Darwinismo quântico: uma idéia que explica a realidade objetiva passa no primeiro teste

Três experimentos confirmaram o darwinismo quântico - uma teoria que explica como as probabilidades quânticas podem gerar realidade objetiva clássica

Não é de surpreender que a física quântica tenha reputação de uma ciência estranha e contra-intuitiva. O mundo em que vivemos não nos parece ser mecânico quântico. E até o século XX, todos assumiram que as leis clássicas da física, deduzidas por Isaac Newton e outros cientistas - segundo as quais os objetos sempre definem posições e propriedades com precisão - funcionam em todas as escalas. Mas Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr e seus outros contemporâneos descobriram que, no fundo, entre átomos e partículas subatômicas, essa especificidade desaparece, transformando-se em uma confusão de possibilidades. Por exemplo, normalmente não se pode atribuir um determinado local a isso - só podemos calcular a probabilidade de encontrá-lo em um determinado local. Surge uma questão desagradável: como as probabilidades quânticas se combinam em uma imagem clara do mundo clássico?

Os físicos às vezes chamam essa transformação de "transição clássica quântica". Mas, de fato, não há razão para acreditar que os grandes e os pequenos tenham regras fundamentalmente diferentes, ou que haja um grande salto entre elas. Nas últimas décadas, os pesquisadores entenderam muito bem como a mecânica quântica inevitavelmente se torna clássica através da interação de uma partícula ou outro sistema microscópico com seu ambiente.

Uma das idéias mais dignas de nota nesta plataforma teórica é que certas propriedades dos objetos que associamos à física clássica - por exemplo, localização e velocidade - são selecionadas a partir de um menu de possibilidades quânticas em um processo semelhante à seleção natural na evolução: propriedades sobreviventes acabam sendo, em certo sentido, o mais "adequado". Como na seleção natural, aqueles que fazem mais cópias de si mesmos sobrevivem. Isso significa que vários observadores independentes podem medir o sistema quântico e concordar com os resultados - que é o critério do comportamento clássico.


Chaoyang Lu e Jian-Wei Pan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hefei da China

Essa idéia, chamada “darwinismo quântico” (CD), explica bem por que percebemos o mundo ao nosso redor dessa maneira, e não da maneira estranha que se manifesta na escala de átomos e partículas fundamentais. E embora os detalhes do quebra-cabeça ainda não sejam claros, o CD ajuda a fechar a aparente lacuna entre os físicos quânticos e os clássicos.

E apenas recentemente os CDs puderam verificar experimentalmente. Três grupos de pesquisa independentes da Itália, China e Alemanha procuravam uma característica da seleção natural - múltiplas "impressões" do sistema quântico em vários ambientes controlados. Até agora, esses testes estão sendo realizados em um nível rudimentar, e especialistas dizem que ainda há muito a ser feito antes que possamos dizer com confiança que o CD nos dá uma imagem verdadeira de como nossa realidade concreta emerge das muitas opções oferecidas pela mecânica quântica. Mas, por enquanto, a teoria está sendo confirmada.

Sobrevivência do mais apto

No coração do CD está a idéia ambígua de medir, ou seja, observar. Na física clássica, apenas vemos tudo como é. Vemos uma bola de tênis percorrendo 200 km / h porque tem essa velocidade. Sobre o que mais podemos falar?

Na física quântica, não é assim. É completamente óbvio que procedimentos matemáticos formais falam de um "estado de coisas" em relação a um objeto quântico. Eles representam uma certa descrição, que indica o que podemos encontrar após a medição. Tomemos, por exemplo, o fato de que uma partícula quântica pode ter vários estados possíveis ao mesmo tempo - esse estado de coisas é chamado de "superposição". Isso não significa que a partícula esteja em vários estados ao mesmo tempo - significa que quando fizermos a medição, veremos um desses resultados. E antes da medição, estados diferentes interferem um com o outro na forma de ondas, dando resultados com uma probabilidade maior ou menor.

Mas por que não vemos superposição quântica? Por que todas essas probabilidades de estados diferentes de uma partícula sobrevivem, aumentando para escalas humanas?

Costuma-se dizer que a superposição é uma coisa frágil, é fácil quebrá-la quando um sistema quântico colide com um ambiente barulhento. Mas isso não é inteiramente verdade. Dois objetos quânticos, interagindo, são "entrelaçados" entre si, entrando em um estado quântico geral no qual as probabilidades de suas propriedades começam a depender umas das outras. Suponha que pusemos um átomo em uma superposição de dois estados possíveis de sua propriedade quântica denominados "spin": os estados "up" e "down". Nós liberamos um átomo no ar, onde ele colide com uma molécula de ar e fica emaranhado com ele. Agora eles estão em uma superposição conjunta. Se o giro do átomo for direcionado para cima, a molécula de ar poderá ser empurrada em uma direção e, se descer, na outra, essas duas possibilidades existirão juntas. Com o aumento do número de colisões com outras moléculas de ar, o emaranhado se espalha e a superposição, que antes era aplicada apenas a esse átomo, fica ainda mais dispersa. Os estados de um átomo não interferem mais coerentemente entre si, porque agora estão enredados com outros estados do ambiente - incluindo, possivelmente, algum grande instrumento de medição. Para este instrumento, tudo parece que a superposição do átomo desapareceu e foi substituída por um menu de possíveis estados clássicos que não interferem mais entre si.

Esse processo, no qual a "quantumidade" desaparece no ambiente, é chamado de decoerência. Esta é uma parte importante da transição clássica quântica, explicando por que é difícil ver o comportamento quântico em grandes sistemas com muitas partículas interagindo. Este processo é extremamente rápido. Se uma partícula de poeira convencional no ar receber uma superposição quântica de dois locais físicos diferentes localizados a uma distância da largura dessa partícula de poeira, uma colisão com moléculas de ar resultará em descoerência - a indetectabilidade da superposição - em cerca de 10 ^-31 s. Mesmo no vácuo, os fótons de luz causam rapidamente descoerência: você não pode olhar para um grão de poeira sem destruir sua superposição.

Surpreendentemente, embora a decoerência seja uma conseqüência direta da mecânica quântica, o físico alemão Heinz-Dieter Zee a descobriu apenas na década de 1970. Um físico americano de ascendência polonesa, Wojciech Zurek, desenvolveu essa idéia no início dos anos 80 e acrescentou fama a ela, e agora os experimentos também a apóiam.


Wojciech Zurek, físico teórico do Laboratório Nacional Los Alamos

Entretanto, para explicar a aparência da realidade clássica objetiva, não basta dizer que a decoerência elimina todo comportamento quântico e, portanto, para o observador tudo parece clássico. Alguns observadores podem, de alguma forma, concordar com as propriedades dos sistemas quânticos. Zurek, que trabalha no Laboratório Nacional Los Alamos, no Novo México, acredita que duas condições são verdadeiras.

Primeiro, os sistemas quânticos devem ter estados particularmente resistentes à decoerência destrutiva exercida pelo ambiente. Zurek os chama de "estados indicativos", pois podem ser codificados através dos possíveis estados do ponteiro no mostrador da ferramenta de medição. A localização específica da partícula, sua velocidade, o valor da rotação quântica, a direção da polarização - tudo isso pode ser escrito como a posição do ponteiro na ferramenta de medição. Zurek argumenta que o comportamento clássico - a existência de propriedades objetivas bem definidas, estáveis ​​- só é possível devido à existência de estados indicativos de objetos quânticos.

Do ponto de vista matemático, a peculiaridade dos estados indicativos é que eles não são perturbados por interações com o ambiente que causam decoerência: o estado indicativo é preservado ou se torna quase idêntico. Isso significa que o meio ambiente não esmaga indiscriminadamente, mas seleciona certos estados, destruindo outros. Por exemplo, a localização de uma partícula é resistente à descoerência. Mas, ao mesmo tempo, superposições de vários locais não são estados indicativos: as interações com o ambiente os decodificam em estados indicativos localizados, de modo que se torna possível observar apenas um deles. Zurek descreveu essa "super seleção selecionada pelo ambiente" de estados indicativos na década de 1980.

Mas há uma segunda condição à qual uma propriedade quântica deve obedecer para ser observada. Embora a imunidade à interação com o ambiente garanta a estabilidade do estado indicativo, ainda assim obtemos muitas informações sobre ele. E isso só é possível se estiver impresso no ambiente do objeto. Por exemplo, quando você vê um objeto, essa informação entra em sua retina graças aos fótons espalhados por ele. Eles transferem essas informações para você na forma de cópias parciais de certos aspectos do objeto, dizendo algo sobre sua localização, forma e cor. Para muitos observadores concordarem com o valor medido, muitas dessas cópias são necessárias - e esse é um critério da imagem clássica do mundo. Assim, como Zurek afirmou na década de 2000, nossa capacidade de observar uma determinada propriedade depende não apenas da escolha como estado indicativo, mas também da força que a impressão deixa no ambiente. Somente as condições que melhor lidam com a criação de cópias - por assim dizer, as mais adaptadas - podemos observar. Portanto, Zurik chama essa idéia de darwinismo quântico.

Acontece que a mesma propriedade de estabilidade que promove a aparência de super seleção de estados indicativos sob a influência do ambiente também contribui para a adaptabilidade de acordo com o princípio do CD, ou seja, a capacidade de criar suas próprias cópias. "A observação através da observação leva à decoerência dos sistemas", disse Zurek, "e o mesmo processo responsável pela decoerência deve deixar muitas cópias de informações no ambiente".

Sobrecarga de informações

Obviamente, não importa se as informações sobre o sistema quântico impressas em seu ambiente são lidas por um observador - uma pessoa; tudo o que é necessário para a aparência do comportamento clássico, para que a informação apareça lá, para que possa ser considerada em princípio. "Não é necessário que o sistema seja estudado formalmente", para que ele se transforme em clássico, disse Jess Riedel , física do Instituto de Perímetro de Física Teórica em Waterloo, um defensor do CD. "Supõe-se que o CD explique ou ajude a explicar toda a física clássica, incluindo objetos macroscópicos cotidianos que existem fora do laboratório ou que existem muito antes do aparecimento do homem".

Dez anos atrás, quando Riedel era um estudante de graduação da Zurek, eles teoricamente mostraram que as informações de um sistema quântico simples e idealizado "deixam um grande número de cópias no ambiente", disse Riedel, "então é suficiente acessar uma pequena parte do ambiente para descobrir o significado das variáveis" . Eles calcularam que um grão de poeira com um diâmetro de 1 µm, iluminado pelo sol por 1 µs, imprime informações sobre sua localização por 100 milhões de fótons espalhados.

É por causa dessa redundância que existem propriedades clássicas objetivas. Dez observadores podem medir a localização de um grão de poeira e encontrá-lo no mesmo local, pois todos têm uma cópia separada da informação. Nesse sentido, podemos atribuir um grão de poeira a uma "localização" objetiva, não porque "a tenha" (o que quer que isso signifique), mas porque o estado de sua localização pode imprimir muitas de suas cópias no ambiente, para que diferentes observadores chegarão a um consenso.

Além disso, não é necessário rastrear a maior parte do ambiente para coletar quase todas as informações possíveis - e você não obterá nenhum benefício se rastrear mais de uma pequena porcentagem do ambiente. "As informações que você pode coletar sobre o sistema são rapidamente saturadas", disse Riedel.

Essa redundância é uma marca registrada do CD, explicou Mauro Paternostro , físico da Queen's University em Belfast, que participou de um dos três novos experimentos. "Esta propriedade caracteriza a transição para a imagem clássica", disse ele.

O CD desafia o mito generalizado da mecânica quântica, como afirma o físico teórico Adan Cabello, da Universidade de Sevilha na Espanha, a saber: que a transição entre o mundo quântico e o mundo clássico não é clara e que a teoria quântica não pode descrever os resultados das medições. Pelo contrário, ele diz, "a teoria quântica descreve perfeitamente a aparência do mundo clássico".

A questão de quão perfeitamente perfeita permanece em aberto. Alguns pesquisadores pensam que a decoerência e o CD fornecem uma descrição completa da transição clássica quântica. Mas, embora essas idéias tentem explicar por que, em larga escala, a superposição desaparece e que apenas propriedades "clássicas" permanecem concretas, permanece a questão de por que as medidas dão resultados únicos. Quando um local específico de uma partícula é selecionado, o que acontece com outras possibilidades decorrentes de sua descrição quântica? Eles eram reais em algum sentido? Os pesquisadores são forçados a literalmente se ater às interpretações filosóficas da mecânica quântica, porque ninguém pode descobrir como obter uma resposta para essa pergunta em um experimento.

Para o laboratório

No papel, o CD parece bastante convincente. E até recentemente, era tudo o que ele podia se orgulhar. Mas, no ano passado, três equipes de pesquisadores submeteram a teoria a testes experimentais independentemente, estudando sua principal característica: a maneira como os sistemas quânticos imprimem suas cópias em seu ambiente.

Os experimentos dependiam da capacidade de rastrear em detalhes exatamente quais informações sobre o sistema quântico são impressas em seu ambiente. Isso não pode ser feito no caso, por exemplo, quando um grão de poeira voa junto com inúmeros bilhões de moléculas de ar. Então, as duas equipes criaram um objeto quântico em uma espécie de "ambiente artificial", que continha apenas algumas partículas. Ambas as experiências - uma das quais foi conduzida por Paternostro com colegas da Universidade de Sapienza, em Roma, e a outra pelo especialista em informação quântica Jian-Wei Pan e seus coautores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China - usaram um único fóton como sistema quântico e vários outros fótons foram reproduzidos. o papel do ambiente, interagindo com ele e enviando informações sobre ele.

Ambas as equipes passaram os fótons através de dispositivos ópticos, combinando-os em vários grupos complexos. Em seguida, eles estudaram os fótons do ambiente para descobrir quais informações sobre o estado indicativo do fóton do sistema que codificaram - nesse caso, foi a polarização (a orientação dos campos eletromagnéticos oscilantes), uma das propriedades quânticas que poderiam passar pelo filtro de seleção de CD.

A principal previsão do CD é o efeito de saturação. Quase todas as informações que você pode coletar sobre o sistema quântico estarão disponíveis se você rastrear um número muito pequeno de partículas no ambiente. "Qualquer pequena fração do ambiente de interação será suficiente para fornecer a quantidade máxima de informações clássicas sobre o sistema observado", disse Pan.

Duas equipes descobriram exatamente isso. As medições de apenas um fóton do ambiente revelaram muitas informações disponíveis sobre a polarização do fóton sistêmico e a medição de uma fração maior dos fótons vizinhos forneceu cada vez menos informações novas. Até um único fóton pode servir como ambiente, causando descoerência e seleção, explicou Pan, se ele interage ativamente com um único fóton sistêmico. Com interações mais fracas, você terá que rastrear uma grande proporção do ambiente.


Fedor Zhelezko, Diretor do Instituto de Ótica Quântica da Universidade de Ulm na Alemanha


Diamante sintético

A terceira verificação experimental do CD, sob a orientação de um físico especializado em óptica quântica, Fyodor Zhelezko, do Instituto de Ótica Quântica da Universidade de Ulm, na Alemanha, da qual Zurek e outros participaram, usava um sistema e ambiente completamente diferentes. Eles consistiam em um único átomo de nitrogênio no lugar de um átomo de carbono na treliça de cristal de diamante - o chamado vaga substituída por nitrogênio em diamante, ou centro NV. Como existe mais um elétron no átomo de nitrogênio do que no átomo de carbono, o excesso de elétrons não consegue encontrar um par para si mesmo nos átomos de carbono vizinhos e formar uma ligação química. Como resultado, um elétron não emparelhado desempenha o papel de um "giro" solitário, que é algo como uma seta apontando para cima ou para baixo, ou, no caso geral, em uma superposição de ambas as direções.

O spin pode interagir magneticamente com os núcleos de carbono que existem no átomo como um isótopo de carbono 13 e compõem cerca de 0,3% do número total de átomos de carbono.Esses isótopos, ao contrário do carbono-12 mais comum, também têm um giro. Em média, cada rotação do centro da NV está fortemente associada aos quatro giros de carbono-13 a uma distância de 1 nm.

Ao controlar e rastrear rotações com lasers e pulsos de rádio, os pesquisadores podem medir como as mudanças na rotação do nitrogênio respondem às mudanças nas rotações nucleares do meio ambiente. Como eles escreveram em uma pré - impressão em setembro passado, eles também viram a redundância característica prevista pelo CD: o estado do spin de nitrogênio é "gravado" na forma de várias cópias no ambiente, e as informações sobre o spin são rapidamente saturadas com um aumento no volume do ambiente considerado.

Zurek diz que, uma vez que experimentos com fótons criam cópias artificialmente, na forma de uma simulação do ambiente real, eles não incluem um processo de seleção que seleciona estados indicativos "naturais" que são resistentes à decoerência. Os próprios pesquisadores prescrevem estados indicativos. Nesse caso, o ambiente do diamante realmente causa estados indicativos. "O esquema de diamantes tem problemas por causa do tamanho do ambiente", acrescentou Zurek, "mas é pelo menos natural".

Generalização do darwinismo quântico

Até agora, o CD está aguentando. "Todos esses estudos descobriram o que era esperado, pelo menos aproximadamente", disse Zurek.

Riedel diz que dificilmente se poderia esperar o oposto: na sua opinião, o CD é apenas uma aplicação sistemática e completa da mecânica quântica padrão à interação de um sistema quântico com seu ambiente. E embora seja quase impossível fazer a maioria das medições quânticas, se as medições forem suficientemente simplificadas, as previsões serão claras, ele disse: "O CD é como uma verificação interna da teoria quântica quanto à consistência".

Mas, embora esses estudos, à primeira vista, sejam consistentes com o CD, eles não podem ser considerados prova de que essa teoria é a única descrição verdadeira do processo de criação do mundo clássico, ou mesmo de que está completamente correta. Para começar, diz Cabello, os três experimentos fornecem apenas versões esquemáticas do que é o ambiente real. Além disso, os experimentos não excluem outras formas de surgir uma imagem clássica do mundo. A teoria da transmissão do espectro, desenvolvida por Pavel Gorodetsky e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Gdansk, na Polônia, por exemplo, está tentando generalizar o CD. A teoria da propagação do espectro (que até agora foi elaborada para vários casos idealizados) refere-se aos estados de um sistema quântico emaranhado e seu ambiente, que fornecem informações objetivas,que muitos observadores podem obter sem perturbar o estado do sistema. Em outras palavras, ela tenta garantir não apenas que diferentes observadores possam acessar cópias do sistema no ambiente, mas também que, durante o processo de acesso, eles não afetem outras cópias. Isso também é uma propriedade de dimensões verdadeiramente "clássicas".

Gorodetsky e outros teóricos também estão tentando incorporar o CD em uma plataforma teórica que não requer uma separação arbitrária do mundo em um sistema e seu ambiente, mas simplesmente considera como a realidade clássica emerge das interações de vários sistemas quânticos. Paternostro diz que a tarefa de encontrar métodos experimentais que possam determinar diferenças muito sutis entre as previsões dessas teorias pode ser difícil.

Ainda assim, os pesquisadores não estão desistindo e eles mesmos devem melhorar nossa capacidade de estudar os princípios do mundo quântico. "O melhor argumento a favor desses experimentos é provavelmente um bom exercício", disse Riedel. "Uma demonstração direta de CD pode exigir medições muito complexas que ampliam os limites das capacidades das tecnologias de laboratório existentes". A única maneira de entender o que significam nossas medidas parece ser fazer medições de melhor qualidade.