Histórias quânticas estão todas emaranhadas

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tiero/istockphoto

Por Andrew Grant
Publicado na Science News

Livros do tipo Choose Your Own Adventure são divertidos, mas eles permitem que os leitores escolham apenas uma versão dos acontecimentos de cada vez. Um novo experimento sugere que a mecânica quântica exige que várias aventuras ocorram simultaneamente para criar uma descrição consistente da história.

O prêmio Nobel Frank Wilczek do MIT e seu colega Jordan Cotler, agora na Universidade de Stanford, forneceram evidências para o que eles chamam de histórias emaranhadas em um artigo publicado on-line dia 12 de janeiro no arXiv.org. Os pesquisadores propuseram e executaram um experimento que começou e terminou medindo uma propriedade particular de um fóton; no decorrer do experimento, os pesquisadores sutilmente sondaram o fóton sem perturbar seu estado quântico delicado. O resultado intrigante era que não havia nenhuma maneira de criar uma única cronologia que pudesse descrever como o fóton foi alterado. Em vez disso, deve haver várias cronologias que estão emaranhadas, compartilhando uma conexão quântica geralmente reservada para grupos de partículas e não para o tempo.

“Existe realmente algo que vai muito fundo aqui sobre a natureza da mecânica quântica e o tempo”, diz Cotler. “A nossa melhor descrição do passado não é uma cronologia fixa, mas várias cronologias que estão interligadas umas com as outras”. O experimento pode oferecer um novo meio de explorar e interpretar a bizarrice quântica.

O mundo quântico é governado por probabilidades. Normalmente, os físicos que monitoram um fóton podem calcular as chances dele ter uma característica particular quando medido, como a polarização horizontal. Mas se esses fótons tiverem parceiros emaranhados, então torna-se impossível calcular as probabilidades para ambos os fótons. Você pode apenas descrever todo o sistema do emaranhado.

Em vez de pensar em vários objetos quânticos, Cotler e Wilczek pensaram sobre partículas individuais em vários momentos no tempo. Com base no trabalho de 1984 liderado pelo físico Robert Griffiths da Universidade Carnegie Mellon (SN online: 2/5/14), Cotler e Wilczek pensaram em versões quânticas das cronologias. Se os físicos poderiam descrever a polarização de um fóton no tempo A e no tempo B, então eles poderiam ser capazes de fazer um cronograma coerente para mapear as mudanças de polarização do fóton entre os dois tempos.

No entanto, Cotler e Wilczek suspeitaram de que não seria tão simples. Em um artigo do ano passado, eles introduziram a ideia de histórias emaranhadas, casos em que uma única cronologia é insuficiente para explicar as mudanças observadas nas propriedades de uma partícula. Assim como a compreensão de uma partícula emaranhada é impossível sem considerar sua parceira, a história de uma partícula pode estar incompleta sem a existência de múltiplas linhas do tempo emaranhadas.

Uma equipe chinesa recentemente colocou as histórias emaranhadas à prova. Os pesquisadores injetaram fótons um de cada vez em um interferômetro. Um fóton só atravessava o interferômetro após passar por três espelhos seletivos, cada um dos quais descartava a luz com uma polarização particular. Para cada fóton que atingiu um detector final, os investigadores sabiam as polarizações iniciais e finais do próton, bem como pistas para a polarização do fóton no momento em que ele passou através de cada espelho.

Assim como Cotler e Wilczek esperavam, os pesquisadores não puderam formular uma cronologia consistente com as medidas tanto da partida quanto da chegada de cada fóton e as evidências dos espelhos entre os dois. A única maneira de conciliar todas as observações, Cotler diz, é de concluir que o fóton passou por várias histórias em paralelo. Quando os pesquisadores fizeram a medição final do fóton, esses prazos alternativos se mesclavam.

Outros físicos não estão convencidos de que a nova pesquisa vai além das ideias apresentadas por Griffiths e outros ao longo das últimas três décadas. O físico quântico do MIT Seth Lloyd chama o trabalho de “evolucionário, mas não revolucionário”, embora ele ainda queira avaliar os argumentos do trabalho com mais cuidado.

Wilczek é muito mais otimista. Ele chama o experimento de “uma realização bastante direta” de uma interpretação de 60 anos da mecânica quântica conhecida como “muitos mundos”, em que medir os fótons e outras interações ambientais dividem a realidade em linhas de tempo alternativas. Às vezes, os diferentes ramos são consistentes por conta própria e permanecem separados, diz Wilczek. Mas, neste caso, as cronologias distintas estão interligadas e, eventualmente, voltam juntas. “O aspecto mais profundo e mais atraente deste experimento”, diz ele, “é que ele permite que você, de uma forma matematicamente precisa, fixe o que exatamente são os muitos mundos”.

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