Física quântica: o que é real e o que não é?

Uma onda de experimentos ajudam a desvendar a realidade do mundo quântico com nossos próprios olhos.

Um experimento mostrando que gotículas de óleo podem ser impulsionadas através de um banho de fluido pelas ondas que geram, levou os físicos a reconsiderar a ideia de que algo semelhante permite que as partículas se comportam como ondas.

Desde que inventaram a teoria quântica no início de 1900, os físicos têm falado sobre quão estranha ela é — e como ela permite que as partículas e átomos se movam em várias direções ao mesmo tempo, por exemplo, ou a girarem no sentido horário e anti-horário simultaneamente, explica Maroney, um físico da Universidade de Oxford, Reino Unido. Mas uma conversa não é uma prova, disse ele. "Se formos ao público dizer que a teoria quântica é estranha, o melhor a se fazer é testar se isso é realmente verdade," ele diz. "Caso contrário, não estamos fazendo ciência, nós estamos explicando alguns rabiscos engraçados em um quadro negro."

É este sentimento que levou Maroney e outros a desenvolverem uma nova série de experimentos para descobrir a natureza da função de onda — a entidade misteriosa que se encontra no cerne da estranheza quântica. A função de onda é simplesmente um objeto matemático que os físicos denotam com o letra grega psi (Ψ) — um dos "rabiscos engraçados" do Maroney — e usam para descrever o comportamento de uma partícula quântica. Dependendo do experimento, a função de onda lhes permite calcular a probabilidade de observar um elétron em qualquer local determinado, ou as chances de sua rotação (spin) estar voltada para cima ou para baixo. Mas a matemática não esclarece se uma função de onda é verdadeiramente. É uma coisa física? Ou apenas uma ferramenta de cálculo para a manipulação da ignorância do observador sobre o mundo?

Os testes estão sendo usados para produzir uma resposta definitiva para isso. Mas os pesquisadores estão otimistas de que uma resolução está próxima. Se assim for, eles finalmente serão capazes de responder a perguntas que tem perdurado por décadas. Pode uma partícula realmente estar em muitos lugares ao mesmo tempo? O universo está continuamente se dividindo em mundos paralelos, cada um com uma versão alternativa de nós mesmos? Existe tal coisa como uma realidade objetiva em tudo?

"Estes são os tipos de perguntas que todos tem feito em algum momento," diz Alessandro Fedrizzi, um físico da Universidade de Queensland, em Brisbane, na Austrália. 

O que é real?

Debates sobre a natureza da realidade voltam-se para os físicos nos primórdios da teoria quântica onde partículas e ondas são dois lados da mesma moeda. Um exemplo clássico é o experimento de dupla fenda, no qual elétrons individuais são enviados em uma barreira com duas aberturas: o elétron parece passar as duas fendas exatamente da mesma forma que uma onda de luz faz, criando um padrão de interferência formando anéis do outro lado. Em 1926, o físico austríaco Erwin Schrödinger inventou a função de onda para descrever tal comportamento e desenvolveu uma equação que permitiu que os físicos calculá-la em qualquer situação dada. Mas nem ele nem ninguém poderia dizer qualquer coisa sobre a natureza da função de onda.

A Ignorância é uma bênção

Do ponto de vista prático, sua natureza não importa. A livro Interpretação de Copenhague da Teoria Quântica, escrito na década de 1920, principalmente pelos físicos Niels Bohr e Werner Heisenberg, trata a função de onda como nada mais do que uma ferramenta para prever os resultados das observações e adverte os físicos para não se preocuparem com semelhanças desta função com a nossa realidade. "Você não pode culpar a maioria dos físicos por seguir este 'Cale-se e calcule' pois isso conduziu à uma evolução tremenda em física nuclear, física atômica, física do estado sólido e física de partículas,", diz Jean Bricmont, um físico estatístico na Universidade Católica de Louvain, na Bélgica. "Não vamos nos preocupar com essas grandes questões."

Mas alguns físicos, de alguma forma, se preocuparam. Na década de 1930, Albert Einstein tinha rejeitado a interpretação de Copenhague. Na escolha de aceitar ou não tal "ação fantasmagórica à distância", Einstein preferiu acreditar que os comprimentos das partículas estavam incompletos. Talvez, sugeriu ele, as partículas têm algum tipo de 'variáveis ocultas' que determinam o resultado da medição, mas que não necessitem de teorias quânticas.

Experiências desde então têm mostrado que esta ação fantasmagórica à distância é bastante real, o que exclui a versão particular de variáveis ocultas que Einstein defendeu. Mas isso não impediu outros físicos de terem suas próprias interpretações. Essas, por sua vez, caem em dois grandes campos. Há aquelas que concordam com Einstein e dizem que a função de onda representa nossa ignorância — o que os filósofos chamam de modelos psico-epistemológicos. E há aquelas que visualizam a função de onda como uma entidade real — modelos psico-ontológicos.

Para apreciar a diferença, considere experimento mental que Schrödinger descreveu em uma carta de 1935 a Einstein:

"Imagine que um gato é colocado em uma caixa de aço. E imagine que a caixa também contém uma amostra de material radioativo que tem uma probabilidade de 50% de emitir um produto de decaimento em uma hora, juntamente com um aparelho que vai envenenar o gato se ele detectar tal decaimento. Uma vez que o decaimento radioativo é um evento quântico, as regras do estado da teoria quântica, que, no final da hora, fazem com que função de onda do interior da caixa leve a um resultado de uma mistura de gato vivo e gato morto."

"Grosseiramente falando," diz Fedrizzi, "em um modelo psi-epistemológico dizem que o gato na caixa está vivo ou está morto e não sabemos isso pois a caixa está fechada." Mas a maioria dos modelos de psi-ontológicos estão de acordo com a interpretação de Copenhague: até um observador abrir a caixa e observar, o gato está vivo e morto ao mesmo tempo.

Mas isso é onde o debate fica preso. Qual das muitas interpretações da teoria quântica — se houver — está correta? Essa é uma pergunta difícil de responder experimentalmente, porque as diferenças entre os modelos são sutis: para ser viável, elas têm de prever essencialmente o mesmo fenômeno quântico como a interpretação de Copenhague a muito bem sucedida. 

Isso mudou em 2011, com a publicação de um teorema sobre medições quânticas que parecia descartar os modelos de "função de onda da ignorância". Em uma inspeção mais minuciosa, no entanto, o teorema acabou por deixar bastante espaço de manobras para poder sobreviver. No entanto, inspirou físicos a pensar seriamente sobre maneiras de resolver o debate, na verdade, testando a realidade da função de onda. Maroney já tinha inventado uma experiência que deve funcionar no princípio e ele e os outros logo encontraram maneiras de fazer funcionar na prática. O experimento foi realizado no ano passado por Fedrizzi, branco e outros.

Para ilustrar a ideia por trás do teste, imagine duas pilhas de cartas de baralho. Uma contém apenas cartas vermelhas; a outra contém apenas 'as'. "Uma carta é escolhida e entregue a você junto com uma pergunta: de qual pilha ela veio?", diz Martin Ringbauer, um físico também na Universidade de Queensland. Se você um ás vermelho, diz ele, "há uma sobreposição e você não será capaz de dizer de onde veio". Mas se você souber quantos de cada tipo de cartas estão em cada pilha, pelo menos você pode calcular quantas vezes tais situações ambíguas irão acontecer.

Fora em um membro

Uma ambiguidade semelhante ocorre em sistemas quânticos. Não é sempre possível medir no laboratório e distinguir como um fóton é polarizado, por exemplo. "Na vida real, é muito fácil distinguir o Norte do Sul e o leste do oeste, mas em sistemas quânticos, não é tão simples,", diz White. Mas de acordo com os modelos de função de onda da ignorância, a questão é perfeitamente significativa; É por isso que os experimentadores — como o jogador de baralho — não têm informações suficientes a partir de uma medição.  Tal como acontece com as cartas, é possível estimar quanto de ambiguidade pode ser explicada por tal ignorância e compará-la com a maior quantidade de ambiguidade permitida pela teoria padrão.

Isso é essencialmente o que a equipe do Fedrizzi tem testado. O grupo mediu a polarização e outras características em um feixe de fótons e encontrou um nível de sobreposição que não poderia ser explicado pelos modelos de ignorância. Os resultados suportam a visão alternativa que, se a realidade objetiva existe, então a função de onda é real. "É incrível como a equipe foi capaz de solucionar um problema profundo com um experimento muito simples," disse Andrea Alberti, um físico da Universidade de Bonn, na Alemanha.

A conclusão é ainda não é perfeita, no entanto: os detectores capturaram apenas cerca de um quinto dos fótons utilizados no ensaio, a equipe teve que assumir que os fótons perdidos estavam se comportando da mesma maneira. Isto é uma grande suposição e o grupo está trabalhando atualmente para preencher a lacuna de amostragem para produzir um resultado definitivo. Entretanto, a equipe do Maroney em Oxford está colaborando com um grupo da Universidade de New South Wales, na Austrália, para realizar testes similares com íons, que são mais fáceis de controlar do que os fótons. "Nos próximos seis meses podemos ter uma versão à prova d'água desta experiência," diz Maroney.

Mas mesmo com seus esforços bem sucedidos e os modelos de 'função de onda da realidade' são favorecidos, os modelos vêm em uma variedade de sabores — e experimentadores ainda terçãe pegá-los separados.

Um das primeiras tais interpretações foi estabelecida na década de 1920 pelo físico francês Louis de Broglie e expandiu na década de 1950 pelo físico David Bohm. De acordo com modelos de Broglie-Bohm, partículas têm propriedades e locais definidos, mas são guiadas por algum tipo de 'onda piloto' que é frequentemente identificado com a função de onda. Isto explicaria o experimento de dupla fenda, pois a onda piloto seria capaz de viajar através de duas fendas e produzir um padrão de interferência no lado distante, mesmo que o elétron guiado passasse por uma fenda.

Em 2005, a mecânica de Broglie – Bohmian  recebeu um impulso experimental de uma fonte inesperada. Os físicos Emmanuel Fort, mo Instituto de Langevin, em Paris e Yves Couder na Universidade de Paris Diderot deram os alunos em uma classe de graduação laboratório o que eles pensaram que seria uma tarefa bastante simples: construir um experimento para ver como gotículas de óleo caem em uma bandeja com mais óleo que se aglutinaram e vibraram. Muito para surpresa de todos, ondulações começaram a forma em torno das gotas quando a bandeja atingiu uma determinada frequência de vibração. "As gotas foram automotoras — surfaram ou andaram sobre suas próprias ondas," diz forte. "Estávamos vendo um duplo objeto — uma partícula impulsionada por uma onda."

Desde então, Fort e Couder mostraram que tais ondas podem guiar estes 'zumbis' através do experimento de dupla fenda como previsto pela teoria da onda piloto e podem imitar outros efeitos quânticos, também. Isto não prova que as ondas piloto existem no reino do quantum, adverte Fort. Mas ele mostra como uma onda piloto  poderia funcionar na escala atômica. "Nos disseram que tais efeitos não podem acontecer de forma clássica," ele diz, "e aqui estamos, mostrando o contrário".

Um outro conjunto de modelos baseados na realidade, concebido na década de 1980, tenta explicar surpreendentemente diferentes propriedades de objetos grandes e pequenos. "Por que elétrons e átomos podem estar em dois lugares diferentes ao mesmo tempo, mas mesas, cadeiras, pessoas e gatos não podem,", diz Angelo Bassi, um físico da Universidade de Trieste, Itália. Conhecido como 'modelos em colapso', essas teorias postulam que os comprimentos das partículas individuais são reais, mas podem espontaneamente perder suas propriedades quânticas e encaixar a partícula em, digamos, um único local. Os modelos são configurados para que as chances disso acontecer sejam infinitesimais para uma única partícula, para que os efeitos quânticos dominem na escala atômica. Mas existe a probabilidade desse colapso crescer astronomicamente  e as partículas aglutinarem-se, para que objetos macroscópicos percam suas características quânticas e se comportem de forma clássica.

Uma maneira de testar essa ideia é olhar para o comportamento quântico em objetos maiores: Se a teoria quântica padrão está correta, não há nenhum limite. E os físicos já realizaram experimentos de interferência de dupla fenda com grandes moléculas. Mas se o modelo de colapsos estiver correto,  os efeitos quânticos não serão aparentes acima de uma certa massa. Vários grupos estão planejando para pesquisar tal corte usando átomos frios, moléculas, aglomerados de metal e nanopartículas. Eles esperam ver os resultados dentro de uma década. "O que é grande sobre todos os tipos de experiências que vai nos sujeitar a teoria quântica para testes de alta precisão, onde nunca foi testado antes," diz Maroney.

Mundos paralelos

Um modelo de função de onda como realidade já é famoso e amado por escritores de ficção científica: a interpretação de muitos mundos desenvolvido na década de 1950 por Hugh Everett, que era então um estudante graduado da Universidade de Princeton em Nova Jersey. No retrato de muitos mundos, a função de onda governa a evolução da realidade tão profundamente que, sempre que for feita uma medição quântica, o universo se divide em uma cópia paralela. Em outras palavras, abra a caixa do gato e dois mundos paralelos irão ramificar-se — um com um gato vivo e outra contendo um cadáver.

É difícil distinguir a interpretação de muitos mundos de Everett da teoria quântica padrão, pois ambas fazem exatamente as mesmas previsões. Mas no ano passado, Howard Wiseman na Universidade de Griffith, em Brisbane e seus colegas propuseram um modelo multiverso testável. Sua estrutura não contém uma função de onda: partículas obedecem regras clássicas, tais como as leis de Newton de movimento. A estranheza vista nos experimentos quânticos surgem pois há uma força repulsiva entre as partículas e seus clones em universos paralelos. "A força repulsiva entre elas configura ondulações que se propagam através de todos estes mundos paralelos", diz Wiseman.

Usando simulações de computador com até 41 mundos interagindo, eles têm mostrado que este modelo reproduz aproximadamente um número de efeitos quânticos, incluindo as trajetórias de partículas no experimento de dupla fenda. O padrão de interferência torna-se mais perto do que o previsto pela teoria quântica de padrão a medida que o número de mundos aumenta. A medida que a teoria prediz resultados diferentes, dependendo do número de universos, diz Wiseman, deve ser possível conceber maneiras de verificar se o seu modelo multiverso está certo — significando que não há nenhuma função de onda, e a realidade é totalmente clássica.

Porque o modelo de Wiseman não precisa de uma função de onda, ele permanecerá viável mesmo que experiências futuras descartam os modelos de ignorância. 

Mas então, diz branco, esse é o maior desafio. Embora ainda não se sabe como fazê-lo, disse ele, "o que seria realmente excitante é conceber um teste saber se há na verdade qualquer realidade objetiva em relação a isso tudo".

Traduzido e adaptado de Nature