Uma Partícula Em Dois Caminhos: A Física Quântica Está Certa

Pela Universidade de Tecnologia de Viena | Phys.Org

Laboratório do ILL em Grenoble Laurent Thion, ILL. Crédito: Universidade de Tecnologia de Viena

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O experimento da dupla fenda é o mais famoso e provavelmente o mais importante experimento da física quântica: partículas individuais são atiradas em uma parede com duas aberturas, atrás das quais um detector mede onde as partículas chegam.

Isso mostra que as partículas não se movem ao longo de um caminho muito específico, como é conhecido pelos objetos clássicos, mas ao longo de vários caminhos simultaneamente: cada partícula individual passa pela abertura esquerda e direita.

Normalmente, no entanto, isso só pode ser comprovado realizando o experimento repetidamente e avaliando os resultados de muitas detecções de partículas no final.

Na TU Wien, os pesquisadores desenvolveram uma nova variante de um experimento de interferência bidirecional que pode corrigir essa falha: um único nêutron é medido em uma posição específica – e devido à configuração de medição sofisticada, essa medição única já prova que a partícula se moveu ao longo de dois caminhos diferentes ao mesmo tempo. É até possível determinar a razão em que o nêutron foi distribuído entre os dois caminhos.

Assim, o fenômeno da superposição quântica pode ser comprovado sem precisar recorrer a argumentos estatísticos. Os resultados já foram publicados na revista Physical Review Research.

▪️ O experimento da dupla fenda

“No experimento clássico de fenda dupla, um padrão de interferência é criado atrás da fenda dupla”, explica Stephan Sponar, do Instituto Atômico da TU Wien. “As partículas se movem como uma onda através de ambas as aberturas ao mesmo tempo, e as duas ondas parciais então interferem uma na outra. Em alguns lugares elas se reforçam, em outros lugares elas se cancelam.”

A probabilidade de medir a partícula atrás da dupla fenda em um local muito específico depende desse padrão de interferência: onde a onda quântica é amplificada, a probabilidade de medir a partícula é alta. Onde a onda quântica é cancelada, a probabilidade é baixa.

Claro, esta distribuição de ondas não pode ser vista olhando para uma única partícula. Somente quando o experimento é repetido muitas vezes o padrão de onda se torna cada vez mais reconhecível ponto por ponto e partícula por partícula.

“Então, o comportamento de partículas individuais é explicado com base em resultados que só se tornam visíveis através da investigação estatística de muitas partículas”, diz Holger Hofmann, da Universidade de Hiroshima, que desenvolveu a teoria por trás do experimento. “É claro que isso não é totalmente satisfatório. Portanto, consideramos como o fenômeno da interferência bidirecional pode ser comprovado com base na detecção de uma única partícula.”

▪️ Girando o nêutron

Isso foi possível com a ajuda de nêutrons na fonte de nêutrons do ILL em Grenoble: os nêutrons são enviados para um cristal que divide a onda quântica do nêutron em duas ondas parciais, muito semelhantes ao experimento clássico de dupla fenda.

As duas ondas de nêutrons parciais se movem ao longo de dois caminhos diferentes e são recombinadas novamente. Eles interferem e são então medidos.

Além disso, porém, outra propriedade do nêutron é explorada: seu spin – o momento angular da partícula.

Pode ser influenciado por campos magnéticos, o momento angular do nêutron aponta em uma direção diferente. Se o spin do nêutron é girado em apenas um dos dois caminhos, é possível determinar depois qual caminho ele tomou.

No entanto, o padrão de interferência então também desaparece, como consequência da complementaridade na mecânica quântica .

“Por isso, giramos um pouco o spin do nêutron”, explica Hartmut Lemmel, o primeiro autor da publicação atual.

“Então o padrão de interferência permanece, porque você só pode obter muito pouca informação sobre o caminho.

Para ainda obter informações precisas do caminho, essa medição ‘fraca’ é repetida muitas vezes em experimentos convencionais.

No entanto, obtém-se apenas uma declaração estatística sobre todo o conjunto de nêutrons e pode dizer pouco sobre cada nêutron individual.”

▪️ Invertendo a rotação

A situação é diferente se, após a fusão das duas ondas parciais de nêutrons, outro campo magnético for usado para retornar o spin novamente.

Por tentativa e erro, determina-se o ângulo de rotação necessário para retornar o spin do estado sobreposto à direção original. A força dessa rotação é uma medida de quão forte o nêutron estava presente em cada caminho. Se ele tivesse tomado apenas o caminho no qual o spin foi girado, o ângulo de rotação completo seria necessário para girá-lo de volta.

Se tivesse tomado apenas o outro caminho, nenhuma rotação reversa seria necessária. No experimento realizado com um divisor de feixe assimétrico especial, foi demonstrado que os nêutrons estavam presentes em um terço em um caminho e em dois terços no outro.

Por meio de cálculos detalhados, a equipe conseguiu mostrar: Aqui, não se detecta apenas um valor médio sobre a totalidade de todos os nêutrons medidos, mas a afirmação se aplica a cada nêutron individual.

São necessários muitos nêutrons para determinar o ângulo de rotação ideal, mas assim que isso é definido, a presença de caminho determinada a partir dele se aplica a cada nêutron detectado.

“Nossos resultados de medição apoiam a teoria quântica clássica”, diz Stephan Sponar. “A novidade é que não é preciso recorrer a argumentos estatísticos insatisfatórios: ao medir uma única partícula, nosso experimento mostra que ela deve ter percorrido dois caminhos ao mesmo tempo e quantifica as respectivas proporções de forma inequívoca.”

Isso exclui interpretações alternativas da mecânica quântica que tentam explicar o experimento da dupla fenda com partículas localizadas.

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Mais informações: Hartmut Lemmel et al, Quantifying the presence of a neutron in the paths of an interferometer, Physical Review Research (2022). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.023075

Filosofia quântica: Quatro maneiras pelas quais a física desafiará sua realidade

25 de dezembro de 2020, por Peter Evans | ScienceX

Crédito CC0: domínio público

Imagine abrir o jornal do fim de semana e procurar nas páginas de quebra-cabeça o Sudoku. Você passa a manhã trabalhando neste quebra-cabeça lógico, apenas para perceber, pelos últimos quadrados, que não há uma maneira consistente de terminá-lo.

“Devo ter cometido um erro”, você pensa. Então você tenta de novo, desta vez começando da curva que você não conseguiu terminar e voltando ao contrário. Mas a mesma coisa acontece novamente. Você está nos últimos quadrados e descobre que não há solução consistente.

Trabalhar a natureza básica da realidade de acordo com a mecânica quântica é um pouco como um Sudoku impossível. Não importa onde comecemos com a teoria quântica, sempre terminamos em um enigma que nos força a repensar a maneira como o mundo funciona fundamentalmente. (Isso é o que torna a mecânica quântica tão divertida.)

Deixe-me levá-lo em um breve tour, pelos olhos de um filósofo, do mundo de acordo com a mecânica quântica.

1. Ação fantasmagórica à distância

Até onde sabemos, a velocidade da luz (cerca de 300 milhões de metros por segundo) é o limite de velocidade final do universo. Albert Einstein zombou da perspectiva de sistemas físicos influenciando uns aos outros mais rápido do que um sinal de luz poderia viajar entre eles.

Na década de 1940, Einstein chamou isso de “ação fantasmagórica à distância“. Quando a mecânica quântica havia parecido predizer tais acontecimentos assustadores, ele argumentou que a teoria ainda não deveria estar terminada, e alguma teoria melhor contaria a história verdadeira.

Sabemos hoje que é muito improvável que exista uma teoria melhor. E se pensamos que o mundo é feito de peças independentes e bem definidas de “coisas”, então nosso mundo tem que ser um onde ações fantasmagóricas à distância entre essas peças sejam permitidas.

2. Afrouxando nosso controle sobre a realidade

“E se o mundo não for feito de peças bem definidas e independentes de ‘coisas’?” Eu ouço você dizer. “Então podemos evitar essa ação assustadora?”

Sim, nós podemos. E muitos na comunidade da física quântica também pensam assim. Mas isso não seria um consolo para Einstein.

Einstein teve um longo debate com seu amigo Niels Bohr, um físico dinamarquês, sobre essa mesma questão. Bohr argumentou que deveríamos realmente desistir da ideia de que as coisas do mundo estão bem definidas, para que possamos evitar ações assustadoras à distância. Na visão de Bohr, o mundo não tem propriedades definidas a menos que estejamos olhando para ele. Quando não estamos olhando, pensou Bohr, o mundo como o conhecemos não está realmente lá.

Mas Einstein insistiu que o mundo tem que ser feito de alguma coisa, olhemos para ele ou não, caso contrário não poderíamos falar uns com os outros sobre o mundo, e a ciência também. Mas Einstein não poderia ter um mundo bem definido e independente e nenhuma ação fantasmagórica à distância … ou poderia?

3. De volta ao futuro

O debate Bohr-Einstein é algo razoavelmente conhecido na história da mecânica quântica. Menos familiar é o canto nebuloso deste quebra-cabeça de lógica quântica, onde podemos resgatar um mundo independente e bem definido e nenhuma ação assustadora. Mas precisaremos ficar estranhos de outras maneiras.

Se fazer um experimento para medir um sistema quântico no laboratório pudesse afetar de alguma forma como o sistema era antes da medição, então Einstein poderia ter seu bolo e comê-lo também. Essa hipótese é chamada de “retrocausalidade“, porque os efeitos de fazer o experimento teriam que viajar para trás no tempo.

Se você acha isso estranho, você não está sozinho. Essa não é uma visão muito comum na comunidade da física quântica, mas tem seus defensores. Se você se depara com a necessidade de aceitar ações fantasmagóricas à distância, ou não ter o mundo como o conhecemos quando não olhamos, a retrocausalidade não parece uma opção tão estranha, afinal.

4. Sem vista do Olimpo

Imagine Zeus empoleirado no topo do Monte Olimpo, inspecionando o mundo. Imagine que ele pudesse ver tudo o que aconteceu e vai acontecer, em todos os lugares e para sempre. Chame isso de “visão de Deus” do mundo. É natural pensar que o mundo deve existir de alguma forma, mesmo que só possa ser conhecido por um Deus que tudo vê.

Pesquisas recentes em mecânica quântica sugerem que uma visão de mundo do olho de Deus é impossível, mesmo em princípio. Em certos cenários quânticos estranhos, diferentes cientistas podem olhar cuidadosamente para os sistemas em seus laboratórios e fazer registros completos do que vêem – mas eles discordarão sobre o que aconteceu quando compararem as anotações. E pode muito bem não haver nenhum fato absoluto sobre quem está certo – nem mesmo Zeus poderia saber!

Portanto, da próxima vez que você encontrar um Sudoku impossível, tenha certeza de que está em boa companhia. Toda a comunidade da física quântica, e talvez até o próprio Zeus, sabe exatamente como você se sente.

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[Obs: Este blog não corrobora com todas as assertivas, filosóficas, teológicas do texto]

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Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original. Esta história faz parte do Science X Dialog, onde os pesquisadores podem relatar as descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar.

A Informação É A Base Do Universo?

Por Evolution News – Michael Egnor

[Obs: Texto adaptado – O artigo possui alguns links em inglês – Vídeo adicionado (Não tem no artigo original) no final do artigo do PhD Stephen Meyer, sobre biologia e informação – Vídeos legendados em português, ative as legendas]

 

Big Think tem um artigo interessante, “A Base do Universo Pode Não Ser Energia ou Matéria, Mas Informação“. O autor, Philip Perry, escreve:

Existem muitas teorias sobre qual é a base do universo. Alguns físicos dizem que são partículas subatômicas. Outros acreditam que é energia ou mesmo o espaço-tempo. Uma das teorias mais radicais sugere que a informação é o elemento mais básico do cosmos. Embora esta linha de pensamento emana de meados do século 20, parece estar hoje, desfrutando um pouco de um renascimento entre uma série de cientistas proeminentes.

Considere que, se soubéssemos a composição exata do universo e todas as suas propriedades e tivéssemos energia e conhecimentos suficientes para nos basear, teoricamente, poderíamos dividir o universo em vários 0 e 1 (bits) e usar essa informação, reconstruindo-o de baixo para cima. É a informação; dizem os provedores desta visão, trancada dentro de qualquer componente singular, que nos permite manipular a matéria da forma que escolhermos…

Perry discute várias abordagens para a teoria da informação (por exemplo, informações Shannon), e ele traz o físico teórico John Archibald Wheeler:

[Wheeler] em seus últimos anos foi um forte defensor da teoria da informação. Outro exemplo de ciência desconhecida, Wheeler era um veterano do Projeto Manhattan, cunhou os termos “buraco negro” e “buraco de minhoca”, ajudou a elaborar a “matriz S” com Neils Bohr e colaborou com Einstein em uma teoria unificada da física.

Wheeler disse que o universo tinha três partes: primeiro, “Todas As Coisas São Partículas“, em segundo lugar, “Todas As Coisas São Campos” e, em terceiro lugar, “Todas As Coisas São Informação“. Na década de 1980, ele começou a explorar possíveis conexões entre a teoria da informação e a mecânica quântica. Foi durante este período que ele cunhou a frase “A partir do pouco“. A idéia é que o universo emana da informação inerente a ele. Cada um deles ou uma partícula é um bit. É a partir do bit.

Em 1989, Wheeler produziu um paper para o instituto de Santa Fé, onde ele anunciou, “tudo” – cada partícula, cada campo de força, mesmo o próprio espaço-tempo contínuo – deriva sua função, seu significado, sua própria existência inteira – mesmo que em alguns contextos, indiretamente – do aparelho [respostas evocadas por equipamentos] – produzindo respostas sim-ou-não para perguntas, através de escolhas binárias, bits “.

No mundo dominado por materialistas da ciência moderna, é natural inferir que a matéria (ou campos que movem a matéria) é a realidade fundamental. Mas uma análise cuidadosa da natureza, e particularmente da biologia, sugere que a informação é a realidade básica, da qual a matéria é um meio em que a informação é manifesta.

A centralidade da informação para o mundo natural, e particularmente para o mundo biológico, tem sido a tese orientadora do movimento do design inteligente. Meus colegas, Bill Dembski e Stephen Meyer, em particular, escreveram extensivamente sobre a importância da teoria da informação na compreensão da natureza. Nós, no movimento do DI, apenas continuamos uma linha de pesquisa que remonta bastante ao passado.

 

 

O que chamamos de informação é melhor definido como “limitação de resultados” na natureza. A informação é a limitação de configurações particulares e funções da matéria. Os sistemas de informação baixos são caóticos, exibindo uma grande quantidade de estados e relacionamentos (pense nas configurações incontáveis ​​de moléculas de água no oceano). Sistemas de informação elevados, como seres vivos, têm um conjunto restrito de estados e funções. As coisas vivas são mantidas vivas pela homeostase, que é a notável tendência da vida de manter um ambiente fisiológico interno constante. Compreender e manter a homeostase é, por exemplo, essencial para a prática da medicina, onde doenças e ferimentos podem ser entendidos como distúrbios da homeostase.

A tradicional compreensão hilemórfica da natureza – desenvolvida pelos filósofos escolásticos que foram os precursores da Revolução Científica – enfatizava a centralidade da informação (como limitação) de uma forma bastante dramática (e eu acho bastante precisa). Na compreensão hilemórfica, matéria e forma são manifestações de uma realidade mais fundamental, que é potência e ação. A potência é a gama de possibilidades inerentes a uma coisa. O ato é a realidade da coisa, como ela realmente é. Ou seja, agir (forma) é o que faz algo real, e não apenas possível. Usando a terminologia moderna, a informação (forma) é o que torna a natureza real.

Na natureza, a forma se reflete na inteligibilidade de uma coisa. A causa final, que é a teleologia, é a meta para a qual a mudança natural é direcionada e, na natureza (ao contrário dos artefatos), as causas formais e finais são geralmente as mesmas. O crescimento de um fruto em um carvalho tem uma causa formal, a qual é tudo o que pode ser conhecido sobre o carvalho – sua estrutura, função, etc. – e tem uma causa final que é idêntica à sua causa formal. A forma do carvalho também é o que torna o carvalho real, e não apenas o potencial.

As causas formais e finais são, portanto, limitações em estados e funções particulares que uma coisa pode ter. Nesse sentido, as causas formais e finais refletem a informação inerente a uma coisa. Isso se reflete na própria palavra – “in-form-ação” [ in-form-ation].

A informação então, entendida tipicamente como causa formal e final, não é meramente a base da natureza, é o que torna a natureza real, e não o potencial, e essa realidade é exatamente o que é inteligível sobre a natureza. A realidade e inteligibilidade da natureza é aquilo que é mais básico, e é uma informação que confere realidade e inteligibilidade ao mundo natural.

Perry fecha com uma reflexão sobre a fonte da informação da natureza:

Se a natureza da realidade é de fato redutível à própria informação, isso implica em uma mente consciente no destinatário, para interpretá-la e compreendê-la. O próprio Wheeler acreditava em um universo participativo, onde a consciência ocupa um papel central. Alguns cientistas argumentam que o cosmos parece ter propriedades específicas que lhe permitem criar e sustentar a vida. Talvez o que mais se deseje, seja um público cativado e admirado, envolvido em prodigioso esplendor.

Perry chegou perto de reconhecer um designer da natureza, mas suspeita-se que a correção ideológica materialista/ateísta que aflige a ciência, o dissuadiu de chegar a conclusão óbvia. A centralidade da informação da natureza implica uma mente no fim do recebimento – a forma é, afinal, apenas aquilo que é inteligível sobre uma coisa – mas ainda mais importante, a informação pressupõe uma mente no fim da criação.

As formas podem existir nas mentes e nas coisas, mas a existência de causas formais e finais na natureza pressupõe uma mente que direciona os processos naturais para os fins inteligíveis reais. Como Tomás de Aquino escreveu em Quinta Via, assim como inferimos um arqueiro quando vemos uma flecha voando através do ar, é razoável inferir uma mente que visa os processos da natureza de acordo com as regularidades e as leis físicas.

A informação, entendida como causa formal e final, é o que torna a natureza real. E a informação pressupõe um designer.

 

No mundo quântico, o futuro afeta o passado

 

Inovação Tecnológica.

Veja como existem duas realidades no cosmos que vivemos. A natureza da natureza exibe um mistério, enquanto a nível macro a realidade se comporta de uma forma, a nível micro, subatômico a realidade se comporta de outra forma. Algum problema?

Oras, pense: O que é essa realidade, do que ela é feita? Matéria?

Não seria o átomo o menor “pedaço” de matéria? Os mais íntimos da física sabem que não… 

Mas pense você, esse teclado é matéria ? Do tipo algo concreto? Parece que sim né?

Mas na verdade, não existe matéria, tudo o que forma seu teclado é um sistema, nesse sistema não existe matéria apenas probabilidades e pasme … A sua mente.

 

Agora preste atenção neste artigo:

Com informações da Universidade de Washington – 24/02/2015

 

As predições tradicionais (esquerda) ficam no 50-50, enquanto nas “previsões anômalas”, ou retrodições, (à direita) o acerto é de 9 para 1. [Imagem: D. Tan et al. (2015)]

O futuro afeta o passado

É muito comum usar dados do passado, as chamadas séries temporais, para prever o futuro. Mas, no mundo quântico, o futuro pode prever o passado com muito mais precisão.

Em uma espécie de jogo de adivinhação jogado com um qubit supercondutor, físicos da Universidade de Washington, nos Estados Unidos, descobriram uma maneira de aumentar muito as chances de adivinhar corretamente o estado de um sistema de dois estados – algo como acertar caras e coroas ao jogar uma moeda.

Combinando informações sobre a evolução do qubit depois de um tempo determinado, com informações sobre a sua evolução até aquele momento, a equipe conseguiu aumentar as chances de acerto dos tradicionais 50-50 para 90-10.

Mesmo se você souber tudo o que a mecânica quântica pode dizer sobre uma partícula quântica, explica o professor Kater Murch, você não pode prever com certeza o resultado de um experimento simples para medir o estado dessa partícula. Tudo o que a mecânica quântica pode nos oferecer são probabilidades estatísticas para os possíveis resultados.

Neste experimento, contudo, é como se o que fizemos hoje mudasse o que fizemos ontem. E, como esta analogia sugere, este resultado experimental tem implicações assustadoras sobre o nosso conceito de tempo e de causalidade – pelo menos no mundo microscópico onde a mecânica quântica se aplica.

 

Vários experimentos, dos mais diversos tipos, têm questionado a noção tradicional de causa e efeito. [Imagem: IQOQI/Vienna]

 

 

Adivinhação quântica

O dispositivo usado no experimento é um circuito supercondutor simples – um qubit – que passa a obedecer as regras do mundo quântico quando é resfriado até perto do zero absoluto. A equipe usou dois níveis de energia desse qubit – o estado fundamental e um estado excitado – como modelo do sistema quântico. Entre estes dois estados, há um número infinito de estados quânticos que são superposições, ou combinações, dos estados fundamental e excitado.

O estado quântico do circuito é detectado colocando-o dentro de uma caixa de micro-ondas. Uns poucos fótons de micro-ondas são enviados para a caixa, onde os seus campos interagem com o circuito supercondutor. Então, quando os fótons saem da caixa, eles possuem informações sobre o sistema quântico.

Essas “medições fracas” não perturbam o qubit, ao contrário das “medições fortes”, feitas com fótons que são ressonantes com a diferença de energia entre os dois estados, que fazem o circuito colapsar em um ou outro estado.

É algo como um jogo de adivinhação quântica, no qual os estados do qubit fazem as vezes da cara e coroa de uma moeda.

Previsão retrospectiva

“Nós começamos cada rodada colocando o qubit em uma superposição dos dois estados,” explica Murch. “Então nós fazemos uma medição forte, mas escondemos o resultado, e continuamos monitorando o sistema com medições fracas. Calculando para a frente, usando a equação de Born que expressa a probabilidade de encontrar o sistema em um estado particular, suas chances de acertar são apenas de 50-50.”

“Mas você também pode calcular para trás usando algo chamado matriz de efeito. Basta pegar todas as equações e invertê-las. Elas ainda funcionam e você pode simplesmente rastrear a trajetória rumo ao passado.

 

 

 

Os físicos têm debatido intensamente se o futuro pode afetar o passado se o tempo é real ou é uma ilusão e até mesmo se o futuro do Universo pode estar influenciando o presente. [Imagem: Cortesia Shutterstock/Sam72]

“Portanto, há uma trajetória indo em um curso para trás e uma trajetória indo para a frente, e, se olharmos as duas juntas e pesarmos a informação em ambas igualmente, temos algo que chamamos de uma previsão retrospectiva, ou ‘retrodição’,” diz Murch.

O espantoso sobre essa espantosa “retrodição” é que ela tem uma precisão de 90%. Quando a equipe tenta prever o resultado da medição forte que feita inicialmente e armazenada, o cálculo acerta nove vezes em cada 10 tentativas.

Em outras palavras, diz Murch, o futuro prevê o passado no mundo quântico.

Flecha do tempo e causalidade

Isto tem implicações para problemas muito profundos da física e da interpretação da realidade, incluindo a tradicional “lei de causa e efeito“.

O resultado sugere, por exemplo, que, no mundo quântico o tempo roda tanto para trás quanto para a frente, enquanto que, no mundo clássico em que interagimos, o tempo parece só correr para a frente.

“Não está claro por que no mundo real, o mundo constituído por muitas partículas, o tempo só vai para a frente e a entropia sempre aumenta,” disse Murch. “Mas muitas pessoas estão trabalhando nesse problema e eu espero que isso seja resolvido em poucos anos”.

• No princípio era o tempo

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Bibliografia:

Prediction and retrodiction for a continuously monitored superconducting qubit
D. Tan, S. J. Weber, I. Siddiqi, Klaus Molmer, Kater W. Murch
Physical Review Letters
Vol.: Accepted paper
http://arxiv.org/abs/1409.0510

A mecânica quântica de campos – O que é real? – Parte II

Eis a continuação do artigo sobre mecânica quântica, a primeira parte você pode ver aqui.

Segue o artigo:

Problemas com as Partículas

Um caso extremo em que as partículas são não identificáveis é o vácuo, que na teoria quântica de campos mostra propriedades paradoxais. É possível ter um vácuo geral – por definição, um estado de zero-partícula – e ao mesmo tempo observar algo muito diferente de vácuo em uma parte qualquer finita. Em outra palavras, sua casa pode estar completamente vazia mesmo que você encontre partículas por todos os lados. Se o corpo de bombeiros perguntar se ainda há alguém dentro de uma casa em chamas e você responder que não, os bombeiros poderão questionar sua sanidade quando descobrirem pessoas se acotovelando por todos os cantos.

Outra característica impressionante do vácuo na teoria quântica de campos é conhecida como efeito Unruh. Um astronauta em repouso poderá pensar que está no vácuo , enquanto outro astronauta em uma nave espacial em aceleração, poderá sentir-se imerso num banho térmico de inúmeras partículas. Esses pontos de vista discrepantes também ocorrem no perímetro de buracos negros e leva a conclusões paradoxais sobre o destino da matéria que se precipita no interior dele. Se a ideia de vácuo cheio de partículas parece absurda é porque a noção clássica de partículas está nos enganando;o que a teoria descreve é algo diferente. Se o número de partículas não depende do observador, então parece incoerente supor que partículas sejam os elementos básicos da matéria. Podemos admitir o fato de que várias características são independentes do observador, mas não exatamente o fato de que existem muitos blocos de construção.

Finalmente, a teoria propõe que essas partículas podem perder sua individualidade. No fenômeno intrigante do emaranhamento quântico, partículas podem ser assimiladas por um sistema maior e abandonar as propriedade que as distinguem entre si. As partículas prováveis compartilham não só as características inerentes como massa e carga, mas também propriedades espaciais e temporais como a faixa de posições em que podem ser encontradas. Quando as partículas são emaranhadas o observador não consegue distinguir uma da outra. Nessas condições ainda existem realmente dois objetos?

Teóricos poderão afirmar que duas partículas hipotéticas são entidades distintas. Os filósofos chamam essa regra de “ecceidade primitiva”. Por definição, a ecceidade não pode ser observada. A maioria dos físicos e filósofos não acredita muito nesses movimentos ad hoc. Ao contrário, parece que as duas partículas deixam de existir. O sistema emaranhado comporta-se como um todo indivisível e a noção de “parte” – deixe a partícula em paz – perde o sentido.

Problemas teóricos como esse envolvendo partículas desaparecem rapidamente diante da experimentação. O que um “detector de partículas” encontra alem de partículas? A resposta é que partículas são sempre uma inferência. Tudo o que um detector registra é um grande número de excitações dispersas do material do sensor. As dificuldades aumentam quando ligamos os pontos e inferimos a existência de trajetórias das partículas que podem ser seguidas no tempo.(Observação: uma minoria de interpretações da física quântica realmente referem-se a trajetórias bem definidas. Mas estão sujeitas as suas próprias dificuldades e prefiro ater-me ao ponto de vista padrão.)

Por isso analisemos a questão. Podemos imaginar as partículas como minusculas bolas de bilhar, mas o que os físicos modernos chamam de “partículas” não é nada disso. De acordo com a teoria quântica de campos objetos não podem ser localizados em uma região finita do espaço, não importa se a região é muito grande ou nebulosa demais. Além disso, o número de partículas depende do movimento do observador. Considerar todos esses resultados em conjunto soa como anunciar a morte da ideia de que a Natureza é constituída por qualquer coisa, como partículas semelhantes a bolas.

Com base nesta e outra percepções é possível concluir que “física de partículas” é um termo inadequado; o que os físicos continuam a chamar de partículas, realmente não existe. Deveríamos adotar o termo “partícula quântica”, mas o que justifica o uso da palavra “partícula” se praticamente nada sobrou da noção clássica [Eu (Jeph Simple) diria noção do mundo físico, que entendemos de acordo com nossos sentidos, visão, tato, olfato…] de partícula? É melhor enfrentar os fatos e abandonar o conceito. Alguns consideram essas dificuldades como evidências indiretas para uma interpretação pura de campo na teoria quântica de campos. Segundo esse raciocínio, partículas nada mais são que ondulações em um campo que preenche todo o espaço como um fluído invisível. [Nota minha( jeph Simple) : Foi exatamente isso que você leu; ondulações que preenchem o espaço como um FLUÍDO INVISÍVEL … Enfim a realidade é invisível, ao menos é construída por “entidades” invisíveis]
No entanto, como veremos a seguir, também não é fácil interpretar a teoria quântica de campos em termos de campos.

(Fim da segunda parte)

Não perca a continuação deste artigo. Que será sobre o problema com campos. Em breve estarei postando, você vai ver que aquilo que você pensa ser real,  não é exatamente como seus olhos veem.

O que essas informações me levaram a concluir?

Tais informações me levaram a ver este universo não mais como eu via antes, a partir de uma perspectiva sensorial humana, mesmo uma perspectiva refinada pela lógica, pela ciência séria, me fez adotar uma postura mais humilde, até perplexa sobre a “natureza da natureza”.

O universo é muito mais misterioso e inescrutável do que imaginamos… Para mim isso é óbvio pois ele é obra de uma Mente Divina. Quem poderia entender de verdade tal Mente tão Grandiosa???

Físicos separam uma partícula de suas propriedades

Em breve em vou postar a segunda parte de A mecânica quântica de campos – O que é real?

Hoje eu vou postar algo também ligado a quântica, e ficando ainda a pergunta … O que é real?

Esse artigo é do site Inovação Tecnológica.

 

Redação do Site Inovação Tecnológica – 30/07/2014

“Eu já vi um gato sem sorriso, mas um sorriso sem gato…” Alice.[Imagem: Vienna University of Technology]

 

Gato quântico

Imagine uma bola rolando.

Agora imagine separar as duas coisas, a bola de um lado e o seu “rolamento” de outro.

Talvez seja mais fácil se lembrar do Gato que Ri, ou Gato Cheshire, o personagem de Alice no País das Maravilhas: o gato sumia, mas seu sorriso ficava.

Um sorriso sem gato, um giro sem bola – ainda que tudo pareça fantasia, agora se comprovou que isto é bem real no mundo da Física Quântica.

Físicos conseguiram pela primeira vez separar as propriedades de uma partícula da própria partícula.

O experimento mostrou que o momento magnético – também conhecido como spin, ou giro – de um nêutron pode ser medido de forma independente do próprio nêutron.

Esta é a primeira observação experimental de um novo paradoxo quântico batizado de “Paradoxo do Gato de Cheshire” – lembrando o já bem conhecido Gato de Schrodinger, que pode ficar vivo e morto ao mesmo tempo, ou em 101 outros estados simultaneamente.

A ideia básica de um Gato de Cheshire Quântico consiste em separar as propriedades de um objeto da sua localização física, de modo que os dois possam ser medidos em lugares diferentes.

Superposição

Enquanto na nossa experiência cotidiana os objetos são espacialmente ligados às suas propriedades, as leis da mecânica quântica permitem que as partículas assumam diferentes estados físicos ao mesmo tempo, um fenômeno conhecido como superposição.

Por exemplo, se um feixe de nêutrons é dividido em dois usando um cristal, os nêutrons individuais não precisam decidir qual dos dois caminhos tomar. Em vez disso, eles podem viajar ao longo de ambos os caminhos ao mesmo tempo, em uma superposição quântica – pelo menos até você tentar encontrá-los, quando então eles “colapsam” em um dos dois caminhos.

Como seu nome indica, os nêutrons não são eletricamente carregados, mas eles carregam um momento magnético – seu spin, ou orientação magnética, uma propriedade que descreve a força que um campo magnético externo exerce sobre a partícula.

O que Yuji Hasegawa e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, fizeram agora foi forçar os nêutrons a viajar por um caminho diferente do seu momento magnético.

A partícula segue um caminho, mas sua propriedade vem pelo caminho oposto. [Imagem: Tobias Denkmayr et al. – 10.1038/ncomms5492]

Partícula de um lado, propriedade do outro

O experimento começa com um feixe de nêutrons sendo dividido em duas partes por um interferômetro.

Em seguida, os spins dos nêutrons em cada um dos dois feixes são deslocados em diferentes direções: o feixe de nêutrons superior assume um spin paralelo à trajetória dos nêutrons, enquanto o spin dos nêutrons do feixe inferior aponta na direção oposta.

Quando os dois feixes são recombinados, o experimento se concentra apenas nos nêutrons que têm uma rotação paralela à sua direção de movimento – todos os outros são simplesmente ignorados, algo que os físicos chamam de “pós-seleção”.

Esses nêutrons – com um spin paralelo à sua direção de movimento – devem claramente ter viajado pelo caminho superior, pois somente lá os nêutrons têm esse estado de spin.

As coisas ficam interessantes quando um campo magnético é usado para mudar ligeiramente o spin dos nêutrons em um dos feixes, já que, quando os dois feixes são recombinados, eles podem se amplificar ou se cancelar.

É exatamente isto o que se vê na medição se o campo magnético for aplicado ao feixe inferior – mas esta é a rota que os nêutrons selecionados no experimento nunca deveriam ter tomado. Se o campo magnético é aplicado ao feixe superior, ele não produz qualquer efeito no feixe recombinado.

“Ao longo de um dos caminhos, as próprias partículas acoplam-se ao nosso dispositivo de medição, mas somente o outro caminho é sensível ao acoplamento magnético do spin. O sistema se comporta como se as partículas estivessem espacialmente separadas de suas propriedades,” conclui o físico Tobias Denkmayr.

Apesar do aspecto um tanto ameaçador, esta é a fonte de nêutrons do Instituto Laue-Langevin, onde o Gato Que Ri Quântico foi criado. [Imagem: ILL]

 

 

Ruídos quânticos

Apesar de tudo muito estranho, detectar o sorriso e o gato em locais diferentes pode ter aplicações práticas.

Os pesquisadores afirmam que o mecanismo poderá ser usado para remover “ruídos” e melhorar a resolução de medições de alta precisão.

Por exemplo, recentemente se demonstrou que técnicas para superar a velocidade da luz não conseguem transmitir dados por conta desses ruídos. E uma equipe brasileira está lidando com as interferências para criar novos métodos para a troca de informações em computadores quânticos.

“Considere um sistema quântico que tenha duas propriedades: você quer medir a primeira com muita precisão, mas a segunda torna o sistema propenso a perturbações. As duas podem ser separadas usando um Gato Que Ri Quântico e, possivelmente, a perturbação pode ser minimizada,” disse Stephan Sponar, outro membro da equipe.

Segundo o grupo, tudo indica que esta nova técnica pode ser aplicada a qualquer propriedade de qualquer objeto quântico – objetos que se comportam segundo os ditames da mecânica quântica, como átomos, fótons e partículas subatômicas.

 

Bibliografia:

Observation of a quantum Cheshire Cat in a matter-wave interferometer experiment
Tobias Denkmayr, Hermann Geppert, Stephan Sponar, Hartmut Lemmel, Alexandre Matzkin, Jeff Tollaksen, Yuji Hasegawa
Nature Communications
Vol.: 5, Article number: 4492
DOI: 10.1038/ncomms5492

A mecânica quântica de campos – O que é real? – Parte I

Eu desde a minha infância tenho paixão por animais. Lembro-me de preferir livros que falavam sobre os animais em geral e seus comportamentos a livros de contos infantil. Sempre gostei de programas que favam sobre bichos. A aula que mais gostava era biologia, nem passava pela minha cabeça questões sobre a validade da teoria da evolução, eu só tinha olhos para os seres vivos.

Enfim, meu blog é muito dedicado a biologia, meu debate sobre ateísmo, naturalismo, materialismo; gira muito em torno dela, sou um defensor ferrenho da Teoria do Design Inteligente a TDI.

Vou continuar lendo e postando muito sobre biologia mas hoje eu quero publicar sobre algo que também vem me causando paixão, algo que sou leigo, ignorante, mas vem me fascinando, além é claro de desafiar nossa noção de espaço e tempo e envergonhar o materialismo reducionista, o materialismo filosófico e até quem sabe o naturalismo.

Do que eu estou falando?… Da mecânica quântica de campos.

Eu vou publicar uma matéria em partes, pois a matéria é grande e meu tempo para escrever é escasso; que foi publicada na revista Science American Brasil do Ano passado [2013], do mês de setembro, Ano 11, número 136; páginas 35 a 41.

É muito esclarecedora e interessante, espero que você goste, eu fiz alguns brevíssimos comentários que estão em vermelho, enfim é opinião minha e não da revista.

Boa leitura…

Não é que falte aos físicos uma teoria válida do domínio subatômico.Ela existe: é chamada teoria quântica dos campos. Teóricos a desenvolveram entre o fim dos anos 20 e o início da década de 50 misturando a antiga teoria da mecânica quântica com a teoria da relatividade especial de Einstein. A teoria quântica de campos fornece as bases conceituais do Modelo Padrão da física de partículas para descrever os blocos de construção fundamental da matéria e suas interações em um sistema comum. Em termos de precisão empírica é a teoria mais bem sucedida da história da ciência. Ela é rotineiramente usada pelos físicos para calcular o resultado de colisões entre partículas, explicar a síntese da matéria no big bang [eu não acredito no surgimento acidental do universo] e as condições extremas dentro do núcleo atômico entre vários outros fenômenos.

Por isso pode parecer surpreendente que os físicos não estejam muito certos sobre o que a teoria propõe, isto é, qual a sua “ontologia” ou qual o seu quadro físico básico. Essa perplexidade não está incluída entre os mistérios tão discutidos da mecânica quântica, como se um gato numa caixa lacrada possa estar vivo e morto ao mesmo tempo. A falta de uma interpretação bem fundamentada da teoria quântica de campos dificulta os avanços no sentido de provar o que quer que esteja além do Modelo Padrão, como a teoria de cordas [ a qual sou cético]. É perigoso formular uma nova teoria quando ainda não entendemos a de que já dispomos.

A primeira vista, a essência do Modelo Padrão parece óbvia. Ele consiste, fundamentalmente, em grupos de partículas elementares, como quarks e elétrons, e em quatro tipos de campos de força que intermedeiam as interações entre essas partículas. esse quadro encontra-senas paredes das salas de aula e em artigos da Science American Brasil. Mas, por atraente que possa parecer, não é, absolutamente, satisfatório.

Para iniciantes [como eu] as duas categorias se confundem. a teoria quântica de campos atribui um campo a cada tipo de partícula elementar; assim é possível garantir que existe um campo do elétron da mesma forma que existe um campo magnético. Além disso, os campos de força não são contínuos, mas quantizados, o que dá origem a partículas como o fóton. Por isso a distinção entre partículas e campo parece ser artificial e geralmente é tratada como se cada um fosse o ponto mais importante. O debate tem se concentrado em torno da teoria quântica de campo ser a última palavra sobre as partículas ou campos. A discussão se iniciou como uma batalha de titãs, com eminentes físicos e filósofos de cada lado. Ainda hoje os dois conceitos continuam a ser usados para fins ilustrativos, embora muitos físicos admitam que conceitos clássicos não se encaixam na teoria. Se as imagens mentais evocadas pelos termos “partícula” e “campo” não se ajustam ao que a teoria formula, físicos e filósofos devem pensar em que colocar no lugar.

Com as duas opções-padrão clássicas paralisadas, alguns teóricos propuseram alternativas mais radicais. Eles sugerem que os constituintes básicos do mundo material são entidades intangíveis, como relações ou propriedades. Uma ideia particularmente radical é que tudo pode ser reduzido apenas a intangíveis, sem qualquer referencia a objetos individuais. É uma ideia revolucionária e contraintuitiva, mas alguns sugerem que ela esta sendo imposta pela física [ou seja, os dados, rsrsrsrs]

PROBLEMAS COM PARTÍCULAS

Quando a maioria das pessoas, incluindo especialistas, idealiza a realidade subatômica normalmente imagina que as partículas comportam-se como pequenas bolas de bilhar em choque umas com as outras. Mas essa noção de partículas é remanescente de uma visão do mundo que remonta aos antigos atomistas gregos e que atingiu o auge com as teorias de Isaac Newton. Várias linhas de pensamento que se superpõem mostram que as principais unidades centrais da teoria quântica de campos não se comportam de forma alguma como bolas de bilhar.

Primeiro, o conceito clássico de partículas implica algo que existe em certo local. Mas as “partículas” da teoria quântica de campos não tem posição bem definida: uma partícula no interior de seu corpo não está rigorosamente dentro do seu corpo. Um observador que tentar medir sua posição terá uma probabilidade pequena, mas não nula, de detecta-la nos locais mais remotos do Universo.Essa contradição se tornou evidente com as primeiras formulações da mecânica quântica, mas se intensificou quando os teóricos juntaram a mecânica quântica a teoria da relatividade. Partículas quânticas relativísticas são extremamente ardilosas; elas não se localizam absolutamente em nenhuma região do Universo.

Segundo, suponha uma partícula localizada na cozinha de sua casa. Um amigo, passando de carra pela rua ao olhar para a casa vera a partícula se estender pelo universo inteiro. O que para você está localizado, parece não localizado para seu amigo.A localização da partícula depende não só do seu ponto de vista, mas também do fato de que a partícula tem uma localização. Nesse caso, não faz sentido supor partículas localizadas como entidades básicas da matéria.

Terceiro, mesmo que você desista de tentar identificar a partícula e queira simplesmente contá-las, ainda terás problemas. Imagine que queira saber o número de partículas de sua casa. Você percorre a casa e encontra três partículas na sala de jantar, cinco debaixo da cama, oito no armário da cozinha e assim por diante. Agora some, todas elas. Espantosamente, a soma não será igual ao número total de partículas. Na teoria quântica de campos esse número é uma propriedade da casa como um todo; para determina-lo, você precisa realizar a missão impossível de contar as partículas da casa inteira todas de uma vez só, e não cômodo por cômodo.