Retrocesso quinta-feira: realidade quântica
Crédito da imagem: Robert Austin e Lyman Page / Universidade de Princeton.
A natureza do nosso Universo desafia a nossa intuição. Isso pode ser a melhor coisa de todas.
Perguntei à zebra,
você é preto com listras brancas?
Ou branco com listras pretas?
E a zebra me perguntou
Você é bom com maus hábitos?
Ou você é ruim com bons hábitos?
Você é barulhento com momentos de silêncio?
Ou você está quieto com tempos barulhentos?
Você está feliz com alguns dias tristes?
Ou você está triste com alguns dias felizes?
Você é limpo com algumas maneiras desleixadas?
Ou você é desleixado com algumas maneiras elegantes?
E assim por diante e assim por diante e assim por diante ele foi.
Eu nunca vou perguntar a uma zebra sobre listras... de novo. – Shel Silverstein
Quando se trata do mundo clássico - o mundo em escala macroscópica - todos nos sentimos confortáveis usando a palavra realidade. Embora possamos discutir sobre os pontos mais sutis e técnicos da definição da palavra, você e eu conhecemos a realidade quando a vemos.
Crédito da imagem: NASA / Apollo 17.
Existem todos os tipos de propriedades que atribuímos a real objetos: eles têm energia, existem em certos pontos no espaço e momentos no tempo, têm certas propriedades de movimento e são mensuráveis e quantificáveis de várias outras maneiras.
Isso varia de micróbios aqui na Terra às maiores estruturas do Universo: todas elas são quantificáveis como reais em termos de energia, posição, tempo e momento, entre outras propriedades.
Crédito da imagem: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.
Mas se entrarmos no reino quântico, em escalas tão pequenas que nossas leis e imagens clássicas se desfarão, descobriremos que as coisas são drasticamente diferentes e que a realidade não está mais em conformidade com nossas expectativas.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Reyk.
Você pode pensar em um átomo da mesma forma que pensa em um planeta orbitando o Sol: um elétron movendo-se em órbita ao redor do centro de massa do sistema elétron/núcleo. Mas enquanto se você conhecesse as propriedades orbitais de um planeta e a massa da estrela que ele orbita, você seria capaz de saber com certeza onde esse planeta estava e como ele estava se movendo (ou seja, sua posição e momento), o mundo quântico é um pouco diferente.
OK, bastante diferente. Porque você não pode mais prever a posição desse elétron - apenas as probabilidades de encontrar o elétron em uma determinada posição - com o passar do tempo.
Crédito da imagem: Hideomi Nihira / U. Rochester, baseado em Z. Dacic Gaeta e C. R. Stroud, Jr.
Se você é como a maioria das pessoas, isso vai te incomodar. Está tão arraigado em nós - por nossa própria experiência - que os objetos são reais, as partículas são reais, e que essas coisas reais têm propriedades definitivas, que instintivamente começamos a fazer perguntas como: Ok, onde está essa partícula, realmente , quando não estamos olhando para ele?
E assumimos que esta pergunta faz sentido. Assumimos que há é uma posição real para esta partícula real em cada momento no tempo, e um momento real, e uma quantidade real de energia atribuída a ela. Assumimos que é o nosso conhecimento que é de alguma forma limitado e, portanto, lutamos para encaixar essa observação preocupante em nossa imagem do que é a realidade.
Crédito da imagem: Ciência / AAAS.
Não é de admirar que a mecânica quântica tenha uma série de diferentes interpretações por trás disso: estamos tentando entender a realidade e, no entanto, as coisas que observamos são completamente diferentes do que experimentamos como realidade! Algumas pessoas, e este ponto de vista é bastante simpático, veja isso como um tremendo problema . Afinal, não há consenso sobre qual interpretação é a correta, ou mesmo a melhor!
Crédito da imagem: Maximilian Schlosshauer, Johannes Kofler e Anton Zeilinger.
Existem algumas interpretações que estão comprovadamente erradas: a ideia de que a física é local (as coisas só podem afetar as coisas com as quais interagem), real (em oposição ao complexo ou parcialmente imaginário) e determinista não podem ser todas simultaneamente verdadeiras. Então você pode perguntar quais está verdade, e eu não o culparia por perguntar.
O problema é que não apenas as múltiplas interpretações são igualmente válidas, mas nenhum deles lhe diz nada mais ou menos do que qualquer um dos outros ! E há muitos válidos; aqui está um breve resumo .
Crédito da imagem: comparação da Wikipedia de interpretações da mecânica quântica.
Em vez de passar por quais são as diferentes interpretações, prefiro olhar para isso nestes termos:
- Temos um novo conjunto de leis físicas que descrevem o Universo no nível quântico: como as coisas existem, como evoluem no tempo, como interagem umas com as outras.
- Essas leis nos permitem prever a distribuição de probabilidade de certos resultados que podemos medir, mas não qual será o resultado de uma determinada medição.
- Há uma quantidade intrínseca de incerteza que é sempre preservada e, portanto, é impossível conhecer certas propriedades de um sistema - em conjunto - com precisão arbitrária.
que é o que é a realidade. Diferentes interpretações podem olhar para eles de forma diferente (talvez uma função de onda esteja entrando em colapso, talvez um operador esteja evoluindo, talvez uma seleção esteja sendo feita a partir de um conjunto de resultados possíveis), mas isso não muda o que é a realidade. E isso é não culpa da realidade que não é intuitiva para nossas mentes e nossas experiências.
Crédito da imagem: Jim Branson da UC San Diego.
Se você olhar em volta, periodicamente, verá todos os tipos de artigos científicos publicados em um subcampo de pesquisa conhecido como Fundamentos da Mecânica Quântica. Todos nós temos nossas tendências e preferências para o que o mais intuitivo maneira de interpretar o conjunto completo de dados que nosso universo inerentemente quântico nos fornece, e desde que seu conjunto de suposições sobre o universo permita que você preveja resultados que estejam de acordo com os dados, você está convidado a qualquer interpretação que pareça correta para você.
Mas no final, sua interpretação realmente não importa. É por isso que os artigos assim podem ser válidos, mas são não muito interessante do ponto de vista da física.
Crédito da imagem: Science Daily via Texas Tech, em http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141112131927.htm?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+sciencedaily+%28Latest+Science+News+–+ScienceDaily%29 .
Olha isso, é um novo interpretação da mecânica quântica, porque era disso que precisávamos: outro um com uma miríade de suposições não testáveis que dão as mesmas previsões experimentais que todos os outros!
A menos que você tenha uma maneira de distinguir experimentalmente sua interpretação preferida de nossa realidade quântica de qualquer outra interpretação, o que você afirma realmente não importa. Mundos paralelos? Tudo bem, por que não. Um número infinito de histórias probabilísticas? Claro, podemos ter isso. Uma única função de onda quântica para sempre indeterminada para o nosso Universo? Não consigo ver um problema aí. Que tal um Universo completamente determinístico cheio de variáveis ocultas, invisíveis, imensuráveis e não-locais? Podemos ter isso também! Ou você pode simplesmente ter sua interpretação original de Niels Bohr, que funciona muito bem quase um século depois de ter sido proposta pela primeira vez.
Não há diferença em suas previsões.
Crédito da imagem: André M. Smith , Lucas A. Lane & Shuming Nie , através da http://www.nature.com/ncomms/2014/140731/ncomms5506/full/ncomms5506.html .
Algumas pessoas acham essa linha de pesquisa interessante de se pensar, mas eu não sou uma delas. Pessoalmente, encontro notícias como esta tedioso , no sentido de que — neste momento — as especulações sobre a natureza fundamental do Universo absolutamente nenhuma luz no Universo em tudo. Nossas partículas e campos, e as interações que eles experimentam uns com os outros, simplesmente são o que são. A única maneira de desenvolver qualquer tipo de intuição para o que vai acontecer em uma determinada situação é… para descobrir o que vai acontecer em uma variedade de situações , até que você comece a desenvolver uma intuição para isso! Em outras palavras, a citação mais satirizada de todos os tempos (quando se trata de mecânica quântica),
Cale a boca e calcule! – David Mermin ,
é na verdade a única coisa que você pode fazer por si mesmo para entender melhor a realidade.
Crédito da imagem: http://library.thinkquest.org/19662/high/eng/exp-stern-gerlach.html .
Em outras palavras, não importa quão você chega aos resultados, e há muitos caminhos que são igualmente bons. O que importa é que, independente de como você interprete (ou mesmo se você interpreta), o que você chama de realidade no final do dia corresponde ao que sua teoria prevê.
Se você puder fazer isso, então sua teoria física – ou sua interpretação favorita – é tão válida quanto qualquer outra. E se isso não acontecer, você é obrigado a descartá-lo. No entanto, e você deve considerar isso um aviso, isso não é sem perigo.
Crédito da imagem: Instituto de Física.
Isso traz consigo o perigo de que você possa fazer algo tão filosoficamente complexo quanto quiser satisfazer tão plenamente quanto a natureza permitir quaisquer preconceitos que você tenha sobre como a realidade devemos comporte-se. Se você exigir localidade, você pode forçá-la. Se você exige realismo, pode forçá-lo. Se você exige determinismo, você também pode forçar isso. Se você exigir o colapso da função de onda, você pode fazer isso acontecer.
E se você exigir não- localidade, ou não- realismo ou não- determinismo, ou funções de onda que Nunca colapso, você pode forçar aqueles com a mesma facilidade. Mesmo se você quiser uma interpretação onde a informação viaja mais rápido que a luz , você pode inventar um, e ainda funciona! Mas não é mais um espelho da realidade do que aquele em que não é.
Crédito da imagem: Robert Austin e Lyman Page / Universidade de Princeton.
No final, tudo o que importa é que seu método de cálculo de previsões esteja alinhado com o que você observou. E se você conseguir acertar, entenderá a realidade tão bem quanto qualquer um.
Então deixe outras pessoas ficarem envergonhadas pela mecânica quântica, que ainda não sabemos qual interpretação é a correta. Porque a resposta é todos eles são , da mesma forma que não existe uma maneira única de resolver uma equação como 162 ÷ 9. Se você puder deixar de lado suas noções clássicas do que uma interpretação deveria ser, terá descoberto algo ainda melhor.
Crédito da imagem: Technical Services Group (TSG) no Departamento de Física do MIT.
Você entenderá a realidade quântica do nosso Universo.
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