Efeito do gato de Cheshire quântico pode ser explicado pelo padrão de mecânica quântica

O desaparecimento do gato de Cheshire deixa seu sorriso. Imagem de Lewis Carroll em Alice no país das maravilhas.

(Phys.org)—”Um sorriso sem um gato” como Lewis Carroll descreve a maneira misteriosa na qual o gato de Cheshire desaparece, deixando seu sorriso para trás em seu clássico de 1865, Alice no País das Maravilhas. O caráter fantasioso levanta uma questão que tem captado a atenção dos físicos ao longo dos últimos anos: pode um objeto ser separado de suas propriedades?

Em 2013, Yakir Aharonov e seus co-autores conceberam um experimento sugerindo que um fóton pode ser separado de sua polarização (uma propriedade que diz a direção em que uma onda oscila). O seguinte ano, Tobias Denkmayr e co-autores realizaram um experimento semelhante no qual nêutrons pareciam ser separados de seu spin (uma propriedade envolvendo o momentum angular). Grupo de Aharonov chamou isso de efeito “gato de Cheshire quântico”.

No entanto, em um novo documento publicado no New Journal of Physics, Raul Corrêa, Pablo Saldanha, Marcelo Santos e C. H. Monken da Universidade Federal de Minas Gerais em Belo Horizonte, Brasil, questionaram esta interpretação dos resultados. Em vez de uma partícula estar separada de suas propriedades, eles sugerem que os resultados podem ser explicados por um efeito de padrão quântico, interferência quântica, em que uma partícula individual interfere com ela mesma devido a suas propriedades de onda.

“A possibilidade de separar uma partícula de uma de suas propriedades intrínsecas, como sugerido por Aharonov e co-autores, é bastante intrigante e questiona uma noção cotidiana muito básica, pelo qual as propriedades das coisas são sempre com as coisas em si,” disse Corrêa. “Ninguém vê cores andando sem os objetos que as carregam, por exemplo. O experimento realizado por Denkmayr, et al, torna ainda mais intrigante, como esta fenômeno completamente estranho acontece no mundo físico. O que fazemos é levar seus resultados (que são completamente corretos) e propomos uma explicação em que nenhuma partícula é separada de suas propriedades e, portanto, não há nenhum paradoxo. Interferência quântica é realmente um fenômeno estranho, mas não mais do que esta estranheza habitual é necessária compreender estas experiências”.

Histórias de desconhecidos

Como Corrêa e seus co-autores explicaram, a base da controvérsia reside na tentativa de realidade física de atributo a uma situação que simplesmente não pode ser percebida como realidade física. Neste caso, a situação que não pode ser considerada fisicamente real é a história passada de partículas viajando através de um interferômetro.

Um interferômetro permite que as partículas viajem até um dos dois braços, e o dispositivo foi originalmente usado para demonstrar o gato de Cheshire quântico. Nesses experimentos, os físicos pensaram que poderiam dizer em qual braço um fóton ou neutron tinham viajado através de medições da partícula depois que o dispositivo foi desligado. No caso dos fótons, por exemplo, um deslocamento de fótons por uma determinada quantia parecia indicar que os fótons devem ter viajado, digamos, para o braço esquerdo, desde um dispositivo no braço esquerdo (como uma folha de vidro) havia sido colocado lá especificamente para deslocar os fótons na mesma proporção. Ao mesmo tempo, medidas de polarização dos fótons pareciam indicar que os fótons devem ter viajado o braço direito por razões semelhantes.

Os físicos nos experimentos anteriores concluíram, logicamente, que os fótons estavam no braço esquerdo, enquanto sua polarização estava no braço direito. Mas agora Corrêa e co-autores interpretam os resultados de maneira diferente, sugerindo que as medições do deslocamento de fótons feitas após os fótons terem encerrado o interferômetro não podem revelar informações sobre suas trajetórias passadas — ou seja, as medições não podem dizer que os fótons viajou através do braço.

A razão por que não pode ser feita uma suposição tão aparentemente simples, explicam os físicos, é a interferência quântica. A medida que os fótons viajam através do interferômetro, suas posições são medidas pelo raio de propagação do fóton. Um raio suficientemente grande pode fazer uma “medição forte,” causando um grande deslocamento de posição de um fóton e permitindo que os pesquisadores determinem qual braço o fóton atravessou. No entanto, os cientistas nos estudos anteriores usaram “medições fracas,” que, como Corrêa e seus co-autores explicaram, tal que não permitem que os pesquisadores a determinar qual braço o fóton viajou através de um pequeno deslocamento.

“No caso a medição fraca considerada por Aharonov, et al, os deslocamentos são pequenos em comparação com o diâmetro do feixe, e, portanto, cada parte do feixe associado e polarizado com cada braço é sobreposto com todos os outros,” explica Corrêa. “Isso caracteriza a interferência e nos impede de associar a posição de detecção da propagação do fóton no estado através de cada braço ou polarização. O paradoxo de ter um fóton em algum lugar e sua polarização em outro lugar não existe se o problema for visto por esse ângulo. A único mistério que resta é a estranheza de costume na mecânica quântica, no qual as partículas podem ser detectadas individualmente, enquanto sua propagação satisfaz as propriedades ondulatórias”.

O interferômetro de set-up com dois braços utilizados por Aharonov , et ai . , No seu trabalho de 2013. Crédito: Corrêa, et al.

Interpretações diferentes

O novo artigo destaca uma característica fundamental da mecânica quântica, na qual a interpretação desempenha um papel fundamental na compreensão do mundo quântico. Enquanto o papel sugere que o efeito quântico do gato de Cheshire  não pode ser exato, interferência quântica também é desconcertante, embora de forma mais familiar. Com tantas maneiras de interpretar os resultados, controvérsias e paradoxos inevitavelmente surgiram. Após um século de investigar o Reino Quântica, os físicos sabem que senso comum não é confiável, mas eles nunca podem saber com certeza o que pode ser.

“Em nenhuma maneira que isto é uma resposta definitiva”, disse Corrêa. “Como é habitual em ciência, novas explicações podem sempre aparecer e são sempre bem-vindos, e isso é o que caracteriza o seu desenvolvimento. Na verdade, não podemos nem dizer que nós provamos os autores errado em sua interpretação — simplesmente fornecemos uma interpretação diferente dos resultados.

“Apesar de tudo, tanto Aharonov, et al quanto Denkmayr, et al, propuseram uma aplicação útil desta separação de partículas e propriedades [medições de alta precisão que separam diferentes propriedades de uma partícula], mas em nossas observações finais nós fornecemos argumentos sobre porque este aplicativo falhará, sob a luz da habitual de mecânica quântica. Isto também pode oferecer um caminho possível para planejar um teste experimental que diria que se a partícula e sua propriedade intrínsecas estão na verdade em lugares diferentes. Então nós poderíamos pensar a possibilidade de ter uma resposta física precisa para a interpretação.”

Traduzido e adaptado de Phys