Experimentos significam desgraça para explicação de décadas de estranheza quântica

Como a realidade objetiva emerge da paleta de possibilidades fornecida pela mecânica quântica? Essa questão – a questão mais profunda e controversa colocada pela teoria – ainda é objeto de discussões há um século. Possíveis explicações sobre como as observações do mundo produzem resultados “clássicos” definidos, com base em diferentes interpretações do que significa a mecânica quântica, apenas se multiplicaram ao longo desses cerca de cem anos.

Mas agora podemos estar prontos para eliminar pelo menos um conjunto de propostas. Experiências recentes mobilizaram a extrema sensibilidade dos instrumentos de física de partículas para testar a ideia de que o “colapso” das possibilidades quânticas numa única realidade clássica não é apenas uma conveniência matemática, mas um processo físico real – uma ideia chamada “colapso físico”. As experiências não encontraram nenhuma evidência dos efeitos previstos pelo menos pelas variedades mais simples destes modelos de colapso.

Ainda é muito cedo para dizer definitivamente que o colapso físico não ocorre. Alguns pesquisadores acreditam que os modelos ainda poderiam ser modificados para escapar das restrições impostas pelos resultados nulos dos experimentos. Mas embora “sempre seja possível resgatar qualquer modelo”, disse Sandro Donadi, físico teórico do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) de Trieste, Itália, que liderou um dos experimentos, duvida que “a comunidade continuará modificando os modelos [indefinidamente], já que não haverá muito o que aprender fazendo isso.” O laço parece estar se apertando nesta tentativa de resolver o maior mistério da teoria quântica.

O que causa o colapso?

Os modelos de colapso físico visam resolver um dilema central da teoria quântica convencional. Em 1926, Erwin Schrodinger afirmou que um objeto quântico é descrito por uma entidade matemática chamada função de onda, que encapsula tudo o que pode ser dito sobre o objeto e suas propriedades. Como o nome indica, uma função de onda descreve um tipo de onda – mas não física. Pelo contrário, é uma “onda de probabilidade”, que nos permite prever os vários resultados possíveis das medições feitas no objeto e a probabilidade de observar qualquer um deles numa determinada experiência.

Se muitas medições forem feitas em tais objetos quando eles são preparados de maneira idêntica, a função de onda sempre prevê corretamente a distribuição estatística dos resultados. Mas não há como saber qual será o resultado de qualquer medição — a mecânica quântica oferece apenas probabilidades. O que determina uma observação específica? Em 1932, o físico matemático John von Neumann propôs que, quando uma medição é feita, a função de onda “colapsa” num dos resultados possíveis. O processo é essencialmente aleatório, mas influenciado pelas probabilidades que codifica. A mecânica quântica em si não parece prever o colapso, que deve ser adicionado manualmente aos cálculos.

Como um truque matemático ad hoc, funciona bastante bem. Mas parecia (e continua a parecer) para alguns pesquisadores um truque insatisfatório. Einstein comparou isso a Deus jogando dados para decidir o que se torna “real” – o que realmente observamos em nosso mundo clássico. O físico dinamarquês Niels Bohr, na sua chamada interpretação de Copenhaga, simplesmente declarou a questão fora dos limites, dizendo que os físicos apenas tinham de aceitar uma distinção fundamental entre os regimes quântico e clássico. Em contraste, em 1957, o físico Hugh Everett afirmou que o colapso da função de onda é apenas uma ilusão e que, na verdade, todos os resultados são realizados num número quase infinito de universos ramificados – o que os físicos agora chamam de “muitos mundos. "

A verdade é que “a causa fundamental do colapso da função de onda ainda é desconhecida”, disse Inwook Kim, físico do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia. “Por que e como isso ocorre?”

Em 1986, os físicos italianos Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini e Tullio Weber sugerido uma resposta. E se, disseram eles, a equação de onda de Schrödinger não fosse toda a história? Eles postularam que um sistema quântico é constantemente estimulado por alguma influência desconhecida que pode induzi-lo a saltar espontaneamente para um dos possíveis estados observáveis ​​do sistema, numa escala de tempo que depende do tamanho do sistema. Um sistema pequeno e isolado, como um átomo numa superposição quântica (um estado em que são possíveis vários resultados de medição), permanecerá assim durante muito tempo. Mas objetos maiores – um gato, digamos, ou um átomo quando interage com um dispositivo de medição macroscópico – entram em colapso quase instantaneamente num estado clássico bem definido. Este chamado modelo GRW (após as iniciais do trio) foi o primeiro modelo de colapso físico; mais tarde refinamento conhecido como modelo de localização espontânea contínua (CSL), envolveu um colapso gradual e contínuo, em vez de um salto repentino. Esses modelos não são tanto interpretações da mecânica quântica, mas acréscimos a ela, disse o físico Madalena Zych da Universidade de Queensland, na Austrália.

O que causa esta localização espontânea através do colapso da função de onda? Os modelos GRW e CSL não dizem; eles apenas sugerem adicionar um termo matemático à equação de Schrödinger para descrevê-la. Mas nas décadas de 1980 e 90, os físicos matemáticos Roger Penrose, da Universidade de Oxford, e Lajos Diósi, da Universidade Eötvös Loránd, em Budapeste, propuseram independentemente uma possível causa do colapso: a gravidade. Em termos gerais, a ideia deles era que, se um objeto quântico estiver numa superposição de localizações, cada estado de posição “sentirá” os outros através da sua interação gravitacional. É como se essa atração fizesse com que o objeto se medisse, forçando um colapso. Ou se olharmos para a questão da perspectiva da relatividade geral, que descreve a gravidade, uma superposição de localidades deforma a estrutura do espaço-tempo de duas maneiras diferentes ao mesmo tempo, uma circunstância que a relatividade geral não consegue acomodar. Como disse Penrose, num impasse entre a mecânica quântica e a relatividade geral, o quantum quebrará primeiro.

O Teste da Verdade

Essas ideias sempre foram altamente especulativas. Mas, em contraste com as explicações da mecânica quântica, como as interpretações de Copenhaga e Everett, os modelos de colapso físico têm a virtude de fazer previsões observáveis ​​— e, portanto, de serem testáveis ​​e falsificáveis.

Se realmente houver uma perturbação de fundo que provoque o colapso quântico - seja ela proveniente de efeitos gravitacionais ou de qualquer outra coisa - então todas as partículas estarão continuamente interagindo com essa perturbação, estejam elas em superposição ou não. As consequências deveriam, em princípio, ser detectáveis. A interação deverá criar um “ziguezague permanente de partículas no espaço” comparável ao movimento browniano, disse Catalina Curceanu, física do INFN.

Os actuais modelos de colapso físico sugerem que este movimento difusivo é apenas muito ligeiro. No entanto, se a partícula estiver eletricamente carregada, o movimento gerará radiação eletromagnética em um processo denominado bremsstrahlung. Um pedaço de matéria deveria, portanto, emitir continuamente um fluxo muito fraco de fótons, que versões típicas dos modelos prevêem estar na faixa dos raios X. Donadi e seu colega Angelo Bassi mostrando que a emissão de tal radiação é esperada de qualquer modelo de colapso espontâneo dinâmico, incluindo o modelo Diósi-Penrose.

No entanto, “embora a ideia seja simples, na prática o teste não é tão fácil”, disse Kim. O sinal previsto é extremamente fraco, o que significa que uma experiência deve envolver um enorme número de partículas carregadas para obter um sinal detectável. E o ruído de fundo – que vem de fontes como raios cósmicos e radiação no ambiente – deve ser mantido baixo. Essas condições só podem ser satisfeitas pelas experiências mais extremamente sensíveis, como as concebidas para detectar sinais de matéria escura ou as partículas esquivas chamadas neutrinos.

Em 1996, Qijia Fu, do Hamilton College, em Nova York – então apenas estudante de graduação – proposto usando experimentos de neutrinos baseados em germânio para detectar uma assinatura CSL de emissão de raios X. (Semanas depois de enviar seu trabalho, ele foi atingido por um raio em uma caminhada em Utah e morto.) A ideia era que os prótons e elétrons do germânio deveriam emitir a radiação espontânea, que detectores ultrassensíveis captariam. No entanto, só recentemente os instrumentos com a sensibilidade necessária foram colocados online.

Em 2020, uma equipa em Itália, incluindo Donadi, Bassi e Curceanu, juntamente com Diósi na Hungria, utilizou um detector de germânio deste tipo para testar o modelo Diósi-Penrose. Os detectores, criados para um experimento de neutrinos chamado IGEX, são protegidos da radiação devido à sua localização sob Gran Sasso, uma montanha na cordilheira dos Apeninos, na Itália.

Depois de subtrair cuidadosamente o sinal de fundo restante – principalmente a radioatividade natural da rocha – os físicos não vi nenhuma emissão em um nível de sensibilidade que excluiu a forma mais simples do modelo Diósi-Penrose. Eles também colocou limites fortes sobre os parâmetros dentro dos quais vários modelos CSL ainda podem funcionar. O modelo GRW original fica dentro desta janela estreita: sobreviveu por um fio.

Em um artigo do artigo publicado em agosto, o resultado de 2020 foi confirmado e fortalecido por um experimento denominado Demonstrador de Majorana, que foi estabelecido principalmente para procurar partículas hipotéticas chamadas neutrinos de Majorana (que têm a curiosa propriedade de serem suas próprias antipartículas). O experimento está instalado no Sanford Underground Research Facility, que fica a quase 5,000 metros de profundidade em uma antiga mina de ouro em Dakota do Sul. Possui uma gama maior de detectores de germânio de alta pureza do que o IGEX, e eles podem detectar raios X até baixas energias. “Nosso limite é muito mais rigoroso em comparação com o trabalho anterior”, disse Kim, membro da equipe.

Um final confuso

Embora os modelos de colapso físico estejam gravemente enfermos, eles não estão totalmente mortos. “Os vários modelos fazem suposições muito diferentes sobre a natureza e as propriedades do colapso”, disse Kim. Os testes experimentais excluíram agora a maioria das possibilidades plausíveis para estes valores, mas ainda há uma pequena ilha de esperança.

Os modelos de localização espontânea contínua propõem que a entidade física que perturba a função de onda é uma espécie de “campo de ruído”, que os testes atuais assumem ser ruído branco: uniforme em todas as frequências. Essa é a suposição mais simples. Mas é possível que o ruído seja “colorido”, por exemplo, por ter algum corte de alta frequência. Curceanu disse que testar esses modelos mais complicados exigirá a medição do espectro de emissões em energias mais altas do que tem sido possível até agora.

O experimento Majorana Demonstrator está encerrando, mas a equipe está formando uma nova colaboração com um experimento chamado Gerda, com sede em Gran Sasso, para criar outro experimento investigando a massa dos neutrinos. Chamado lenda, terá conjuntos de detectores de germânio mais massivos e, portanto, mais sensíveis. “A Legend pode ser capaz de ampliar ainda mais os limites dos modelos CSL”, disse Kim. Há também propostas para ensaio esses modelos em experimentos espaciais, que não sofrerão com o ruído produzido pelas vibrações ambientais.

A falsificação é um trabalho árduo e raramente chega a um ponto final claro. Mesmo agora, de acordo com Curceanu, Roger Penrose – que recebeu o prêmio Prêmio Nobel de Física 2020 por seu trabalho sobre a relatividade geral — está trabalhando em uma versão do modelo Diósi-Penrose em que não há radiação espontânea.

Mesmo assim, alguns suspeitam que, para esta visão da mecânica quântica, o que está escrito está na parede. “O que precisamos de fazer é repensar o que estes modelos estão a tentar alcançar”, disse Zych, “e ver se os problemas motivadores podem não ter uma resposta melhor através de uma abordagem diferente”. Embora poucos argumentem que o problema da medição já não é um problema, também aprendemos muito, nos anos desde que os primeiros modelos de colapso foram propostos, sobre o que a medição quântica implica. “Acho que precisamos voltar à questão de saber por que esses modelos foram criados há décadas”, disse ela, “e levar a sério o que aprendemos nesse ínterim”.