Como funciona o suicídio quântico

por Joshua Clark - traduzido por HowStuffWorks Brasil

Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/quantum-suicidio.htm


Introdução


Um homem se senta em frente a uma arma, apontada para sua cabeça. Não é uma arma comum; ela está ligada a uma máquina que mede o giro de partículas quânticas. Cada vez que o gatilho é puxado, o giro da partícula quântica - ou quark - é medido. Dependendo da medida, a arma dispara ou não. Se a medida mostrar que a partícula quântica está girando no sentido horário, a arma dispara. Se o quark estiver girando no sentido anti-horário, a arma não dispara. O gatilho só faz um clique.

Nervoso, o homem respira fundo e puxa o gatilho. O gatilho só faz clique. Ele puxa o gatilho de novo. Clique. De novo: clique. O homem vai continuar puxando o gatilho de novo, de novo, com o mesmo resultado: a arma não vai disparar. Apesar de estar funcionando corretamente e carregada, não importa quantas vezes ele puxa o gatilho, a arma nunca vai disparar. Ele vai continuar o processo eternamente, tornando-se imortal(em inglês).
Volte no tempo até o início do experimento. O homem puxa o gatilho pela primeira vez, e a medida mostra que o quark está girando no sentido horário. A arma dispara. O homem morre.

Mas calma lá. O homem já puxou o gatilho a primeira vez - e infinitas vezes depois disso - e já sabemos que a arma não disparou. Como o homem pode estar morto? Ele não sabe disso, mas está vivo e morto. Cada vez que ele puxa o gatilho, o universo se divide em dois. E vai continuar a se dividir cada vez que o gatilho é puxado [fonte: Tegmark (em inglês)].

Este experimento mental é chamado de suicídio quântico. Foi introduzido pelo então teórico da Universidade de Princeton (em inglês) Max Tegmark em 1997 (atualmente professor do MIT). Experimento mental é um experimento que acontece só na mente. O nível quântico é o menor nível da matéria que já detectamos até hoje no universo. A matéria nesse nível é infinitesimal, e é praticamente impossível para os cientistas pesquisarem esta matéria na prática usando métodos tradicionais da pesquisa científica.


Ao invés de usar o método científico - investigar provas empíricas - para estudar o nível quântico, os físicos precisam usar experimentos mentais. Apesar de estes experimentos serem realizados somente de maneira hipotética, são baseados nos dados observados na física quântica.

O que a ciência tem observado do nível quântico levantou mais perguntas do que respondeu. O comportamento das partículas quânticas é errático, e nosso entendimento de probabilidade se torna questionável. Por exemplo, fótons (em inglês)- a menor medida da luz - têm mostrado que existem tanto no estado de partícula como de onda. E acredita-se que a direção das partículas não seja uma só, mas que elas viajem em ambas as direções ao mesmo tempo. Então quando observamos o mundo quântico, somos estranhos ao conhecimento que ele guarda. Como resultado, nossa compreensão do universo como o conhecemos é desafiada.

Isto levou algumas pessoas a acreditarem que a nossa compreensão de física quântica é tão básica quanto à dos antigos astrônomos (em inglês) egípcios que séculos atrás diziam que o Sol era um deus. Alguns cientistas acreditam que um aprofundamento da investigação dos sistemas quânticos vai revelar ordem e previsibilidade dentro do que hoje vemos como caos. Mas é possível que os sistemas quânticos não possam ser compreendidos dentro dos padrões tradicionais da ciência?

Neste artigo, veremos o que o suicídio quântico revela sobre o nosso universo, assim como outras teorias que o apóiam ou contradizem.

Mas primeiramente, por que um físico não consegue medir as partículas que ele esta tentando estudar? No próximo capítulo, falaremos sobre esta falha fundamental da observação quântica, explicada pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg.

Princípio da Incerteza de Heisenberg

Um dos maiores problemas dos experimentos quânticos é a aparentemente inevitável tendência humana de influenciar o estado e a velocidade (em inglês) de pequenas partículas. Isto acontece até mesmo quando somente observamos as partículas, frustrando os físicos (em inglês) quânticos. Para combater isso, os físicos criaram máquinas enormes e complexas, como os aceleradores de partículas (em inglês), que removem qualquer influência humana do processo de acelerar a energia de movimento de uma partícula.
Ainda assim, os resultados variados que os físicos obtêm, quando examinam a mesma partícula, indicam que não conseguimos evitar afetar o comportamento dos quanta - ou partículas quânticas. Até mesmo a luz que os físicos utilizam para ver melhor os objetos que eles estão observando pode influenciar o comportamento dos quanta. Os Fótons (em inglês), por exemplo, mesmo sendo a menor medida da luz, que não tem massa nem carga elétrica, ainda conseguem fazer uma partícula se mexer, alterando sua velocidade e aceleração.

Heisenberg

Este é o chamado Princípio da Incerteza de Heisenberg. Werner Heisenberg, físico alemão (em inglês), descobriu que as nossas observações têm efeito sobre o comportamento dos quanta. O Princípio da Incerteza de Heisenberg parece difícil de entender - até mesmo o nome intimida. Mas na verdade é fácil de compreender, e quando você conseguir, vai entender o principal fundamento da mecânica quântica (em inglês).

Imagine que você é cego e com o tempo desenvolveu uma técnica para dizer a que distância um objeto está, jogando uma bolinha de borracha nele. Se você jogar a bolinha em uma banqueta próxima a você, a bola volta rápido, e você vai saber que está perto. Se você jogar a bola em alguma coisa do outro lado da rua, vai levar mais tempo para ela voltar, e você vai saber que o objeto está longe.

O problema é que quando você joga a bola - principalmente uma bolinha de borracha - em algum objeto, a bola vai jogar este objeto do outro lado da sala e pode até mesmo ter impulso para bater de volta. Você pode dizer onde o objeto estava, mas não onde está agora. Tem mais: você poderia calcular a velocidade do objeto depois que você o atingiu com a bola, mas você não tem idéia de qual era a sua velocidade antes de a bolinha bater.

Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images
Mulher perto de um ímã solenóide supercondutor usado
para medir partículas quânticas

Este é o problema revelado pelo princípio da Incerteza de Heisenberg. Para saber a velocidade de um quark devemos medi-la, e para medi-la, somos forçados a afetá-la. A mesma coisa acontece para a observação da posição de um objeto. A incerteza sobre a posição e velocidade de um objeto torna difícil para o físico descobrir muito sobre ele.
É claro que os físicos não jogam bolinhas de borracha nos quanta para medi-los, mas mesmo a mais sutil interferência pode fazer com que estas partículas incrivelmente pequenas se comportem de maneira diferente.

É por isso que os físicos quânticos são forçados a criar experimentos mentais baseados nas observações dos experimentos reais conduzidos em nível quântico. Estes experimentos mentais são feitos para provar ou contestar interpretações - explicações para a teoria quântica.

Na próxima seção, falaremos do fundamento para o suicídio quântico - a interpretação dos "Muitos Mundos" da mecânica quântica.

A teoria dos Muitos Mundos

O experimento mental do suicídio quântico tenta provar aquilo que se tornou uma interpretação da física quântica cada vez mais aceita: a teoria dos Muitos Mundos. Esta teoria foi proposta pela primeira vez em 1957 por um aluno de doutorado da Universidade de Princeton (em inglês) chamado Hugh Everett III. A teoria foi menosprezada por décadas até que um outro aluno de Princeton, Max Tegman, criou o experimento do suicídio quântico, que apóia a interpretação [fonte: The Guardian (em inglês)].

Segundo a teoria dos Muitos Mundos, para cada possível resultado de uma ação, o mundo se divide em uma cópia de si mesmo. É um processo instantâneo que Everett chamou de "descoesão". Imagine um livro de aventura em que você escolhe a história, mas ao invés de escolher entre explorar uma caverna ou fugir com o tesouro, o universo se divide em dois para que cada ação aconteça.
Um aspecto vital da teoria dos Muitos Mundos é que quando o universo se divide, a pessoa não tem consciência de si mesmo na outra versão do universo. Isso significa que o garoto que fugiu com o tesouro e viveu feliz para sempre não faz a menor idéia de sua versão que entrou na caverna e agora enfrenta um grande perigo, e vice-versa.

É o mesmo caso do suicídio quântico. Quando o homem puxa o gatilho, há dois resultados possíveis: a arma dispara ou não. Neste caso, o homem vive ou morre. Cada vez que o gatilho é puxado, o universo se divide para acomodar cada resultado possível. Quando o homem morre, o universo não é mais capaz de se dividir baseado no ato de puxar o gatilho. O resultado possível para a morte é reduzido a um: a morte contínua. Mas com a vida, ainda sobraram duas chances: o homem continua vivo ou morre.

Mas quando o homem puxa o gatilho e o universo se divide em dois, a versão do homem que viveu não terá consciência de que na outra versão do universo dividido ele morreu. Ao invés disso, ele continuará vivo e terá outra chance de puxar o gatilho. E cada vez que ele puxar o gatilho, o universo vai se dividir novamente, com a versão do homem que vive permanecendo, e ele continua inconsciente de todas as suas mortes nos universos paralelos. Neste sentido, ele poderá existir indefinidamente. É a chamada imortalidade quântica.

Então por que todas as pessoas que alguma vez tentaram se matar não são imortais? O que é interessante na interpretação dos Muitos Mundos é que, segundo a teoria, em algum universo paralelo elas são. Não parece ser o nosso caso, porque a divisão do universo não depende da nossa própria vida ou morte. Somos observadores no caso do suicídio de outra pessoa, e como observadores estamos sujeitos à probabilidade. Quando a arma disparou no universo - ou versão - que habitamos, ficamos presos naquele resultado. Mesmo que peguemos a arma e continuemos a atirar no homem, o universo vai continuar em um único estado. Afinal, quando uma pessoa morre, o número de possíveis resultados de se atirar em um homem morto é reduzido a um.

Mas a teoria dos Muitos Mundos entra em contradição com outra teoria quântica, a interpretação de Copenhagen. Na próxima seção falaremos sobre essa teoria e veremos porque ela muda as regras do suicídio quântico.


A interpretação de Copenhagen

A teoria dos Muitos Mundos da mecânica quântica (em inglês) supõe que para cada resultado possível de qualquer ação, o universo se divide para acomodar cada um deles. Esta teoria tira o observador da equação. Não somos mais capazes de influenciar o resultado de um evento simplesmente por observá-lo, como afirma o Princípio da Incerteza de Heisenberg.

Mas a teoria dos Muitos Mundos vira de cabeça para baixo uma teoria muito aceita da mecânica quântica. E no imprevisível universo quântico, isso quer dizer muita coisa.
Por uma boa parte do último século, a explicação mais aceita para uma mesma partícula quântica se comportar de maneiras diferentes foi a interpretação de Copenhagen. Apesar de desafiar a interpretação dos Muitos Mundos, muitos físicos (em inglês)quânticos ainda acreditam que a interpretação de Copenhagen esteja correta. A interpretação de Copenhagen foi proposta pela primeira vez pelo físico Neils Bohr (em inglês), em 1920. Ela diz que uma partícula quântica não existe em um estado ou outro, mas em todos os seus possíveis estados de uma vez só. É somente quando observamos seu estado que a partícula quântica é forçada a escolher uma probabilidade, e este é o estado que observamos. Como ela pode ser forçada a se apresentar em um estado observável diferente cada vez, isto explica porque as partículas quânticas têm um comportamento errático.

Este estado de existir em todos os estados possíveis de uma vez é chamado de superposição coerente de um objeto. O total de estados possíveis em que um objeto pode existir - por exemplo, em forma de onda ou partícula para os fótons (em inglês) que se movimentam em duas direções ao mesmo tempo - forma a sua função onda. Quando observamos um objeto, a superposição cai e o objeto é forçado a assumir um dos estados da sua função onda.

A interpretação de Copenhagen da mecânica quântica foi teoricamente provada, pelo que se tornou um experimento mental famoso envolvendo um gato e uma caixa. É chamado de 'gato de Schrödinger', e foi apresentado pelo físico vienense Erwin Schrödinger (em inglês), em 1935.

Em seu experimento teórico, Schrödinger colocou seu gato em uma caixa, junto com um pouco de material radioativo e um contador Geiger (em inglês) - dispositivo para detectar radiação. O contador Geiger foi montado de maneira que quando percebesse o declínio do material radioativo, acionaria um martelo posicionado para quebrar um frasco contendo ácido cianídrico que, quando liberado, mataria o gato.

para eliminar qualquer incerteza sobre o destino do gato, o experimento deveria acontecer dentro de uma hora, tempo longo o suficiente para que o material radioativo pudesse diminuir um pouco, mas também curto para que também fosse possível que nada acontecesse.

No experimento de Schrödinger, o gato estava fechado dentro de uma caixa. Durante o período em que estivesse ali dentro, o gato passaria a existir em um estado desconhecido. Como não poderia ser observado, não seria possível dizer se estava vivo ou morto. Ao invés disso, existia no estado de vida e morte. É mais ou menos a resposta da física quântica para a velha pergunta zen: se uma árvore cair no meio da mata, e ninguém estiver perto para escutar, faz barulho?

Uma vez que a interpretação de Copenhagen diz que, quando observado, um objeto é forçado a assumir um estado ou outro, o experimento do suicídio quântico não funciona - de acordo com esta teoria. Como a direção do quark medido pelo gatilho pode ser observada, no final das contas o quark será forçado a assumir a direção do sentido horário que vai disparar a arma e matar o homem.

Mas isso tudo não é só uma bobagem? Estes experimentos mentais e interpretações quânticas nos ensinam alguma coisa de verdade? No próximo capítulo, falaremos sobre as possíveis implicações destas idéias.

As implicações da física quântica
Quando comparadas à ciência clássica e à física newtoniana, as teorias propostas para explicar a física quântica parecem insanas. O próprio Erwin Schrödinger (em inglês)disse que seu experimento do gato era "totalmente ridículo" [fonte: Goldstein, Sheldon (em inglês)]. Mas do que a ciência pôde observar, as leis que governam o mundo que vemos todos os dias não valem no nível quântico.

Conforme nossa compreensão da física quântica se aprofundar,
como ela mudará nossa percepção do mundo físico?

A física quântica é uma disciplina relativamente nova, datando de 1900 apenas. As teorias que foram propostas sobre o assunto, são só teorias. E para completar, há teorias conflitantes que dão explicações diferentes para os acontecimentos peculiares que acontecem no nível quântico. Qual delas a história mostrará ser a correta? Talvez a teoria que fique provada como a explicação verdadeira para a física quântica ainda não tenha sido descoberta. As pessoas que vão propor esta teoria podem nem ter nascido ainda. Mas segundo a lógica, que este campo do estudo estabeleceu, é possível que todas as teorias que explicam a física quântica sejam igualmente verdadeiras ao mesmo tempo - mesmo as que se contradizem?
A interpretação de Copenhagen para a física quântica de Neils Bohr (em inglês) talvez seja a teoria mais reconfortante já desenvolvida. Ao explicar que as partículas existem em todos os estados de uma vez - em superposição coerente - nossa compreensão do universo fica um pouco torta, mas ainda assim continua de certa forma compreensível. A teoria de Bohr também é consoladora porque torna a nós, humanos, a causa de um objeto assumir uma determinada forma. Apesar de os cientistas considerarem frustrante a habilidade de uma partícula de existir em mais de um estado, nossas observações afetam a partícula. Pelo menos ela não continua existindo em todos os estados enquanto olhamos para ela.

Muito menos consoladora é a interpretação dos Muitos Mundos de Everett. Esta teoria tira das nossas mãos qualquer poder sobre o universo quântico. Pelo contrário, somos meros passageiros das divisões que acontecem com cada resultado possível. Em essência, com a teoria dos Muitos Mundos, nossa idéia de causa e efeito cai por terra.

Isto torna a interpretação dos Muitos Mundos um tanto perturbadora. Se for verdade, então em algum universo paralelo ao que habitamos agora, Adolph Hitler foi bem-sucedido em sua campanha para conquistar o mundo. Mas seguindo o mesmo raciocínio, em outro universo os Estados Unidos não jogaram bombas atômicas em Hiroshima (em inglês) e Nagasaki (em inglês).

A teoria dos Muitos Mundos também certamente contradiz a idéia da navalha de Occam, que diz que a explicação mais simples é geralmente a correta. Ainda mais estranha é a implicação da teoria dos Muitos Mundos de que o tempo não existe em um movimento coerente, linear. Pelo contrário, ele se move em pulos e sobressaltos, existindo não como uma linha, mas como ramos. Estes ramos são tão numerosos quanto o número de conseqüências para todas as ações que já existiram.

É difícil não imaginar o que será a nossa compreensão do mundo quântico. O campo teórico já progrediu tremendamente desde seus primórdios mais de um século atrás. Apesar de ter sua própria interpretação do mundo quântico, Bohr pode ter aceito a teoria que Hugh Everett introduziu depois a respeito dos Muitos Mundos. Afinal, foi Bohr (em inglês) quem disse que "quem não ficar chocado com a teoria quântica não a compreendeu".


Fontes (em inglês)

"Hugh Everett III and the Many Worlds Theory." Everything Forever.

Brooks, Michael. "Enlightenment in the Barrel of a Gun." The Guardian. 15 de outubro de 1997.

Budnik, Paul. "Schrödinger's Cat." Mountain Math Software.

Higgo, James. "Does the 'many-worlds' interpretation of quantum mechanics imply immortality?" 10 de novembro de 1998.

Horgan, John. "Quantum Philosophy." Fortune City.

Price, Michael Clive. "The Everett FAQ." BLTC Research. Fevereiro de 1995.

Tegmark, Max. "The Interpretation of Quantum Mechanics: Many Worlds or Many Words?" Universidade de Princeton. 15 de setembro de 1997.

"Quantum Mechanics." Fusion Anomaly.

"Schrödinger's Cat for a 6th Grader." Mountain Math Software.

"The Many-World Interpretation of Quantum Mechanics." Station1.