No próximo ano marcará o centenário do verão em que o físico teórico alemão Werner Heisenberg procurou refúgio da febre dos fenos na ilha de Helgoland, no Mar do Norte. Lá, ele descobriu como expressar as desconcertantes observações espectroscópicas dos átomos – por meio das quais eles absorviam e emitiam luz em frequências características e bem definidas – em forma matemática. O mentor de Heisenberg, o físico dinamarquês Niels Bohr, propôs que os espectros poderiam ser compreendidos na suposição de que os elétrons de um átomo podem possuir apenas energias específicas, mudando de um nível de energia para outro emitindo ou absorvendo um único “quantum” de luz com uma energia proporcional à sua frequência. Essa hipótese quântica para a luz foi proposta por Albert Einstein em 1905, e Bohr desenvolveu-a numa nova teoria do átomo – embora uma que não fizesse sentido em termos clássicos.
Ao expressar as energias permitidas destes “saltos quânticos” como uma matriz de valores observados experimentalmente, Heisenberg transformou a ad hoc, teoria quântica nascente em uma mecânica quântica genuína. Sua álgebra matricial implicava que não era possível conhecer simultaneamente a posição e o momento de uma partícula com precisão arbitrária. Este “princípio da incerteza” sugeria que a física quântica impunha limites ao conhecimento que podemos ter sobre o mundo atómico.
Bohr, Heisenberg e os seus colaboradores em Copenhaga argumentaram que esta restrição é fundamental. Não é que estejamos condenados a permanecer ignorantes sobre como as coisas são exactamente, mas sim que não existe um “como as coisas são” significativo até que sejam medidas. A sugestão gerou uma discussão bem-humorada, mas incisiva, entre Bohr e Einstein, que durou grande parte de sua vida compartilhada. “Einstein não poderia fazer a concessão. Isso eliminaria objetos separados e individuais, traços essenciais de uma imagem de mundo aceitável”, escrevem John Heilbron e Jim Baggott em seu novo livro. Drama Quântico: Do debate Bohr-Einstein ao enigma do emaranhamento. Baggott, um físico e escritor científico, e Heilbron, um historiador da ciência que morreu em 2023, contam a história da mecânica quântica, desde o seu início até a vanguarda da tecnologia da informação quântica.
Einstein nunca se cansou de inventar novas objeções à visão de “Copenhague”. Na Conferência Solvay de 1930, na Bélgica, que reuniu os principais físicos da época, ele confrontou Bohr com um experimento mental paradoxal envolvendo uma caixa pesada pendurada em uma mola, contendo um fóton (que escapa) e um relógio fixo. Bohr produziu uma resposta ao quebra-cabeça que dissipou muitas dúvidas, mas parece não ter satisfeito o próprio Bohr. “Ele se preocupou com isso pelo resto da vida”, dizem Heilbron e Baggott. “Um esboço do aparelho estava em seu quadro negro no dia em que ele morreu.”
A oposição de Einstein expôs a natureza profundamente contra-intuitiva da mecânica quântica – mais notoriamente numa experiência mental concebida em 1935 com os seus colegas mais jovens Boris Podolsky e Nathan Rosen. Esta “experiência EPR [Einstein-Podolsky-Rosen]” mostrou que, uma vez que duas partículas interagem, a mecânica quântica parece insistir que as suas propriedades permanecem interdependentes, de modo que uma medição provoca uma sinalização instantânea impossível entre as duas. Erwin Schrödinger, que partilhava a antipatia de Einstein pela visão de Copenhaga, chamou este efeito de “emaranhamento”.
Para Einstein, o paradoxo EPR só poderia ser resolvido assumindo que as partículas emaranhadas tinham propriedades fixas o tempo todo, embora fossem inobserváveis e, portanto, caracterizadas por “variáveis ocultas”. O problema era que as interpretações de Bohr e Einstein faziam previsões experimentais idênticas. Sem uma forma óbvia de resolver a questão, esta foi posta de lado, e muitos investigadores nas décadas de 1940 e 1950 consideraram tais questões “fundamentais” inúteis ou mesmo impróprias. Quem se importava, quando a mecânica quântica funcionava tão bem na prática? Esta foi a atitude notoriamente caracterizada pelo físico americano David Mermin como “calar a boca e calcular”, que foi particularmente dominante nos pragmáticos EUA. Interessar-se por tais questões pode equivaler ao suicídio profissional. “Você nunca conseguirá um doutorado se se permitir ser distraído por tais frivolidades”, disseram Mermin em Harvard, de acordo com o livro. Ele observa que “foi uma época muito pouco filosófica”.
O ganhador do Nobel Murray Gell-Mann acusou Bohr de ter feito lavagem cerebral em uma geração de físicos fazendo-os pensar que os enigmas da mecânica quântica já haviam sido resolvidos há muito tempo.
Em seu livro 1999 Diálogo Quântico, historiadora da ciência Mara Beller acusou Bohr e seus colegas de impor sua ortodoxia de Copenhague e de marginalizar ou ridicularizar interpretações alternativas, como as “ondas piloto” de David Bohm e a “função de onda universal” de Hugh Everett, também conhecida como a interpretação de “muitos mundos” da mecânica quântica. Prêmio Nobel Murray Gell-Mann acusou Bohr de ter feito lavagem cerebral em uma geração de físicos fazendo-os pensar que os enigmas da mecânica quântica já haviam sido resolvidos há muito tempo. Mas Heilbron e Baggott mostram que é mais justo atribuir a culpa à apatia da comunidade em geral. Como disse Paul Dirac sobre os enigmas metafísicos da teoria: “Muitas pessoas vivem vidas longas e frutíferas sem nunca se preocuparem com [elas]”.
Trinta anos de ‘contra a medição’
Essa atitude começou a mudar, no entanto, em 1964, quando o Físico da Irlanda do Norte John Bell descobri uma maneira de distinguir os chamados modelos de variáveis ocultas da mecânica quântica simples. Tudo o que foi necessário foi uma reflexão séria – “Não havia nada na desigualdade de Bell que não fosse conhecido pelos fundadores do quantum”, dizem os autores.
Ironicamente, Bell criou seu célebre teste porque queria encontrar uma falha na mecânica quântica bohriana. O mesmo fez a primeira pessoa a conduzir o teste experimentalmente, John Clauser, trabalhando com Stuart Freedman na Universidade da Califórnia em Berkeley. No entanto, esse experimento, e muitos outros realizados posteriormente, apoiaram infalivelmente apenas a mecânica quântica e descartaram quaisquer variáveis ocultas – pelo menos aquelas que se aplicam. localmente para atribuir propriedades fixas a cada partícula em uma determinada posição antes da medição. (Isso não significa que Bohr esteja certo, embora pareça quase impossível salvar a posição de Einstein.) O livro oferece um relato excelente do ressurgimento do interesse nos fundamentos quânticos que se seguiu ao trabalho de Bell e Clauser, envolvendo em particular o colega de Clauser em 2022. Os ganhadores do Nobel Anton Zeilinger e Alain Aspect. Longe de serem filosofias vazias, tais estudos agora sustentam tecnologias como a computação quântica e a criptografia quântica.
Drama Quântico conta uma história complexa com um vasto elenco. Embora os autores às vezes exijam muito de seus leitores, nunca li um relato melhor: equilibrado, autoritário e temperado com humor elegante. Descrevendo uma viagem ao Japão feita por vários dos primeiros pioneiros quânticos, Heilbron e Baggott descrevem como, ao passar por um pagode, “Heisenberg escalou-o espontaneamente e, ficando em seu ápice (largura ∆q) em um pé sob um vento uivante, felizmente manteve uma incerteza ∆p pequena demais para derrubá-lo.”
Este livro não será tudo para todas as pessoas. Tal como acontece com o livro anterior de Heilbron Niels Bohr: uma breve introdução, sua descrição do átomo de Bohr é tão técnica que é quase impenetrável para todos, exceto para especialistas, criando um obstáculo formidável logo no início do livro. E há outras ocasiões, como nas descrições dos testes de Bell, em que se anseia por um resumo conciso do significado qualitativo entre os detalhes. Às vezes, o leitor recebe uma sucessão de comentários de especialistas sem muita indicação de como navegar em suas contradições.
Mas se isso torna o livro ocasionalmente desafiador para o leitor em geral, a recompensa pela perseverança é considerável. Como autor de um relato de nível popular sobre a mecânica quântica, hesito em sugerir deixar tais esforços de lado em favor deste volume mais substancial – mas eu certamente recomendaria tratar todos esses relatos com cautela até que você tenha lido este.
- 2024 Oxford University Press 352 pp £ 25 hb
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/entangled-entities-bohr-einstein-and-the-battle-over-quantum-fundamentals/
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