A realidade existe quando não estamos olhando?

A interpretação padrão da mecânica quântica coloca muita ênfase no ato de medição. Antes da medição, os sistemas quânticos existem em muitos estados ao mesmo tempo. Após a medição, o sistema “colapsa” em um valor específico, então é natural perguntar o que realmente está acontecendo quando as medições não ocorrem. Não há uma resposta clara, e ideias diferentes podem seguir direções realmente loucas.

Uma das primeiras lições que os físicos aprenderam quando começaram a examinar sistemas subatômicos no início do século 20 foi que não vivemos em um universo determinístico. Em outras palavras, não podemos prever com precisão o resultado de cada experimento. 

Por exemplo, se você disparar um feixe de elétrons através de um campo magnético, metade dos elétrons se curvará em uma direção, enquanto a outra metade se curvará na direção oposta. Embora possamos construir descrições matemáticas de onde os elétrons vão como um grupo, não podemos dizer qual direção cada elétron tomará até que realmente realizemos o experimento.

Na mecânica quântica, isso é conhecido como superposição. Para qualquer experimento que pode resultar em muitos resultados aleatórios, antes de fazermos uma medição, diz-se que o sistema está em uma superposição de todos os estados possíveis simultaneamente. Quando fazemos uma medição, o sistema “colapsa” em um único estado que observamos.

As ferramentas da mecânica quântica estão aí para dar algum sentido a esse caos. Em vez de fornecer previsões precisas de como um sistema evoluirá, a mecânica quântica nos diz como a superposição (que representa todos os vários resultados) evoluirá. Quando fazemos uma medição, a mecânica quântica nos diz as probabilidades de obter um resultado em detrimento de outro.

E é isso. A mecânica quântica padrão é omissa sobre como essa superposição realmente funciona e como a medição faz o trabalho de reduzir a superposição em um único resultado.

Gato de Schrodinger

Se levarmos essa linha de pensamento à sua conclusão lógica, a medição é o ato mais importante do universo. Ele transforma probabilidades difusas em resultados concretos e transforma um sistema quântico exótico em resultados verificáveis ​​que podemos interpretar com nossos sentidos.

Mas o que isso significa para sistemas quânticos quando não os estamos medindo? Como é realmente o universo? Tudo existe, mas simplesmente não temos consciência disso, ou realmente não tem um estado definido até que a medição ocorra?

Ironicamente, Erwin Schrödinger, um dos fundadores da teoria quântica (é sua equação que nos diz como a superposição evoluirá com o tempo), protestou contra essa linha de pensamento. Ele desenvolveu seu famoso experimento mental do gato em uma caixa, agora conhecido como gato de Schrödinger, para mostrar como a mecânica quântica era ridícula.

Aqui está uma versão altamente simplificada. Coloque um gato (vivo) em uma caixa. Coloque também na caixa algum tipo de elemento radioativo que esteja ligado à liberação de um gás venenoso. Não importa como você faz; o objetivo é introduzir algum ingrediente de incerteza quântica na situação. Se você esperar um pouco, não saberá com certeza se o elemento se deteriorou, portanto não saberá se o veneno foi liberado e, portanto, se o gato está vivo ou morto.

Numa leitura estrita da mecânica quântica, o gato não está vivo nem morto nesse estágio; existe em uma superposição quântica de vivos e mortos. Só quando abrirmos a caixa é que teremos a certeza, e é também o ato de abrir a caixa que permite que essa sobreposição se desfaça e o gato (de repente) exista num estado ou no outro.

Schrödinger usou esse argumento para expressar seu espanto de que essa pudesse ser uma teoria coerente do universo. Devemos realmente acreditar que, até abrirmos a caixa, o gato realmente não “existe” – pelo menos no sentido normal de que as coisas estão sempre definitivamente vivas ou mortas, não as duas coisas ao mesmo tempo? Para Schrödinger, isso foi longe demais e ele parou de trabalhar na mecânica quântica logo depois.

Decoerência

Uma resposta a esse bizarro estado de coisas é apontar que o mundo macroscópico não obedece à mecânica quântica. Afinal, a teoria quântica foi desenvolvida para explicar o mundo subatômico. Antes de termos experimentos que revelassem como os átomos funcionavam, não precisávamos de superposição, probabilidades, medições ou qualquer outra coisa relacionada ao quantum. Nós apenas tínhamos física normal.

Portanto, não faz sentido aplicar regras quânticas onde elas não pertencem. Niels Bohr, outro fundador da mecânica quântica, propôs a ideia de “decoerência” para explicar por que os sistemas subatômicos obedecem à mecânica quântica, mas os sistemas macroscópicos não.

Nessa visão, o que entendemos como mecânica quântica é verdadeiro e completo para sistemas subatômicos. Em outras palavras, coisas como superposição realmente acontecem para partículas minúsculas. Mas algo como um gato em uma caixa definitivamente não é um sistema subatômico; o gato é feito de trilhões de partículas individuais, todas constantemente se mexendo, colidindo e se empurrando.

Cada vez que duas dessas partículas se chocam e interagem, podemos usar a mecânica quântica para entender o que está acontecendo. Mas uma vez que mil, ou um bilhão, ou trilhões e trilhões de partículas entram na mistura, a mecânica quântica perde seu significado – ou “descobre” – e a física macroscópica regular toma seu lugar.

Nessa visão, um único elétron – mas não um gato – em uma caixa pode existir em uma superposição exótica.

No entanto, esta história tem limitações. Mais importante, não temos nenhum mecanismo conhecido para traduzir a mecânica quântica em física macroscópica e não podemos apontar para uma escala ou situação específica em que a mudança ocorre. Assim, embora soe bem no papel, esse modelo de decoerência não tem muito apoio firme.

Então, a realidade existe quando não estamos olhando? A resposta final é que parece ser uma questão de interpretação.