Por Stefan Forstner
Publicado no The Conversation
Você já esteve em mais de um lugar ao mesmo tempo? Se você for muito maior do que um átomo, a resposta é não.
Mas átomos e partículas são governados pelas leis da mecânica quântica, em que várias situações possíveis diferentes podem coexistir ao mesmo tempo.
Os sistemas quânticos são governados pelo que é chamado de “função de onda”: um objeto matemático que descreve as probabilidades dessas diferentes situações possíveis.
E essas diferentes possibilidades podem coexistir na função de onda como no que é chamado de “superposição” de diferentes estados. Por exemplo, uma partícula existente em vários lugares diferentes ao mesmo tempo é o que chamamos de “superposição espacial”.
É apenas quando uma medição ocorre que a função de onda “entra em colapso” e o sistema termina em um estado definido.
Geralmente, a mecânica quântica se aplica ao minúsculo mundo de átomos e partículas. Não temos um veredito do que isso significa para objetos de grande escala.
Em nossa pesquisa, publicada esta semana na Optica, propomos um experimento que pode resolver essa questão espinhosa de uma vez por todas.
Gato de Erwin Schrödinger
Na década de 1930, o físico austríaco Erwin Schrödinger apresentou seu famoso experimento mental sobre um gato em uma caixa que, de acordo com a mecânica quântica, poderia estar vivo e morto ao mesmo tempo.
Nele, um gato é colocado em uma caixa lacrada na qual um evento quântico aleatório tem 50 a 50 chances de matá-lo. Até que a caixa seja aberta e o gato seja observado, o gato está morto e vivo ao mesmo tempo.
Em outras palavras, o gato existe como uma função de onda (com múltiplas possibilidades) antes de ser observado. Quando é observado, torna-se um objeto definido.
Depois de muito debate, a comunidade científica da época chegou a um consenso com a “Interpretação de Copenhague“. Basicamente, isso diz que a mecânica quântica só pode ser aplicada a átomos e moléculas, mas não pode descrever objetos muito maiores.
Acontece que eles estavam errados.
Nas últimas duas décadas ou mais, os físicos criaram estados quânticos em objetos feitos de trilhões de átomos – grandes o suficiente para serem vistos a olho nu. Embora esses experimentos ainda não tenha incluído a superposição espacial.
Como uma função de onda se torna um objeto real?
Mas como a função de onda se torna um objeto “real”?
Isso é o que os físicos chamam de “problema da medição quântica”. Isso intrigou cientistas e filósofos por cerca de um século.
Se houver um mecanismo que remova o potencial de superposição quântica de objetos de grande escala, seria necessário “perturbar” de alguma forma a função de onda – e isso criaria calor.
Se esse calor for encontrado, isso implica que a superposição quântica em grande escala é impossível. Se esse calor for descartado, então é provável que a natureza não se importe em “ser quântica” em qualquer tamanho.
Se for o último caso, com o avanço da tecnologia poderíamos colocar objetos grandes, talvez até seres sencientes, em estados quânticos.
Os físicos não sabem como seria um mecanismo que evita as superposições quânticas em grande escala. Segundo alguns, é um campo cosmológico desconhecido. Outros suspeitam que a gravidade pode ter algo a ver com isso.
O vencedor do Prêmio Nobel de Física deste ano, Roger Penrose, acha que isso pode ser uma consequência da consciência dos seres vivos.
Atrás de movimentos minúsculos
Durante a última década, os físicos têm procurado fervorosamente uma pequena quantidade de calor que indicaria uma perturbação na função de onda.
Para descobrir isso, precisaríamos de um método que possa suprimir (tão perfeitamente quanto possível) todas as outras fontes de calor “excessivo” que poderiam atrapalhar uma medição precisa.
Também precisaríamos manter um efeito que chamamos de “retração” quântica sob controle, onde o ato de observar a si mesmo cria calor.
Em nossa pesquisa, formulamos tal experimento, que poderia revelar se a superposição espacial é possível para objetos de grande escala. Os melhores experimentos até agora não conseguiram isso.
Encontrando a resposta com pequenos feixes que vibram
Nosso experimento usaria ressonadores em frequências muito mais altas do que as usadas. Isso eliminaria o problema de qualquer calor da própria geladeira.
Como foi o caso em experimentos anteriores, precisaríamos usar um refrigerador a 0,01 graus Kelvin acima do zero absoluto. (Zero absoluto é a temperatura mais baixa teoricamente possível).
Com esta combinação de temperaturas muito baixas e frequências muito altas, as vibrações nos ressonadores passam por um processo denominado “condensação de Bose”.
Você pode imaginar isso como um ressonador ficando tão congelado que o calor do refrigerador não conseguiria mexer ele nem um pouco.
Também usaríamos uma estratégia de medição diferente que não analisa o movimento do ressonador, mas a quantidade de energia que ele possui. Este método também suprimiria fortemente o calor da retração.
Mas como faríamos isso?
Partículas individuais de luz entrariam no ressonador e ricocheteariam para frente e para trás algumas milhões de vezes, absorvendo qualquer excesso de energia. Elas acabariam deixando o ressonador, levando embora o excesso de energia.
Medindo a energia das partículas de luz que saem, podemos determinar se há calor no ressonador.
Se houver calor, isso indicará que uma fonte desconhecida (a qual não controlamos) perturbou a função de onda. E isso significaria que é impossível que a superposição aconteça em grande escala.
Tudo é quântico?
O experimento que propomos é desafiador. Não é o tipo de coisa que você pode configurar casualmente em uma tarde de domingo. Pode levar anos de desenvolvimento, milhões de dólares e um monte de físicos experimentais qualificados.
No entanto, poderia responder a uma das questões mais fascinantes sobre a nossa realidade: tudo é quântico? Então, certamente achamos que vale a pena o esforço.
Quanto a colocar um humano, ou gato, em superposição quântica – não há realmente nenhuma maneira de sabermos como isso afetaria aquele ser.
Felizmente, essa é uma questão em que não precisamos pensar por enquanto.
