O Prêmio Nobel de Física deste ano foi concedido “por experimentos com fótons emaranhados, estabelecendo a violação das desigualdades de Bell e pioneira na ciência da informação quântica”.
Para entender o que isso significa e por que esse trabalho é importante, precisamos entender como esses experimentos resolveram um debate de longa data entre os físicos. E um jogador-chave nesse debate foi um físico irlandês chamado John Bell.
Na década de 1960, Bell descobriu como traduzir uma questão filosófica sobre a natureza da realidade em uma questão física que poderia ser respondida pela ciência – e ao longo do caminho quebrou a distinção entre o que sabemos sobre o mundo e como o mundo realmente é. .
Emaranhamento quântico
Sabemos que os objetos quânticos têm propriedades que geralmente não atribuímos aos objetos de nossas vidas comuns. Às vezes a luz é uma onda, às vezes é uma partícula. Nossa geladeira nunca faz isso.
Ao tentar explicar esse tipo de comportamento incomum, podemos imaginar dois tipos amplos de explicação. Uma possibilidade é que percebamos o mundo quântico claramente, exatamente como é, e acontece de ser incomum. Outra possibilidade é que o mundo quântico seja como o mundo comum que conhecemos e amamos, mas nossa visão dele é distorcida, então não podemos ver a realidade quântica claramente, como ela é.
Nas primeiras décadas do século 20, os físicos estavam divididos sobre qual explicação estava correta. Entre aqueles que pensavam que o mundo quântico é incomum estavam figuras como Werner Heisenberg e Niels Bohr. Entre aqueles que pensavam que o mundo quântico deve ser exatamente como o mundo comum, e nossa visão dele é simplesmente nebulosa, estavam Albert Einstein e Erwin Schrödinger.
No centro dessa divisão está uma previsão incomum da teoria quântica. De acordo com a teoria, as propriedades de certos sistemas quânticos que interagem permanecem dependentes uns dos outros – mesmo quando os sistemas foram movidos a uma grande distância.
Em 1935, no mesmo ano em que concebeu seu famoso experimento mental envolvendo um gato preso em uma caixa, Schrödinger cunhou o termo “emaranhamento” para esse fenômeno. Ele argumentou que é absurdo acreditar que o mundo funciona dessa maneira.
O problema do emaranhamento
Se os sistemas quânticos emaranhados realmente permanecerem conectados mesmo quando separados por grandes distâncias, parece que eles estão de alguma forma se comunicando instantaneamente. Mas esse tipo de conexão não é permitido, de acordo com a teoria da relatividade de Einstein. Einstein chamou essa ideia de “ação assustadora à distância”.
Novamente em 1935, Einstein, junto com dois colegas, concebeu um experimento mental que mostrou que a mecânica quântica não pode estar nos dando toda a história sobre o emaranhamento. Eles pensaram que deve haver algo mais no mundo que ainda não podemos ver.
Mas com o passar do tempo, a questão de como interpretar a teoria quântica tornou-se uma nota de rodapé acadêmica. A questão parecia filosófica demais e, na década de 1940, muitas das mentes mais brilhantes da física quântica estavam ocupadas usando a teoria para um projeto muito prático: construir a bomba atômica.
Não foi até a década de 1960, quando o físico irlandês John Bell voltou sua mente para o problema do emaranhamento, que a comunidade científica percebeu que essa questão aparentemente filosófica poderia ter uma resposta tangível.
Teorema de Bell
Usando um sistema simples emaranhado, Bell estendeu o experimento mental de Einstein de 1935. Ele mostrou que não havia como a descrição quântica ser incompleta ao proibir “ação assustadora à distância” e ainda corresponder às previsões da teoria quântica.
Não é uma boa notícia para Einstein, ao que parece. Mas esta não foi uma vitória instantânea para seus oponentes.
Isso ocorre porque não era evidente na década de 1960 se as previsões da teoria quântica estavam realmente corretas. Para realmente provar o argumento de Bell, alguém teve que colocar esse argumento filosófico sobre a realidade, transformado em um sistema físico real, em um teste experimental.
E é aqui, claro, que dois dos laureados com o Nobel deste ano entram na história. Primeiro John Clauser, e depois Alain Aspect, realizaram os experimentos no sistema proposto por Bell que finalmente mostraram que as previsões da mecânica quântica eram precisas. Como resultado, a menos que aceitemos “ação fantasmagórica à distância”, não há mais explicação de sistemas quânticos emaranhados que possam descrever o mundo quântico observado.
Então, Einstein estava errado?
Talvez seja uma surpresa, mas esses avanços na teoria quântica parecem ter mostrado que Einstein estava errado nesse ponto. Ou seja, parece que não temos uma visão nebulosa de um mundo quântico que é exatamente como o nosso mundo comum.
Mas a ideia de que percebemos claramente um mundo quântico inerentemente incomum também é muito simplista. E isso fornece uma das principais lições filosóficas desse episódio da física quântica.
Não está mais claro que podemos falar razoavelmente sobre o mundo quântico além de nossa descrição científica dele – isto é, além das informações que temos sobre ele.
Como disse o terceiro prêmio Nobel deste ano, Anton Zeilinger: “A distinção entre realidade e nosso conhecimento da realidade, entre realidade e informação, não pode ser feita. Não há como se referir à realidade sem usar as informações que temos sobre ela. ”
Essa distinção, que comumente assumimos para sustentar nossa imagem comum do mundo, está agora irremediavelmente embaçada. E temos que agradecer a John Bell.
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