17.9 C
Lisboa
Domingo, Julho 3, 2022

Uma teoria de tudo que explica os paradoxos da mecânica quântica

Must read



Um dos grandes triunfos da ciência moderna é a teoria da mecânica quântica, uma das ideias mais bem-sucedidas da história. Todo experimento já feito é compatível com suas previsões e, apesar de inúmeras tentativas, os físicos nunca foram capazes de criar condições em que não funcionasse.

Mas o sucesso da teoria quântica força os físicos a aceitar uma série de verdades desconfortáveis. Por exemplo, permite “ação assustadora à distância” entre partículas emaranhadas. Isso ocorre quando duas partículas se tornam tão profundamente ligadas que uma medição em uma determina instantaneamente o estado da outra, independentemente da distância entre elas.

Desde então, os físicos estudaram em detalhes a ação assustadora à distância; é fácil de observar em um laboratório de óptica quântica. Agora é até explorado em tecnologias como a criptografia quântica.

Outra conclusão desconfortável é que o universo quântico é governado pelo comportamento probabilístico. A qualquer momento, muitas coisas diferentes podem acontecer, mas o que realmente acontece é determinado pela probabilidade, essencialmente no lançamento de um dado.

Esse pensamento força os físicos a concluir que nossa experiência determinista do universo é uma ilusão. De fato, há pouco debate entre os físicos de que o fundamento da realidade é fundamental e estranhamente probabilístico.

Exceto entre um pequeno grupo de físicos teóricos liderados pelo vencedor do Prêmio Nobel, Gerard ‘t Hooft. Para eles, a ideia de determinismo – que uma coisa leva a outra – é sacrossanta. Eles dizem que as propriedades probabilísticas da mecânica quântica podem ser explicadas por um conjunto de leis ocultas que ficam abaixo da superfície da mecânica quântica.

Ninguém observou essas leis no trabalho, mas isso não impediu ‘t Hooft de tentar formular como elas devem ser. E as apostas são altas. Ele diz que o acesso a essas leis deve levar a uma teoria de tudo que resolva muitas das deficiências que a física quântica atualmente não pode explicar. Agora, ele descreve essa abordagem, chamada superdeterminismo, em um artigo dedicado a Chen Ning Yang, outro ganhador do Prêmio Nobel, por seu 100º aniversário no final deste ano.

Modelo padrão

Primeiro alguns antecedentes. A teoria atual da mecânica quântica que tenta explicar a natureza do universo é chamada de Modelo Padrão da física de partículas. E tem feito um enorme sucesso.

Ele descreve o universo em termos de quatro forças fundamentais e mostra que três dessas forças são manifestações diferentes da mesma coisa. Ele previu a existência de numerosas partículas – dezessete no total – que os experimentalistas descobriram usando aceleradores de partículas gigantes construídos para esse propósito específico. Isso tem sido a ciência mais espetacular, resultando em vários prêmios Nobel, principalmente para ‘t Hooft e Yang.

Mas em todo esse sucesso, os físicos ignoraram convenientemente algumas das deficiências do Modelo Padrão. Por exemplo, o modelo prevê dezessete partículas e depende de pelo menos vinte parâmetros diferentes, números aparentemente arbitrários. “Qualquer tentativa de limpar essa teoria, em geral resulta na produção de mais desses parâmetros em vez de menos”, lamenta ‘t Hooft.

Também não há como prever as forças de várias interações entre partículas. Em vez disso, a única maneira de encontrá-los é por uma medição cuidadosa e detalhada. Isso parece insatisfatório para os teóricos.

No centro do problema, diz ‘t Hooft, está a natureza da mecânica quântica, que dispensa o determinismo para permitir que partículas se enredem, existam em mais de um lugar, se comportem como ondas e partículas ao mesmo tempo e em breve.

Em contraste, a teoria da relatividade é fundamentalmente determinista. Este é o outro pilar da física moderna e seu caráter determinístico parece estar fundamentalmente em desacordo com a teoria quântica. No entanto, qualquer teoria de tudo deve abarcar ambos.

Digite ‘t Hooft. Sua solução é propor que abaixo da superfície, a natureza é fundamentalmente determinista. Esse “superdeterminismo” tem implicações profundas. “Assumir que um modelo subjacente é completamente determinístico remove a maioria dos ‘paradoxos quânticos’ que se pensava serem especiais apenas para a mecânica quântica”, diz ele.

Por exemplo, a capacidade de uma partícula emaranhada de influenciar outra instantaneamente deve ser uma ilusão. O superdeterminismo sugere que o resultado é predeterminado por outro conjunto mais profundo de leis que são deterministas. Mas porque não estamos cientes dessas leis, a influência parece instantânea.

Claro, essa é uma ideia controversa. Os físicos há muito consideram a possibilidade de que a mecânica quântica seja incompleta, que esteja faltando um conjunto de variáveis ​​ocultas que determinam o resultado em experimentos como esse.

No final do século 20, o físico John Bell descreveu um experimento mental para demonstrar esse problema. Ele imaginou um professor Bertlsman que sempre usa meias de duas cores diferentes, digamos vermelho e azul. Bertlsman sempre coloca as meias ao acaso. Assim, em um determinado dia, não há como saber se ele usa a meia azul no pé esquerdo e a meia vermelha no outro pé ou vice-versa.

Meias de Bertlsman

No entanto, seus alunos descobriram uma maneira inteligente de prever a cor de uma meia sem nunca vê-la. Enquanto Bertlsman entra no auditório, eles observam o pé que aparece primeiro para ver a cor da meia.

Agora imagine esse momento. Antes de verem a meia não há como dizer qual é a cor de cada meia. Mas assim que os alunos veem que a primeira meia é, digamos, azul, eles instantaneamente sabem que a outra meia deve ser vermelha. É quase como se a observação de uma meia determinasse a cor da outra por ação assustadora à distância.

De fato, é assim que um observador ingênuo pode interpretar a incrível capacidade do aluno de determinar a cor da segunda meia. Isto é, até que o observador ingênuo descubra a lei oculta das meias de Bertlsman – que ele sempre usa duas cores diferentes. Então fica claro que não há mágica em ação, mas sim uma variável oculta que torna esse experimento inteiramente determinístico.

Bell continuou mostrando que se a mecânica quântica fosse governada dessa maneira por variáveis ​​ocultas, haveria consequências mensuráveis. Desde então, os físicos têm caçado alto e baixo por essas consequências, mas seus experimentos não mostraram evidências de variáveis ​​ocultas.

A maioria dos físicos interpreta esses experimentos como prova de que a mecânica quântica não pode ser governada por variáveis ​​ocultas e, à primeira vista, isso significa um desastre para a abordagem de ‘t Hooft.

Mas ele diz que há um caminho através deste atoleiro. Segundo seu pensamento, o superdeterminismo é tão fundamental que influencia não apenas as partículas que estão sendo medidas, mas toda a montagem experimental, incluindo os próprios observadores.

Isso porque todas as partículas e forças envolvidas compartilham a mesma história do universo. Essa história compartilhada essencialmente força esses experimentos a parecerem paradoxais, como se houvesse uma ação assustadora à distância, quando na verdade são deterministas. Em outras palavras, há uma brecha nos testes de Bell que permite que o universo nos induza a pensar que a mecânica quântica é probabilística.

As ideias de ‘t Hooft são controversas, mas prometem muito que o Modelo Padrão não pode oferecer – entre elas uma teoria de tudo que reconcilia a relatividade e a mecânica quântica. Ele acredita que isso pode acontecer da mesma forma que seu colega Yang lançou as bases para o Modelo Padrão – através do estudo de simetrias, levando à famosa teoria de campo de Yang-Mills.

As ideias de ‘t Hooft operam em uma escala ainda menor – o comprimento de Planck. Isso é tão pequeno que nenhum experimento atual pode acessá-lo, e é por isso que é difícil obter evidências. Mas ele acredita que ainda é possível formular uma teoria de sucesso usando uma abordagem semelhante.

Computação Básica

Por sua própria admissão, ‘t Hooft está longe desse ponto, mas ele começou a mapear algumas das características que sua nova teoria deve ter. Ele diz que o universo neste nível deve funcionar como um autômato celular – um tipo de computador que calcula o valor de todas as variáveis ​​do universo em um instante específico no tempo com base em seus valores no instante anterior.

Ele diz que é possível derivar modelos desse tipo que se comportam probabilisticamente, como a mecânica quântica, mas na verdade são inteiramente determinísticos sob a superfície. Esses modelos ainda não são sofisticados o suficiente para serem considerados teorias de tudo, mas são a prova do princípio em que ‘t Hooft se baseia.

Se isso parece familiar, é porque ‘t Hooft não é o primeiro a sugerir que um autômato celular pode explicar todo o fenômeno do universo. O físico Stephen Wolfram há muito defende essa abordagem da física, trabalhando independentemente da ciência convencional. Entre os sucessos de Wolfram está mostrar como um simples autômato celular determinístico pode produzir uma enorme complexidade. Recentemente, este blog cobriu a última encarnação da teoria de tudo de Wolfram com base nesse tipo de abordagem. É uma bela ideia.

A abordagem independente de Wolfram para a ciência e outros cientistas o deixou abrindo um sulco solitário na física. A posição de ‘t Hooft não é exatamente a mesma, mas suas ideias também são controversas.

Então aqui está uma ideia que pode ser ainda mais inflamatória – talvez seja hora de ‘t Hooft e Wolfram colaborarem. Eles vêm buscando ideias semelhantes há algum tempo e podem encontrar alguma sinergia útil. E com uma teoria de tudo em jogo, o que há a perder?


Ref: Projetando simetrias locais e globais para a escala de Planck: arxiv.org/abs/2202.05367



Fonte original deste artigo

- Advertisement -spot_img

More articles

DEIXE UMA RESPOSTA

Please enter your comment!
Please enter your name here

- Advertisement -spot_img

Latest article