Uma estranha Natureza, em sua ‘imprevisibilidade’ Quântica

“É visão corrente entre vários cientistas que a mecânica quântica não nos fornece qualquer retrato da realidade… E, que o seu arcabouço teórico deve ser encarado simplesmente como um formalismo matemático…que não nos diz essencialmente       nada sobre uma realidade efetiva do mundo… Mas, nos permite calcular, de fato, probabilidades alternativas dela ocorrer.” (Roger Penrose, ‘The Road to Reality’)

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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‘… em cada passo dessa caminhada. Tal aquisição de conhecimento só é possível porque há uma estreita ligação entre o todo, e o conhecimento de suas partes. — Quanto mais partes conhecidas… mais entendemos    o todo, e quanto mais o entendemos, maior    a compreensão de suas partes. Todavia, em seu estranho mecanismo, a ‘teoria quântica’ nos garante que podemos deduzir questões, mesmo faltando parte da ‘informação total’.

Pelo menos é isso que garantem Thomas Vidick e Stephanie Wehner da Universidade 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 suas partes, isto é, os assuntos em suas páginas.

Imagine, por exemplo, que um aluno vai ao exame, tendo lido apenas metade do que lhe ensinaria o livro sobre a matéria… Em seu conhecimento incompleto sobre o ‘todo‘, terá que responder questões sobre suas partes. O senso comum diz que o aluno rapidamente será desmascarado…tão logo chegue nas questões cujas respostas estão nas páginas que não leu… 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 – podendo até mesmo tirar um ‘10‘, se em vez das informações clássicas… — contidas em um livro clássico… — lidar com “informações quânticas“.

“Os elétrons, por exemplo, não existem sempre…Existem apenas quando                            interagem…Materializam-se em um determinado lugar, ao se chocarem                            com alguma coisa. Nos saltos quânticos entre órbitas…se tornam ‘reais’.                            Um elétron é um conjunto de ‘saltos’…de uma interação a outra; porém,                            quando nada o perturba … ele não existe em lugar algum.”  (C. Rovelli) 

Ignorância & Intuição quântica                                                                                “Observamos esse efeito… contudo, ainda não entendemos de onde ele surge…E,              não espere maiores explicações mais tarde…pois, como diria Richard Feynman,              uma compreensão intuitiva dos fenômenos quânticos… parece algo inatingível”.

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.

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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 uma ‘clássica explicação mecanicista’.  Uma das “questões centrais”…para a compreensão 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 apenas 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. Mas, curiosamente, essa conjectura é falsa na teoria quântica; onde pode coexistir a imensa ignorância do todo, com o saber quase perfeito de uma de suas partes.

Além das implicações teóricas ainda não totalmente compreendidas, a descoberta pode trazer sérias implicações sobre “criptografia quântica”, em pesquisas na codificação de informações…’à prova de qualquer ataque’. A propósito, Stephanie Wehner foi também uma das autoras da surpreendente descoberta de uma relação, entre a assim chamada “ação fantasmagórica à distância”…e o “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 informação estiver disponível, os resultados de certos experimentos…são impossíveis de serem perfeitamente previstos de antemão. Tal imprecisão, em relação aos resultados de experimentos na física quântica…a partir das discussões entre Einstein e Bohr, tem sido objeto de intenso debate. E, mesmo dando a ideia de uma ferramenta inadequada na previsão de resultados, afirma-se agora que a ‘teoria quântica’ está perto de seu 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/Toronto University]

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‘. Eles 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… – O físico Lee Rozema…participante do grupo, assim explica a experiência:

“Projetamos um aparato para poder medir a polarização de um único fóton. – Em seguida…medimos a sua influência… – sobre aquele fóton. Cada execução só indicava, uma ínfima quantidade de informação do distúrbio… – No entanto… – ao repetir o experimento…várias vezes…conseguimos obter 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)***************************

Reencarnação quântica: físicos ‘desmedem’ partículae ela retorna à vida     “A mecânica quântica não descreve ‘propriedades objetivas‘ de um sistema físico,         mas sim… – o ‘estado de conhecimento‘ de quem o observa”. (Christopher Fuchs)

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[Imagem: Andrew N. Jordan]

As partículas quânticas, ou sub-atômicas, têm comprovadamente, comportamentos que parecem absolutamente impensáveis.  Assim como podem se comportar… como partículas…ou ondas… – podem também estar em vários lugares ao mesmo tempo.  Como algo assim… tão “contra-intuitivo” pode ser a base da construção…de nosso “mundo clássico“… é uma questão ainda        a ser respondida pela ciência.

A teoria atualmente aceita, afirma que um objeto quântico pode estar em qualquer lugar entre as possibilidades descritas por sua função de onda. Quando alguém tenta medir essa onda/partícula, entretanto, ela imediatamente “colapsa“… deixando de estar em qualquer lugar… para estar apenas, e tão somente, naquele exato local onde a medição é feita…comportando-se como se fosse um objeto clássico.

Pois bem, para demonstrar que o mundo quântico pode ser ainda mais estranho, os físicos Andrew Jordan e Alexander Korotkov propuseram, em 2006, que seria possível ‘desmedir’ – desfazer a onda/partícula, fazendo-a voltar ao seu exato estado quântico anterior; como se a medição não tivesse acontecido… e, portanto, a partícula não tivesse sofrido qualquer alteração… – E, somente agora…2 anos depois, uma equipe da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, EUA, conseguiu realizar esse experimento… comprovando que a teoria tem importância…quase transcendental…nas explicações físicas sobre o mundo quântico.

fronteira quântico-clássica

A nova teoria sugere que a fronteira entre o mundo quântico, e o mundo clássico não é uma linha muito bem definida…como se pensava até hoje. Em vez disso os dados sugerem que essa fronteira é…na realidade…uma  zona cinzenta…com uma amplitude ainda incerta… – mas, cujo tempo a ser percorrida… – é maior que zero.

O pesquisador Nadav Katz explica como foram capazes… – até mesmo de “enfraquecer” a medição de uma partícula quântica…forçando apenas um colapso parcial – algo como um “estado de coma” de uma partícula quântica. – A seguir, alterando certas propriedades da partícula, e refazendo a medição  —  esta retornou ao seu estado quântico… como se nada tivesse acontecido antes — ou seja… — como se a primeira medição não tivesse sido feita.

Esse mecanismo é de extremo interesse para se construir computadores quânticos… o que não é tarefa fácil – pois os ‘bits quânticos’ (qubits) desses ‘computadores futurísticos’ são muito sensíveis, sofrendo interferência de inúmeros fatores do ambiente – colapsando… e perdendo os dados… – E assim portanto, o novo “sistema de reversão” poderá representar uma possibilidade de se construir mecanismos de correção de erros… como explicou Katz:

“Enquanto vários cientistas afirmam que, como a simples medição de uma partícula quântica afeta seu comportamento – de certa forma – criamos a realidade, à medida que interferimos com ela… Agora, a demonstração de sermos capazes de reverter o “colapso” da partícula quântica…nos diz que, não podemos assumir que qualquer medição crie a realidade, pois sempre    é possível apagar seus efeitos, e começar tudo de novo”. ‘texto base’ (2008)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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