Não existe realidade objetiva, dizem físicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/09/2023

Os resultados de uma medição são moldados pelas mudanças na relação entre o passado e o futuro do sistema - causadas pela interação da própria medição.
[Imagem: Matsushita/Hofmann (2023)]

Existe uma realidade objetiva?

Físicos quânticos confirmaram uma teoria que vem sendo objeto de discussões há décadas: Os resultados das medições são moldados pela complexa dinâmica das interações da própria medição, o que questiona nossa compreensão habitual da realidade observável, que os cientistas normalmente chamam de "realidade objetiva".

Sempre que a precisão de uma medição se aproxima do limite de incerteza definido pela mecânica quântica, os resultados da medição dependem da dinâmica das interações com o medidor usado para determinar a propriedade física que se quer medir.

Esta descoberta, normalmente referida como efeito do observador, pode explicar porque é que os experimentos quânticos produzem frequentemente resultados contraditórios, e podem até mesmo contradizer suposições básicas relativas à realidade física.

Tomonori Matsushita e Holger Hofmann, da Universidade de Hiroshima, no Japão, estavam analisando a dinâmica de uma interação de medição na qual o valor de uma propriedade física é identificado com uma mudança quantitativa no estado do medidor.

Este é um problema difícil porque a teoria quântica não identifica o valor de uma propriedade física a menos que o sistema esteja no chamado "estado próprio" (eigenstate) dessa propriedade física, um conjunto muito pequeno de estados quânticos especiais para os quais a propriedade física tem um valor fixo.

A função de onda era "só matemática"... até virar realidade.
[Imagem: Martin Ringbauer/Benjamin Duffus]

Não são só blocos de matéria empilhados

Os dois físicos resolveram este problema fundamental combinando informações sobre o passado do sistema com informações sobre o seu futuro, criando uma descrição da dinâmica do sistema durante a interação da medição. E isto demonstrou que os valores observáveis de um sistema físico dependem da dinâmica da medição pela qual eles são observados.

"Há muita divergência sobre a interpretação da mecânica quântica porque diferentes resultados experimentais não podem ser conciliados com a mesma realidade física," disse Hofmann. "Neste artigo, nós investigamos como as superposições quânticas na dinâmica da interação da medição moldam a realidade observável de um sistema visto na resposta de um medidor. Este é um passo importante para explicar o significado de 'superposição' na mecânica quântica."

Uma superposição descreve uma situação em que duas realidades possíveis parecem coexistir, mesmo que elas possam ser claramente distinguidas quando uma medição apropriada é realizada. A análise feita pelos dois físicos sugere que as superposições descrevem diferentes tipos de realidade quando diferentes medições são realizadas: A realidade de um objeto depende das interações do objeto com o seu entorno.

"Nossos resultados mostram que a realidade física de um objeto não pode ser separada do contexto de todas as suas interações com o ambiente, com o passado, com o presente e com o futuro, fornecendo fortes evidências contra a crença generalizada de que o nosso mundo pode ser reduzido a uma mera configuração de blocos de construção materiais," disse Hofmann.

A física quântica exige números complexos - e sempre terá uma parte imaginária.
[Imagem: Georgy Ermakov/Sergey Lebedyanskiy]

Medições fracas e medições fortes

De acordo com a teoria quântica, o deslocamento do medidor que representa o valor da propriedade física observada numa medição depende da dinâmica do sistema causada pelas flutuações da ação inversa, pela qual o medidor perturba o estado do sistema. As superposições quânticas entre as diferentes possíveis dinâmicas do sistema moldam a resposta do medidor, e atribuem valores específicos a ela.

Os dois físicos explicam ainda que as flutuações na dinâmica do sistema dependem da força da interação da medição. No limite das interações fracas, as flutuações da dinâmica do sistema são insignificantemente pequenas, e o deslocamento do medidor pode ser determinado a partir da equação de Hamilton-Jacobi, uma equação diferencial clássica que expressa a relação entre uma propriedade física e a dinâmica a ela associada.

Quando a interação de medição é mais forte são observados efeitos complicados de interferência entre diferentes dinâmicas de sistema. Medições totalmente resolvidas exigem uma randomização completa da dinâmica do sistema. Isto corresponde a uma superposição de todas as dinâmicas possíveis, onde os efeitos de interferência selecionam somente os componentes do processo que correspondem aos autovalores (eigenvalues) da propriedade física - autovalores são os valores que a mecânica quântica dos livros didáticos atribui aos resultados das medições, como números precisos de fótons, spin para cima ou para baixo e assim por diante.

Como mostram os novos resultados, esses valores são resultado da completa randomização da dinâmica. É preciso considerar valores diferentes quando a dinâmica do sistema não é completamente aleatorizada pela medição.

Na mecânica quântica, cada observador tem direito a seu próprio fato.
[Imagem: Proietti et al. - 10.1126/sciadv.aaw9832]

Como descrever a realidade

Curiosamente, esta observação proporciona uma nova perspectiva sobre a utilização de resultados de medição nas descrições da realidade.

É comum assumir que partículas localizadas, ou valores inteiros de spin, sejam elementos da realidade independentes da medição, mas os resultados desta pesquisa sugerem que esses valores são criados somente pelas interferências quânticas em medições suficientemente fortes. Ou seja, nossa compreensão do significado dos dados experimentais pode necessitar de uma revisão fundamental.

Os dois físicos não deram o trabalho por encerrado, e esperam esclarecer ainda mais os resultados contraditórios observados em muitos experimentos quânticos. "Realidades dependentes do contexto podem explicar uma ampla gama de efeitos quânticos aparentemente paradoxais. Nós estamos agora trabalhando em explicações melhores desses fenômenos. Em última análise, o objetivo é desenvolver uma compreensão mais intuitiva dos conceitos fundamentais da mecânica quântica que evite os mal-entendidos causados por uma crença ingênua na realidade dos objetos microscópicos," disse Hofmann.

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