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Erwin Schrödinger
Erwin Schrödinger é talvez a figura mais complexa nas discussões do século XX sobre incerteza na mecânica quântica , acaso ontológico , indeterminismo e a interpretação estatística da mecânica quântica.
Em seus primeiros anos de carreira, Schrödinger foi um grande defensor da aleatoriedade fundamental no universo. Ele seguiu os passos de seu professor Franz S. Exner , que por sua vez foi colega do grande Ludwig Boltzmann na Universidade de Viena. Boltzmann utilizou a aleatoriedade intrínseca nas colisões moleculares (caos molecular) para derivar o aumento da entropia previsto na Segunda Lei da Termodinâmica. A irreversibilidade macroscópica do aumento da entropia depende do "caos molecular" de Boltzmann, que por sua vez depende da aleatoriedade na irreversibilidade microscópica .
Antes do século XX, a maioria dos físicos, matemáticos e filósofos acreditava que o acaso descrito pelo cálculo de probabilidades era, na verdade, completamente determinado. A "curva em forma de sino" ou "distribuição normal" dos resultados aleatórios era tão consistente que eles defendiam a existência de leis determinísticas subjacentes que governavam os eventos individuais. Pensavam que simplesmente nos faltava o conhecimento necessário para fazer previsões exatas para esses eventos individuais. Pierre-Simon Laplace foi o primeiro a enxergar, em seu "cálculo de probabilidades", uma lei universal que determinava os movimentos de tudo, desde os maiores objetos astronômicos até as menores partículas. Em um mundo laplaciano, existe apenas um futuro possível.
Por outro lado, em sua aula inaugural em Zurique, em 1922, Schrödinger argumentou que as evidências não justificavam nossas suposições de que as leis físicas eram determinísticas e estritamente causais . Sua aula inaugural foi inspirada na de Franz Serafin Exner, em Viena, em 1908.
A afirmação de Exner resume-se a isto: é perfeitamente possível que as leis da Natureza sejam de caráter puramente estatístico. A exigência de uma lei absoluta no pano de fundo da lei estatística — uma exigência que hoje em dia quase todos consideram imperativa — está além do alcance da experiência . Tal fundamento duplo para o curso ordenado dos eventos na Natureza é, em si, improvável. O ônus da prova recai sobre aqueles que defendem a causalidade absoluta , e não sobre aqueles que a questionam. Pois uma atitude duvidosa a este respeito é hoje, de longe, muito mais natural . Vários anos mais tarde, Schrödinger apresentou um artigo sobre "Indeterminismo na Física" no Congresso de junho de 1931 da Sociedade para o Ensino Filosófico, em Berlim. "Há cinquenta anos, era simplesmente uma questão de gosto ou preconceito filosófico preferir o determinismo ao indeterminismo . O primeiro era favorecido pelo costume antigo, ou possivelmente por uma crença a priori. Em favor do segundo, podia-se argumentar que esse hábito antigo se baseava comprovadamente nas leis reais que observamos em funcionamento em nosso entorno. Contudo, assim que se percebe que a grande maioria, ou possivelmente todas, dessas leis são de natureza estatística, elas deixam de fornecer um argumento racional para a manutenção do determinismo."
Apesar desses fortes argumentos contra o determinismo, logo após concluir sua formulação ondulatória da mecânica quântica em junho de 1926 (ano da morte de Exner), Schrödinger começou a se alinhar com os deterministas, incluindo Max Planck e Albert Einstein (que em 1916 descobriram que o acaso ontológico está envolvido na emissão de radiação).
A equação de onda de Schrödinger é uma função contínua que evolui suavemente no tempo, em nítido contraste com os "saltos quânticos" discretos, descontínuos e indeterminísticos da mecânica matricial de Born-Heisenberg. Para Schrödinger, sua equação de onda parecia restaurar a natureza contínua e determinística da mecânica e dinâmica clássicas. Além disso, sugeria que poderíamos visualizar partículas como pacotes de ondas se movendo no espaço-tempo, o que era muito importante para Schrödinger. Em contrapartida, Bohr e Heisenberg, com sua Interpretação de Copenhague da mecânica quântica, insistiam que a visualização de eventos quânticos era simplesmente impossível. Einstein posteriormente concordou com Schrödinger que sua visualização ( Anschaulichkeit ) deveria ser o objetivo da descrição de uma realidade "objetiva".
Max Born , mentor de Werner Heisenberg e sócio sênior da equipe que criou a mecânica matricial, surpreendeu Schrödinger com a interpretação da função de onda como uma "amplitude de probabilidade".
Os movimentos das partículas são indeterminísticos e probabilísticos, mesmo que a equação do movimento para a probabilidade seja determinística.
É verdade, disse Born, que a própria função de onda evolui deterministicamente, mas sua importância reside no fato de que ela prevê apenas a probabilidade de encontrar uma partícula atômica em algum lugar. Quando e onde as partículas apareceriam — para um observador ou para um sistema de observação como uma placa fotográfica — era completamente e irremediavelmente aleatório, afirmou ele. Born atribuiu a Einstein a ideia de que a relação entre ondas e partículas é que as ondas nos dão a probabilidade de encontrar uma partícula, mas essa "interpretação estatística" da função de onda ficou conhecida como "Regra de Born".
Einstein havia percebido claramente, durante muitos anos, que as transições quânticas envolviam o acaso , que os saltos quânticos eram aleatórios, mas ele não queria acreditar nisso. Embora a equação de Schrödinger do movimento seja em si contínua e determinística, é impossível restaurar o comportamento determinístico contínuo às partículas materiais e retornar a física à causalidade estrita . Mais do que Einstein, Schrödinger detestava essa ideia e nunca a aceitou, apesar do grande sucesso da mecânica quântica, que hoje utiliza as funções de onda de Schrödinger para calcular os elementos da matriz de Heisenberg para as probabilidades de transição atômica e todas as propriedades atômicas. Desanimado, Schrödinger escreveu ao seu amigo Willie Wien em agosto de 1926. "[Que os saltos quânticos descontínuos]...oferecem a maior dificuldade conceitual para a obtenção de uma teoria clássica está se tornando cada vez mais evidente para mim."...[contudo] hoje não gosto mais de assumir, como Born, que um processo individual desse tipo seja "absolutamente aleatório", ou seja, completamente indeterminado. Não acredito mais que essa concepção (que defendi com tanto entusiasmo há quatro anos) seja muito eficaz. A partir de uma separata do trabalho de Born na Zeitsch für Physik, sei mais ou menos como ele pensa as coisas: as ondas devem ser estritamente determinadas causalmente por meio de leis de campo, enquanto as funções de onda têm apenas o significado de probabilidades para os movimentos reais de partículas de luz ou matéria." Por que Schrödinger não aceitou simplesmente a hipótese do acaso absoluto de Born Ela fornece fortes indícios de que a suposição de Boltzmann sobre o acaso nas colisões atômicas (desordem molecular) era completamente justificada. A ideia de Boltzmann de que a entropia é estatisticamente irreversível depende da irreversibilidade microscópica . Exner acreditava que o acaso era absoluto, mas não viveu para ver o quão fundamental isso era para a física. E a ideia epicurista inicial de que os átomos às vezes "desviam" poderia ser substituída pela percepção de que os átomos estão sempre desviando aleatoriamente — quando interagem com outros átomos e, especialmente, com a radiação, como Einstein (relutantemente) descobriu em 1916. Será que cientistas renomados como Max Planck e Einstein ficaram tão encantados com o trabalho de Schrödinger que isso os fez mudar de ideia Planck, universalmente reverenciado como o grande nome da física, convidou Schrödinger para Berlim para ocupar sua cátedra como o mais importante professor de física em uma universidade alemã. E Schrödinger compartilhava o objetivo de Einstein de desenvolver uma teoria de campos unificada (contínua e determinística). Schrödinger ganhou o Prêmio Nobel em 1933. Mas quão diferente seria nossa concepção de probabilidade absoluta se talvez o maior teórico da mecânica quântica tivesse aceitado saltos quânticos aleatórios em 1926? Em seus intensos debates com Niels Bohr e Werner Heisenberg , Schrödinger atacou a interpretação probabilística de Copenhague de sua função de onda com um famoso experimento mental (que na verdade se baseava em outra sugestão de Einstein) chamado Gato de Schrödinger . Schrödinger ficou muito satisfeito ao ler o artigo de Einstein-Podolsky-Rosen em 1935. Imediatamente escreveu a Einstein em apoio a um ataque a Bohr, Born e Heisenberg e à sua mecânica quântica "dogmática"."Fiquei muito feliz que no artigo recém-publicado na PR você tenha evidentemente se aproximado da mecânica quântica dogmática... Minha interpretação é que não temos uma mecânica quântica consistente com a teoria da relatividade, ou seja, com uma velocidade de transmissão finita de todas as influências. Temos apenas a analogia da antiga mecânica absoluta... O processo de separação não está de forma alguma contemplado pelo esquema ortodoxo." Einstein havia afirmado em 1927, na Conferência Solvay, que a não-localidade ( sinalização aparente mais rápida que a luz entre partículas separadas por uma distância semelhante à do espaço) parecia violar a relatividade no caso de uma função de onda de partícula única com probabilidades não nulas de encontrar a partícula em mais de um lugar. Que "ação à distância" instantânea impede que as partículas apareçam em mais de um lugar?, perguntou Einstein, de forma peculiar. A resposta, que uma partícula se dividindo em duas, nunca ocorre na natureza. Isso violaria as leis de conservação mais fundamentais. Em seu artigo de 1935 sobre EPR , Einstein introduziu engenhosamente duas partículas em vez de uma, e uma função de onda de duas partículas que descreve ambas. As partículas são idênticas, indistinguíveis e com posições indeterminadas. EPR queria descrevê-las como amplamente separadas, uma "aqui" e mensurável "agora" e a outra distante e mensurável "mais tarde". Aqui, precisamos explicar a assimetria que Einstein, e talvez até mesmo Schrödinger, introduziram erroneamente em uma situação perfeitamente simétrica, tornando o emaranhamento e a "não-localidade" tais mistérios. Não-localidade
Desde 1905, Einstein estava intrigado com o que hoje é conhecido como " não-localidade ". Einstein interpretou erroneamente esse fenômeno misterioso
como a aparente transferência de algo físico mais rápido que a velocidade da luz.
Einstein foi a primeira pessoa a observar o "colapso" de uma onda de luz quando um quantum de luz é absorvido por completo por um único elétron. Ele também percebeu que a onda esférica parece se propagar a grandes distâncias a uma velocidade superior à da luz.
Einstein suspeitou pela primeira vez do comportamento "não local" em 1905, em seu artigo sobre a hipótese do quantum de luz. No artigo sobre o efeito fotoelétrico, ele questionou como uma onda esférica de energia luminosa, espalhada em um grande volume de espaço, poderia se reunir instantaneamente para ser absorvida como uma unidade completa por um minúsculo átomo?
O cerne do problema da não-localidade nada mais é do que o "colapso" instantâneo e simétrico de uma função de onda de duas partículas Ψ 12 . Quando o colapso da função de onda envolve uma única partícula, demonstra o indeterminismo fundamental da mecânica quântica. O exemplo mais famoso é o experimento da dupla fenda , que, segundo Richard Feyman, revela o único mistério da mecânica quântica. Mas na EPR temos uma função de onda de duas partículas descrevendo partículas aparentemente interagindo à distância, em vez de uma função de onda de uma partícula interferindo consigo mesma, como em uma partícula que parece passar por ambas as fendas no experimento de dupla fenda. A partícula passa por apenas uma fenda. A função de onda tem valores diferentes de zero em ambas as fendas. O colapso da função de onda de duas partículas
O que acontece, na verdade, é a concretização de um de dois estados quânticos possíveis, que a mecânica quântica descreve como uma superposição .
Se ψ + (spin para cima) e ψ - (spin para baixo) são ambas soluções da equação de Schrödinger para uma única partícula, então uma combinação linear delas também é uma solução.
| ψ > = 1/√2 | ψ + > ± 1/√2 | ψ - >,
com coeficientes de amplitude de probabilidade 1/√2. A probabilidade de qualquer estado | ψ > 2 é 1/2. Quando medido várias vezes, esse estado de superposição produzirá aproximadamente metade de resultados de rotação para cima e metade de rotação para baixo. Mas quando se trata de duas partículas amplamente separadas no espaço, o resultado indeterminístico da função de onda de duas partículas de Schrödinger parece fisicamente inaceitável para muitos. Agora temos...
| ψ 12 > = 1/√2 | ψ 1+ ψ 2- > ± 1/√2 | ψ 1- ψ 2+ >,
Note a semelhança com a famosa superposição de gatos vivos e mortos de Schrödinger . | ψ > = 1/√2 | decaimento atômico gato morto> ± 1/√2 | sem decaimento gato vivo >, o que significa simplesmente que há cinquenta por cento de chance de encontrar o gato morto ou vivo!
Schrödinger desafiou a ideia de Einstein de que dois sistemas que interagiram anteriormente podem ser tratados como sistemas separados , e que uma função de onda de duas partículas ψ 12 pode ser fatorada em um produto de funções de onda separadas para cada sistema, por exemplo, ψ 12 → ψ 1 ψ 2 . Einstein chamou isso de seu princípio da " separabilidade " ( Trennungsprinzip ). Mas as partículas não podem se separar, Schrödinger sabia, até que outra interação quântica (uma medição ou decoerência ambiental) colapse a função de onda ψ 12 e as separe.
Em 2023, Christoph Lehner fez uma apresentação no IQOQI Viena sobre "A pré-história do emaranhamento: Schrödinger e o desenvolvimento do paradoxo EPR".
Baseou-se num estudo extenso dos numerosos cadernos de Schrödinger, escritos numa antiga taquigrafia alemã. No verão de 1926, Schrödinger escreveu... Os estados oscilatórios conjuntos... não podem ser dissolvidos em estados de sistemas individuais. Lehner demonstrou, assim, que Schrödinger havia descoberto, quase uma década antes do paradoxo EPR,
Schrödinger publicou o famoso artigo que definia sua ideia de " emaranhamento " em agosto de 1935. Começava assim: Quando dois sistemas, cujos estados conhecemos por seus respectivos representantes, entram em interação física temporária devido a forças conhecidas entre eles, e quando, após um período de influência mútua, os sistemas se separam novamente, eles não podem mais ser descritos da mesma forma que antes, ou seja, atribuindo a cada um deles um representante próprio. Eu não chamaria isso de " um" , mas sim de traço característico da mecânica quântica, aquele que impõe seu completo afastamento das linhas de pensamento clássicas. Pela interação, os dois representantes (ou funções ψ) se tornam emaranhados. Para simplificar, supomos que cada um dos dois sistemas tenha apenas um grau de liberdade. Sejam os números q x 1 , p 1 e x 2 , p 2 denotando a coordenada e o momento do primeiro e do segundo sistema, respectivamente...No ano seguinte, Schrödinger analisou com mais atenção a suposição de Einstein de que o sistema emaranhado poderia ser separado o suficiente para ser considerado como dois sistemas com funções de onda independentes: Anos atrás, apontei que, quando dois sistemas se separam o suficiente para permitir a experimentação em um deles sem interferir no outro, eles inevitavelmente passam, durante o processo de separação, por estágios que estavam além do alcance da mecânica quântica como a conhecíamos então. Pois parece difícil imaginar uma separação completa enquanto os sistemas ainda estão tão próximos um do outro que, do ponto de vista clássico, sua interação ainda poderia ser descrita como uma actio in distans sem retardo . E a mecânica quântica ordinária, devido ao seu caráter completamente não relativístico, lida apenas com o caso da actio in distans . O sistema como um todo (compreendendo, em nosso caso, ambos os sistemas) precisa ser pequeno o suficiente para que se possa negligenciar o tempo que a luz leva para atravessá-lo, em comparação com os períodos do sistema que estão essencialmente envolvidos nas mudanças que ocorrem... Schrödinger descreveu o enigma do emaranhamento em termos do que se pode responder a perguntas sobre as duas partículas emaranhadas, o que estabeleceu um precedente de explicar o emaranhamento em termos de conhecimento ( epistemologia ) sobre as partículas emaranhadas, em vez do que "realmente" pode estar acontecendo ( ontologia ). Gostaríamos que Einstein tivesse descrito o emaranhamento quântico como conhecimento à distância, em vez de ação fantasmagórica à distância ! Em nossa explicação do emaranhamento como resultado da conservação do momento linear (EPR) ou do momento angular de spin (EPR de Bohm-Bell), trata-se, obviamente, simplesmente do conhecimento sobre a segunda partícula que obtemos ao medir a primeira partícula. Schrödinger escreveu: O resultado da medição de p1 serve para prever o resultado de p1 e vice-versa. Mas, é claro, cada uma das quatro observações em questão, quando efetivamente realizada, separa os sistemas, fornecendo a cada um deles um representante independente. Uma segunda observação, qualquer que seja e qualquer que seja o sistema em que seja executada, não produz nenhuma alteração adicional no representante do outro sistema. Schrödinger afirma que o sistema emaranhado pode se desemaranhar (separação de Einstein) e, ainda assim, algumas correlações perfeitas entre medições posteriores podem permanecer. Observe que o sistema emaranhado pode simplesmente sofrer decoerência como resultado de interações com o ambiente, conforme proposto pelos teóricos da decoerência. Os resultados perfeitamente correlacionados dos experimentos de desigualdade de Bell podem, no entanto, ser preservados, dependendo da interação. E, claro, elas serão separadas/descoerentes por uma medição de qualquer uma das partículas, por exemplo, por Alice ou Bob no caso do Teorema de Bell. Teorema de Bell
Seguindo a versão de David Bohm da equação EPR, John Bell considerou duas partículas de spin-1/2 em um estado emaranhado com spin total zero. Podemos reescrever a equação de separação de Schrödinger acima como | ψ > = (1/√2) | + - > - (1/√2) | - + >
Trata-se de uma superposição de dois estados, cada um dos quais conserva o spin total zero. O sinal negativo garante que o estado seja antissimétrico, mudando de sinal mediante a troca de elétrons idênticos. Schrödinger não menciona os princípios de conservação , a razão fundamental para as correlações perfeitas entre várias grandezas observáveis, ou seja, a conservação da massa, da energia, do momento linear, do momento angular e, no caso de Bell, do spin. Vamos supor que Alice faça uma medição da componente de spin de uma partícula, digamos a componente x. Primeiro, sua medição projeta o sistema emaranhado no
Sempre que Alice mede o spin para cima, Bob mede o spin para baixo, mas isso só acontece se ele medir a mesma componente x. Se Bob medir em qualquer outro ângulo, a anticorrelacão perfeita que distribui os pares de chaves quânticas para Alice e Bob se perderá. Seja uma cascata de cálcio ou uma conversão paramétrica espontânea descendente, no emaranhamento inicial os spins de duas partículas são projetados (causalmente) em um estado singleto cuja função de onda é esfericamente simétrica com spin total zero. Ele não possui direção espacial preferencial . Duas interações localmente causais dentro do aparato de emaranhamento inicial projetam as partículas emaranhadas em um estado quântico de duas partículas esfericamente simétrico Ψ AB que Erwin Schrödinger disse não poder ser representado como um simples produto de estados de partícula única independentes Ψ A Ψ B .
À medida que as partículas se afastam do aparato central C em direções opostas em direção aos dispositivos de medição em A e B, a função de onda de duas partículas está em um estado singleto esfericamente simétrico com momento angular de spin total zero. A função de onda é uma combinação linear ou superposição de Ψ A ↑ Ψ B ↓ + Ψ A ↓ Ψ B ↑ . O spin total zero é conservado como uma constante do movimento até que uma interação causal local em A ou B colapse a função de onda de duas partículas, decoerindo -a em um produto de estados de partícula única, seja Ψ A ↑ Ψ B ↓ ou Ψ A ↓ Ψ B ↑ . A constante do movimento não é um processo causal local como o emaranhamento inicial e as medições finais separadas, mas sim uma condição ou restrição que impõe limites aos resultados das medições. Schrödinger afirma que a medição final desemaranha as partículas. As partículas permanecem correlacionadas, mas a medição de uma não afetará mais a outra, disse ele. Contanto que as medições finais sejam feitas no mesmo ângulo pré-acordado, sua simetria planar manterá a simetria inicial, conservando nossa constante de movimento de spin total zero. As partículas produzirão estados de spin opostos perfeitamente correlacionados , seja para cima-para baixo ou para baixo-para cima. Os estados de spin individuais serão aleatoriamente para cima ou para baixo. Contudo, caso as medições em A e B não sejam feitas no mesmo plano, se os ângulos de medição diferirem por um ângulo θ, as correlações perfeitas serão reduzidas por cos² θ , como previsto pela mecânica quântica. Observamos que nenhuma informação é comunicada (em qualquer velocidade) entre A e B. Os dois bits de informação são criados localmente em A e em B, causados distalmente pelo emaranhamento inicial em C. Esses bits de informação não existiam enquanto as partículas estavam em trânsito para A e B. Eles foram causados proximalmente pelas medições causais locais em A e em B. A desigualdade de Bell foi um estudo de como essas correlações perfeitas diminuem em função do ângulo entre as medições de Alice e Bob. Bell previu que variáveis ocultas locais produziriam uma função linear desse ângulo, enquanto, segundo ele, a mecânica quântica deveria produzir uma dependência do cosseno desse ângulo. À medida que o ângulo muda, misturas de outros estados serão encontradas, por exemplo, |++> no qual Bob também mede spin para cima, ou um estado em que Bob não detecta nenhuma partícula. Bell escreveu que "Como podemos prever antecipadamente o resultado da medição de qualquer componente escolhido de σ 2 , medindo previamente o mesmo componente de σ 1 , segue-se que o resultado de qualquer medição desse tipo deve, na verdade, ser predeterminado." Mas observe que esses valores não foram determinados (eles sequer existiam, de acordo com a Interpretação de Copenhague ) antes da medição de Alice. Segundo Werner Heisenberg e Pascual Jordan , as componentes de spin são criadas pelas medições na direção x. Segundo Paul Dirac , o valor aleatório da componente x de Alice dependia da "escolha da natureza". Salto Quântico
Em 1952, Schrödinger escreveu dois artigos influentes no British Journal for the Philosophy of Science, negando o salto quântico. Esses artigos influenciaram grandemente gerações de negacionistas do colapso quântico, incluindo John Bell , John Wheeler , Wojciech Zurek e H. Dieter Zeh .
Sobre o determinismo e o livre-arbítrio
No epílogo místico de Schrödinger para seu ensaio " O Que É a Vida" (1944), ele "prova a existência de Deus e a imortalidade de uma só vez", mas nos deixa no escuro quanto ao livre-arbítrio .
Como recompensa pelo sério trabalho que tive para expor os aspectos puramente científicos do nosso problema sine ira et, studio , peço permissão para acrescentar a minha própria visão, necessariamente subjetiva, das implicações filosóficas. Ordem, desordem e entropia
Capítulo 6 de O Que É a Vida?
Normal | Professor | PesquisadorNec corpus mentem ad cogitandum, nec mens corpus ad motum, neque ad quietem, nec ad aliquid (si quid est) aliud determinare potente.' SPINOZA, Ética, Parte III, Prop.2 |