Um novo paradoxo quântico coloca em questão os fundamentos da realidade observada
Se uma árvore cair em uma floresta e ninguém estiver lá para ouvir, ela faz algum barulho? Talvez não, dizem alguns.
E se alguém estiver lá para ouvir? Se você acha que isso significa que obviamente fez algum som, talvez seja necessário revisar essa opinião.
Encontramos um novo paradoxo na mecânica quântica — uma de nossas duas teorias científicas mais fundamentais, junto com a teoria da relatividade de Einstein — que lança dúvidas sobre algumas idéias do senso comum sobre a realidade física.
Mecânica quântica vs bom senso
Dê uma olhada nessas três declarações:
- Quando alguém observa um evento acontecendo, ele realmente aconteceu.
- É possível fazer escolhas livres, ou pelo menos, escolhas estatisticamente aleatórias.
- Uma escolha feita em um lugar não pode afetar instantaneamente um evento distante. (Os físicos chamam isso de “localidade”.)
Todas essas são ideias intuitivas e amplamente aceitas até mesmo por físicos. Mas nossa pesquisa, publicada na Nature Physics , mostra que eles não podem ser todos verdadeiros ou a própria mecânica quântica deve quebrar em algum nível.
Este é o resultado mais forte de uma longa série de descobertas na mecânica quântica que alteraram nossas idéias sobre a realidade. Para entender por que é tão importante, vamos olhar para essa história.
A batalha pela realidade
A mecânica quântica funciona extremamente bem para descrever o comportamento de objetos minúsculos, como átomos ou partículas de luz (fótons). Mas esse comportamento é … muito estranho.
Em muitos casos, a teoria quântica não dá respostas definitivas a perguntas como “onde está esta partícula agora?” Em vez disso, ele fornece apenas probabilidades de onde a partícula pode ser encontrada quando é observada.
Para Niels Bohr, um dos fundadores da teoria há um século, não é porque nos faltam informações, mas porque propriedades físicas como “posição” não existem de fato até serem medidas.
E mais, porque algumas propriedades de uma partícula não podem ser perfeitamente observadas simultaneamente — como posição e velocidade — elas não podem ser reais simultaneamente.
Ninguém menos do que Albert Einstein achou essa ideia insustentável. Em um artigo de 1935 com os colegas teóricos Boris Podolsky e Nathan Rosen, ele argumentou que deve haver mais na realidade do que a mecânica quântica poderia descrever.
O artigo considerou um par de partículas distantes em um estado especial agora conhecido como um estado “emaranhado”. Quando a mesma propriedade (digamos, posição ou velocidade) é medida em ambas as partículas emaranhadas, o resultado será aleatório mas haverá uma correlação entre os resultados de cada partícula.
Por exemplo, um observador medindo a posição da primeira partícula poderia prever perfeitamente o resultado da medição da posição da distante, sem sequer tocá-la. Ou o observador pode escolher prever a velocidade. Isso tinha uma explicação natural, eles argumentaram, se ambas as propriedades existiam antes de serem medidas, ao contrário da interpretação de Bohr.
No entanto, em 1964, o físico do norte da IrlandaJohn Bell descobriu que o argumento de Einstein seria destruído se você realizasse uma combinação mais complicada de diferentes medições nas duas partículas.
Bell mostrou que se os dois observadores aleatoriamente e independentemente escolherem entre medir uma ou outra propriedade de suas partículas, como posição ou velocidade, os resultados médios não podem ser explicados em nenhuma teoria onde tanto a posição quanto a velocidade eram propriedades locais pré-existentes.
Isso parece incrível, mas os experimentos agora demonstraram conclusivamente que as correlações de Bell ocorrem. Para muitos físicos, isso é evidência de que Bohr estava certo: as propriedades físicas não existem até que sejam medidas.
Mas isso levanta a questão crucial: o que há de tão especial em uma “medição”?
O observador, observado
Em 1961, o físico teórico húngaro-americano Eugene Wigner desenvolveu um experimento mental para mostrar o que há de tão complicado na ideia de medição.
Ele considerou uma situação em que seu amigo entra em um laboratório hermeticamente fechado e realiza uma medição em uma partícula quântica; sua posição, digamos.
No entanto, Wigner percebeu que se aplicasse as equações da mecânica quântica para descrever essa situação de fora, o resultado seria bem diferente. Em vez de a medição do amigo tornar real a posição da partícula, da perspectiva de Wigner, o amigo fica emaranhado com a partícula e infectado com a incerteza que a cerca.
Isso é semelhante ao famoso gato de Schrödinger , um experimento mental no qual o destino de um gato em uma caixa se confunde com um evento quântico aleatório.
Para Wigner, essa foi uma conclusão absurda. Em vez disso, ele acreditava que, uma vez que a consciência de um observador fosse envolvida, o emaranhamento “entraria em colapso” para tornar definitiva a observação do amigo.
Mas e se Wigner estivesse errado?
Nosso experimento
Em nossa pesquisa, construímos uma versão ampliada do paradoxo do amigo de Wigner, proposto pela primeira vez por Časlav Brukner, da Universidade de Viena. Nesse cenário, há dois físicos — chame-os de Alice e Bob — cada um com seus próprios amigos (Charlie e Debbie) em dois laboratórios distantes.
Há outra reviravolta: Charlie e Debbie agora estão medindo um par de partículas emaranhadas, como nos experimentos de Bell.
Como no argumento de Wigner, as equações da mecânica quântica nos dizem que Charlie e Debbie deveriam ficar emaranhados com suas partículas observadas. Mas como essas partículas já estavam emaranhadas umas com as outras, Charlie e Debbie deveriam ficar emaranhados, em teoria.
Mas o que isso implica experimentalmente?
Nosso experimento é assim: os amigos entram em seus laboratórios e medem suas partículas. Algum tempo depois, Alice e Bob jogam uma moeda. Se der cara, eles abrem a porta e perguntam ao amigo o que viram. Se for coroa, eles realizam uma medição diferente.
Essa medição diferente sempre dá um resultado positivo para Alice se Charlie estiver emaranhado com sua partícula observada da maneira calculada por Wigner. Da mesma forma para Bob e Debbie.
Em qualquer realização dessa medição, no entanto, qualquer registro da observação de seu amigo dentro do laboratório é impedido de alcançar o mundo externo. Charlie ou Debbie não se lembrarão de ter visto nada dentro do laboratório, como se acordassem de uma anestesia total.
Mas isso realmente aconteceu, mesmo que eles não se lembrem?
Se as três ideias intuitivas no início deste artigo estiverem corretas, cada amigo viu um resultado real e único para sua medição dentro do laboratório, independentemente de Alice ou Bob decidirem abrir a porta posteriormente. Além disso, o que Alice e Charlie veem não deve depender de como a moeda distante de Bob cai e vice-versa.
Mostramos que, se esse fosse o caso, haveria limites para as correlações que Alice e Bob poderiam esperar ver entre seus resultados. Também mostramos que a mecânica quântica prevê que Alice e Bob verão correlações que vão além desses limites.
Em seguida, fizemos um experimento para confirmar as previsões da mecânica quântica usando pares de fótons emaranhados. O papel da medição de cada amigo foi desempenhado por um dos dois caminhos que cada fóton pode tomar na configuração, dependendo de uma propriedade do fóton chamada “polarização”. Ou seja, o caminho “mede” a polarização.
Nosso experimento é apenas uma prova de princípio, já que os “amigos” são muito pequenos e simples. Mas abre a questão de saber se os mesmos resultados seriam válidos para observadores mais complexos.
Talvez nunca possamos fazer esse experimento com humanos reais. Mas argumentamos que um dia pode ser possível criar uma demonstração conclusiva se o “amigo” for uma inteligência artificial de nível humano rodando em um computador quântico massivo .
O que tudo isso significa?
Embora um teste conclusivo possa estar a décadas de distância, se as previsões da mecânica quântica continuarem a valer, isso terá fortes implicações para a nossa compreensão da realidade – ainda mais do que as correlações de Bell. Por um lado, as correlações que descobrimos não podem ser explicadas apenas dizendo que as propriedades físicas não existem até que sejam medidas.
Agora, a realidade absoluta dos próprios resultados de medição é posta em questão.
Nossos resultados forçam os físicos a lidar com o problema de medição de frente: ou nosso experimento não aumenta e a mecânica quântica dá lugar a uma chamada “teoria do colapso objetivo“, ou uma de nossas três suposições de senso comum deve ser rejeitada .
Existem teorias, como de Broglie-Bohm , que postulam “ação à distância”, nas quais as ações podem ter efeitos instantâneos em qualquer parte do universo. No entanto, isso está em conflito direto com a teoria da relatividade de Einstein.
Alguns buscam uma teoria que rejeite a liberdade de escolha, mas eles exigem causalidade retroativa ou uma forma aparentemente conspiratória de fatalismo chamada “superdeterminismo”.
Outra forma de resolver o conflito seria tornar a teoria de Einstein ainda mais relativa. Para Einstein, diferentes observadores podem discordar sobre quando ou onde algo acontece – mas o que acontece é um fato absoluto.
No entanto, em algumas interpretações, como mecânica quântica relacional, Bayesianismo Quântico ou a interpretação de muitos mundos, os próprios eventos podem ocorrer apenas em relação a um ou mais observadores. Uma árvore caída observada por um pode não ser um fato para todos os outros.
Tudo isso não significa que você possa escolher sua própria realidade. Em primeiro lugar, você pode escolher quais perguntas você fará, mas as respostas são dadas pelo mundo. E mesmo em um mundo relacional, quando dois observadores se comunicam, suas realidades ficam emaranhadas. Desta forma, uma realidade compartilhada pode surgir.
O que significa que, se nós dois testemunharmos a queda da mesma árvore e você disser que não consegue ouvir, talvez precise de um aparelho auditivo.
Esse artigo foi publicado originalmente no The Conversation por Anthony Dunnigan e foi reproduzido aqui com permissões Creative Commons. Leia o artigo original (em inglês).
