Por que a mecânica quântica pode precisar de uma revisão

O prêmio Nobel Steven Weinberg diz que os debates atuais sugerem a necessidade de uma nova abordagem para compreender a realidade Por Tom Siegfried de San Antônio O prêmio Nobel Steven Weinberg, físico da Universidade...

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O prêmio Nobel Steven Weinberg diz que os debates atuais sugerem a necessidade de uma nova abordagem para compreender a realidade

Por Tom Siegfried de San Antônio

Steven Weinberg
O prêmio Nobel Steven Weinberg, físico da Universidade do Texas em Austin, estava feliz com a mecânica quântica. Mas agora ele acha que alguma teoria mais geral pode ser necessária para resolver disputas de longa data sobre o significado da matemática na mecânica quântica.

A mecânica quântica é o equivalente da polarização política na ciência.

Os eleitores ou tomam partido e discutem uns com os outros indefinidamente, ou ficam em casa e aceitam a política como ela é. Os físicos ou simplesmente aceitam a mecânica quântica e fazem seus cálculos, ou tomam partido em um debate sem fim sobre o que a mecânica quântica está realmente dizendo sobre a realidade.

Steven Weinberg costumava estar feliz com a mecânica quântica como ela é e não se preocupava com os debates. Mas, como ele tem pensado sobre isso ao longo dos anos, o prêmio Nobel de 83 anos de idade reavaliou.

“Agora eu não tenho tanta certeza”, declarou ele em 30 de outubro, em San Antonio, em uma sessão para escritores de ciência organizada pelo Council for the Advancement of Science Writing (CASW). (Revelação: sou um membro do conselho da CASW.) “Eu não estou tão feliz com a mecânica quântica como eu costumava ser, e não com o desdém de seus críticos.”

Uma razão para Weinberg achar que há a necessidade de um novo capítulo na história quântica é que aqueles que pensam que tudo está bem com a mecânica quântica tomam diferentes lados nos debates sobre o assunto.

“É um mau sinal, em particular, que os físicos que estão felizes com a mecânica quântica e não veem nada de errado com ela não concordem uns com os outros sobre o significado da mecânica quântica”, diz Weinberg.

A mecânica quântica despertou consternação desde seus primórdios. Há mais de um século, físicos como Max Planck, Albert Einstein e Niels Bohr mostraram que a física padrão do século XIX era inadequada para explicar várias características do calor, da luz e dos átomos. Na década de 1920, outros físicos, incluindo Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac e Max Born, desenvolveram as primeiras realizações na verdadeira matemática quântica que hoje está na base da compreensão física de quase tudo. Mecânica quântica, observou Weinber, é a “base da nossa compreensão não só dos átomos, mas também dos núcleos atômicos, condução elétrica, magnetismo, radiação eletromagnética, semicondutores, supercondutores, estrelas anãs brancas, estrelas de nêutrons, forças nucleares e partículas elementares”.

Mas o poder explicativo da teoria quântica chegou a um preço substancial: a necessidade de aceitar a estranheza contra intuitiva sobre a realidade que muitos físicos, incluindo pioneiros como Einstein e Schrödinger, se recusaram a aceitar.

Um aspecto censurável era a rejeição quântica ao determinismo newtoniano, a crença de que todos os eventos são totalmente determinados por circunstâncias precedentes. Você pode calcular exatamente onde uma bola de beisebol cairá, por exemplo, se você souber sua velocidade e sentido quando ela é atingida pelo bastão. A mecânica quântica, ao contrário, impõe um elemento probabilístico na descrição dos processos naturais. Quando um elétron salta fora de um átomo, ninguém pode prever exatamente em qual direção o elétron irá; a mecânica quântica permite apenas que você calcule a probabilidade que ele vá em uma direção ou em outra. Uma fórmula matemática chamada função de onda, fornece as instruções para calcular onde um elétron é possível que esteja – quando você faz uma medição do elétron, é mais provável encontrá-lo onde sua onda de probabilidade é mais intensa. Medições repetidas encontrarão uma gama de resultados correspondente às probabilidades que a matemática quântica especifica.

Einstein objetou dizendo que Deus não joga dados. Ele ainda se opôs a outro aspecto estranho da mecânica quântica, envolvendo sua descrição de pares de partículas separadas no nascimento. Dois fótons que emergem de um mesmo átomo, por exemplo, poderiam voar para muito distante, e ainda compartilhar de uma única descrição quântica; fazer uma medição em um pode revelar algo sobre o outro, não importa o quão longe eles estão.

As tentativas de explicar estes enigmas caem em duas grandes categorias, disse Weinberg: “instrumentista” e “realista”. Instrumentistas afirmam que a função de onda é meramente uma ferramenta para calcular os resultados de experimentos — não há nenhuma maneira de saber mais nada sobre a realidade. Os devotos da abordagem realista alegam que a função de onda é uma coisa real no mundo, evoluindo ao longo do tempo e, em um nível fundamental, é responsável por aquilo que está realmente acontecendo.

Weinberg acha a visão instrumental pouco atraente. É “tão feio imaginar que não temos conhecimento de qualquer coisa lá fora – só podemos dizer o que acontece quando fazemos uma medição”, diz ele. “A abordagem instrumentalista aceita a atitude que simplesmente não sabemos o que está acontecendo lá fora.”

Por outro lado, a visão realista diz o que está acontecendo “lá fora”, mas à custa de uma enorme complexidade sob a forma de um número incontável de fluxos de realidade independentes. “O que está acontecendo lá fora é uma função de onda que está progredindo com o tempo de uma maneira perfeitamente determinista, mas incrivelmente complicada”, diz Weinberg. Nesta visão, todos os resultados possíveis dos processos quânticos (isto é, tudo) acontecem em um fluxo ou outro (mesmo que ninguém esteja ciente de nenhum dos outros fluxos, ou “histórias”).

Weinberg preferiria uma realidade com uma história.  Mas, tirando essa preferência, a abordagem realista não explica por que os resultados das medições observam as regras de probabilidade quântica. Se tudo realmente acontece nas várias histórias, não parece haver nenhuma razão para que as regras probabilidades quânticas se apliquem dentro de um único fluxo.

Weinberg, acha que pode haver algo além da mecânica quântica, uma teoria mais profunda que introduz as probabilidades em um nível fundamental, ao invés de exigir que um ser humano faça medições para fazer as probabilidades se manifestarem. E há uma linha de pesquisa, a tentativa de generalizar a mecânica quântica ao longo daquelas linhas. Mas, até agora, não surgiu uma teoria convincente que consiga generalizar a mecânica quântica.

Talvez o que restabelecerá a Teoria Quântica de hoje se encaixe a qualquer momento. Ou talvez não. “Talvez será apenas o jeito de dizer o que está ruim na Teoria”, diz Weinberg, “e a própria teoria está certa”.

Ou possivelmente há uma surpresa no caminho.

“Há sempre uma terceira possibilidade”, Weinberg disse, “isso é há outra coisa completamente diferente, que vamos ter uma revolução na ciência a qual tanto é uma ruptura com o passado como a mecânica quântica é uma ruptura com a física clássica. É uma possibilidade. Pode ser que um artigo científico de um estudante de graduação amanhã de manhã vai colocá-la em questão. Por definição, não sei o que seria.”

Em todo caso, observou Weinberg, há um perigo em avaliar qualquer teoria em termos de preconceitos filosóficos contemporâneos. A gravidade newtoniana, destacou Weinberg, era considerada inaceitável por muitos cientistas de sua época.

“A teoria de Newton … parecia desagradável para seus contemporâneos”, disse Weinberg. A gravidade newtoniana era a ação à distância, sem nenhum empurrão ou puxão tangível guiando os planetas em suas órbitas. Isso “parecia a introdução de um elemento oculto na ciência e foi rejeitado por essa razão pelos seguidores de Descartes”, afirmou o prêmio Nobel. Além disso, “a força da gravitação era algo que não podia ser deduzida de considerações filosóficas fundamentais e foi rejeitada em parte por essa razão pelos seguidores de Leibniz”. E Newton também acabou com os sonhos de Kepler e outros ao deduzir o tamanho das órbitas planetárias a partir de princípios fundamentais.

Ainda assim, ao longo do tempo, a teoria de Newton compilou uma impressionante lista de sucessos (muito parecido com o que mecânica quântica tem feito).

“Ao final do século XVIII, estava perfeitamente claro para todos que a teoria de Newton estava correta, ou pelo menos uma aproximação espetacularmente bem-sucedida”, disse Weinberg. “Podemos tomar a lição de que não é realmente uma boa ideia a de manter novas teorias físicas rigorosamente de acordo com um padrão filosófico preexistente. Temos que avançar com ela e ver onde ela nos leva – e ver se teremos ou não de mudar nossos padrões filosóficos.”

Fonte: Science News

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