Uma estranha Natureza, em sua ‘Imprevisibilidade’ Quântica

“A bem-sucedida história da ciência humana nos ensina que o máximo que podemos dela esperar é…um aperfeiçoamento sucessivo do seu entendimento…através de nossos erros, em um ‘assintótico aprendizado’…pela condição da certeza absoluta sempre nos escapar. Estaremos sempre atolados no erro. O máximo que cada geração pode esperar é reduzir um pouco mais suas margens.”  (Carl Sagan — “O mundo assombrado pelos demônios”)

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Escher – “Birds to fish”

Há séculos… os métodos indutivo e dedutivo têm permitido aos cientistas caminharem do todo…para as partes – e… das partes ao todo, aprimorando seu conhecimento do ‘mundo natural‘… — a cada passo dessa caminhada. Tal aquisição de conhecimento só é possível porque há uma estreita ligação, entre o todo e o conhecimento das partes… Quanto mais partes conhecidas, mais entende-se do todo, e…quanto mais entendemos o todo – maior  a compreensão, de cada uma de suas partes. Mas a estranha teoria quântica garante que nada é garantido… – o mundo quântico, ao contrário domundo clássico’, nos permite responder corretamente questões…mesmo quando não temos toda informação, que dele precisaríamos ter. – Pelo menos é isso que garantem Thomas Vidick e Stephanie Wehner…da Universidade Nacional de Cingapura.

Os dois físicos usaram a teoria quântica para demonstrar que é possível responder corretamente a praticamente qualquer questão sobre as partes de um sistema sem    precisar conhecer o sistema inteiro. – Ou, invertida a proposição, que saber o todo          não garante responder tudo sobre todas as suas partes… – Imagine… por exemplo,               que um aluno vai para um exame tendo lido apenas metade do que lhe ensinaria o           livro sobre a matéria… Ele tem um conhecimento incompleto sobre o ‘todo’, e terá               de responder questões sobre suas partes… – ou seja…os assuntos em suas páginas.

O senso comum diria que o aluno será rapidamente desmascarado…tão logo ele chegue nas questões cujas respostas estão nas páginas que não leu. E, no ‘mundo clássico’, isso sempre foi, e continuará sendo assim. A teoria quântica porém, não concorda com esse senso comum…e afirma que o aluno poderá se sair muito bem no teste – ele poderá até mesmo tirar um 10, se em vez das informações clássicas de um livro clássico, lidar com “informações quânticas”.

Ignorância & Intuição quântica

No caso das informações quânticas… – não há como saber qual informação o aluno não detém… nem mesmo se o professor fica sabendo de antemão qual parte do livro o aluno leu. Ou seja, a dita ignorância quântica será preservada, e o aluno jamais desmascarado.

“Observamos esse efeito … contudo, ainda não entendemos de onde ele surge. E, não espere por maiores explicações mais tarde…pois como diria Richard Feynman, uma compreensão intuitiva dos fenômenos quânticos parece algo inatingível”…  explica Wehner; acrescentando que, conceitualmente… é algo, realmente… bastante esquisito.

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Reality Doesn’t Exist If You Are Not Looking at It

Essa impossibilidade de desmascarar uma ‘ignorância quântica’, parece ter vindo se somar a uma série de outros fenômenos quânticos, impossíveis de explicação…’mecanicista tradicional’. Uma das “questões centrais”…para o entendimento do ‘mundo físico‘…é o quão nosso conhecimento do todo se relaciona ao conhecimento de partes. Ou, o quanto nossa ignorância sobre o todo, impede o conhecimento – de ao menos… — uma — de suas partes.

Baseando-nos puramente na intuição clássica, estaríamos inclinados a conjecturar que – uma forte ignorância do todo não pode vir sem uma significativa ignorância de ao menos uma de suas partes. Curiosamente, entretanto, essa conjectura é falsa na teoria quântica; onde imensa ignorância do todo pode coexistir, com um conhecimento quase perfeito de cada uma de suas partes.

Além das implicações teóricas, ainda não totalmente compreendidas, a descoberta pode trazer sérias implicações sobre pesquisas em “criptografia quântica“…na codificação de informações ‘à prova de qualquer ataque’…A propósito…Stephanie Wehner foi uma das autoras da surpreendente descoberta de uma relação entre a assim chamada… – “Ação fantasmagórica à distância”, e o famoso “Princípio da Incerteza”. texto base (ago/2011) ***********************************************************************************

A natureza é… decididamente imprevisível, dizem os físicos  (jul/2012)        “A teoria quântica fornece, essencialmente…o limite final na previsibilidade do Universo. Por seu apelo de natureza fundamental…em contraste à teoria clássica, conhecer a exata configuração do universo no ‘Big Bang’… não basta para prever sua evolução completa”.

Em um artigo que promete desmerecer palpites futurólogos…e estremecer os fundamentos de quase todas as previsões… pesquisadores da mecânica quântica afirmam que a natureza é… definitivamente… imprevisível… – E, com efeito…muitas das previsões que fazemos no dia-a-dia são vagas; na maioria das vezes incorretas — porque nossas informações não são completas – como por exemplo… na “meteorologia“… – quando tentamos prever o tempo.

Na mecânica quântica, todavia… a coisa é pior – porque… mesmo se toda a informação estiver disponível, os resultados de determinados experimentos são…com efeito…impossíveis de serem perfeitamente previstos de antemão.

Tal imprecisão, em relação aos resultados de experimentos na física quântica, tem sido objeto de longo debate…a partir das discussões entre Einstein e Bohr. E, muito embora pareça uma ferramenta inadequada para prever resultados – os pesquisadores agora afirmam que a teoria quântica está perto do ideal… — em termos de “poder preditivo”.

Deus joga dados ‘justos’                                                                                                    “Em nosso experimento, mostramos que toda e qualquer teoria que apresente menos aleatoriedade (do que na mecânica quântica) está destinada ao fracasso… ou seja, a teoria quântica fornece essencialmente o limite final na previsibilidade do Universo”.

A referência lembra Einstein…que disse certa vez em uma carta a seu colega Max Born — ‘não acreditar que Deus jogasse dados’… ou seja, que ele próprio acreditava em leis naturais bem precisas e definidas. O trabalho de Wolfgang Tittel, da Universidade de Calgary/Canadá, e colegas – no entanto… contesta essa precisão… – dando razão ao filósofo D. Hume… que afirmava serem tais leis científicas, ‘meras probabilidades’, pois nada impede que mesmos eventos — no futuro… contestem eventos observados no passado.

A “aleatoriedade” é uma das principais características da teoria quântica, geralmente expressa pelo “Princípio da Incerteza” de Heisenberg. – Esse estranho comportamento tornou-se popularmente conhecido… – graças a experimentos como o famoso ‘gato de Schrodinger(ilustração de uma possível consequência da superposição de partículas por 2 caminhos simultâneos); além de trabalhos na “computação quântica”. ‘texto base’**********************************************************************************

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Dylan Mahler e Lee Rozema usaram fótons entrelaçados para fazer suas medições, cujos resultados questionam uma das interpretações do Princípio da Incerteza. [D. Mahler/University of Toronto]

Testando o “efeito do observador”

O “Princípio da Incerteza” de Heisenberg, formulado em 1927, é um dos bastiões da mecânica quântica. — Apresentado como afirmação de uma “incerteza intrínseca“, aos sistemas quânticos … é bem fundado, e largamente demonstrado… No entanto, Heisenberg o formulou — originalmente, em termos do “efeito do observador”… a relação entre a precisão da medição da partícula quântica – e, a ‘perturbação‘  criada ao medirmos — por um fóton…a posição de um elétron… — por exemplo.

Embora essa seja a forma mais conhecida do ‘Princípio’, ela nunca foi experimentalmente comprovada; havendo inclusive, erros matemáticos em sua demonstração. – Mas o baque maior veio mais recentemente, ao cientistas canadenses demonstraram a possibilidade de avaliar o distúrbio gerado pela medição…concluindo que o ‘Princípio da Incerteza‘ era pessimista demais… – E agora então, essa mesma equipe usou a chamada “medição fraca(que não afeta o sistema quântico), para lançar uma dúvida mortal sobre a “Incerteza” de Heisenberg em seu aspecto ‘influência do observador‘.

O físico Lee Rozema, da Universidade de Viena, e colegas…idealizaram um experimento que avalia um ‘sistema quântico’ por meio de uma ‘interação mínima’, permitindo que a informação sobre o “estado inicial” desse sistema seja extraída, com pouca ou nenhuma perturbação. — Como ele assim explica… “Projetamos um aparato para poder medir a polarização de um único fóton. A seguir, medimos a sua influência sobre aquele fóton. Cada execução indicava apenas uma ínfima quantidade de informação do distúrbio…mas, ao repetir o experimento várias vezes…podemos ter uma boa ideia sobre quanto       o fóton foi afetado”. 

Nessa experiência foi usada a ‘medição fraca’…registrando o fóton antes dele entrar         no aparato, e depois lá dentro, medido normalmente. Comparando-se os 2 resultados, verificou-se que a interferência da medição sobre o fóton é menor do que a necessária para justificar uma “visão pessimista”…do “Princípio da Incerteza” de Heisenberg.

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O experimento não afeta em nada o Princípio… em termos da incerteza intrínseca de      um sistema quântico, mas descarta de vez sua pretensa validade geral para os efeitos gerados pelo observador sobre as medições…E conclui Rozema… – “Estes resultados        nos forçam a ajustar nossa visão … sobre quais limites a mecânica quântica impõe às medições… – Tais limites são importantes aos fundamentos da mecânica quântica, e centrais na tecnologia de uma segura “criptografia quântica”  texto base (set/2012)

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“Efeito Congelante”                                     ‘Átomos não se movem ao serem observados’. 

Há pouco…num experimento histórico, físicos finalmente mostraram de forma incontestável, que Einstein estava errado — em uma de suas ideias fundamentais…envolvendo ‘incertezas‘ e…’leis probabilísticas’ da mecânica quântica.   E para não deixar margens de dúvidas, outra equipe também demonstrou, expressamente, uma das previsões mais ‘esquisitas‘ da teoria quântica…a de que um sistema quântico não pode mudar enquanto o pesquisador o estiver observando… – confirmando que ele… – de fato… – perturba os “experimentos quânticos”.

Segundo os físicos Yogesh Patil e Srivatsan Chakram, da Universidade de Cornell /EUA, responsáveis pelo experimento, esse comportamento quântico…abre caminho para uma técnica fundamentalmente nova de ‘controle e manipulação’ dos “estados quânticos” de átomos – permitindo…”pra começo de conversa”…a criação de novos tipos de ‘sensores’.

Para testar a influência do observador sobre os experimentos quânticos – os pesquisadores resfriaram um gás com aproximadamente 1 bilhão de átomos de rubídio no interior de uma câmara de vácuo até próximo o zero absoluto.

Nesse estado os átomos se organizam numa ‘grade’ ordenada…como cristal sólido… e funcionam como se fossem uma entidade única… – por isso essa estrutura é muitas vezes chamada de “átomo artificial“.

O “Princípio da Incerteza” nos diz que… estando posição e velocidade de uma partícula relacionadas – estas não podem ser, simultaneamente, medidas com precisão. – Como  temperatura é medida do movimento de uma partícula, num frio extremo a velocidade        é praticamente zero, de forma que há muita flexibilidade na posição; ou seja, ao serem observados, os átomos se tornam susceptíveis de estar em qualquer lugar… – pois, em temperaturas tão baixas, podem “tunelar” de um lugar para outro… na “rede atômica”.

Os pesquisadores demonstraram então, ser possível suprimir o tunelamento quântico (mudanças de posição)…meramente observando os átomos… “Olhe para eles, e eles ‘congelam’ no lugar; interrompa a medição, e eles voltam a tunelar’…disse o professor Mukund Vengalattore, orientador da equipe. – E Isto foi feito, repetindo as medições;  quanto maior essa recorrência… menor foi probabilidade dos átomos saírem do lugar.

Este assim chamadoEfeito Zeno Quântico(ou “Efeito Congelante”) deriva de uma proposta feita em 1977, por George Sudarshan e Baidyanath Misra, da Universidade          do Texas, ao notarem que a natureza estranha das medições quânticas permite, que          um sistema quântico seja “congelado” por medições repetidas… feitas em sequência.

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Como os átomos se mostraram altamente sensíveis às menores forças externas envolvidas em sua medição será possível desenvolver sensores ainda mais precisos. [Y. S. Patil et al. /PhysRevLett.]

Com efeito, esta é a primeira observação do ‘Efeito Zeno Quântico’ por uma medição do movimento atômico no espaço real. – Além disso … devido ao alto grau de controle dos experimentos – é possível – gradualmente,  ‘sintonizar‘ o modo pelo qual esses átomos são observados. – Usando este ajuste ficou também demonstrada… certa propriedade chamada…”classicalidade emergente“,  na qual, os efeitos quânticos desaparecem, e os átomos passam a se comportar de um modo muito mais intuitivo; como previsto pela física clássica.

Embora tradicionalmente associados com as dimensões… e o tamanho das partículas envolvidas — alguns indícios apontam que  a ‘gravidade’ possa ser usada para explicar a fronteira clássico-quântico, ou ainda que a física quântica emerge na fronteira entre múltiplos universostexto base (nov/2015) *************************************************************************************

Eventos quânticos independem da causalidade do espaço e do tempo                Há cerca de 2 meses, físicos demonstraram que causa e efeito não são coisas tão claras no mundo da mecânica quântica. O grupo propôs que existem situações nas quais um evento pode ser tanto a causa quanto o efeito de outro, quebrando a famosa “lei de causa e efeito“.entrelaçamento quântico

Mas, se você acha “experimentos mentais” abstratos demais…então vai se dar melhor com um experimento em laboratório, feito por físicos da Universidade de Viena. Xiao-Song Ma e equipe, mostraram na prática uma situação em que é impossível descrever a causalidade entre 2 eventos correlacionados, ou seja, sabe-se que um afeta o outro; mas não, quem é a causa, ou o efeito.

A interpretação mais aceita da ‘física quântica’ – chamada ‘Interpretação de Copenhague’, diz que as propriedades de um objeto quântico dependem dos aparelhos e da forma como se mede esse objeto, que assim poderá, em dualidade…revelar-se como onda ou partícula. Outro fenômeno bem conhecido é o entrelaçamento quântico ou emaranhamento, pelo qual uma partícula quântica… – compartilhando propriedades com outra…é afetada instantaneamente…por algo que nela aconteça… – não importando a distância entre elas.

Em ambos os casos, a princípio…ainda se pode falar em ‘causalidade’, onde uma partícula influencia a outra…ou, a própria medição altera a partícula.

Agora, porém…os físicos mostraram como a medição de uma partícula (um fóton de luz) é afetada – não pela medição feita nela própria, mas pela medição feita em um 2º fóton. Em outras palavras, o fóton se comporta como partícula, ou onda… – dependendo da medição feita em um 2º fóton – tão distante do 1º… – que não poderia haver “troca de informação” entre os dois, sem violar o limite de velocidade máxima do Universo – a velocidade da luz.

Os cientistas afirmam que o experimento não é suficiente para derrubar nenhum pilar da física…mas que é impossível, em termos de ‘causalidade‘, dar uma explicação lógica do que ocorre… – O 1º fóton estava no laboratório em Viena, enquanto o 2º estava nas Ilhas Canárias, mas a ‘manifestação’ do fóton (como onda…ou partícula)…em Viena – depende sempre da medição feita nas Ilhas Canárias. E Anton Zeilinger, chefe da equipe, concluiu:

“Nosso trabalho refuta a visão de que um sistema quântico possa, em certo instante, se mostrar, definitivamente como uma onda ou partícula… – Isso exigiria uma ‘intercomunicação’ mais rápida do que a ‘velocidade da luz’… entrando em ‘confronto direto’ com a teoria de Einstein.” texto base (2013)  ***********************(texto complementar)***************************

Supere a velocidade da luz e você perderá seus dados   

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Os pulsos superluminais superam a velocidade da luz, mas não conseguem levar informações. [Imagem: M. Bellini/National Inst. of Optics]

A transmissão de informações não pode quebrar o “limite de velocidade universal” — a velocidade da luz, garantem pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Maryland, ambos nos EUA.

Apesar disso parecer parecer óbvio…para a “física moderna”… – em 2012, quando pesquisadores do próprio NIST criaram ‘pulsos superluminais‘, em que uma parte da onda de luz é ‘empurrada‘ para frente, chegando antes do que seria de se esperar pela medição da “velocidade do pulso“…as coisas começaram a ficar complicadas… – já que… mais tarde… uma outra equipe revelou a possibilidade matemática da velocidade da luz ser superada…e mais outra – fez a luz viajar à velocidade infinita.

Agora, Jeremy Clark decidiu estudar a fundo as implicações da sua própria descoberta dos ‘pulsos superluminais’. Pelas novas análises, os pulsos superluminais não representam um furo nas leis da física… – porque o pulso frontal de luz, que é “empurrado” para chegar ao destino antes que o esperado…não consegue carregar consigo informação alguma… Como comentou seu colega Ryan Glasser:

“Nós sabemos que se você puder acelerar a informação, isso daria origem a todos os tipos de problemas de causalidade, como você vê nos filmes de ficção científica sobre pessoas que viajam de volta no tempo… Assim, embora ninguém espere que isto seja possível… — o que impede que isso aconteça?… — Isso é o que nós queríamos saber”.

Clark e Glasser bolaram um experimento no qual a técnica dos pulsos superluminais é empregada num feixe de luz, enquanto outro feixe de luz segue sem alteração… Só que     os dois pulsos de luz são entrelaçados… – significando que o que acontece a um, altera imediatamente o outro. – Os resultados mostraram, que não há mais correspondência entre os 2 pulsos quando se usa a técnica dos pulsos superluminais em um deles — ou seja…o entrelaçamento quântico deixa de funcionar. – E, além disso, quanto mais eles empurram a frente do pulso, mais degradado fica o seu sinal… Como explicou Glasser:

“Nós avançamos o pico da correlação entre os 2 feixes, mas não pudemos impulsionar a ‘informação quântica’ mais rápido que a velocidade da luz”.

Embora haja a necessidade de mais pesquisas para determinar, fundamentalmente, o que impõe esse limite de velocidade à informação…os resultados encontrados podem ser úteis na compreensão da transferência de informações no interior dos computadores quânticos, ou pela internet quântica. E conclui Glasserafirmando que…“Para nós, o ruído quântico  e a ‘distorção’ definem esse limite”. ########## (texto base)  (jun/2014) #########  ***********************************************************************************

Informação transferida acima da velocidade da luz 27/03/2015                             Em termos práticos … – os experimentos não conseguem dar uma ‘palavra final’ sobre     o assunto porque normalmente dependem do transporte clássico de partículas, ou seja, fótons viajando ao longo de fibras ópticas. No entanto… tudo isto pode estar mudando.

No caso da “ação fantasmagórica à distância“…baseada no fenômeno do entrelaçamento ou emaranhamento – as partículas entrelaçadas influenciam-se mutuamente, mesmo que estejam em extremos opostos da galáxia. Ao que parece, isto ocorre instantaneamente – o que é mais rápido do que a velocidade da luz – mas ninguém sabe exatamente como…e os físicos ainda não concordam numa troca real de informações apenas por meios quânticos.

O teletransporte quântico…pelo menos nos experimentos realizados até agora, ainda não passou pelo chamado “teste de Bell incontestável” (loophole-free Bell test), o que poderia comprovar a existência de influências “escondidas” além do espaço-tempo, eliminando o limite de velocidade universal… – a ‘velocidade da luz’.

Troca de informações fantasmagóricas (à distância)

Em 2013, Hatim Salih, do Centro Nacional de Física e Matemática da Arábia Saudita, desafiou essa noção…em um artigo publicado na principal revista de física do mundo, mostrando que a informação pode de fato ser transferida entre 2 pontos… – sem que qualquer partícula viaje entre eles.

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Esquema da geração de um estado entrelaçado não local, sem troca de partículas, que poderá ser usado em futuras arquiteturas de computação quântica. [Imagem: Qi Guo et al.]

Isto é possível graças ao fenômeno chamado “efeito Zeno quântico encadeado” — no qual uma série de ‘medições encadeadas’ garante que “nunca” haverá “decoerência” do estado quântico das partículas entrelaçadas… – em outras palavras, que as 2 partículas ‘gêmeas’ nunca perderão sua conexão intrínseca, que permite a tal ‘ação fantasmagórica’, na qual tudo o que acontece a uma… – se refletirá… imediatamente na outra.

Agora, Qi Guo e seus colegas do Instituto de Tecnologia Harbin, na China, apresentaram a proposta de um esquema experimental no qual a ‘informação’ pode ser “efetivamente” transferida entre 2 partículas afastadas… – sem o envio de qualquer partícula mediadora entre elas, e sem que ambas precisem estar inicialmente juntas para serem ‘entrelaçadas’.

A equipe demonstrou que é teoricamente possível fazer o entrelaçamento de 2 qubits distantes – significando que o que acontecer a um, instantaneamente afetará o outro,     sem qualquer interação. – Isto é diferente dos experimentos já realizados…nos quais         as partículas são inicialmente entrelaçadas – e então separadas…porque os qubits já estarão distantes um do outro quando forem entrelaçados.

Isto significa que um qubit poderá transferir informação para outro qubit desconhecido…de forma não-determinística… sem qualquer comunicação clássica… – e…sem que eles tenham sido … previamente … “entrelaçados”.

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Em tese, esse interferômetro poderia abarcar uma galáxia inteira, permitindo a construção de uma internet galáctica. [Imagem: Qi Guo et al.]

Internet galática

Além de balançar toda a interpretação mais aceita da mecânica quântica, o experimento proposto dá um novo alento à “computação quântica“, porque demonstra ser possível a troca de informação entre qubits distantes.

E assim, experimentos com teletransporte quântico poderão ter um…novo impulso… permitindo … eventualmente … refazer os cálculos sobre … o tempo que levaria para teletransportar um ser humano.

“Teoricamente é possível construir uma internet galática… ou intergalática usando este esquema, que irá exigir um interferômetro de braço longo, intra ou inter-galático, e um objeto quântico com ‘tempo de coerência’ muito longo… – Obviamente… – atualmente é impraticável construir um interferômetro de braço longo … e não existe nenhum estado quântico com tempo de coerência tão longo”…disse Shou Zhang, coordenador da equipe.

Mas Zhang acredita que um experimento mais “terráqueo”…para demonstração efetiva do esquema pode ser possível com a tecnologia atual, utilizando um átomo individual natural e um átomo artificial, chamado átomo de Rydbergum complexo ultrafrio constituído por um vapor metal-alcalino. Tal “sintetização” é…justamente, seu próximo passo. (texto base)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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