A mecânica quântica tem uma estranha peculiaridade: as partículas parecem seguir regras diferentes, dependendo se as estamos observando. Esse quebra-cabeça, chamado de problema da medição, provocou décadas de debate sobre o que é realmente real no nível quântico.
Em seu livro What Is Real? (O que é real?), o astrofísico Adam Becker escreve que os físicos propuseram soluções extremamente diferentes para o problema da medição na mecânica quântica - de universos paralelos a variáveis ocultas e ao colapso da consciência na realidade. Leia mais para saber mais sobre esse mistério fundamental e por que ele ainda é importante nos dias de hoje.
Índice
Explicação do problema de medição
Becker explica que a mecânica quântica parece exigir dois conjuntos diferentes de leis físicas para partículas idênticas, e quais leis se aplicam depende do fato de alguém estar observando, como no experimento de dupla fenda. Os físicos chamam isso de "problema da medição" - o ato de medir parece mudar as regras que governam as partículas. Isso cria um quebra-cabeça: onde ocorre a transição entre um conjunto de regras e o outro?
(Nota breve: O que constitui uma "medição" - e quem se qualifica como observador - namecânica quântica? A medição requer uma interação que transmita informações sobre o sistema quântico, e essa interação força o sistema a escolher estados definidos. Por exemplo, no experimento de dupla fenda, os detectores são o que interage com os elétrons, revelando por qual fenda eles passaram. Mas, como Becker aponta, isso cria um quebra-cabeça: se os dispositivos de medição também são feitos de partículas quânticas, por que eles se comportam de acordo com as leis da física clássica, produzindo resultados definidos? Os físicos não sabem; eles ainda não definiram onde está o limite entre o mundo quântico e o mundo clássico).
Schrödinger respondeu com um experimento mental: Imagine um gato em uma caixa com um contador Geiger e um átomo radioativo que tem 50% de chance de decair - acionando um martelo para quebrar um frasco de veneno. A mecânica quântica diz que o átomo radioativo existe em superposição, tanto decaído quanto não decaído. Se a mecânica quântica se aplica universalmente, a superposição se estende ao contador Geiger (acionado e não acionado), ao frasco (quebrado e intacto) e ao gato (morto e vivo). Somente quando você abre a caixa é que tudo "escolhe" estados definidos. Schrödinger achou isso ridículo: Os gatos estão vivos ou mortos independentemente da observação. Isso mostrou que ou a mecânica quântica estava incompleta ou a realidade era mais estranha do que se imaginava.
(Nota breve: O experimento de pensamento de Schrödinger foi amplamente ignorado por décadas depois que ele o publicou em 1935, pois cientistas e filósofos ficaram preocupados com a incerteza que ele revelava. A escritora Ursula K. Le Guin redescobriu o experimento por volta de 1972 e ficou fascinada - seu conto "Schrödinger's Cat", de 1974, lançou o experimento de pensamento na consciência geral. Le Guin viu uma conexão entre a literatura de fantasia e a física: Ambas exigem a rejeição de explicações de senso comum e a adoção de uma incerteza radical, até mesmo imaginativa, sobre a realidade. Le Guin argumentou que a fantasia e a ciência compartilham uma disposição fundamental para questionar se as coisas precisam ser como são).
Três respostas ao problema de medição
Becker explica que os físicos desenvolveram três respostas para o problema. Einstein e outros realistas insistiram que a mecânica quântica deve ser incompleta: que as partículas têm propriedades que a teoria não consegue descrever. Bohr e os anti-realistas sugeriram que as partículas não têm propriedades até que sejam medidas, o que torna sem sentido as perguntas sobre a realidade não medida. Heisenberg, também um antirrealista, argumentou que as partículas existem como "potencialidades" até que a medição as torne reais. Em 1927, essas ideias se cristalizaram em duas visões concorrentes: Os realistas insistiam que a física deveria descrever um mundo objetivo que existe independentemente da observação, enquanto os antirrealistas viam a mecânica quântica como uma ferramenta para organizar resultados experimentais em vez de descrever a realidade.
(Nota breve: Becker discute o debate entre realistas e anti-realistas sobre se a ciência descreve a realidade ou apenas organiza nossas observações. No entanto, o QBismo, uma interpretação radical da mecânica quântica, sugere que esse debate não é o ponto principal. Da mesma forma que os artistas expressionistas abandonaram a representação literal por volta da época em que a mecânica quântica se desenvolveu - deixandode retratar objetos como eles apareciam para expressar encontros subjetivos com esses objetos - o QBIsm sugere que a mecânica quântica pode descrever nosso relacionamento com a natureza em vez da própria natureza. Isso implica que nos envolvemos com o mundo por meio de interação e interpretação, e não como um observador independente de terceira pessoa).
Resposta nº 1: A mecânica quântica deve ser incompleta
Einstein não estava satisfeito com a mecânica quântica, apesar de ter contribuído para seu desenvolvimento. Ele se opunha à ideia de que a realidade depende da observação, acreditando que a ciência deveria descrever o mundo como ele existe objetivamente. Por meio de um experimento mental envolvendo duas partículas em colisão, Einstein demonstrou o que considerava um problema fundamental: a medição de uma partícula determina instantaneamente as propriedades da outra, independentemente da distância, mas a mecânica quântica trata a partícula não medida como existente apenas como uma onda de probabilidade. Isso sugeria que a mecânica quântica estava incompleta (faltando propriedades reais como posição e momento) ou que a natureza violava a localidade - o princípio de que os objetos são influenciados apenas por seus arredores imediatos. Einstein concluiu que a mecânica quântica deveria estar incompleta e esperava que descobertas futuras revelassem que ela era apenas uma aproximação estatística de uma teoria mais profunda e completa que restauraria a localidade e a realidade objetiva.
Resposta nº 2: Perguntas sobre a realidade não mensurada não têm sentido
Ao contrário de Einstein, o físico Niels Bohr abandonou a ideia de que a física deveria descrever a realidade objetiva. Sua interpretação da mecânica quântica incluía duas ideias-chave:
- Complementaridade: Certas propriedades (como a natureza das ondas e das partículas) não podem ser observadas simultaneamente, embora ambas as descrições sejam necessárias para explicar completamente os fenômenos.
- Não há realidade independente: As partículas não têm propriedades definidas até que sejam medidas, o que torna sem sentido perguntar sobre seu estado quando não observadas.
A visão de Bohr criou uma divisão entre um "reino clássico" de dispositivos de medição e resultados reais e um "reino quântico" que existia apenas como matemática, não como realidade independente. Ele descartou as questões filosóficas sobre o comportamento quântico não observado, argumentando que a física deveria se concentrar apenas nos resultados experimentais. Essa abordagem permitiu que os físicos usassem a mecânica quântica de forma prática, sem enfrentar seus desafios interpretativos mais profundos - eles podiam simplesmente prever resultados matematicamente sem perguntar o que isso significava sobre a natureza da realidade.
Resposta nº 3: Incerteza
Heisenberg abordou o problema da medição por meio de seu princípio da incerteza, que afirma que a medição precisa de uma propriedade de uma partícula (como a posição) torna outra propriedade (como o momento) menos precisa - não devido a um equipamento defeituoso, mas devido a restrições fundamentais da mecânica quântica.
Assim como Bohr, Heisenberg rejeitou o realismo, alegando que as partículas não têm propriedades definidas até serem medidas. No entanto, ele divergiu de Bohr ao propor que as partículas existem entre as medições como "potencialidades" em vez de realidades, enquanto Bohr negava a existência de qualquer realidade entre as medições.
Esse conceito de potencialidade levantou questões difíceis: Como as partículas que existem apenas como possibilidades podem interagir com instrumentos para produzir medições concretas? Como algo sem propriedades reais pode gerar resultados específicos?
Apesar de suas diferenças filosóficas, tanto Bohr quanto Heisenberg concluíram que perguntar o que as partículas fazem entre as medições é uma questão sem sentido.
A resposta que venceu o debate
Becker argumenta que os físicos não adotaram a interpretação antirrealista de Bohr da mecânica quântica porque ela era cientificamente superior, mas devido a pressões históricas e institucionais. A narrativa comum de que os físicos chegaram a um consenso na Conferência de Solvay de 1927 é enganosa - não havia uma posição unificada, apenas oposição ao realismo de Einstein. O que mais tarde ficou conhecido como a "interpretação de Copenhague" foi, na verdade, uma coleção de diferentes visões antirrealistas.
Na década de 1960, a comunidade da física havia abandonado em grande parte as questões fundamentais sobre a mecânica quântica, confundindo esse recuo intelectual com progresso científico.
| How Scientific and Moral Reasoning Intersected Outros especialistas concordam com Becker que a interpretação de Copenhague foi menos uma posição coerente sobre o significado da mecânica quântica e mais uma coalizão de oposição ao realismo de Einstein. Além de rejeitar o realismo de Einstein, os físicos discordavam em questões básicas: Alguns físicos enfatizaram que a consciência deve desempenhar um papel na medição, enquanto outros rejeitaram essa ideia. Jim Baggott (Quantum Drama) argumenta que o domínio do pensamento, apesar de tais discordâncias, refletia uma cultura de indiferença em relação a questões interpretativas, especialmente entre os físicos americanos. Mas, se os físicos eram pressionados a tratar as questões sobre o que era real como não científicas, será que isso também facilitou evitar perguntar o que era moralmente correto, já que a Segunda Guerra Mundial transformou a física em uma operação militar? A cultura da física americana era pragmática e antifilosófica mesmo antes da guerra. Durante a guerra, relativamente poucos cientistas do Projeto Manhattan questionaram as implicações morais de seu trabalho. A incerteza sobre o significado da mecânica quântica pode ter obscurecido o senso de responsabilidade moral pelas consequências materiais da teoria. |
3 Caminhos alternativos para o futuro
Becker discute como as questões fundamentais sobre a mecânica quântica ressurgiram após anos de supressão institucional. Em 1932, o matemático John von Neumann supostamente provou que a visão realista de Einstein (as partículas têm propriedades definidas antes da medição) era matematicamente impossível. Em 1964, John Bell descobriu que a prova de von Neumann era falha e transformou as objeções filosóficas de Einstein em matemática testável por meio das "desigualdades de Bell" - restrições que se aplicariam se as partículas tivessem propriedades definidas antes da medição. Bell descobriu que a própria realidade não é local; os efeitos quânticos podem ocorrer instantaneamente no espaço.
O teorema de Bell forçou os físicos a escolher entre abandonar a localidade (aceitar conexões instantâneas), abandonar o realismo (aceitar que as propriedades não existem até que sejam medidas) ou rejeitar a completude da mecânica quântica. Várias interpretações da mecânica quântica representam diferentes respostas a essa escolha fundamental, especialmente com relação ao que causa o colapso da função de onda quando ocorre a medição:
- Preservar tudo ao multiplicar os universos. A interpretação de "muitos mundos" mantém a localidade e o realismo ao tornar a realidade muito maior do que percebemos - cada possibilidade quântica é real em algum lugar.
- Aceite a nãolocalidade e restaure a realidade objetiva. A teoria da "onda-piloto" postula que as partículas sempre têm posições definidas e seguem caminhos específicos guiados por ondas-piloto, de modo que as medições simplesmente revelam estados pré-existentes em vez de possibilidades de colapso. Isso elimina o problema da medição, mas exige conexões não locais instantâneas entre partículas distantes.
- Modificar a matemática. As teorias de colapso espontâneo supõem que a estranheza quântica desaparece naturalmente em grandes escalas por meio de mecanismos de colapso aleatórios incorporados, em vez de exigir processos de medição misteriosos.
Por que o problema da medição é importante
Becker argumenta que não devemos ignorar o problema da medição. Ele afirma que esse problema está no cerne de nossa melhor teoria científica. Além disso, ele pode ser crucial para futuras descobertas - resolvê-lo pode nos ajudar a unificar a mecânica quântica com a gravidade e a desenvolver melhores teorias cosmológicas. Essencialmente, Becker acredita que essas não são apenas questões filosóficas que devem ser deixadas de lado; são questões científicas potencialmente críticas que podem revelar os próximos grandes avanços da física.
Explorar mais
Para entender melhor o problema de medição da mecânica quântica em seu contexto mais amplo, dê uma olhada em nosso guia completo do livro de Becker What Is Real?
