A estranheza quântica pode parecer ultrapassar a luz - é por isso que não pode

Cristais com fótons emaranhados

Cristais como esses podem armazenar fótons emaranhados, o que mostra como os efeitos da mecânica quântica podem ser não intuitivos. (Crédito da imagem: Félix Bussières / Universidade de Genebra)

Paul Sutter é astrofísico em The Ohio State University e o cientista-chefe da Centro de ciências COSI . Sutter também é anfitrião de ' Pergunte a um astronauta ' e ' Rádio Espacial , 'e ele lidera AstroTours ao redor do mundo. Sutter contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights do Space.com.

Emaranhamento é um dos aspectos mais confusos da mecânica quântica - um campo da física que não é exatamente conhecido por ser claro, sensível, de bom senso e fácil de entender.



Até o próprio Albert Einstein ficou perplexo com o comportamento surpreendente das partículas microscópicas e acreditava firmemente que estávamos interpretando mal o universo com a mecânica quântica. Acontece que Einstein estava errado, mas vai demorar um pouco para explicar onde ele errou e o que realmente está acontecendo no reino quântico.

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Chefe de Estado

Uma das lições mais importantes da mecânica quântica é que temos que reescrever completamente nossa concepção de uma 'partícula'. Em vez de imaginar um ponto sólido, sólido e preciso no espaço e no tempo, os cientistas agora veem uma partícula como uma nuvem de probabilidades difusas, com essas probabilidades descrevendo onde podemos encontrar a partícula quando a procuramos. Mas até que façamos uma medição, não podemos saber exatamente tudo o que gostaríamos de saber sobre a partícula.

E essas probabilidades difusas se aplicam a mais do que apenas a posição de uma partícula. Muita imprecisão também está associada à velocidade, momento angular, spin e assim por diante de uma partícula. Se for algo que estamos interessados ​​em medir, é provável que não saibamos o que obteremos com antecedência.

Essas probabilidades difusas são conhecidas como estados quânticos. São belas equações matemáticas que resumem todas as probabilidades da propriedade da partícula que queremos sondar. Isso é muito bom - embora terrivelmente alucinante - mas a verdadeira diversão começa quando fazemos com que duas partículas compartilhem um estado quântico. Em certas circunstâncias, podemos conectar duas partículas de forma quântica, de modo que uma única equação matemática descreve os dois conjuntos de probabilidades simultaneamente.

Stumping Albert

A princípio, isso soa inocente e provavelmente como algo com que apenas os acadêmicos se importariam, mas algo engraçado surge com o chamado estado 'emaranhado' de duas partículas. Vejamos um exemplo extremamente simples, mas surpreendentemente realista.

Vamos preparar nosso estado quântico emaranhado superespecial de modo que haja dois e apenas dois resultados possíveis, cada um com uma chance perfeita de 50/50 de aparecer quando fizermos a medição. No primeiro resultado, uma partícula tem um spin apontando para cima (se você não sabe o que 'spin' significa aqui, não se preocupe, esse é o assunto de outro artigo e realmente não importa para este exemplo). A outra partícula tem spin apontando para baixo. No segundo resultado possível, os giros são invertidos.

Até agora tudo bem. Preparamos nosso estado quântico emaranhado, enviamos nossas partículas para seus caminhos alegres e começamos a fazer nossas medições.

Dando uma olhada na primeira partícula, encontramos um spin apontando para cima. Poderia ter sido para baixo com a mesma facilidade, mas isso é como jogar uma moeda, e aconteceu de pegarmos uma partícula de rotação para cima. O que isso nos diz sobre a segunda partícula? Como organizamos cuidadosamente nosso estado quântico emaranhado, agora sabemos com 100 por cento de certeza que a segunda partícula deve estar apontando para baixo. Seu estado quântico estava emaranhado com o da primeira partícula, e assim que uma revelação é feita, ambas as revelações são feitas.

É aqui que Einstein interrompe tudo. E se a segunda partícula estiver do outro lado da sala? Ou através da galáxia? De acordo com a teoria quântica, assim que uma 'escolha' é feita, a partícula parceira instantaneamente 'sabe' que spin deve ser. Parece que a comunicação pode ser alcançada em velocidades mais rápidas do que a da luz, o que Einstein achava que todos concordávamos ser impossível.

Caixa quântica de Pandora

Para Einstein, a falha era obviamente com a mecânica quântica. Em um artigo de 1935 escrito com Boris Podolsky e Nathan Rosen, ele usou uma linha de pensamento semelhante para apontar que a teoria quântica moderníssima não era consistente consigo mesma - o tapa na cara de qualquer teoria da natureza que se preze. Ele argumentou que a mecânica quântica estava aquém de ser uma descrição completa do mundo subatômico e que as partículas carregavam consigo as chamadas variáveis ​​ocultas que lhes permitiam coordenar seus estados antes de serem medidos.

Mas testes sofisticados nas décadas intermediárias mostraram de forma conclusiva, uma e outra vez, que essas variáveis ​​ocultas não existem. Esses testes também mostraram que essa 'ação fantasmagórica à distância' (como Einstein chamou esse misterioso sistema quântico de comunicação de backchannel que as partículas emaranhadas parecem empregar) realmente acontece em um instante. Isso acontece mesmo quando enviamos as partículas emaranhadas para o mais longe possível.

Mas os físicos ainda andam falando sobre a importância da velocidade da luz e como nada pode violar esse limite sagrado. Não percebemos essa aparente contradição?

Vivendo em um mundo quântico

A solução para a questão de Einstein vem por meio de um exame dolorosamente cuidadoso de quem sabe o quê e quando. Digamos que eu mantenho uma das partículas emaranhadas e mando a outra para você. Ansioso como sempre, eu olho para minha partícula - realizando a medição tão importante - e encontro uma partícula de rotação ascendente. Sorrindo com conhecimento confiante, envio um feixe de luz dizendo o que você encontrará.

Mas antes que o sinal chegue, você olha para sua partícula, medindo obedientemente a partícula de rotação descendente ordenada pelo quantum. Mas, como minha mensagem ainda não chegou, você não sabe se foi o primeiro a olhar e apenas obteve um giro para baixo aleatoriamente ou se eu abri primeiro e forcei sua partícula naquele estado. Só depois de compararmos as notas é que descobrimos que as duas partículas estavam realmente emaranhadas e que a medição de uma dependia da outra. Antes dessa comunicação, não podemos dizer se algum de nós estava lidando com uma partícula já definida.

Portanto, embora o processo de desemaranhamento aconteça instantaneamente, a revelação dele não acontece. Precisamos usar os bons e antigos métodos de comunicação não mais rápido que a luz para reunir as correlações que o emaranhamento quântico exige. Assim, o limite de velocidade universal de Einstein é preservado, assim como a visão de mundo fundamentalmente quântica.

Saiba mais ouvindo o episódio 'As partículas entrelaçadas podem se comunicar mais rápido que a luz?' no podcast 'Ask a Spaceman', disponível em iTunes e na web em http://www.askaspaceman.com . Agradecimentos a @Infirmus, @ pgravinese, Derrick M., John R., Omega Chess, Massimiliano S., Chris S., Michael E., Martin N., Elizabeth C., @ bravo102, Joe R., James W., @joshPetry, Kayla M., David A. e @petrodude_ pelas questões que levaram a este artigo! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter . Siga-nos @Spacedotcom , Facebook e Google+ . Artigo original em Space.com .