Por que mais da metade das interpretações modernas da mecânica quântica negam o "colapso da função de onda"?

Por que tantos físicos e filósofos da ciência renomados estão tão insatisfeitos com esse conceito, que era parte fundamental da teoria "ortodoxa" proposta no final da década de 1920 pelos "fundadores" da mecânica quântica - Werner Heisenberg , Niels Bohr , Max Born , Paul Dirac , Wolfgang Pauli e Pascual Jordan ?

Podemos dar a resposta mais simples em uma única palavra: acaso . Albert Einstein , o maior cientista de todos os tempos (e, ironicamente, o descobridor do acaso na mecânica quântica , da qual ele não gostava, mas nunca negou que fizesse parte da teoria quântica, até onde ela podia ir em sua época), detestava veementemente a ideia de "incerteza" ou "indeterminismo", a noção de que algumas coisas no universo não eram causadas (ou eram causadas apenas estatisticamente).

A ideia da função de onda na mecânica quântica e seu colapso indeterminístico durante uma medição é, sem dúvida, o problema mais controverso da física atual. Das diversas "interpretações" da mecânica quântica, mais da metade nega o colapso da função de onda. Algumas delas negam até mesmo os saltos quânticos e a existência de partículas!

Portanto, é muito importante compreender a importância do que Dirac chamou de postulado da projeção na mecânica quântica. O "colapso da função de onda" também é conhecido como "redução do pacote de ondas". Isso descreve a mudança de um sistema que pode ser visto como tendo muitos estados quânticos possíveis ( princípio da superposição de Dirac ) para um sistema que, aleatoriamente, se encontra em apenas um desses estados possíveis.

Embora historicamente se acredite que o colapso seja causado por uma medição e, portanto, dependente do papel do observador na preparação do experimento, os colapsos podem ocorrer sempre que sistemas quânticos interagem (por exemplo, colisões entre partículas) ou mesmo espontaneamente (decaimento radioativo).

A afirmação de que um observador é necessário para colapsar a função de onda introduziu um elemento severamente antropomórfico na teoria quântica, sugerindo que nada acontece no universo, exceto quando os físicos estão realizando medições. Um exemplo extremo é a teoria dos Muitos Mundos de Hugh Everett , que afirma que o universo se divide em dois universos quase idênticos sempre que uma medição é feita.

Talvez a melhor ilustração da função de onda seja mostrá-la passando pelas famosas fendas em um experimento de dupla fenda. Sabe-se há séculos que ondas na água, ao passarem por uma pequena abertura, criam ondas circulares que se irradiam a partir dessa abertura. Se houver duas aberturas, as ondas de cada abertura interferem com as da outra, produzindo ondas duas vezes mais altas nas cristas (ou mais profundas nos vales) e se cancelando perfeitamente onde uma crista de uma abertura encontra um vale da outra.

Quando enviamos ondas de luz através de fendas minúsculas, observamos o mesmo fenômeno.

A maior parte da luz que atinge os detectores de luz na parte traseira incide logo atrás da barreira entre as fendas. Em alguns pontos, nenhuma luz aparece no padrão de interferência.

Hoje sabemos que a luz, na verdade, consiste em um grande número de fótons individuais, quanta de luz. Nosso experimento consegue reduzir a quantidade de luz a um nível tão baixo que sabemos que há apenas um único fóton, uma única partícula de luz no experimento a qualquer momento. O que vemos é o acúmulo muito lento de fótons nos detectores, mas com exatamente o mesmo padrão de interferência. E isso nos leva ao que Richard Feynman chamou não apenas de "um mistério", mas sim de "o único mistério" da mecânica quântica.

Como uma única partícula de luz pode interferir consigo mesma, sem passar por ambas as fendas Podemos observar o que aconteceria se ela passasse por apenas uma fenda, fechando uma delas. Obtemos um padrão de interferência completamente diferente.

Feynman estava certo. Se você conseguir compreender, embora talvez não "entender", esse fenômeno altamente não intuitivo, impossível na física clássica, estará no caminho certo para apreciar a mecânica quântica.

A função de onda na mecânica quântica é uma solução para a famosa equação de onda de Erwin Schrödinger, que descreve a evolução temporal de sua função de onda ψ .

ih/2π δψ/δt = Hψ.

Max Born interpretou a função de onda ψ(x) em uma posição x como nos dizendo que o quadrado complexo da função de onda, < ψ(x) | ψ(x) > , nos dá a probabilidade de encontrar uma partícula nessa posição.

Assim, a onda quântica que passa pelas fendas (e essa onda de amplitude de probabilidade ψ(x) passa por ambas as fendas) é um número abstrato, não sendo nem material nem energia, apenas uma probabilidade. É uma informação sobre onde as partículas de luz (ou partículas de matéria, se dispararmos elétrons contra as fendas) serão encontradas quando as registrarmos.

Se imaginarmos uma única partícula sendo enviada de uma grande distância em direção às duas fendas, a função de onda que descreve sua "evolução temporal" ou movimento através do espaço se assemelha a uma onda plana — as linhas retas da crista da onda se aproximando das fendas por baixo, como mostra a figura à esquerda. Não temos informações sobre a posição exata da partícula. Ela pode estar em qualquer lugar. Einstein disse que a mecânica quântica é "incompleta" porque a partícula não tem uma posição definida antes da medição. Ele estava certo. Quando a partícula atinge um dos detectores na tela ao fundo, podemos representá-la pelo ponto na figura abaixo.

As ondas de amplitude de probabilidade interferentes desaparecem instantaneamente em todos os lugares assim que a partícula é detectada, mas deixamos um pequeno fragmento de ondas interferentes no canto superior esquerdo para fazer uma pergunta levantada pela primeira vez por Einstein em 1905.

O que acontece com a pequena, mas finita, probabilidade de a partícula ter sido encontrada no lado esquerdo da tela Como essa probabilidade foi instantaneamente (a uma velocidade superior à da luz) transformada na probabilidade unitária no ponto?

Para sermos claros, quando Einstein fez essa pergunta pela primeira vez, ele pensava na onda de luz como energia espalhada por toda a onda. Portanto, era energia que ele acreditava estar viajando mais rápido que a luz, violando seu recém-criado princípio da relatividade (publicado dois meses após seu artigo sobre o quantum de luz).

Na conferência Solvay em Bruxelas, em 1927, vinte e dois anos depois de Einstein ter tentado pela primeira vez compreender o que acontece quando a onda colapsa, ele observou:

Se |ψ| ^² fosse simplesmente considerado como a probabilidade de que, em um determinado ponto, uma dada partícula seja encontrada em um dado instante, poderia acontecer que o mesmo processo elementar produzisse uma ação em dois ou mais lugares na tela. Mas a interpretação, segundo a qual |ψ| ^² expressa a probabilidade de que essa partícula seja encontrada em um dado ponto, pressupõe um mecanismo de ação à distância inteiramente peculiar, o que impede que a onda continuamente distribuída no espaço produza uma ação em dois lugares na tela.

Einstein passou a chamar isso de spukhafte Fernwerkung , “ação fantasmagórica à distância”. É conhecido como não-localidade .

Niels Bohr lembrou-se da descrição de Einstein. Ele desenhou a figura de Einstein em um quadro-negro, mas não entendeu o que Einstein estava dizendo.

Em uma das sessões, Einstein mencionou o exemplo simples, ilustrado na Figura 1, de uma partícula (elétron ou fóton) penetrando por um orifício ou uma fenda estreita em um diafragma colocado a certa distância de uma placa fotográfica.

Devido à difração da onda associada ao movimento da partícula e indicada na figura pelas linhas finas, nessas condições não é possível prever com certeza em que ponto o elétron chegará à placa fotográfica, mas apenas calcular a probabilidade de que, em um experimento, o elétron seja encontrado em qualquer região específica da placa.

A aparente dificuldade, nessa descrição, que Einstein sentiu tão intensamente, é o fato de que, se no experimento o elétron é registrado em um ponto A da placa, então é impossível observar um efeito desse elétron em outro ponto (B), embora as leis da propagação de ondas comuns não ofereçam espaço para uma correlação entre dois eventos desse tipo.

( Discussões com Einstein , em Albert Einstein: Filósofo-Cientista, PA Schilpp, ed. 1949)

Embora não possamos afirmar nada sobre a localização da partícula, podemos afirmar com certeza que tudo o que passa pelas duas fendas e interfere consigo mesmo é informação. A função de onda nos indica a probabilidade abstrata de encontrarmos a partícula em algum lugar.

A ideia de probabilidade — ou possibilidades — “colapsar” é muito mais fácil de entender. Quando um dado é lançado e sai o número 6, as possibilidades de 1 a 5 desaparecem instantaneamente. Quando a função de onda colapsa para a unidade em um ponto e para zero em outro, nada físico se move de um ponto para o outro. Considere uma corrida de cavalos.

Quando o focinho de um cavalo cruza a linha de chegada, sua probabilidade de vitória se torna certa, e as probabilidades finitas dos outros cavalos, incluindo o que vem atrás, caem instantaneamente para zero. Isso acontece mais rápido que a velocidade da luz, já que o último cavalo está a uma distância "espacial" do primeiro.

Embora as corridas de cavalos não sejam (normalmente) influenciadas pela mecânica quântica, a ideia de colapso de probabilidade se aplica a ambas. A única diferença é que, na mecânica quântica, lidamos com uma amplitude de probabilidade complexa que pode interferir consigo mesma.

Note que a probabilidade, assim como a informação, não é matéria nem energia. Quando uma função de onda "colapsa" ou "atravessa ambas as fendas" no deslumbrante experimento da dupla fenda, nada material está viajando mais rápido que a velocidade da luz ou atravessando as fendas. Nenhuma mensagem ou sinal pode ser enviado usando esse colapso da probabilidade. Apenas a informação se altera.

Isso é semelhante aos experimentos de Einstein-Podolsky-Rosen , onde a medição de uma partícula não transmite nada físico (matéria ou energia) para a outra partícula "emaranhada". Em vez disso, informações instantâneas chegam ao universo nas novas posições das partículas. Essa informação, juntamente com a conservação do momento angular, torna o estado da segunda partícula coerentemente emaranhada certo, não importa quão distante ela esteja após a medição.

A interpretação “ortodoxa” padrão da mecânica quântica inclui o postulado da projeção . Essa ideia afirma que, uma vez que uma das possibilidades se torna real em uma posição, as probabilidades de sua ocorrência em todas as outras posições se tornam instantaneamente zero. Uma nova informação surgiu.

O princípio da superposição nos diz que, antes de uma medição, um sistema pode estar em qualquer um de muitos estados possíveis. No experimento da dupla fenda, isso inclui todas as posições possíveis onde |ψ(x)| ^² não é zero. Assim que o sistema quântico (o fóton ou o elétron) interage com um detector específico na tela, todas as outras possibilidades desaparecem. Talvez seja uma pena que a palavra "colapso" tenha sido escolhida, já que sugere algum grande movimento físico.

Assim como na filosofia, onde a linguagem utilizada pode ser fonte de confusão, descobrimos que refletir sobre as informações envolvidas esclarece o problema.

Normal | Professor | Pesquisador