF WIKIMEDIA COMMONS)

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 desvinculada dessa partícula.



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

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

  • no x -direção, os elétrons vão se dividir novamente, alguns na +½ ( x -)direção e outras na direção -½;
  • no e -direção, os elétrons irão desviar novamente, alguns na +½ ( e- ) direção e outros 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. (FRANCESCO VERSACI DA WIKIMEDIA COMMONS)

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 , e , ou com ) determina as propriedades do momento angular do elétron naquela dimensão enquanto simultaneamente destrói qualquer informação sobre as outras duas direções .

Isso pode parecer contra-intuitivo, mas não é apenas uma propriedade inerente ao universo quântico, mas é uma propriedade compartilhada por qualquer teoria física que obedece a uma estrutura matemática específica: a não comutatividade. (I.e., 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 onde uma partícula está e quão rápido ela está se movendo 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. Não há posição fundamental ou momento inerente a cada partícula; existe um valor médio esperado com uma incerteza sobreposta a ele. Essa incerteza não pode ser removida da física quântica, pois representa um aspecto importante de nossa realidade quântica. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO MASCHEN)

Esses fatos são estranhos, mas não são o único comportamento estranho da mecânica quântica. Muitas outras configurações experimentais levam a resultados contraintuitivamente estranhos, como no caso do gato de Schrödinger. Coloque um gato em uma caixa selada 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 se decompor, o gato não consegue obter a comida envenenada e permanece vivo.

Você espera exatamente uma meia-vida desse átomo, onde ele tem uma chance de 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.

Dentro da caixa, o gato estará vivo ou morto, dependendo se uma partícula radioativa decaiu ou não. Se o gato fosse um verdadeiro sistema quântico, o gato não estaria nem vivo nem morto, mas em uma superposição de ambos os estados até ser observado. (WIKIMEDIA COMMONS USER DHATFIELD)

Por gerações, esse quebra-cabeça bloqueou quase todos que tentaram 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 problema de 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 pergunta 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 fizeram nos últimos 90 anos (ou mais), 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. Os fótons emaranhados da fonte são enviados para dois interruptores rápidos, que os direcionam para os detectores de polarização. Os interruptores alteram as configurações muito rapidamente, alterando efetivamente as configurações do detector para o experimento enquanto os fótons estão em voo. Diferentes configurações, surpreendentemente, resultam em diferentes resultados experimentais. Isso não pode ser explicado com uma teoria da mecânica quântica que seja local e envolva realismo e determinismo. (CHAD ORZEL)

O próprio Smolin colocá-lo muito sem rodeios durante uma palestra pública ele entregou há menos de um ano:

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 dessa forma pressupõe que a natureza pode ser descrita de forma independente do observador ou independente da interação, e isso pode não ser o caso. Enquanto Sean Carroll acabou de discutir no New York Times de domingo que os físicos deveriam se preocupar mais (e gastar mais tempo e energia estudando) esses fundamentos quânticos, a maioria dos físicos – inclusive eu – não concorda.

O padrão de onda para elétrons passando 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 do nosso entendimento 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. (DR. TONOMURA E BELSAZAR DA WIKIMEDIA COMMONS)

A realidade, se você quiser chamar assim, não é uma existência objetiva que vai além do que é mensurável ou observável. Na física, como escrevi antes , descrever o que é observável e mensurável da maneira mais completa e precisa possível é nossa maior aspiração. Ao elaborar uma teoria em que os operadores quânticos atuam em 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 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 medir como o ato de escolher qual deles representa nossa realidade? (Interpretação do conjunto.)
  • Ou as partículas sempre existem como absolutos, com posições reais e inequívocas, onde as ondas piloto determinísticas guiá-los de maneira não local ? (de Broglie-Bohm/interpretação de onda piloto.)

Carroll acaba de inventar uma espécie de nova interpretação , que é indiscutivelmente tão interessante quanto (ou não mais interessante do que) qualquer um dos 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 diferenciar essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ​​ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas. (PÁGINA DA WIKIPEDIA EM INGLÊS SOBRE INTERPRETAÇÕES DA MECÂNICA QUÂNTICA)

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

Mas a ciência não existe para mostrar que a realidade está de acordo com nossos preconceitos e opiniões; ele 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 o que o Universo nos diz sobre si mesmo. Em vez de, Carroll regressivamente faz campanha pelo oposto em provocação seu próximo livro novo . Sem surpresa, a maioria dos físicos estão desapontados .

Trajetórias de uma partícula em uma caixa (também chamada de poço quadrado infinito) na mecânica clássica (A) e na mecânica quântica (B-F). Em (A), a partícula se move com velocidade constante, saltando para frente e para trás. Em (B-F), as soluções de função de onda para a Equação de Schrodinger dependente do tempo são mostradas para a mesma geometria e potencial. O eixo horizontal é a posição, o eixo vertical é a parte real (azul) ou a parte imaginária (vermelha) da função de onda. (B,C,D) são estados estacionários (autoestados de energia), que vêm de soluções para a Equação de Schrõdinger Independente do Tempo. (E,F) são estados não estacionários, soluções para a equação de Schrodinger dependente do tempo. Observe que essas soluções não são invariantes sob transformações relativísticas; eles só são válidos em um determinado quadro de referência. (STEVE BYRNES / SBYRNES321 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Compreender o Universo não é revelar uma realidade verdadeira, divorciada de observadores, medições e interações. O Universo poderia existir de tal maneira onde essa é uma abordagem válida, mas também pode ser o caso de 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 discernirá 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 melhor imitação realista local possível (vermelho) para a correlação quântica de dois spins no estado singleto (azul), insistindo na anti-correlação perfeita a zero graus, correlação perfeita a 180 graus. Existem muitas outras possibilidades para a correlação clássica sujeita a essas condições laterais, mas todas são caracterizadas por picos agudos (e vales) em 0, 180, 360 graus, e nenhuma tem valores mais extremos (+/-0,5) em 45, 135, 225, 315 graus. Esses valores são marcados por estrelas no gráfico e são os valores medidos em um experimento padrão do tipo Bell-CHSH. As previsões quânticas e clássicas podem ser claramente discernidas. (RICHARD GILL, 22 DE DEZEMBRO DE 2013, DESENHADO COM R)

Na ciência, não cabe a nós declarar o que é a realidade e depois distorcer nossas observações e medições para se adequarem 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 intrigante 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 criemos 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 que façamos isso, estamos filosofando superficialmente sobre um assunto em que a intervenção científica é necessária. Até elaborarmos esse experimento-chave, todos permaneceremos no escuro.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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