‘Darwinismo quântico’: conheça o conceito que pode ajudar no dilema entre as físicas clássica e quântica

Nenhuma das principais interpretações da teoria quântica é muito convincente. Elas nos pedem para acreditar, por exemplo, que o mundo que experimentamos está fundamentalmente separado do reino subatômico do qual é constituído. Ou que existe uma proliferação desenfreada de universos paralelos, ou que um processo misterioso faz com que a natureza quântica entre em colapso espontâneo. Esse estado insatisfatório foi um elemento-chave de Beyond Weird, meu livro de 2018 sobre o significado da mecânica quântica. Não é de se admirar que os especialistas estejam tão divididos como sempre sobre o que a teoria quântica diz a respeito da realidade, um século após o desenvolvimento da teoria.

A meu ver, Zurek quase amarrou as pontas soltas que vêm confundindo a física há 100 anos, sem invocar quaisquer suposições substancialmente novas ou especulativas. Ao fazer isso, ele afirma unir o que antes era irreconciliável. Vamos ver até onde sua abordagem nos leva e onde reside o mistério restante.

A incerteza quântica

Se você sabe algo sobre mecânica quântica, pode ser perdoado por pensar que o grande e estranho enigma é a parte quântica: a ideia de que o mundo nas escalas mais finas é granulado, que as partículas só podem alterar sua energia em saltos quânticos abruptos, trocando pequenos pacotes de energia de tamanhos fixos. Mas isso, por si só, não é realmente tão difícil de entender.

A incerteza quântica, disse-me o físico e filósofo Jeffrey Bub, da Universidade de Maryland, “não representa simplesmente ignorância sobre o que é o caso, (mas) um novo tipo de ignorância sobre algo que ainda não tem um valor de verdade, algo que simplesmente não é de uma forma ou de outra antes de medirmos”.

Na formulação da mecânica quântica apresentada por Erwin Schrödinger em 1926, o estado de um sistema quântico é representado por uma entidade matemática chamada função de onda. A função de onda é um conceito abstrato que nos permite prever as probabilidades dos vários resultados possíveis de uma medição desse sistema quântico. Antes de medirmos uma de suas propriedades — a localização de um elétron, por exemplo —, todas as suas localizações possíveis são representadas na função de onda como uma “superposição”, o que significa que cada uma é potencialmente observável com alguma probabilidade.

Qualquer observação ou medição específica sempre verá apenas um desses resultados, e experimentos sucessivos e idênticos podem observar resultados diferentes. O ato de medir aparentemente faz com que essa natureza quântica nebulosa desapareça, sendo substituída por algo definido e mais alinhado com nossa experiência da realidade clássica.

Assim, a função de onda não pode nos dizer como é o sistema quântico antes de o medirmos. Em contrapartida, na física clássica newtoniana em escala macroscópica, as coisas têm propriedades e posições bem definidas, mesmo quando ninguém está olhando. Os mundos clássico e quântico parecem divididos pelo que Heisenberg, no final da década de 1920, chamou de “corte”. Para ele e Niels Bohr, em Copenhague, a realidade tinha de ser descrita pela física clássica, enquanto a mecânica quântica era a teoria de que nós, como entidades clássicas, precisávamos para descrever o que observávamos sobre o mundo microscópico. Nada mais, nada menos.

Dois tipos de física, universos paralelos

Mas por que deveria haver dois tipos distintos de física — clássica e quântica — para coisas grandes e pequenas? E onde e como uma substitui a outra?

Outros tentaram explicar o colapso como um evento físico real, espontâneo e de tempo aleatório que seleciona um resultado único entre as muitas possibilidades — embora não esteja claro quais fatores causariam tal colapso físico. Outros invocam a descrição postulada por Louis de Broglie e posteriormente desenvolvida por David Bohm, na qual uma partícula possui propriedades bem definidas, mas é guiada por uma misteriosa onda “piloto” que produz o estranho comportamento ondulatório dos objetos quânticos, como a interferência.

O elemento central da abordagem de Zurek é o fenômeno chamado entrelaçamento quântico, mais uma das coisas contraintuitivas que ocorrem em escalas quânticas. Schrödinger batizou esse fenômeno em 1935, argumentando que ele é, na verdade, a característica-chave da mecânica quântica. Ele criou o nome depois que Albert Einstein e seus colegas apontaram que, após duas partículas quânticas entrarem em contato por meio de forças físicas, elas parecem estar estranhamente interconectadas; se você medir uma delas, parece que você influencia instantaneamente as propriedades da outra, mesmo que elas não estejam mais próximas uma da outra.

“Parece” é o termo essencial aqui: na verdade, a mecânica quântica diz que a interação e o entrelaçamento resultante fazem com que as partículas não sejam mais entidades separadas. Elas são descritas por uma única função de onda que define os estados possíveis de ambas as partículas. Por exemplo, a função de onda conjunta pode indicar que, independentemente da direção em que uma delas esteja magneticamente orientada, a outra deve estar orientada na direção oposta.

Quando as partículas interagem, o entrelaçamento é inevitável. Isso tem implicações para o processo de medição: os objetos quânticos sob observação ficam entrelaçados com os átomos do instrumento de medição. “Medição”, aqui, não precisa implicar a sondagem do objeto com algum equipamento científico sofisticado; ela se aplica a qualquer objeto quântico que interaja com seu ambiente. As moléculas de uma maçã são descritas pela mecânica quântica, e os fótons de luz que ricocheteiam nas moléculas da superfície ficam entrelaçados com elas. Esses fótons transportam informações sobre as moléculas até seus olhos — digamos, sobre a cor vermelha da casca da maçã, que decorre dos estados de energia quântica das moléculas que a constituem.

Em outras palavras, Zurek e Zeh perceberam que o entrelaçamento é onipresente e é o canal de informação entre o quântico e o clássico. À medida que um objeto quântico interage com seu ambiente, ele se entrelaça com ele. Usando nada além da matemática quântica comum, Zeh e Zurek mostraram que esse entrelaçamento “dilui” a natureza quântica do objeto, pois ela se torna uma propriedade compartilhada com o ambiente entrelaçado, de modo que os efeitos quânticos rapidamente se tornam inobserváveis no próprio objeto. Eles chamam esse processo de decoerência.

Por exemplo, uma superposição do objeto quântico se espalha por todos os seus entrelaçamentos ambientais, de modo que, para deduzir a superposição, precisaríamos examinar todas as entidades entrelaçadas (que se multiplicam rapidamente). Não há mais esperança de fazer isso do que de reconstruir uma gota de tinta depois que ela se dispersou no oceano.

Destruição de fenômenos quânticos delicados

A decoerência ocorre de forma incrivelmente rápida. Para um grão de poeira flutuando no ar, colisões com fótons e moléculas de gás circundantes produzirão decoerência em cerca de 10-³¹ segundos — cerca de um milionésimo do tempo que a luz leva para atravessar um único próton. Na prática, a decoerência destrói fenômenos quânticos delicados quase instantaneamente assim que eles entram em contato com o ambiente.

Mas a medição não se resume apenas à decoerência. É o entrelaçamento com o ambiente que imprime informações sobre o objeto nesse ambiente — por exemplo, em um dispositivo de medição.

Nas últimas duas décadas, Zurek vem investigando como isso acontece. Acontece que alguns estados quânticos possuem características matemáticas que lhes permitem gerar múltiplas impressões no ambiente sem serem obscurecidos até a invisibilidade pela decoerência. Esses estados correspondem, portanto, a propriedades que “sobrevivem” no mundo clássico observável e decoerido.

Isso é possível porque as interações que geram cada impressão mantêm o sistema quântico no estado em que se encontrava antes da interação, em vez de levá-lo a um estado diferente ou misturá-lo com outros. Os fótons, por exemplo, podem ricochetear em um átomo e levar consigo informações posicionais sobre ele sem alterar o estado quântico do sistema.

Zurek chama esses estados robustos de “estados ponteiros”, porque são eles que podem fazer com que a agulha de um dispositivo de medição aponte para um resultado específico. Os estados ponteiros correspondem a propriedades que são observáveis classicamente, como posição ou carga. As superposições quânticas, por outro lado, não têm essa propriedade; elas não conseguem gerar cópias de forma robusta e, portanto, não podemos observá-las diretamente. Em outras palavras, elas não são estados ponteiros.

‘Darwinismo quântico’

Zurek demonstra que os estados ponteiros podem ser impressos de forma eficiente e robusta repetidas vezes no ambiente. Esses estados são os “mais aptos”, ele me disse. “Eles conseguem sobreviver ao processo de cópia e, assim, a informação sobre eles pode se multiplicar.” Eles são, por analogia com a evolução darwiniana, “selecionados” para serem traduzidos para o mundo clássico porque são bons em se amplificar — replicar-se, poderíamos dizer — dessa maneira. Esse é o “darwinismo quântico” do título do livro de Zurek.

Essas impressões se multiplicam extremamente rápido. Em 2010, Zurek e seu colaborador Jess Riedel calcularam que, em um microssegundo, os fótons do sol imprimem a localização de um grão de poeira cerca de 10 milhões de vezes.

A teoria do darwinismo quântico de Zurek — que, mais uma vez, usa nada mais do que as equações padrão da mecânica quântica aplicadas à interação do sistema quântico com seu ambiente — faz previsões que agora estão sendo testadas experimentalmente. Por exemplo, ela prevê que a maior parte da informação sobre o sistema quântico pode ser obtida a partir de apenas algumas poucas impressões no ambiente; o conteúdo informativo “satura” rapidamente. Experimentos preliminares confirmam isso, mas há mais a ser feito.

Um mundo clássico único a partir das probabilidades quânticas?

Cada impressão, como vimos, corresponde a uma observação clássica: algo que podemos considerar um elemento de nossa realidade. O elétron está magneticamente orientado para cima, digamos, nessa marca. Mas não é concebível, uma vez que o estado quântico original contém probabilidades de resultados diferentes, que uma marca possa corresponder a “para cima” e outra a “para baixo”, de modo que observadores diferentes vejam realidades diferentes — não exatamente uma superposição, mas uma consequência clara dela na forma de múltiplas versões da realidade clássica?

Isso nos leva a outra revelação da teoria da decoerência, aquela que me convence de que a teoria de Zurek agora conta uma história completa. Ela prevê que todas as impressões devem ser idênticas.

Assim, o darwinismo quântico insiste que um mundo clássico único pode e deve emergir das probabilidades quânticas. Essa imposição de consenso elimina o processo bastante misterioso e ad hoc do colapso, em favor de algo mais rigoroso. O objeto que está sendo observado, cercado por uma nuvem de impressões idênticas e observáveis dele em seu ambiente macroscópico, forma um elemento de “existência relativamente objetiva”, como diz Zurek. Ele se torna parte de nossa realidade clássica concreta, que ele chama de extanton.

É aqui que a teoria promete dissolver disputas sobre interpretação. Zurek afirma que ela alcança o que poderia parecer impossível: uma reconciliação entre as interpretações de Copenhague e dos muitos mundos. Na primeira, a função de onda é considerada epistêmica: ela descreve o que podemos saber sobre o mundo quântico. Na segunda, a função de onda é ôntica: é a realidade última — uma descrição de todos os ramos da realidade ao mesmo tempo — mesmo que possamos experimentar apenas um ramo desse multiverso quântico. Zurek afirma que a função de onda é, na verdade, ambas as coisas.

“As duas visões conflitantes dos estados quânticos (epistêmica e ôntica) e a insistência de que os estados devem ser uma coisa ou outra estão erradas”, ele me disse quando o questionei sobre a história que seu livro conta. Em vez disso, os estados são “epionticos”. Ou seja, antes que a decoerência ocorra, todas as possibilidades quânticas estão, em certo sentido, presentes. Mas a decoerência e o darwinismo quântico selecionam apenas uma delas como elemento de nossa realidade observável, sem qualquer necessidade de atribuir a todas as outras uma realidade clássica em algum outro mundo. Os outros estados existem em um espaço abstrato de possibilidades, mas permanecem lá, sem nunca ter a chance de se transformar, por meio do entrelaçamento, em realidades observáveis.

Como podemos testar?

Não gostaria de afirmar que a visão de Zurek finalmente esclarece a mecânica quântica. Por que, por exemplo, esse resultado é selecionado em uma determinada medição e não aquele? Devemos (como Bohr e Heisenberg insistiram) simplesmente aceitar que isso acontece aleatoriamente, sem qualquer causa? E em que momento o mundo quântico se compromete irrevogavelmente com um resultado específico de medição, de modo que não podemos mais “reunir” uma superposição a partir da teia entrelaçada de interações entre objeto e ambiente? E o mais importante: como podemos testar a teoria de forma mais rigorosa?

Alguns especialistas com quem conversei sobre a visão de Zurek expressam um entusiasmo cauteloso. Sally Shrapnel, da Universidade de Queensland, na Austrália, por exemplo, me disse que o programa de Zurek “representa uma abordagem elegante para explicar o surgimento da classicidade a partir dos postulados básicos da teoria quântica”, mas que ainda não aborda “a questão espinhosa de o que realmente é o ‘substrato quântico’ subjacente”. Como, por exemplo, devemos pensar sobre o domínio em que todas as possibilidades ainda existem antes da decoerência? Quão “real” ele é?

Renato Renner, do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, não está convencido de que resolver o conflito entre as interpretações de Copenhague e dos muitos mundos resolva todos os problemas. Ele ressalta que é possível construir cenários estranhos, mas experimentalmente viáveis, nos quais diferentes observadores não conseguem chegar a um acordo sobre o resultado. Mesmo que tais exceções pareçam forçadas, ele acredita que elas mostram que ainda não encontramos uma interpretação quântica que realmente funcione.

Ainda assim, a filosofia da abordagem de Zurek me parece correta. Em vez de tentar inventar histórias elaboradas para resolver o problema da medição na mecânica quântica, por que não trabalhar com paciência e cuidado no que a mecânica quântica padrão pode dizer sobre como a informação relativa a um objeto quântico chega ao mundo observável? Aqui, os pioneiros da mecânica quântica deixaram muito trabalho inacabado na revolução que iniciaram há um século, encerrando prematuramente a questão (geralmente insistindo na interpretação de Copenhague ou simplesmente aceitando-a sem questionar). Agora, podemos pelo menos esperar concluir essa tarefa.

História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em Are the Mysteries of Quantum Mechanics Beginning To Dissolve?.

Na filosofia, “qualia” refere-se às qualidades subjetivas da nossa experiência: como é para Alice ver o azul ou para Bob sentir-se encantado. As qualia são “a forma como as coisas nos parecem”, como afirmou o falecido filósofo Daniel Dennett. Em ensaios como este aqui publicado, os colunistas da Quanta seguem sua curiosidade e exploram questões científicas importantes, mas não necessariamente respondíveis.

Este conteúdo foi traduzido com o auxílio de ferramentas de Inteligência Artificial e revisado por nossa equipe editorial. Saiba mais em nossa Política de IA.