O mundo da mecânica quântica é estranho. Os objetos que estão distantes podem influenciar-se mutuamente no que Albert Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância”, e os gatos podem potencialmente estarem mortos e vivos ao mesmo tempo. Durante décadas, os cientistas têm tentado provar que esses efeitos não são apenas peculiaridades matemáticas, mas propriedades reais do mundo físico.
E eles estão chegando a algum lugar. Os pesquisadores finalmente comprovaram em um novo estudo que a ligação entre as partículas a uma distância reflete como o universo se comporta, ao invés de ser um artefato experimental. Enquanto isso, outra equipe de pesquisadores está tentando mostrar que uma criatura viva, ainda que uma bactéria, pode estar em dois estados quânticos diferentes ao mesmo tempo – assim como o gato no experimento mental de Schrödinger.
Mas vamos começar com o estudo, publicado na Nature, o que prova que o mundo é inerentemente assustador. Todos os sistemas descritos pela mecânica quântica podem exibir o chamado Emaranhamento. Por exemplo um elétron, assim como uma moeda, pode girar em duas direções (para cima e para baixo). Mas dois elétrons podem ser emaranhados a fim de que uma medição da rotação de um elétron irá definir a rotação do outro.
De acordo com a mecânica quântica, o spin de um elétron não pode ser conhecido com antecedência de uma medida ainda será perfeitamente correlacionado com outro, mesmo que seja em um local distante. Einstein não gostou disso porque parecia dar a entender que a informação pode ser enviada a partir de um elétron para o outro instantaneamente – quebrando uma regra que diz que nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Ao invés disso, pensou-se que haviam “variáveis ocultas” codificadas em cada elétron que poderia determinar o resultado se somente nós pudéssemos acessá-los.
Mas, na década de 1960, o cientista norte-irlandês John Bell veio com um método para testar a teoria de Einstein. A “Desigualdade de Bell” é satisfeita apenas se as ações em um local não puderem afetar outras instantaneamente e os resultados das medições são bem definidos de antemão – algo apelidado de “realismo local”.
Bell mostrou, teoricamente, que o entrelaçamento quântico violaria seu teste de desigualdade, mas teorias realistas locais contendo variáveis ocultas de Einstein não fariam tal coisa. Isto é, a ligação entre partículas entrelaçadas é mais forte do que Einstein queria acreditar. Então, se a correlação medida entre pares de partículas a partir de um experimento foi acima de um certo limiar, seria incompatível com variáveis ocultas e o emaranhamento iria ganhar o dia.
O desejo de testar isso no laboratório tem levado enormes avanços experimentais nos 51 anos desde o artigo de Bell. No entanto, todas as implementações de testes de Bell até à data continha lacunas que deixaram algum espaço de manobra para o universo obedecer teorias realistas locais.
Uma delas foi a de que a eficiência das medições era demasiado baixa (conhecida como a lacuna de localidade). Apesar de os dados obtidos violarem o teste desigualdade de Bell, não pode ser uma amostra representativa de um conjunto completo porque alguns fótons na experiência não puderam ser detectados. Outra lacuna foi a de que as medidas foram muito lentas (a brecha de localidade). Os dispositivos de medição foram capazes de se comunicar via alguma informação desconhecida, mais lentos do que a luz pudesse compartilhar e influenciar o resultado da medição iminente.
O novo estudo é o primeiro experimento que fecha simultaneamente ambas as brechas em um teste de desigualdade de Bell. Os cientistas usaram um laser para fazer dois elétrons específicos, cada um dentro de um diamante localizado a 1 km de distância, aumentando a sua energia e emitindo uma partícula de luz (um fóton), que foi envolvido com o estado do elétron. Os fótons foram então enviados através de uma fibra óptica e foram unidos em um terceiro local. Se eles chegaram apenas ao mesmo tempo, os fótons interagiriam uns com os outros e tornar-se-iam entrelaçados – ou seja, os seus companheiros de elétrons remotos se tornariam entrelaçados também.
Os spins dos elétrons foram então medidos para testar a desigualdade de Bell. As duas brechas foram fechadas, garantindo que a eficiência e a velocidade do detector fosse suficientemente elevados. Como resultado, a equipe foi capaz de demonstrar conclusivamente que o universo não obedece realismo local: os resultados das medições não puderam ser conhecidos antecipadamente, e metade de um estado emaranhado pode exercer ação fantasmagórica em seu parceiro remoto.
O famoso felino da Física
O entrelaçamento não é o único tipo de comportamento quântico incomum. Outro efeito, conhecido como superposição, é a capacidade de uma partícula de existir em dois estados (por exemplo, centrifugação ou mesmo de localização) em simultâneo, e é agora observado regularmente em laboratórios de todo o mundo. Por exemplo, os elétrons têm sido conhecidos por viajarem através de duas fendas ao mesmo tempo – quando não estamos vendo. No minuto em que observamos cada fenda para pegar esse comportamento em ação, a partícula escolhe apenas um.
No entanto, nós não observamos diretamente estes efeitos na vida diária. Por exemplo, um copo na sua mesa não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo – você iria ficar louco tentando bebê-lo. Mas, como nós não encontramos essas coisas bizarras, parece lógico que em algumas escalas as coisas ‘mudam’ quando passam do nosso mundo para o mundo estranho da mecânica quântica.
Mas qual é a escala em que esta mudança acontece?
Se tivéssemos uma experiência tecnicamente perfeita, seríamos capazes de observar objetos grandes nesses estados de superposição? Esta é a pergunta feita pelo experimento mental de Schrödinger em que um gato é colocado em uma caixa selada com um frasco de veneno e um único átomo radioativo, que sofrerá deterioração em um horário aleatório. Se o átomo deteriora, o balão é quebrado e o gato é envenenado; se isso não acontecer, o gato vive. Enquanto espera o átomo decair, que o gato existe em ambos os estados de uma vez assim como o átomo? Sabemos que quando abrimos a caixa, temos de encontrar o gato vivo ou morto, mas é uma propriedade do universo ou o observador que faz com que o gato “escolha” seu estado?
A equipe novamente se preparou para compreender esta questão. Sua proposta envolve colocar uma bactéria em vez de um gato em um estado de superposição. Avanços técnicos recentes baseados em supercondutores ressonadores de microondas – dispositivos utilizados para detectar radiação e para a computação quântica – permitiram que os físicos observassem os efeitos quânticos em membranas flexíveis de alumínio (conhecidos como osciladores micromecânicos) acoplados ao circuito.
Membranas minúsculas contam como grandes objetos no mundo da física quântica porque, mesmo uma massa de apenas 50 picogramas (50 trilionésimos de grama), contêm centenas de bilhões de átomos. No entanto, estes ressonadores tem de ser arrefecidos até uma fracção dentro do zero absoluto (-273 ° C) antes de qualquer comportamento quântico emergir. Caso contrário, as vibrações térmicas irão mascarar os efeitos.
A equipe pretende colocar uma bactéria no topo de uma tal membrana, o que seria, então, arrefecido a seu estado mais baixo de energia. A membrana, então, seria colocada em uma sobreposição de dois estados diferentes de movimento: dois tipos diferentes de oscilações. O objetivo é mostrar que o efeito da bactéria nas propriedades do oscilador seria mínimo, com o oscilador efetivamente se comportando como se a bactéria não estivesse lá. Desta forma, a bactéria estaria efetivamente em dois estados de movimento de uma só vez. Os pesquisadores também pretendem complicar a posição da bactéria com o spin de um elétron dentro dela.
O experimento proposto seria impressionante – mas, principalmente, iria mostrar que a mecânica quântica é válida para objetos maiores do que as partículas subatômicas. Mas parece improvável responder se gato de Schrödinger pode estar vivo e morto ao mesmo tempo, porque a bactéria permaneceria em um estado constante de criopreservação in vitro. Se este fosse o gato, ele existiria em animação suspensa, em vez de em uma superposição de vida e morte simultânea.
Traduzido de Science Alert