A quinta conferência de Solvay, em 1927, discutiu a mecânica quântica com nomes como Albert Einstein, Marie Curie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg e Max Planck. A fotografia é chamada por muitos como a foto mais inteligente do mundo. (Créditos da imagem: Reprodução).

A mecânica quântica, ou física quântica, é um campo que assusta bastante pelas suas bizarrices. Até Einstein já se assustou, quando chamou o entrelaçamento quântico de “efeito fantasmagórico à distância”, ou “ação fantasmagórica à distância”, dependendo  da tradução — te prometo que ao fim deste artigo você entenderá o fenômeno.

Grosso modo, o Universo pode ser dividido em duas partes: o Universo subatômico e o macrocosmo. Nós, embora em uma escala menor, vivemos no mundo do macrocosmo. Os dois mundos são muito diferentes, e até hoje são regidos por leis diferentes.

A mecânica quântica é a área que rege o mundo subatômico — coisas menores que os átomos. O macro pode ser regido pela física clássica e a Relatividade de Einstein. Uma união das teorias é bastante buscada, e chama-se Teoria de Tudo — que será abordada no último artigo desta série.

Se você é um físico, não fique maluco. Saiba que esse foi um texto feito para ser simples, e está repleto de generalizações e simplificações, além de alguns conceitos ignorados. O intuito é simplesmente mostrar um pouco do que é a física quântica para quem nunca teve nenhum tipo de contato.

O gato de Schrödinger 

Você já percebeu que o gato de Schrödinger não faz sentido? Quem colocaria um gato em uma caixa para deixá-lo vivo e morto ao mesmo tempo? Além de não funcionar, isso seria extremamente antiético. Bom, esse experimento não faz sentido, porque é uma representação no nosso mundo cotidiano que o físico Erwin Schrödinger pensou para explicar a superposição quântica.

Para o experimento mental, imagine que você coloque um gato dentro de uma caixa lacrada. Do lado de fora da caixa, você deixa um tubo com uma pequena quantidade de material radioativo, o qual tem uma probabilidade de 50% de decair — ou seja, de liberar radiação —, e uma possibilidade de 50% de não liberar.

Caso o material decaia, um martelo é acionado e quebra um frasco com ácido cianídrico, que mataria o gato. Se não decair, nada ocorre e o gato permanece vivo. As duas possibilidades são iguais, de 50%, e dizemos que o gato está vivo e morto ao mesmo tempo, até que alguém observe. Isso é a superposição quântica.

Ilustração do gato de Schrödinger. (Créditos da imagem: Wikimedia Commons).

O mundo quântico não é regido por fatos — é regido por probabilidades. Vamos imaginar um elétron. O elétron é uma partícula subatômica que pode ser carregado com energia. Agora, vamos imaginar que que você viu um elétron e resolva calcular a energia dele.

Para facilitar, no nosso cenário haverá apenas duas possibilidade. Nas suas contas, você chega dois valores: X ou Y. O elétron não possui uma quantidade de energia definida, ele tem X e Y ao mesmo tempo. Ele possui probabilidades, que no nosso caso, é de 50%. Isso é o estado de superposição.

Agora você resolve observar o elétron, e tem uma surpresa: ele se decide. Ao observar, você verá uma delas, com probabilidades iguais, metade para cada. Sim, é bastante bizarro, e vai contra o senso comum.

Nisso entra o princípio da incerteza de Heisenberg. Werner Heisenberg foi um físico que também obteve grandes avanços na física quântica. O princípio da incerteza diz que é impossível você determinar com uma certa precisão mais do que uma variável em um partícula subatômica, como posição e velocidade. A probabilidade também entra fortemente nesse ponto.

O surgimento da física quântica

Bom, dei essa breve introduzida na superposição quântica e no gato de Schrödinger para mostrar o quão estranha é a física quântica. Pode parecer não fazer sentido, e realmente não faz. Como já disse Schröndiger, “O mundo observado é apenas uma aparência; na realidade, nem sequer existe”.

Para Richard Feynman, físico famoso por sua personalidade excepcional, “acho seguro dizer que ninguém entende mecânica quântica”. Mas isso não quer dizer que ela não seja uma teoria confiável. Ela é, e muito, e a principal prova disso é toda a tecnologia desenvolvida no mundo de hoje. Sabemos que ocorrem, só não entendemos  o porquê das coisas ocorrerem, nem como, já que é outro mundo.

Para que nosso conhecimento da física quântica chegasse onde está hoje, foi uma longa estrada de experimentos. Se buscarmos a origem de fato, chegaremos na Grécia Antiga, ouso dizer, quando Demócrito cunhou o termo átomo, em 450 a.C. Sempre buscamos as bases que formam a matéria.

Os maiores avanços, entretanto, são mais recentes, e remontam ao século XIX, com a descoberta dos raios catódicos (feixes de elétrons em um tubo com um semi-vácuo) e outros diversos experimentos envolvendo átomos, prótons e elétrons desde então.

O termo “quântico”, veio só mais tarde, com o grande físico Max Planck. Em 1900, Planck havia formulado a ideia de que a energia eletromagnética, como a luz, era irradiada por meio de “pacotes”, os quais ele chamou de “quanta”. A partir daí, muitos outros grandes nomes surgiram, e até Albert Einstein contribuiu na física quântica.

Nernst, Einstein, Planck, Millikan e von Laue em um jantar em Berlim em 1931. (Créditos da imagem: Reprodução).

Dentre as contribuições de Einstein estão o efeito fotoelétrico, que lhe rendeu um Nobel, ao mostrar como um metal pode liberar elétron ao ser exposto à radiação, possibilitando a existência dos monitores de tubo, que funcionam com um canhão de elétrons, e de placas solares, por exemplo.

No entanto, um dos pontos mais esquisitos em que Einstein tocou foi em uma área que também conversa com a Relatividade: a luz. A luz, conforme ele mostrou em 1905, seu ano milagroso, não é apenas uma onda ou uma partícula, mas pode ser ambas, e isso era essencial para a resolução do efeito fotoelétrico.

Chamamos isso de “Dualidade onda-partícula”. A luz é uma onda, mas também é materializada por meio dos fótons. Isso não ocorre apenas com a luz. Outras partículas, como elétrons, também podem passar pelo mesmo efeito. Mais tarde, o efeito foi generalizado e comprovado por Broglie e George Thomson, além de outros nomes.

Deus não joga dados

A famosa frase de Einstein, de que “Deus não joga dados”, vem de uma carta com o físico Niels Bohr. Ele e Einstein eram bastante amigos. Em 1926, em uma carta, Einstein lhe disse:

“A mecânica quântica é muito impressionante. Mas uma voz interior me diz que ainda não é verdadeira. A teoria produz um bom resultado, mas dificilmente nos aproxima do segredo Antigo. Estou convencido de que Ele [Deus] não joga dados.”

Einstein disse isso porque era algo realmente estranho, até mesmo para o físico que balançou as bases da física anos antes. Imagine só, tudo o que a ciência fazia era baseada em padrões determinísticos, e certo dia alguns físicos passam a dizer que a física subatômica é regida pela aleatoriedade, probabilidades, e tudo é incerto. Era difícil que aquilo fosse aceito — e mesmo assim, ela se consolidou, já que aos poucos esses pontos foram sendo provados.

O efeito fantasmagórico à distância

(Créditos da imagem: V. Boyer/JQI).

Agora que você entendeu um pouquinho da superfície do oceano quântico, pode entender um pouco do tão falado entrelaçamento quântico. Einstein adorava zombar do que para ele parecia não fazer sentido, e foi assim assim que ele ironizou o fenômeno, chamando-o de “efeito fantasmagórico à distância”, ou “ação fantasmagórica à distância”, dependendo da tradução. 

No passado, antes de ser provado experimentalmente, ele foi desacreditado por alguns grandes nomes como o Albert Einstein, já que ele parecia quebrar uma das leis pétreas do Universo: nada é mais rápido do que a luz. A lei continua a valer, e o entrelaçamento quântico não a quebra, como pode aparentar.

Não que Einstein não acreditasse nas leis da física quântica. Ele sabia que grandes mentes estavam por trás do desenvolvimento, incluindo ele próprio, e que tudo passava pelo método científico. Ele, no entanto, não se contentava com a interpretação de Copenhague — a principal interpretação da física quântica, movimento liderado por Bohr e Heisenberg, e achava que faltasse algo.

Imagine que você tem dois elétrons, um aqui na Terra e outro em Marte, e eles são, grosso modo, a mesma partícula. É como um boneco vudu dos desenhos animados — o que você faz em um, também ocorre no outro de forma instantânea.

A distância entre a Terra e Marte varia bastante, mas considerando as distâncias mais curtas — entre 50 e 80 milhões de quilômetros, a luz leva entre três e quatro minutos para fazer a viagem. Então vamos pensar: se a luz, que é a coisa mais rápida do Universo leva mais do que três minutos, como é possível realizar essa comunicação instantaneamente? 

É exatamente por isso que causou tanta polêmica. O fato é que nada viajou para que essa comunicação entre os elétrons fosse realizada, mas eles estão, de alguma forma estranha, fundamentalmente ligados. Ninguém sabe exatamente o porquê, mas sabemos que ocorre, e sabemos fazer isso.

A primeira realização experimental foi realizada em 2015, por cientistas da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, e o último deles até o momento foi da Universidade Nacional de Singapura, que fez com um elétron em um satélite na órbita da Terra, além de muitos outros nesse intervalo.

Desse efeito maluco, podemos tirar alguns proveitos. Lembra da superposição? Vamos utilizá-la em um elétron para exemplificar. Existe uma característica que chamamos na física quântica de spin. Ela não é um giro, como o nome sugere, é algo diferente difícil de fazer um paralelo.

Enfim, o ponto é que o spin é algo que podemos medir de forma binária — geralmente utilizamos cima ou baixo, então o spin pode estar apontando para cima ou para baixo (não confundir com vetores). Essa é apenas uma forma de se dizer o valor de um spin.

(Créditos da imagem: Ciencianautas).

O físico Wolfgang Pauli, um dos maiores contribuintes na teoria do spin dos elétrons, mostrou que dois elétrons conectados não podem ter o spin igual. Se um deles tem o spin apontando para cima, o outro obrigatoriamente apontará para baixo.

Como vimos no tópico do gato de Schrödinger, quando olhamos para uma partícula em superposição, ela escolhe o valor que vai assumir. Então, por exemplo, se observamos nosso elétron na Terra, poderemos saber o spin o observador em Marte verá naquele elétron, e a partir disso fazer a comunicação por códigos binários.

Ok, três minutos não é um tempo tão grande, mas imagine só um planeta a 10 milhões de anos-luz da Terra. A luz levaria 10 milhões de anos para viajar, tornando a comunicação inviável. Nesse caso, o entrelaçamento quântico poderia permitir a comunicação de forma instantânea. 

Não saber está tudo bem

A física quântica não faz sentido na lógica tradicional, e está tudo bem. O importante é possamos ir aos poucos aprendendo um pouco sobre ela. É outro mundo, regido por regras estranhas e diferentes, e ainda não sabemos como ligá-la à Relatividade ou outras regras fundamentais que regem o macrocosmo, e está tudo bem.

“A natureza é um enorme jogo de xadrez disputado por deuses, e que temos o privilégio de observar. As regras do jogo são o que chamamos de física fundamental, e compreender essas regras é a nossa meta”. — Richard Feynman.

Referências:

  1. ASPECT, Alain. “Closing the Door on Einstein and Bohr’s Quantum Debate”; American Physical Society. Acesso em: 05 jul. 2020.
  2. FELDENS, Bruno et al. “E assim se fez o quantum”. Acesso em: 05 jul. 2020.
  3. FEYNMAN, Richard et al. “Lições de Física: The Feynman Lectures on Physics”. Edição definitiva. Porto Alegre : Bookman, 2008. (Disponível também gratuitamente pela Caltech na língua inglesa neste link.)
  4. HAUGHTON, Richard. “Quantum teleportation is even weirder than you think”; Nature. Acesso em: 05 jul. 2020.
  5. SCHRÖDINGER, Erwin. “The Present Situation in Quantum Mechanics: A Translation of Schrödinger’s “Cat Paradox” Paper”. Acesso em: 05 jul. 2020.
  6. WADE, Elton. “O Problema com a Mecânica Quântica”. Acesso em: 05 jul. 2020.