Um novo experimento mental excitou o mundo dos fundamentos da física quântica e fez os físicos esclarecerem como diferentes interpretações da teoria quântica (multimundo ou Copenhague) forçam alguém a abandonar suposições aparentemente razoáveis em relação à realidade.
Se uma moeda não pode cair de cabeça e coroa ao mesmo tempo, os físicos precisam abandonar suposições simples sobre a natureza da realidade.Ninguém argumenta que a mecânica quântica é uma teoria bem-sucedida. Ela faz previsões incrivelmente precisas sobre a natureza do mundo em escala microscópica. O debate, que já dura quase cem anos, diz respeito ao que ela nos diz sobre a existência e a realidade dos objetos. Há um monte de interpretações que dão uma resposta a essa pergunta, cada uma das quais exige acreditar em certas afirmações ainda não confirmadas - isto é, suposições - a respeito da natureza da realidade.
Um novo experimento mental desafia essas suposições e abala os fundamentos da física quântica. Ele, é claro, é ele próprio estranho. Por exemplo, requer medidas que possam apagar as memórias de uma observação recente. Para os humanos, isso é impossível, e os computadores quânticos podem conduzir um experimento tão estranho e, teoricamente, encontrar as diferenças entre diferentes interpretações da física quântica.
"Ocasionalmente, há trabalhos que geram intenso debate, reflexão e discussão - e esse é apenas o caso", disse
Matthew Leifer , especialista em física quântica na Chapman University, em Orange, Califórnia. "Esse experimento mental será adicionado ao cânon de coisas estranhas encontradas no básico da física quântica".
O experimento foi desenvolvido por Daniela Frauhiger e
Renato Rener, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia, e inclui um conjunto de suposições, que à primeira vista são bastante razoáveis. No entanto, isso leva a contradições, o que sugere que pelo menos uma das suposições está incorreta. Escolher a suposição errada afeta nossa compreensão do mundo quântico e aponta para a possibilidade de que a mecânica quântica não seja uma teoria universal, não aplicável a sistemas complexos, como pessoas.
A física quântica é notória por interpretações divergentes das equações usadas para descrever o que está acontecendo no mundo quântico. Mas em um novo experimento mental, todas as interpretações sofrem imediatamente. Cada um deles contradiz uma ou outra suposição. Podemos esperar algo completamente novo em busca de uma descrição consistente da realidade?
A teoria quântica funciona muito bem na escala de fótons, elétrons, átomos, moléculas e até macromoléculas. Mas é aplicável a sistemas que excedem em muito o tamanho das macromoléculas? "Não confirmamos experimentalmente a aplicabilidade da mecânica quântica em larga escala - grande refere-se ao tamanho da ordem de um vírus ou célula pequena", disse Renner. "Em particular, não sabemos se isso se aplica a objetos do tamanho de pessoas, ou ainda mais a objetos do tamanho de buracos negros".
Apesar da falta de evidências empíricas, os físicos acreditam que a mecânica quântica pode ser usada para descrever sistemas em todas as escalas - isto é, que é universal. Para testar essa suposição, Frauhiger e Rener criaram seu próprio experimento mental, expandindo o trabalho de
Eugene Wigner na década de 1960. Um novo experimento mostra que no mundo quântico duas pessoas podem discordar de um resultado aparentemente indiscutível, digamos, uma moeda caindo, o que sugere que algo está faltando nas suposições sobre a realidade quântica.
Na mecânica quântica padrão, um sistema quântico, como uma partícula subatômica, é representado por uma abstração matemática chamada função de onda. Os físicos calculam a evolução da função de onda de uma partícula no tempo.
Eugene Wigner, físico e matemático americano de ascendência húngara, ganhador do Nobel de Física em 1963, é uma das figuras-chave no desenvolvimento da teoria quântica.No entanto, a função de onda não nos fornece o valor exato das propriedades da partícula, por exemplo, sua localização. Mesmo se quisermos saber onde está a partícula, o valor de sua função de onda a qualquer momento no espaço e no tempo permite calcular apenas a probabilidade de detectar uma partícula nesse local. E antes de procurá-la neste local, a função de onda é distribuída e atribui diferentes probabilidades de encontrar a partícula em locais diferentes. Diz-se que a partícula está em superposição quântica, estando presente em muitos lugares ao mesmo tempo.
No caso geral, um sistema quântico pode estar em uma superposição de estados, onde o "estado" se refere a outras propriedades, por exemplo, à rotação de uma partícula. O experimento mental de Frauchiger-Rener manipula objetos quânticos complexos - talvez até pessoas - que estão em superposição.
Existem quatro caracteres no experimento: Alice, o amigo de Alice, Bob e o amigo de Bob. A amiga de Alice está no laboratório, fazendo medições do sistema quântico, e Alice está do lado de fora, observando o laboratório e o outro. O amigo de Bob está em um laboratório diferente, e Bob supervisiona ele e o laboratório, considerando-os um sistema.
No primeiro laboratório, o amigo de Alice mede os resultados de um experimento jogando uma moeda, projetada para que a moeda seja derrubada por uma águia em um terço dos casos e uma coroa em dois terços dos casos. Se uma águia cai, o amigo de Alice faz uma partícula com o giro apontando para baixo e, se por caudas, ele prepara a partícula em uma superposição, na qual as costas são direcionadas para cima e para baixo simultaneamente em proporções iguais.
O amigo de Alice envia uma partícula para o amigo de Bob, e ele mede o giro dela. Com base no resultado, o amigo de Bob pode concluir o que o amigo de Alice viu após o sorteio. Se, por exemplo, ele descobre uma partícula com um giro apontando para cima, ele sabe que as caudas caíram.
O experimento continua. Alice mede o estado de seu amigo e laboratório, considerando-os um sistema quântico único, e usa a teoria quântica para fazer previsões. Bob faz o mesmo com o amigo e o laboratório. A primeira suposição: o ator pode analisar outro sistema, mesmo um complexo, no qual outras pessoas participam, usando a mecânica quântica. Em outras palavras, a teoria quântica é universal e tudo no universo, incluindo todo o laboratório (e os cientistas dentro deles), trabalha de acordo com as regras da mecânica quântica.
Essa suposição permite que Alice considere sua amiga e o laboratório como um sistema e faça certas medições que colocam todo o laboratório, incluindo seu conteúdo, em uma superposição de estados. Esta não é uma medida simples, o que torna o experimento estranho.
A maneira mais fácil de entender esse processo é examinando um único fóton em uma superposição de polarizações horizontal e vertical. Suponha que medamos a polarização e descobrimos que ela é vertical. Agora, se continuarmos medindo a polarização do fóton, ele ficará na vertical o tempo todo. Mas se medirmos um fóton polarizado verticalmente para descobrir se ele é polarizado em outra direção, digamos, a 45 graus da vertical, descobriremos que existe uma probabilidade de 50% e uma probabilidade de 50% que não é. Agora, se voltarmos a medir o que pensávamos ser um fóton polarizado verticalmente, descobrimos que há uma chance de que ele não seja mais polarizado verticalmente e tenha adquirido polarização horizontal. Uma medição de polarização de 45 graus retornou o fóton para uma superposição de polarizações horizontais e verticais.
Tudo isso funciona bem para uma única partícula, e essas medições foram confirmadas com sucesso em experimentos reais. Mas, em um experimento mental, Frauhiger e Rener querem fazer algo semelhante com sistemas complexos.
Nesta fase do experimento, o amigo de Alice já viu como a moeda caiu por uma águia ou coroa. Mas as medidas complexas de Alice levam o laboratório, incluindo sua amiga, a um estado de superposição de águia e cauda. Em um estado tão estranho, nada mais é necessário para o amigo de Alice.
Renato Rener, físico de um instituto suíço, surgiu com um paradoxo junto com Daniela Frauhiger, que deixou a instituição logo após o trabalho conjunto.Mas Alice ainda não terminou. Com base em sua medição complexa, cujo resultado pode ser representado simplesmente como "sim" ou "não", ela pode descobrir o resultado das medições feitas pelo amigo de Bob. Suponha que Alice receba um sim. Usando a mecânica quântica, ela pode calcular que o amigo de Bob encontrou a partícula girar para cima e, portanto, o amigo de Alice viu as caudas caírem.
Essa observação de Alice implica outra suposição sobre o uso da teoria quântica. Ela não apenas conhece esse resultado, como sabe exatamente como o amigo de Bob usou a teoria quântica para chegar a sua conclusão sobre o resultado do sorteio. Alice também faz essa conclusão. A suposição de consistência afirma que as previsões feitas por diferentes indivíduos usando a teoria quântica não se contradizem.
Enquanto isso, Bob pode levar o laboratório de seu amigo com a mesma dimensão complexa, colocando-os em uma superposição quântica. A resposta pode ser novamente sim ou não. Se Bob aceitar "sim", a medida permite concluir que o amigo de Alice deveria ter visto a águia na moeda.
É claro que Alice e Bob podem fazer medições e comparar suas suposições sobre o resultado do sorteio. Mas aqui é usada mais uma suposição: se as medidas de face dizem que a moeda caiu, o fato oposto - a perda de uma águia - não pode ser verdadeiro.
Agora tudo está pronto para uma contradição. Quando Alice recebe "sim" na dimensão, ela assume que a moeda caiu e, quando Bob recebe "sim", ele assume que a moeda caiu com uma águia. Na maioria das vezes, Alice e Bob obtêm resultados opostos. Mas Frauhiger e Rener mostraram que em um caso em cada doze, Alice e Bob receberiam "sim" no mesmo caso, pelo que não concordariam se o amigo de Alice visse uma águia ou uma cauda. "Como resultado, os dois falam sobre o evento, ambos têm certeza do resultado, mas suas declarações são opostas", disse Rener. Isso é uma contradição. Isso sugere que algo está errado. "
Isso permitiu a Frauhiger e Rener afirmar que uma das três suposições subjacentes ao experimento mental está incorreta.
“E aqui a ciência para. Só sabemos que um dos três está errado e não podemos provar de forma convincente qual deles está sendo violado ”, diz Rener. "É uma questão de interpretação e bom gosto."
Felizmente, existem muitas
interpretações da mecânica quântica , e quase todas elas falam sobre o que acontece com a função de onda no momento da medição. Tome a posição da partícula. Antes da medição, podemos apenas falar sobre a probabilidade de encontrá-la em algum lugar. Após a medição, a partícula assume uma determinada posição. Na interpretação de Copenhague, a medição faz com que a função de onda entre em colapso, e não podemos falar sobre propriedades de uma partícula como sua posição antes da medição. Alguns físicos acreditam que a interpretação de Copenhague alega que as propriedades não são reais até o momento da medição.
Essa forma de "anti-realismo" era estranha a Einstein, como alguns físicos modernos. Como o conceito de uma dimensão que faz com que a função de onda entre em colapso, especialmente porque a interpretação de Copenhague não diz exatamente o que pode ser considerado uma dimensão. Interpretações alternativas da teoria basicamente tentam apresentar uma abordagem realista - onde os sistemas quânticos têm propriedades independentes de observadores e medições - ou para evitar o colapso causado pela medição, ou ambos ao mesmo tempo.
Por exemplo, uma interpretação de vários mundos leva em consideração a evolução de uma função de onda e nega seu colapso. Se o lançamento quântico de uma moeda pode levar a uma águia ou a uma coroa, então, no caso de vários mundos, um e o outro acontecem, apenas em mundos diferentes. Então, a suposição de que há um resultado do experimento, que se uma moeda cai por coroa, não pode cair simultaneamente por uma águia, torna-se insolvente. Em uma interpretação mundial, o resultado de um sorteio acaba sendo cara e coroa, então o fato de Alice e Bob às vezes obterem respostas opostas não é uma contradição.
A suposição da universalidade da teoria quântica é violada por interpretações nas quais as funções quânticas de sistemas complexos entram em colapso espontâneo.
As premissas de interpretação são violadas por interpretações como o bayesianismo quântico , no qual os resultados da medição dependem do ponto de vista do observador.
O pressuposto da impossibilidade de resultados opostos é violado por interpretações multi-mundo."Eu tenho que admitir que, se você me perguntasse há dois anos, diria que nosso experimento simplesmente mostra que a interpretação multivariada funciona bem, e você só precisa abandoná-la", o requisito de que as medições produzam um único resultado, disse Rener.
A mesma opinião é defendida pelo físico teórico
David Deutsch, da Universidade de Oxford, que aprendeu sobre o trabalho de Frauhiger-Rener quando ela apareceu no site
arxiv.org . Nessa versão do trabalho, os autores inclinaram-se para um cenário com muitos mundos (a versão mais recente do trabalho, que foi habilmente avaliada e publicada em setembro na Nature Communications, adota uma abordagem mais agnóstica). Deutsch acredita que um experimento mental ainda suporta uma interpretação multi-mundo. "Acredito que ele provavelmente matará opções com o colapso da função de onda ou com um único universo, mas elas já estão mortas", disse ele. "Não tenho certeza de qual é o objetivo de atacá-los novamente com artilharia maior."
Rener mudou de ponto de vista. Ele acredita que, muito provavelmente, a suposição da universalidade da mecânica quântica estará incorreta.
Esta suposição, por exemplo, é violada pelo chamado teorias do colapso espontâneo, que advogam - como o próprio nome indica - colapso aleatório espontâneo da função da onda, independente das medidas. Esses modelos garantem que pequenos sistemas quânticos, como partículas, podem permanecer em superposição quase para sempre, mas quanto mais maciços os sistemas se tornam, maior a probabilidade de seu colapso espontâneo em um estado clássico. As medições simplesmente detectam o estado de um sistema recolhido.
Nas teorias do colapso espontâneo, a mecânica quântica não pode ser aplicada a sistemas com massa superior ao limiar. E embora esses modelos ainda não tenham sido verificados empiricamente, ninguém os refutou.
Nicholas Gizin, da Universidade de Genebra, prefere teorias do colapso espontâneo como uma maneira de resolver a contradição no experimento de Frauhiger-Rener. "Minha saída da dificuldade deles é dizer: não, em algum momento o princípio da superposição não funciona mais", diz ele.
Se você deseja aderir à suposição da aplicabilidade universal da teoria quântica e a uma única versão das medidas, deve abandonar a última suposição - da consistência: "as previsões de vários atores que usam a teoria quântica não podem se contradizer".
Usando uma versão ligeiramente modificada do experimento Frauchiger-Rener, Leifer mostrou que essa última suposição, ou sua variante, teria que ser abandonada se as teorias de Copenhague estivessem corretas. Em sua análise, essas teorias têm atributos comuns - são universalmente aplicáveis, anti-realistas (isto é, falam da ausência de certas propriedades de sistemas quânticos, como posição, antes da medição) e são completas (não há realidade oculta que a teoria não possa descrever). Dado esses atributos, seu trabalho afirma que a dimensão especificada não tem um único resultado que seja objetivamente verdadeiro para todos os observadores. Portanto, se um detector clicasse no laboratório da amiga de Alice, isso seria um fato objetivo para ela - mas não para Alice, que estava fora do laboratório e simulava tudo usando a teoria quântica. Os resultados da medição dependem do ponto de vista do observador.
“Se você deseja apoiar o ponto de vista de Copenhague, a melhor maneira seria mudar para esta versão de diferentes perspectivas”, disse Leifer. Ele ressalta que algumas interpretações, como o bayesianismo quântico, ou KBism, já levaram a abordagem de subjetividade do resultado da medição ao observador.
Rener acredita que abandonar essa suposição destruirá a capacidade dos atores de descobrir o que os outros sabem; tal teoria pode ser simplesmente descartada como
solipsismo . Qualquer teoria que se mova na direção da subjetividade dos fatos deve, de alguma forma, redefinir o método de transferência de conhecimento, a fim de satisfazer duas limitações opostas. Deve ser fraco o suficiente para não provocar o paradoxo observado no experimento de Frauhiger-Rener. Mas ele deve ser forte o suficiente para não ser acusado de solipsismo. Até agora, ninguém foi capaz de formular uma teoria semelhante que satisfaça a todos.
O experimento de Frauhiger-Rener gera contradições entre três suposições aparentemente razoáveis. Tentativas de explicar como diferentes interpretações da teoria quântica violam essas suposições foram "exercícios extremamente úteis", disse Rob Speckens, do Instituto de Física Teórica, Perimeter, do Canadá."Esse experimento mental é uma ótima lente através da qual você pode explorar diferenças de opinião entre diferentes campos que professam interpretações da teoria quântica", disse Speckens. - Não creio que ele tenha realmente eliminado as opções apoiadas pelas pessoas antes, mas descobriu exatamente o que os vários campos de interpretação deveriam acreditar para evitar contradições. Ele ajudou a esclarecer as atitudes das pessoas em relação a alguns desses problemas. ”Dado que os teóricos não podem separar as interpretações, os pesquisadores estão pensando em como implementar esse experimento mental, na esperança de esclarecer o problema. Mas isso não será uma tarefa fácil, porque o experimento apresenta requisitos estranhos. Por exemplo, quando Alice assume uma dimensão especial de sua amiga e laboratório, ela coloca tudo, inclusive o cérebro da amiga, em uma superposição de estados.Matematicamente, essa medição complexa é equivalente ao fato de primeiro revertermos o desenvolvimento temporário do sistema - ou seja, a memória do ator é apagada e o sistema quântico (a partícula que ele mediu) retorna ao seu estado original - e depois realizamos uma medição mais simples de apenas uma partícula. Howard Wisemanda Griffith University da Austrália. A medida pode ser simples, mas, como Gizin educadamente aponta, "reverter um ator, incluindo seu cérebro e memória, é uma parte sensível do experimento".No entanto, Gizin não nega que, talvez, algum dia esse experimento possa ser realizado usando computadores quânticos complexos, como atores dentro de laboratórios (fazendo o papel de amigos de Alice e Bob). Em princípio, o desenvolvimento temporário de um computador quântico pode ser revertido. Uma possibilidade é que esse experimento reproduza as previsões da mecânica quântica padrão ao mesmo tempo em que os computadores quânticos se tornam mais complexos. Ou talvez não.
"Outra alternativa é que, em algum momento, ao desenvolver computadores quânticos, encontraremos a restrição do princípio de superposição e descobriremos que a mecânica quântica não é universal", disse Gizin.Leifer defende algo novo. "Acho que a interpretação correta da mecânica quântica não será semelhante a nenhuma das anteriores", disse ele.Ele compara a situação atual com a mecânica quântica com os tempos que precederam o aparecimento de Einstein com sua teoria especial da relatividade. Os pesquisadores não encontraram sinal do éter luminífero "- o meio através do qual se pensava que as ondas de luz se propagavam no universo newtoniano. Einstein argumentou que o éter não existe. Ele mostrou que o espaço e o tempo são mutáveis." Antes de Einstein, era impossível pensar que a estrutura do espaço e do tempo mudaria ", - disse Leifer.Ele acredita que a mecânica quântica está agora em uma situação semelhante. "É possível que estejamos fazendo suposições incondicionais sobre como o mundo deve ser construído, o que está realmente errado", disse ele. "Quando os mudarmos, quando mudarmos nossas suposições, tudo de repente se encaixará." Espero que sim. Qualquer pessoa que seja cética sobre todas as interpretações da mecânica quântica deve raciocinar assim. Posso falar sobre um candidato adequado para essa suposição? Se eu pudesse, trabalharia nessa teoria. ”