Olhe para o futuro para entender o passado
Uma alternativa à visão de mundo de Newton promete explicar as esquisitices da física quântica
A julgar pelas melhores teorias físicas, você compreende mal o tempo. Na relatividade geral de Einstein, não há diferença entre o passado e o futuro, sem mencionar o conceito de "agora". Além disso, não há direção na qual o tempo "flua"; em vez disso, o espaço e o tempo simplesmente existem em alguma estrutura quadridimensional. Além disso, todas as leis fundamentais da física funcionam da mesma maneira para frente e para trás.Esses fatos não são fáceis de aceitar porque contradizem nossa percepção subjetiva do tempo. Mas não desanime: eles não são fáceis para os físicos, e essa tensão contradiz a física não apenas com o senso comum, mas também consigo mesma. E, embora os físicos falem muito sobre a simetria do tempo, eles se permitem procurar as causas dos fenômenos que ocorrem no mundo, apenas no passado e não no futuro.
Assim como a fixação das extremidades de uma corda de violão determina suas vibrações, o passado distante e o futuro distante do Universo podem influenciar os eventos de hoje.Formulando explicações, a maioria de nós pensa em termos de Isaac Newton, estabelecido há mais de 300 anos. Essa "mecânica newtoniana" toma o passado como base e o usa para resolver o futuro, explicando nosso Universo passo a passo. Alguns pesquisadores até pensam no universo como a saída de um programa de computador. Essa imagem é uma conseqüência natural desse esquema. Mesmo depois que nosso conceito de tempo mudou ao longo do último século, a mecânica newtoniana permaneceu de alguma forma nos sistemas físicos de crença mais populares.Mas, aplicando o antigo sistema newtoniano de pensamento sobre novos efeitos em escala quântica, nos encontramos em situações que não podem ser explicadas. Se esses fenômenos são inexplicáveis, talvez simplesmente os representemos incorretamente. Melhores explicações são disponibilizadas se estivermos prontos para levar em consideração o futuro. Mas a mecânica newtoniana é inicialmente incapaz de tais explicações atemporais. Os programas de computador funcionam em uma direção, e as tentativas de combinar dois programas que funcionam em direções opostas levam a um atoleiro de paradoxos característicos de filmes de viagem no tempo mal concebidos. Para olhar o futuro com a mesma seriedade do passado, precisamos claramente de uma alternativa à mecânica newtoniana.E nós temos isso. A maioria dos físicos está ciente da existência de um quadro de referência diferente, uma alternativa na qual o espaço e o tempo são analisados imparcialmente. Este chamado A mecânica lagrangiana também é raízes antigas e tornou-se uma ferramenta necessária em todas as áreas da física fundamental. Mas mesmo os físicos que usam essa abordagem resistem ao último passo óbvio: apresentar a mecânica lagrangiana não como um truque matemático, mas como uma maneira de explicar o mundo. Talvez não levemos a sério nossas próprias teorias.A mecânica de Lagrange não apenas nos permite dar explicações com base no futuro. Ela exige eles. Com relação ao passado e ao futuro igualmente, essa mecânica evita paradoxos e possibilita novos métodos de explicação. E pode ser exatamente o ponto de vista necessário para a próxima inovação.O primeiro passo para entender a mecânica lagrangiana é desvincular completamente o fluxo de tempo do newtoniano. Isso é mais fácil, considerando-se holisticamente as regiões do espaço-tempo: considerando toda a duração de uma só vez, e não como quadros consecutivos do filme. Podemos descrever o espaço-tempo na forma de estruturas quadridimensionais fixas, não apenas com o espaço, mas também com os prazos - os limites inicial e final da região.Toda a física clássica, da eletricidade aos buracos negros, pode ser expressa através do simples princípio lagrangiano de minimizar a ação. Para usá-lo em um segmento espaço-temporal, você primeiro descreve as limitações dos parâmetros físicos ao longo de todo o seu comprimento. Então, para cada conjunto de eventos possíveis nessa estrutura, você calcula a magnitude da "ação". O conjunto de eventos com a menor quantidade de ação é o que ocorrerá, levando em consideração as limitações iniciais e alguns pontos técnicos.Por exemplo, para um raio de luz viajando do ponto A ao ponto B, a ação corresponde à duração do tempo de viagem. O caminho será o mais rápido, dados os obstáculos. Se você argumentar dessa maneira, o feixe de luz se curvará na superfície do vidro para minimizar o tempo de viagem. A mecânica lagrangiana na física quântica funciona de maneira um pouco diferente e leva ao aparecimento de probabilidades, e não de respostas exatas, mas a essência é a mesma: restrições de espaço-tempo são impostas simultaneamente.Segundo a lógica newtoniana, isso é estranho. O raio de luz no ponto A, de alguma forma, prevê o futuro (sobre o ponto B e obstáculos futuros), possui amplas capacidades de computação (para contar vários caminhos) e conhecimento (para escolher o menor). Mas a estranheza é apenas uma prova de que o pensamento newtoniano e lagrangiano não se mistura - e que provavelmente não precisamos atribuir características humanas à luz.Em vez de explicar os eventos apenas com base no passado, a mecânica lagrangiana começa com restrições gerais de fronteira - incluindo a final. Se você não impuser uma restrição final - para o ponto de luz, esse ponto é B - essa abordagem não fornecerá a resposta correta. Mas, quando usado corretamente, o sucesso da matemática prova a prioridade lógica das restrições de fronteira - a fronteira de qualquer região do espaço-tempo explica seu conteúdo.A abordagem de Langrange fornece a descrição mais elegante e flexível da física, e os físicos costumam preferir. Mas, apesar da aplicabilidade desses princípios, mesmo os físicos que os utilizam não os entendem literalmente. É difícil aceitar que os eventos possam ser explicados com base no que está acontecendo no futuro. Afinal, existem diferenças óbvias entre o passado e o futuro. E se a flecha do tempo é tão óbvia para nós, como restrições futuras afetam o que está acontecendo em pé de igualdade com o passado?Mas há uma maneira de conciliar a mecânica lagrangiana com nossa experiência diária. Só precisamos pensar de maneira ampla o suficiente sem perder de vista os detalhes.
A física é reversível no tempo. Se um holofote ilumina uma estátua, também pode ser dito que uma estátua ilumina um holofote. Normalmente, não fazemos isso porque viola nossas expectativas em relação ao significado da palavra "explicação".Digamos que você tirou uma foto de uma estátua com um flash. Cada raio de luz obedece ao princípio da menor ação, produzindo um caminho perfeitamente simétrico no tempo. Mas juntos eles mostram uma assimetria óbvia: as restrições iniciais de A são reunidas rapidamente, e as restrições finais são distribuídas sobre a estátua. Além disso, é óbvio que a propagação da luz de A serve como uma explicação muito melhor para a iluminação B do que vice-versa. Mesmo se olharmos para os caminhos dos raios de luz na direção oposta, ninguém poderia argumentar que a luz está concentrada no flash devido aos complexos padrões de luz na estátua.A partir disso, pode-se inferir que explicações satisfatórias dispensam eventos complexos com métodos simples. Eles levam um fato com vários parâmetros relevantes para explicar a multidão de fenômenos. Isso deve ser óbvio, independentemente da mecânica usada.Mas essa assimetria de A e B não refuta o ponto de vista lagrangiano, que apenas postula que A e B juntos explicam melhor os detalhes do que aconteceu entre eles. Mesmo na mecânica lagrangiana, A e B dependem um do outro. Para rastrear a conexão deles, vejamos mais amplamente. De acordo com o princípio das limitações da mecânica lagrangiana, as explicações não estão alinhadas em uma cadeia, mas incorporadas uma na outra. Em outras palavras, não estamos dizendo que o evento A levou ao evento B, que levou ao evento B. Estamos trabalhando com uma pequena região do espaço-tempo como um todo; então consideramos isso como parte de uma região maior (no espaço e no tempo). Aplicando a mesma lógica lagrangiana, concluímos que os limites maiores devem explicar tudo dentro deles, incluindo os limites originais.Ao executar este procedimento para a estátua, encontramos a mesma assimetria da lâmpada e da estátua em uma escala ampliada. Ou seja, estamos satisfeitos com a descrição do flash da câmera no passado, mas não explicamos a iluminação da estátua, olhando para o futuro. Então, encerramos esse sistema em um sistema ainda maior, e assim por diante, até alcançarmos os limites cosmológicos - os limites externos do Universo. Até onde sabemos, a mesma assimetria é observada em tais escalas - uma distribuição incomumente suave da matéria durante o Big Bang e uma distribuição mais aleatória no futuro.Se considerarmos regiões comuns do espaço-tempo do ponto de vista lagrangiano, o fato de os limites iniciais (raios de luz que emanam da lâmpada do flash) serem mais simples do que os finais (estátuas iluminadas) prova que nosso limite cosmológico mais próximo está no passado. Essa sequência implica que, em um futuro comparável, não haja limites cosmológicos correspondentes. E se você considerar o Big Bang como a melhor explicação das propriedades óbvias do Universo, a direção óbvia do fluxo do tempo não difere do gradiente de temperatura espacial que você sente ao estar perto de uma janela fria. Em nenhum desses casos o espaço ou o tempo serão assimétricos; é apenas uma questão de sua localização em relação à borda mais próxima.Nas escalas clássicas que costumamos encontrar, não receberemos novas informações da futura fronteira em comparação com a fronteira do passado. Se esse fosse o caso em todas as escalas, a mecânica lagrangiana teria problemas, porque a fronteira futura não afetaria absolutamente nada. Mas não será assim se descermos ao nível de incerteza quântica: os detalhes do futuro microscópico não podem ser derivados do passado. É em uma escala quântica que todas as possibilidades da mecânica lagrangiana se tornam aparentes.
História emaranhada: em um experimento padrão de emaranhamento quântico, pares de partículas voam de uma fonte e são medidos por detectores. Dois computadores, Alice e Bob, geram números aleatórios para controlar os detectores. Os eventos do detector controlam o que acontece na fonte, mesmo que eles estejam localizados no futuro.O emaranhamento quântico é um conceito que rejeita a mecânica newtoniana. Os detalhes não são importantes para nós; portanto, consideraremos a essência geral de um experimento típico de entrelaçamento. O aparelho no centro cria duas partículas. O da esquerda é enviado para um detector controlado pelo computador de Alice e o da direita é enviado para um detector remoto controlado pelo computador de Bob. Os detectores medem suas partículas de uma das várias maneiras determinadas por números aleatórios. Como o físico irlandês John Bell demonstrou no famoso experimento dos anos 60, os resultados das medições são correlacionados de uma maneira que desafia a explicação usual.Especificamente, o passado total das partículas se torna insuficiente para explicar as correlações medidas, pelo menos não para todo o espectro de medições que Alice e Bob podem selecionar aleatoriamente. Obviamente, muitos cientistas querem explicar isso do ponto de vista físico e não gostam de tentar fazer isso através da matemática pura. Deixados em incompreensão, eles começam a causar entidades misteriosas que realmente não existem no espaço ou no tempo (e exigem explicação) ou mesmo viajam mais rápido que a luz (violando tudo o que sabemos sobre a teoria da relatividade de Einstein).Se abandonarmos essas tentativas desesperadas, todos concordarão que uma explicação natural poderia ser encontrada apenas se as partículas pudessem prever as configurações aleatórias de Alice e Bob com antecedência. Mas a maioria das propostas para transmitir essas informações para partículas parece ainda mais desesperadora, até o ponto de trapaça: as partículas parecem de alguma forma capturar todos os dados de entrada de geradores de números aleatórios e usam essas informações para prever configurações futuras do detector.Quase ninguém considera isso uma explicação digna de experimentos de entrelaçamento, pois você não aceitaria uma explicação da localização da luz em uma lâmpada de flash, refletida nas formas complexas da estátua. Tais tentativas violam nossos padrões razoáveis de explicação: o mecanismo de operação proposto é muito mais complicado do que os simples resultados que ele está tentando explicar.No exemplo da estátua, a solução óbvia seria procurar limites mais simples - flashes - para a melhor explicação. Para o entrelaçamento quântico, considerado do ponto de vista da mecânica lagrangiana, uma explicação razoável será quase tão óbvia. Não afeta trabalhos preliminares complicados com as configurações do detector; consiste em futuras configurações do detector.Partículas misteriosas emaranhadas existem na região nebulosa do espaço-tempo no futuro, e os limites dessa região incluem sua preparação e sua detecção pelo detector. As configurações escolhidas por Alice e Bob são fisicamente implementadas nos detectores no limite final - exatamente onde a mecânica lagrangiana nos diz para procurar explicações. Precisamos apenas permitir que as partículas se limitem a esse limite no futuro, e imediatamente aparece uma explicação simples dos experimentos de emaranhamento. Nesse caso, o futuro, juntamente com o passado, pode explicar melhor as observações.O emaranhamento quântico pode não ser o único mistério que pode ser resolvido considerando seriamente o futuro como uma explicação. Em outros fenômenos quânticos, também pode ser encontrada uma explicação mais simples que funciona no espaço e no tempo simples, sem nenhuma ação à distância. É possível que as probabilidades na teoria quântica sejam as mesmas de qualquer outro campo científico: existindo devido a parâmetros desconhecidos por nós (já que alguns deles serão no futuro).Esse estudo levantará questões importantes. Se o futuro pode impor restrições ao passado, por que as consequências são limitadas a um nível quântico? Por que não podemos usar fenômenos quânticos para enviar mensagens para o passado? Em que escala as restrições cósmicas dominam e como as abordagens lagrangianas podem ser generalizadas para que tudo funcione?Encontrar respostas para eles pode não apenas ajudar a física, mas também entender melhor como nos encaixamos em nosso universo quadridimensional. Por exemplo, de acordo com a mecânica lagrangiana, os detalhes microscópicos de qualquer região não são completamente limitados pelos limites do passado. No nível atômico do cérebro, existem limitações importantes, mas desconhecidas, no futuro. Talvez esse raciocínio ajude a entender o livre arbítrio, justificando como o futuro não é completamente determinado pelo passado. Isso exigirá que repensemos a idéia de que existe uma diferença simples e óbvia entre um passado fixo e um futuro aberto.Quase sempre que uma ciência encontrou uma explicação mais profunda, mais simples e mais satisfatória, isso levou a uma cascata de outras descobertas científicas. Portanto, se houver um nível mais profundo de fenômenos quânticos que ainda não dominamos, seu desenvolvimento levará a avanços críticos em um grande número de tecnologias que usam efeitos quânticos. Instintos errôneos impediram o progresso científico no passado, e nossos instintos relacionados ao tempo são talvez um dos mais fortes. Mas há uma maneira clara de explicar os segredos mais profundos da natureza, se pudermos nos forçar a olhar para o futuro.Source: https://habr.com/ru/post/pt396651/
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