Experimento brasileiro confirma um dos fundamentos da física quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/06/2022

Em lugar da chamada "medição atrasada", os físicos brasileiros testaram a complementaridade partícula-onda usando a superposição quântica, quando os objetos podem ter vários estados ao mesmo tempo.
[Imagem: Roberto Menezes Serra/UFABC]

Incerteza e Complementaridade

No estranho e contra-intuitivo mundo com que nos deparamos quando chegamos na escala das moléculas e dos átomos - o mundo onde imperam as leis da mecânica quântica - as coisas parecem se comportar seguindo dois princípios que não têm nenhum equivalente no nosso mundo cotidiano.

O primeiro é o Princípio da Incerteza, delineado por Werner Heisenberg (1901-1976), que afirma que não se pode conhecer simultaneamente a posição e a velocidade de uma partícula com precisão perfeita - quanto melhor você souber sobre uma, menos saberá sobre a outra.

O segundo é o Princípio da Complementaridade, estabelecido por Niels Bohr (1885-1962), que afirma que não é possível acessar completamente a realidade microscópica a partir de uma única configuração: Tudo o que cabe à ciência dizer é como ela se comporta no contexto de cada experimento específico.

E essa realidade se comporta de maneira dual, ora como partícula, ora como onda, apresentando uma característica ou outra dependendo de como o experimento é realizado. Embora essas características sejam contraditórias e mutuamente excludentes do ponto de vista do nosso mundo clássico, é preciso levar ambas em consideração para ter uma descrição completa do fenômeno.

É necessário salientar que todo esse quadro explicativo está longe de poder ser descrito por termos usados no dia a dia, como "realidade", "verdade científica", "está provado" e etc. Os físicos se referem a essas descrições como "interpretações", e esse quadro explicativo da mecânica quântica mais aceito é conhecido como "interpretação de Copenhague".

Realismo das ondas e das partículas em função da visibilidade.
[Imagem: Pedro R. Dieguez et al. - 10.1038/s42005-022-00828-z]

Questionamento da complementaridade

O físico John Wheeler [1911-2008] não gostava de rodeios e não temeu fazer a pergunta fundamental: "Quando um objeto decide viajar como partícula ou como onda?" Para verificar isto, ele propôs uma série de experimentos para testar a validade do Princípio da Complementaridade de Bohr.

A partir da virada deste século, o avanço da tecnologia fez com que os experimentos mentais de Wheeler começassem a ser possíveis na prática. Com isto, os físicos têm feito experimentos à exaustão nos últimos anos, avaliando ambos os princípios (incerteza e complementaridade) e, assim testando a validade da interpretação de Copenhague.

Esses experimentos começaram usando uma técnica conhecida como "medição atrasada" para verificar se o objeto estava se comportando como partícula ou como onda. Posteriormente, os físicos conseguiram usar o próprio fenômeno quântico da superposição, em que os objetos podem estar em vários estados simultaneamente.

O problema é que, nesses experimentos um fóton (partícula elementar da luz) parecia manifestar um comportamento híbrido, de partícula e onda ao mesmo tempo simultaneamente, no mesmo arranjo experimental, aparentemente violando o pressuposto de Bohr.

Partícula ou onda - as duas juntas não

Aqui entra a grande contribuição do trabalho feito por Pedro Dieguez e colegas da Universidade Federal do ABC (UFABC), da Universidade de Gdansk, na Polônia, e da Academia Austríaca de Ciências.

Em um experimento realizado no Brasil, empregando a ressonância magnética nuclear, a equipe adicionou um quantificador de realismo das propriedades que estavam sendo medidas, o que permitiu avaliar a "aderência" do próprio experimento à realidade.

"Nosso estudo teve duas grandes motivações. A primeira foi verificar a validade do Princípio da Complementaridade de Bohr em cenários de controle quântico. A segunda foi aprofundar a investigação do realismo físico em experimentos quanticamente controlados, para saber se apenas a estatística observada no experimento com controle quântico seria suficiente para descrever uma narrativa precisa da dualidade partícula-onda," descreveu Pedro.

E parece que a interpretação de Copenhague tem "bases mais sólidas", se é que isso faz algum sentido em física quântica, do que muitos físicos supunham: Os experimentos mostraram que os fótons são caras que não gostam de meios-termos: Ou eles são partículas, ou eles são ondas.

Isso demonstra que os experimentos mais recentes, que haviam chamado tanto a atenção, não se sustentam.

"Com uma configuração experimental diferente da utilizada nos estudos feitos ao longo da última década, verificamos experimentalmente e também por equações teóricas que a determinação simultânea das duas propriedades, de partícula e onda, não se sustenta. Mais ainda: que a impossibilidade de violar o Princípio de Bohr está associada a uma importante propriedade quântica, o emaranhamento, um tipo de correlação não clássica. Concluímos que correlações quânticas entre spins produzidas em nosso experimento foram suficientes para demonstrar que os realismos das interpretações partícula e onda jamais podem ser observados simultaneamente, mesmo usando um controle quântico que possibilite interpolar entre os dois comportamentos," concluiu Pedro.

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