Os prós e os contras da Mecânica Quântica: conheça o Paradoxo EPR

Certo dia, Albert Einstein chamou dois dos seus amigos para criar um experimento mental que tinha o objetivo de tentar derrubar os alicerces da polêmica Mecânica Quântica, na qual Einstein nunca acetara em sua vida de cientista. Nascia o Paradoxo EPR.

Definição: 

o paradoxo EPR (ou o Paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen) é um experimento mental que tem  a intenção de demonstrar um paradoxo inerente nas primeiras formulações da teoria quântica. Está entre os mais conhecidos exemplos de entrelaçamento quântico. O paradoxo envolve duas partículas que estão conectadas uma com a outra, de acordo com a mecânica quântica. Sob a interpretação de Copenhague da mecânica quântica, cada partícula está individualmente em um estado incerto até que é medida, nesse momento o estado dessa partícula se torna definido.

Naquele momento, o estado a outra partícula também se torna definido. A razão disto ser classificado como um paradoxo é que aparentemente envolve a comunicação entre as duas partículas com velocidades superiores à velocidade da luz, que é um conflito com a teoria da relatividade de Einstein.

Origem do paradoxo

o paradoxo era o ponto focal de um acalorado debate entre Albert Einstein e Niels Bohr. Einstein não estava confortável com a mecânica quântica, sendo desenvolvida por Bohr e seus colegas (baseados, ironicamente, no trabalho iniciado por Einstein). Juntamente com seus colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen, ele desenvolveu o paradoxo EPR como uma forma de mostrar que a teoria era incompatível com outras leis conhecidas da física. Na época, não havia nenhuma maneira real para realizar a experiência, por isso foi só um experimento mental, ou gedankenexperiment.

Vários anos mais tarde, o físico David Bohm modificou o exemplo do paradoxo EPR para que as coisas fossem um pouco mais claras.

(A maneira original que foi apresentado o paradoxo teve a amabilidade de físicos confusos, mesmo os profissionais.) Na formulação mais popular de Bohm, um decaimento de partícula com 0 spin instável se divide em duas diferentes partículas, partícula A e partícula B, que seguem em direções opostas. Como a partícula inicial tinha rotação 0, a soma das duas rotações das novas partícula devem ser igual a zero. Se a partícula A tem spin +1/2, então a partícula B deve ter spin -1/2 (e vice-versa). Novamente, de acordo com a interpretação de Copenhague da mecânica quântica, até que seja feita uma medição, nenhuma partícula tem um estado definitivo. Eles estão em uma superposição de Estados possíveis, com uma probabilidade igual (no caso) de têm spin positivo ou negativo.

O significado do Paradoxo

Existem dois pontos-chave no trabalho aqui que fazem isso preocupante:

1. A física quântica nos diz que, até o momento da medição, as partículas que não têm uma rotação quântica definitiva, mas estão em uma superposição de Estados possíveis.
2. Assim podemos medir o spin da partícula A, sabendo com certeza qual o valor que teremos de medir o spin da partícula B.

Se você medir partículas A, parece que a partícula de spin quântico obtém uma "definida" medida... mas de alguma forma , a partícula B também instantaneamente "sabe" que giro que vai fazer. Foi uma clara violação da teoria da relatividade de Einstein. 

Ninguém nunca questionou ponto 2; o controvérsia se estabelece inteiramente com o ponto 1. David Bohm e Albert Einstein apoiaram uma abordagem alternativa chamada "teoria das variáveis ocultas" que sugeriu que a mecânica quântica era incompleta. Neste ponto de vista, tinha que haver algum aspecto da mecânica quântica, que não é imediatamente óbvio, mas que precisava ser adicionado à teoria para explicar este tipo de efeito não-local.

Como uma analogia, considere que você tenha dois envelopes que contêm dinheiro. Alguém diz a você que um deles contém uma nota de 5 dólares, e o outro contém uma nota de U$ 10. Se você abrir um envelope  que contém uma nota de 5 dólares, então você sabe com certeza que o outro envelope contém a nota de US $10.

o problema com esta analogia é que a mecânica quântica, definitivamente, não parece trabalhar desta forma. No caso do dinheiro, cada envelope contém um projeto de lei específico, mesmo que nunca tenho tempo para olhar para eles.

A incerteza na mecânica quântica não só representa um conhecimento de difícil entendimento, mas uma ausência fundamental da realidade definitiva. Até que a medição seja feita, de acordo com a interpretação de Copenhagem, as partículas estão realmente em uma superposição de todos os Estados possíveis (como é o caso do gato morto/vivo no experimento mental do Gato de Schrödinger). Enquanto a maioria dos físicos teria preferido ter um universo com regras mais claras, ninguém poderia descobrir exatamente o que estas "variáveis escondidas" eram ou como elas poderiam ser incorporadas a teoria de uma forma significativa.

Niels Bohr e outros defenderam o padrão interpretação de Copenhague da mecânica quântica, que continuou a ser suportado pela evidência experimental. A explicação é que a função de onda que descreve a superposição de estados quânticos possíveis existe em todos os pontos simultaneamente. O spin da partícula A e rotação da partícula B não são quantidades independentes, mas são representados pelo mesmo termo dentro das equações da física quântica. No instante em que é feita a medição de partículas A, toda função de onda colapsa em um único Estado. Desta forma, não há nenhum lugar de tomada de comunicação distante.

O maior "prego no caixão" na teoria de variáveis ocultas veio do físico John Stewart Bell, que é conhecido como Teorema de Bell. Ele desenvolveu uma série de desigualdades (chamado de desigualdades de Bell), que representam como medições do spin da partícula A e B iriam distribuir-se caso elas não estivessem entrelaçadas. Experimento após experimento, as desigualdades de Bell foram violadas, significando que o entrelaçamento quântico parece real.

Apesar desta evidência em contrário, ainda há alguns defensores da teoria de variáveis ocultas, embora esta exista principalmente entre os físicos amadores, ao invés de profissionais.

Traduzido e adaptado de: About Physics