Falar de Mecânica Quântica para não físicos. Esta é a intenção da série de textos que vem sendo publicada pelo Portal Nossa Ciência. Depois de abordar a Mecânica quântica de bolso; Os elétrons na nossa rotina e a quântica que os habita; e Ondas e partículas, o professor Helinando Oliveira chega ao quarto texto da série.
Um observador que muda a cena que observa
Temos conversado sobre elétrons desde o início desta série de mecânica quântica. E temos feito comparações entre o mundo clássico e o quântico para testar hipóteses. Hoje falaremos sobre o papel do observador. No mundo clássico, observadores podem ser pessoas, já no mundo quântico, podem ser meros objetos, como um furo ou uma fenda.
Vamos ao mundo clássico: quando um eletricista mede a corrente elétrica em um equipamento qualquer, sabe que, ao colocar um amperímetro (medidor de corrente), a medição é afetada. O equipamento tem resistência interna, e sua inclusão no circuito altera o valor indicado. Para causar menos impacto na medida, seria necessário usar equipamentos mais sofisticados, com menor resistência interna e, portanto, bem mais caros.
Mas, mesmo assim, ele entende que medir a corrente altera o valor que antes circulava pelo circuito. Ele estima o erro e tem uma ideia de quanta corrente deveria passar antes de ele intervir. Ou seja, a medição em si afeta o processo. Isso torna a prática experimental em laboratório ainda mais desafiadora. O experimental tem noção do seu papel de perturbador e tenta ser o mais invisível possível, para que sua medida seja a mais próxima possível daquela que seria em sua ausência. Ou seja, mesmo no mundo clássico da nossa rotina, medir coisas afeta o que se mede. Obviamente, no mundo quântico, isso seria muito pior.
Lá, o fato de observar um elétron faz com que ele precise assumir um comportamento bem definido, coisa que não aconteceria se ele estivesse livre do “olho gordo da vizinhança”. Os físicos chamam isso de colapso da função de onda. Em linguagem livre, nossa personagem fictícia (Dorothy) – a personificação do elétron – precisa definir como vai aparecer aos olhos do observador uma vez que ele aparece. Ou seja, Dorothy, como várias versões de si mesma, só se define se alguém a observa.
A lua só existe quando você a observa?
É evidente que essa interpretação não foi fácil de se assimilar, levando à pergunta óbvia de Einstein: “Você realmente acredita que a Lua só existe quando você a observa?” que funcionou como uma crítica ferrenha à interpretação de Copenhagen, levantada por Niels Bohr e Werner Heisenberg de cunho radicalmente não determinístico. De modo livre, esta interpretação nos leva ao conceito de que o ato de medir leva o sistema a um colapso, a um valor bem definido. Para trazer a uma interpretação cotidiana deste princípio, Einstein e Schrödinger tentaram expandir os conceitos quânticos para o mundo macroscópico. E entre as discussões surge um paradoxo no mínimo curioso, o problema do gato de Schrödinger:
A versão original do gato de Schrödinger considera um conjunto de elementos que pode tornar a análise um pouco complexa. Basicamente, o experimento mental consiste em colocar um gato dentro de uma caixa, na presença de um contador Geiger, um martelo, material radioativo e um frasco de veneno. O pior deste processo é acreditar que o gato ainda permaneça quieto perto desta montagem complicada… Mas sigamos. A ideia é que o material radioativo tem a mesma probabilidade de decair ou não decair. Ao decair, aciona o medidor Geiger, que, por sua vez, aciona o martelo, que quebra o frasco de veneno e mata o gato.
Nos dias de hoje, seria como termos um lançador automático de moeda, que se cair com a cara (ou coroa) para cima, dispara uma válvula que libera veneno para matar o gato. Logo, teremos 50% de chance de o gato estar vivo e 50% de chance de estar morto.
Ora, com a caixa fechada, poderíamos dizer que, em um dado momento, o gato estaria vivo e morto, ou seja, o felino estaria em uma superposição de estados (vivo e morto) simultaneamente. Porém, ao abrir a caixa, o observador verifica se o gato está vivo ou morto. De alguma forma, o ato de intervir no evento exigiu que a superposição de estados assumisse um só valor (o de vivo ou o de morto), o que demonstra a quão contraintuitiva é a mecânica quântica. E seguindo pela trilha de Dorothy (o elétron) no mundo quântico, na próxima semana falaremos de um fenômeno ainda mais estranho: o tunelamento quântico. Até lá.
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Helinando Oliveira é físico, professor titular da Universidade Federal do Vale do São Francisco (Univasf) e atualmente é vice presidente da Academia Pernambucana de Ciência