FísicaExperiência quântica dá sinais de que a realidade objetiva não existe

Alessandro Fedrizzi, Massimiliano Proietti3 semanas atrásImagem: Gerd Altmann/Pixabay
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Fatos alternativos estão se espalhando como um vírus pela sociedade. Agora, parece que eles até infectaram a ciência – pelo menos o reino quântico. Isso pode parecer contra-intuitivo. Afinal, o método científico baseia-se em noções confiáveis ​​de observação, medição e repetibilidade. Um fato, conforme estabelecido por uma medida, deve ser objetivo, de modo que todos os observadores possam concordar com ela.

Mas, em um artigo publicado recentemente na Science Advances, mostramos que, no micro-mundo de átomos e partículas que é governado pelas estranhas regras da mecânica quântica, dois observadores diferentes têm direito a seus próprios fatos. Em outras palavras, de acordo com nossa melhor teoria dos blocos de construção da própria natureza, os fatos podem ser realmente subjetivos.

Os observadores são jogadores poderosos no mundo quântico. Segundo a teoria, as partículas podem estar em vários lugares ou estados ao mesmo tempo – isso é chamado de superposição. Mas, estranhamente, esse é apenas o caso quando eles não são observados. No segundo em que você observa um sistema quântico, ele escolhe um local ou estado específico – quebrando a superposição. O fato de a natureza se comportar dessa maneira foi comprovado várias vezes no laboratório – por exemplo, no famoso experimento de dupla fenda.

Em 1961, o físico Eugene Wigner propôs um experimento de pensamento provocador. Ele questionou o que aconteceria ao aplicar a mecânica quântica a um observador que está sendo observado. Imagine que um amigo de Wigner joga uma moeda quântica – que está em uma superposição de cara e coroa – dentro de um laboratório fechado. Sempre que o amigo joga a moeda, observa um resultado definitivo. Podemos dizer que o amigo de Wigner estabelece um fato: o resultado do sorteio é definitivamente cara ou coroa.

Wigner não tem acesso a esse fato de fora e, de acordo com a mecânica quântica, deve descrever o amigo e a moeda como uma superposição de todos os resultados possíveis do experimento. Isso ocorre porque eles estão “enredados” – assustadoramente conectados, de modo que, se você manipula um, também manipula o outro. Wigner agora pode, em princípio, verificar essa superposição usando o chamado “experimento de interferência” – um tipo de medição quântica que permite desvendar a superposição de um sistema inteiro, confirmando que dois objetos estão enredados.

Quando Wigner e o amigo compararem as notas mais tarde, o amigo insistirá que viu resultados definitivos para cada sorteio. Wigner, no entanto, discordará, sempre, que observou amigo e moeda em uma superposição.

Isso apresenta um enigma. A realidade percebida pelo amigo não pode ser conciliada com a realidade externa. Wigner originalmente não considerou isso um paradoxo, ele argumentou que seria absurdo descrever um observador consciente como um objeto quântico. No entanto, mais tarde ele se afastou dessa visão e, de acordo com os livros formais sobre mecânica quântica, a descrição é perfeitamente válida.

O experimento

O cenário permaneceu por muito tempo um experimento interessante. Mas isso reflete a realidade? Cientificamente, houve pouco progresso nisso até muito recentemente, quando Časlav Brukner, da Universidade de Viena, mostrou que, sob certas suposições, a ideia de Wigner pode ser usada para provar formalmente que as medidas na mecânica quântica são subjetivas para os observadores.

Brukner propôs uma maneira de testar essa noção, traduzindo o cenário do amigo de Wigner em uma estrutura estabelecida pela primeira vez pelo físico John Bell em 1964. Brukner considerou dois pares de Wigners e amigos, em duas caixas separadas, realizando medições em um estado compartilhado – dentro e fora fora da respectiva caixa. Os resultados podem ser resumidos para, finalmente, serem usados ​​para avaliar a chamada “desigualdade de Bell”. Se essa desigualdade for violada, os observadores poderão ter fatos alternativos.

Agora, pela primeira vez, realizamos esse teste experimentalmente na Universidade Heriot-Watt, em Edimburgo, em um computador quântico de pequena escala composto por três pares de fótons emaranhados. O primeiro par de fótons representa as moedas e os outros dois são usados ​​para realizar o sorteio – medindo a polarização dos fótons – dentro de suas respectivas caixas. Fora das duas caixas, dois fótons permanecem de cada lado que também podem ser medidos.

Apesar de usar a tecnologia quântica de última geração, demorou semanas para coletar dados suficientes de apenas seis fótons para gerar estatísticas suficientes. Mas, eventualmente, conseguimos mostrar que a mecânica quântica pode de fato ser incompatível com a suposição de fatos objetivos – violamos a desigualdade.

A teoria, no entanto, é baseada em algumas suposições. Isso inclui que os resultados das medições não são influenciados pelos sinais que viajam acima da velocidade da luz e que os observadores são livres para escolher quais medições serão feitas. Isso pode ou não ser o caso.

Outra questão importante é se os fótons únicos podem ser considerados observadores. Na proposta da teoria de Brukner, os observadores não precisam estar conscientes, devem apenas ser capazes de estabelecer fatos na forma de um resultado de medição. Um detector inanimado seria, portanto, um observador válido. E a mecânica quântica de livros didáticos não nos dá motivos para acreditar que um detector, que pode ser fabricado com apenas alguns átomos, não deva ser descrito como um objeto quântico como um fóton. Também pode ser possível que a mecânica quântica padrão não se aplique em grandes escalas de comprimento, mas teste que é um problema separado.

Portanto, esse experimento mostra que, pelo menos para os modelos locais de mecânica quântica, precisamos repensar nossa noção de objetividade. Os fatos que experimentamos em nosso mundo macroscópico parecem permanecer seguros, mas surge uma grande questão sobre como as interpretações existentes da mecânica quântica podem acomodar fatos subjetivos.

Alguns físicos vêem esses novos desenvolvimentos como reforçando as interpretações que permitem que mais de um resultado ocorra para uma observação, por exemplo, a existência de universos paralelos nos quais cada resultado ocorre. Outros vêem isso como uma evidência convincente de teorias intrinsecamente dependentes de observadores, como o bayesianismo quântico, em que as ações e as experiências de um agente são preocupações centrais da teoria. Porém, outros consideram isso um forte indicativo de que talvez a mecânica quântica se quebre acima de certas escalas de complexidade.

Claramente, essas são questões profundamente filosóficas sobre a natureza fundamental da realidade. Seja qual for a resposta, um futuro interessante nos espera.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation.

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