A mecânica quântica tem confundido os cientistas há décadas. Uma de suas previsões mais estranhas? As partículas podem afetar instantaneamente umas às outras a grandes distâncias - o que Einstein chamou de "ação misteriosa à distância". Em 1964, o físico John Bell provou que essa estranheza é real.
O trabalho inovador de Bell, explicado no livro What Is Real? de Adam Becker, transformou debates filosóficos abstratos em experimentos testáveis. Os resultados chocaram o mundo da física e confirmaram que a realidade opera de maneiras muito mais estranhas do que imaginávamos. Continue lendo para saber como o teorema de Bell mudou nossa compreensão do universo.
Crédito da imagem: CERN via Wikimedia Commons (licença). Imagem cortada.
Índice
O que é o teorema de Bell?
O teorema de Bell mostra que, se a mecânica quântica estiver correta (e os experimentos dizem que está), então a realidade é fundamentalmente não local - ou pelo menos não é governada por nenhum mecanismo clássico oculto. Em seu livro What Is Real?o astrofísico Adam Becker explica o teorema de Bell no contexto de um debate mais amplo dentro da mecânica quântica.
O contexto do teorema
Becker expõe um quebra-cabeça fundamental: embora a mecânica quântica descreva partículas que existem em vários estados simultaneamente e que influenciam umas às outras através de distâncias, não observamos esses comportamentos estranhos na vida cotidiana. Quando os cientistas tentam medir os sistemas quânticos, as propriedades quânticas desaparecem.
Desde a década de 1920, os físicos têm debatido onde e por que as regras fazem a transição do comportamento quântico para o clássico. De acordo com Becker, a maioria dos físicos evitou resolver diretamente esse problema adotando a "interpretação de Copenhague" - que afirma que nada tem propriedades definidas até ser observado, portanto, a realidade objetiva só existe por meio da observação. Isso explica convenientemente por que não vemos a estranheza quântica na vida cotidiana.
No entanto, Becker afirma que a interpretação de Copenhague se tornou dominante, não por meio de um debate científico rigoroso, mas porque as explicações alternativas foram deixadas de lado por influências políticas e filosóficas, em vez de serem avaliadas de forma justa.
Apesar de décadas de hostilidade institucional, foi impossível eliminar as questões fundamentais sobre o significado da mecânica quântica. Becker explica que os avanços experimentais e as inovações teóricas reabilitaram gradualmente a pesquisa fundamental - e revelaram que as mesmas questões que incomodavam Einstein e Schrödinger continuavam sem solução, criando tensões contínuas sobre o objetivo final da ciência e a natureza da própria realidade.
Como o teorema de Bell transforma a filosofia em experimento
O retorno a essas questões fundamentais começou em 1964 com John Bell, que era cético em relação a um argumento matemático que supostamente havia provado que a interpretação de Copenhague era a única abordagem possível para a mecânica quântica. Esse argumento era a "prova de impossibilidade" de John von Neumann, de 1932, que afirmava mostrar que nenhuma teoria com "variáveis ocultas", em que as partículas têm propriedades definidas antes da medição, poderia reproduzir as previsões da mecânica quântica. Como Becker observa, isso parecia provar que as posições realistas, como a de Einstein, eram matematicamente impossíveis: Se as partículas não podem ter propriedades definidas antes da medição, então somente interpretações anti-realistas como a de Copenhague poderiam estar corretas.
Mas Bell descobriu que a prova de von Neumann era falha. Bell então reconsiderou o experimento mental de Einstein e transformou suas preocupações filosóficas em testes matemáticos. Bell argumentou que, se as partículas de fato têm propriedades definidas antes da medição, então as medições em partículas emaranhadas devem obedecer a certas restrições matemáticas sobre o grau de correlação dos resultados, que ficaram conhecidas como "desigualdades de Bell". A mecânica quântica prevê que as partículas emaranhadas violarão esses limites, o que deu aos físicos um teste decisivo, e os experimentos realizados em 1972 e 1982 provaram que as partículas violam as desigualdades de Bell. Isso significava que Einstein estava certo quanto ao fato de que a "ação assustadora à distância" era real, mas errado quanto ao fato de a mecânica quântica ser incompleta. A teoria não estava perdendo informações; a realidade realmente era não-local.
| Por que Bell achava que Einstein estava certo em se preocupar Durante décadas, os físicos ignoraram as preocupações de Einstein com a mecânica quântica citando a prova de von Neumann. Mas a prova continha uma falha fatal: ela pressupunha que as variáveis ocultas deveriam se comportar de acordo com uma regra de "linearidade" que parece razoável do ponto de vista matemático, mas não faz sentido do ponto de vista físico. Especificamente, von Neumann exigia que, se fosse possível medir duas propriedades quânticas A e B separadamente, também seria possível medir sua combinação matemática (A + B). Mas, na mecânica quântica, muitas propriedades não podem ser medidas simultaneamente, portanto, exigir que a combinação delas seja mensurável não tem sentido físico. Os experimentos que provaram que as partículas violam as desigualdades de Bell mostraram que as partículas têm alguma forma de realidade objetiva - apoiando o realismo - ao mesmo tempo em que confirmaram que a "ação assustadora à distância" realmente existe. Isso corroborou as preocupações de Einstein sobre as perturbadoras implicações não locais da mecânica quântica: A localidade é fundamental para nossa compreensão espacial do mundo - ela nos permite identificar diferentes locais e tratá-los como independentes. Einstein temia que o abandono da localidade significasse o abandono de nossa estrutura para entender causa e efeito. O teorema de Bell provou que a realidade é realmente tão estranha quanto Einstein temia, validando sua intuição de que essa estranheza merecia uma preocupação séria em vez de uma aceitação casual. |
Becker explica que o teorema de Bell forçou os físicos a fazer uma escolha: Abandonar o princípio da localidade (e aceitar a ideia de conexões instantâneas no espaço), abandonar o realismo (e aceitar que as propriedades não existem antes da medição) ou abandonar a ideia de que a mecânica quântica é completa. Três interpretações alternativas representam diferentes respostas a essa escolha. Todas elas giram em torno da questão do que causa o colapso da função de onda - omomento em que a "onda de probabilidade" da localização potencial e do momento de uma partícula quântica "colapsa" nas características específicas que ela assume quando é observada e medida.
Mergulhe mais fundo nas questões relacionadas ao teorema de Bell
Becker posiciona efetivamente o trabalho de Bell como parte do debate em andamento na mecânica quântica. Para saber mais sobre o contexto mais amplo do teorema, leia o guia completo de Shortform sobre o livro de Becker What Is Real?
