O Universo Não É Localmente Real, e os Vencedores do Prêmio Nobel de Física Provaram Isso

Experimentos elegantes com luz emaranhada revelaram um profundo mistério no coração da realidade.

Por Daniel Garisto, em 6 de Outubro de 2022

Uma das descobertas mais perturbadoras do último meio século é que o universo não é localmente real. “Real”, significando que os objetos têm propriedades definidas independentemente da observação – uma maçã pode ser vermelha mesmo quando ninguém está olhando; “local” significa que os objetos só podem ser influenciados pelo ambiente e que qualquer influência não pode viajar mais rápido que a luz. Investigações nas fronteiras da física quântica descobriram que essas coisas não podem ser ambas verdadeiras. Em vez disso, as evidências mostram que os objetos não são influenciados apenas pelo ambiente e também podem não ter propriedades definidas antes da medição. Como Albert Einstein conhecidamente lamentou a um amigo: “Você realmente acredita que a lua não está lá quando você não está olhando para ela?”

Isso, é claro, é profundamente contrário às nossas experiências cotidianas. Parafraseando Douglas Adams, o fim do realismo local deixou muitas pessoas muito zangadas e foi amplamente considerada uma má jogada.

A culpa por esta conquista foi agora colocada diretamente nos ombros de três físicos: John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger. Eles dividiram igualmente o Prêmio Nobel de Física de 2022 “por experimentos com fótons emaranhados, estabelecendo a violação das desigualdades de Bell e pioneira na ciência da informação quântica”. (“Desigualdades de Bell” refere-se ao trabalho pioneiro do físico norte-irlandês John Stewart Bell, que lançou as bases para o Nobel de Física deste ano no início dos anos 1960). Colegas concordaram que o trio mereceu, merecendo este reconhecimento por derrubar a realidade como nós sabemos. “É uma notícia fantástica. Demorou muito”, diz Sandu Popescu, físico quântico da Universidade de Bristol. “Sem dúvida, o prêmio é bem merecido.”

“Os experimentos que começam com o primeiro de Clauser e continuam, mostram que esse material não é apenas filosófico, é real – e como outras coisas reais, potencialmente úteis”, diz Charles Bennett, um eminente pesquisador quântico da IBM.

“A cada ano eu pensava: ‘oh, talvez este seja o ano’”, diz David Kaiser, físico e historiador do Massachusetts Institute of Technology. “Este ano, realmente foi. Foi muito emocionante – e muito eletrizante.”

A jornada das fundações quânticas da margem ao favor foi longa. De cerca de 1940 até 1990, o tema foi muitas vezes tratado como filosofia na melhor das hipóteses e na pior das hipóteses como cerâmica. Muitas revistas científicas se recusaram a publicar artigos sobre fundações quânticas, e posições acadêmicas que se entregavam a tais investigações eram quase impossíveis de encontrar. Em 1985, o conselheiro de Popescu o advertiu contra um Ph.D. no assunto. “Ele disse ‘olha, se você fizer isso, você se divertirá por cinco anos e então ficará desempregado’”, diz Popescu.

Hoje, a ciência da informação quântica está entre os subcampos mais vibrantes e impactantes de toda a física. Ele liga a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica através do comportamento ainda misterioso dos buracos negros. Ele dita o design e a função dos sensores quânticos, que estão sendo cada vez mais usados ​​para estudar tudo, desde terremotos até matéria escura. E esclarece a natureza muitas vezes confusa do entrelaçamento quântico, um fenômeno que é fundamental para a ciência moderna dos materiais e que está no coração da computação quântica.

“O que torna um computador quântico ‘quântico’?” Nicole Yunger Halpern, física do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, pergunta retoricamente. “Uma das respostas mais populares é o emaranhamento, e a principal razão pela qual entendemos o emaranhamento é o grande trabalho realizado por Bell e esses vencedores do Prêmio Nobel. Sem essa compreensão do emaranhamento, provavelmente não seríamos capazes de realizar computadores quânticos.”

POR QUEM OS SINOS DOBRAM

O problema com a mecânica quântica nunca foi que ela fez as previsões erradas – na verdade, a teoria descreveu o mundo microscópico esplendidamente bem desde o início, quando os físicos a criaram nas primeiras décadas do século 20.

O que Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen discordaram, expostos em seu icônico artigo de 1935, foram as implicações desconfortáveis ​​da teoria para a realidade. Sua análise, conhecida por suas iniciais EPR, centrou-se em um experimento mental destinado a ilustrar o absurdo da mecânica quântica; para mostrar como sob certas condições a teoria pode quebrar – ou pelo menos fornecer resultados sem sentido que entram em conflito com tudo o mais que sabemos sobre a realidade. Uma versão simplificada e modernizada do EPR é mais ou menos assim: pares de partículas são enviados em direções diferentes a partir de uma fonte comum, direcionada para dois observadores, Alice e Bob, cada um posicionado em extremidades opostas do sistema solar. A mecânica quântica dita que é impossível conhecer o spin, uma propriedade quântica de partículas individuais antes da medição. Quando Alice mede uma de suas partículas, ela descobre que seu spin é para cima ou para baixo. Seus resultados são aleatórios e, no entanto, quando ela mede , ela sabe instantaneamente que a partícula correspondente de Bob deve estar baixa. À primeira vista, isso não é tão estranho; talvez as partículas sejam como um par de meias – se Alice pega a meia certa, Bob deve ficar com a esquerda.

Mas sob a mecânica quântica, as partículas não são como meias, e somente quando medidas elas se estabilizam em um giro para cima ou para baixo . Este é o enigma-chave do EPR: se as partículas de Alice não têm um giro até a medição, como então, quando passam por Netuno, elas sabem o que as partículas de Bob vão fazer ao voar para fora do sistema solar na outra direção? Cada vez que Alice mede, ela efetivamente questiona sua partícula sobre o que Bob obterá se jogar uma moeda: para cima ou para baixo? As chances de prever corretamente isso mesmo 200 vezes seguidas são de uma em 10⁶⁰ – um número maior do que todos os átomos do sistema solar. No entanto, apesar dos bilhões de quilômetros que separam os pares de partículas, a mecânica quântica diz que as partículas de Alice podem continuar prevendo corretamente, como se estivessem telepaticamente conectadas às partículas de Bob.

Embora destinado a revelar as imperfeições da mecânica quântica, quando as versões do mundo real do experimento mental EPR são conduzidas, os resultados reforçam os princípios mais incompreensíveis da teoria. Sob a mecânica quântica, a natureza não é localmente real – as partículas não possuem propriedades como spin up ou spin down antes da medição, e aparentemente conversam umas com as outras, não importa a distância.

Físicos céticos em relação à mecânica quântica propuseram que havia “variáveis ​​ocultas”, fatores que existiam em algum nível imperceptível de realidade sob o reino subatômico que continha informações sobre o estado futuro de uma partícula. Eles esperavam que nas teorias de variáveis ​​ocultas a natureza pudesse recuperar o realismo local negado a ela pela mecânica quântica.

“Alguém pensaria que os argumentos de Einstein, Podolsky e Rosen produziriam uma revolução naquele momento, e todos começariam a trabalhar em variáveis ​​ocultas”, diz Popescu.

O “ataque” de Einstein à mecânica quântica, no entanto, não pegou entre os físicos, que em geral aceitaram a mecânica quântica como ela é. Isso muitas vezes era menos um abraço pensativo da realidade não local e mais um desejo de não pensar muito enquanto fazia física – um sentimento desagradável mais tarde resumido pelo físico David Mermin como uma exigência de “calar a boca e calcular”.

A falta de interesse foi motivada em parte porque John von Neumann, um cientista altamente conceituado, publicou em 1932 uma prova matemática descartando teorias de variáveis ​​ocultas. (A prova de Von Neumann, deve-se dizer, foi refutada apenas três anos depois por uma jovem matemática, Grete Hermann, mas na época ninguém pareceu notar.)

O problema do realismo não-local da mecânica quântica definharia em um estupor complacente por mais três décadas até ser decisivamente destruído por Bell. Desde o início de sua carreira, Bell se incomodava com a ortodoxia quântica e simpatizava com as teorias de variáveis ​​ocultas. A inspiração o atingiu em 1952, quando ele soube de uma interpretação viável não-local de variáveis ​​ocultas da mecânica quântica elaborada pelo colega físico David Bohm – algo que von Neumann havia afirmado ser impossível. Bell refletiu sobre as ideias por anos, como um projeto paralelo ao seu trabalho principal, trabalhando como físico de partículas no CERN.

Em 1964, Bell redescobriu as mesmas falhas no argumento de von Neumann que Hermann tinha. E então, em um triunfo do pensamento rigoroso, Bell inventou um teorema que arrastou a questão das variáveis ​​ocultas de seu atoleiro metafísico para o terreno concreto do experimento.

Normalmente, as teorias de variáveis ​​ocultas e a mecânica quântica preveem resultados experimentais indistinguíveis. O que Bell percebeu é que sob circunstâncias precisas, uma discrepância empírica entre os dois pode surgir. No teste de Bell homônimo (uma evolução do experimento mental EPR), Alice e Bob recebem as mesmas partículas emparelhadas, mas agora cada um tem duas configurações de detector diferentes – A e a, B e b. Essas configurações do detector permitem que Alice e Bob façam perguntas diferentes às partículas; um truque adicional para se livrar de sua aparente telepatia. Nas teorias de variáveis ​​ocultas locais, onde seu estado é pré-ordenado e nada as liga, as partículas não podem ser mais espertas que essa etapa extra, e elas nem sempre podem alcançar a correlação perfeita onde Alice mede spin down quando Bob mede spin up (e vice-versa). Mas na mecânica quântica, as partículas permanecem conectadas e muito mais correlacionadas do que poderiam estar nas teorias de variáveis ​​ocultas locais. Eles estão, em uma palavra, emaranhados.

Medir a correlação várias vezes para muitos pares de partículas, portanto, poderia provar qual teoria estava correta. Se a correlação permanecesse abaixo de um limite derivado do teorema de Bell, isso sugeriria que as variáveis ​​ocultas eram reais; se excedesse o limite de Bell, então os princípios incompreensíveis da mecânica quântica reinariam supremos. E, no entanto, apesar de seu potencial para ajudar a determinar a própria natureza da realidade, depois de ser publicado em um jornal relativamente obscuro, o teorema de Bell passou despercebido por anos.

OS SINOS DOBRAM POR TI

Em 1967, John Clauser, então estudante de pós-graduação na Universidade de Columbia, acidentalmente tropeçou em uma cópia da biblioteca do artigo de Bell e ficou encantado com a possibilidade de provar que as teorias de variáveis ​​ocultas estavam corretas. Clauser escreveu a Bell dois anos depois, perguntando se alguém havia realmente realizado o teste. A carta de Clauser foi um dos primeiros comentários que Bell recebeu.

Com o incentivo de Bell, cinco anos depois Clauser e seu aluno de pós-graduação Stuart Freedman realizaram o primeiro teste de Bell. Clauser obteve permissão de seus supervisores, mas pouco em termos de fundos, então ele se tornou, como disse em uma entrevista posterior, adepto do “mergulho no lixo” para proteger equipamentos – alguns dos quais ele e Freedman então colaram com fita adesiva. Na configuração de Clauser – um aparelho do tamanho de um caiaque que requer um ajuste manual cuidadoso – pares de fótons foram enviados em direções opostas para detectores que poderiam medir seu estado, ou polarização.

Infelizmente para Clauser e sua paixão por variáveis ​​ocultas, assim que ele e Freedman concluíram sua análise, não puderam deixar de concluir que haviam encontrado fortes evidências contra eles. Ainda assim, o resultado foi pouco conclusivo, por causa de várias “brechas” no experimento que poderiam permitir que a influência de variáveis ​​ocultas passasse sem ser detectada. A mais preocupante delas era a brecha da localidade: se a fonte de fótons ou os detectores pudessem de alguma forma compartilhar informações (um feito plausível dentro dos limites de um objeto do tamanho de um caiaque), as correlações medidas resultantes ainda poderiam surgir de variáveis ​​ocultas. Como Kaiser diz com veemência, se Alice tuitar para Bob em qual configuração de detector ela está, essa interferência impossibilita a exclusão de variáveis ​​ocultas.

Fechar a lacuna da localidade é mais fácil dizer do que fazer. A configuração do detector deve ser alterada rapidamente enquanto os fótons estão em movimento – “rapidamente” significando em questão de meros nanossegundos. Em 1976, um jovem especialista francês em óptica, Alain Aspect, propôs uma maneira de fazer essa troca ultrarrápida. Os resultados experimentais de seu grupo, publicados em 1982 , apenas reforçaram os resultados de Clauser: variáveis ​​ocultas locais pareciam extremamente improváveis. “Talvez a natureza não seja tão esquisita quanto a mecânica quântica”, escreveu Bell em resposta aos resultados iniciais de Aspect. “Mas a situação experimental não é muito encorajadora deste ponto de vista.”

Outras brechas, no entanto, ainda permaneciam – e, infelizmente, Bell morreu em 1990 sem testemunhar seu fechamento. Mesmo o experimento de Aspect não descartou totalmente os efeitos locais porque ocorreu em uma distância muito pequena. Da mesma forma, como Clauser e outros haviam percebido, se Alice e Bob não tivessem a garantia de detectar uma amostra imparcial representativa de partículas, eles poderiam chegar a conclusões erradas.

Ninguém se preocupou em fechar essas brechas com mais entusiasmo do que Anton Zeilinger, um físico austríaco ambicioso e gregário. Em 1998, ele e sua equipe aprimoraram o trabalho anterior de Aspect realizando um teste de Bell em uma distância sem precedentes de quase meio quilômetro. A era de adivinhar a não-localidade da realidade a partir de experimentos do tamanho de caiaques havia chegado ao fim. Finalmente, em 2013, o grupo de Zeilinger deu o próximo passo lógico, abordando várias brechas ao mesmo tempo.

“Antes da mecânica quântica, eu realmente estava interessado em engenharia. Gosto de construir coisas com as mãos”, diz Marissa Giustina, pesquisadora quântica do Google que trabalhou com Zeilinger. “Em retrospecto, um experimento Bell sem brechas é um projeto gigante de engenharia de sistemas.” Um requisito para criar um experimento fechando várias brechas foi encontrar um túnel de 60 metros perfeitamente reto e desocupado com acesso a cabos de fibra óptica. Como se viu, a masmorra do palácio de Hofburg, em Viena, era um cenário quase ideal – além de estar coberto com um século de poeira. Seus resultados, publicados em 2015, coincidiram com testes semelhantes de dois outros grupos que também encontraram a mecânica quântica mais perfeita do que nunca.

O TESTE DE BELL ATINGE AS ESTRELAS

Restava uma grande brecha final a ser fechada, ou pelo menos estreitada. Qualquer conexão física prévia entre componentes, não importa quão distante no passado, tem a possibilidade de interferir na validade dos resultados de um teste de Bell. Se Alice apertar a mão de Bob antes de partir em uma nave espacial, eles compartilham um passado. É aparentemente implausível que uma teoria local de variáveis ​​ocultas explore essas brechas, mas ainda é possível.

Em 2017, uma equipe incluindo Kaiser e Zeilinger realizou um teste cósmico de Bell. Usando telescópios nas Ilhas Canárias, a equipe obteve suas decisões aleatórias para configurações de detectores de estrelas suficientemente distantes no céu para que a luz de uma não alcançasse a outra por centenas de anos, garantindo uma lacuna de séculos em seu passado cósmico compartilhado. No entanto, mesmo assim, a mecânica quântica novamente se mostrou triunfante.

Uma das principais dificuldades em explicar a importância dos testes de Bell para o público – bem como para os físicos céticos – é a percepção de que a veracidade da mecânica quântica era uma conclusão precipitada. Afinal, os pesquisadores mediram muitos aspectos-chave da mecânica quântica com uma precisão superior a 10 partes em um bilhão. “Na verdade, eu não queria trabalhar nisso. Eu pensei, tipo, ‘Vamos lá; isso é física antiga. Todos sabemos o que vai acontecer’”, diz Giustina. Mas a precisão da mecânica quântica não podia descartar a possibilidade de variáveis ​​ocultas locais; apenas os testes de Bell poderiam fazer isso.

“O que atraiu cada um desses ganhadores do Nobel para o tópico, e o que atraiu o próprio John Bell, para o tópico foi de fato [a pergunta], ‘O mundo pode funcionar dessa maneira?’”, diz Kaiser. “E como realmente sabemos com confiança?” O que os testes de Bell permitem que os físicos façam é remover da equação o viés dos julgamentos estéticos antropocêntricos; expurgando de seu trabalho as partes da cognição humana que recuam diante da possibilidade de emaranhamento estranhamente inexplicável, ou que zombam de teorias de variáveis ​​ocultas como apenas mais debates sobre quantos anjos podem dançar na cabeça de um alfinete. O prêmio homenageia Clauser, Aspect e Zeilinger, mas é uma prova de todos os pesquisadores que ficaram insatisfeitos com explicações superficiais sobre a mecânica quântica e que fizeram suas perguntas mesmo quando isso era impopular.

“Os testes de Bell”, conclui Giustina, “são uma maneira muito útil de olhar a realidade”.

Fonte: Scientific American

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