A mecânica quântica estuda os sistemas físicos com propriedades próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e outras partículas. 

Diferente do universo da física clássica, na mecânica quântica o comportamento dos sistemas ainda são imprevisíveis. Afinal, as partículas não se movimentam em padrões esperados, como em um lançamento de uma bola de baseball. Em outros casos, os nanoelementos parecem existir em dois lugares ao mesmo tempo.

Para alguns físicos, como Niels Bohr e sua equipe, do início para a metade do século XX, a mecânica quântica poderia ser entendida a partir de probabilidades. Por exemplo, ao examinar uma partícula ela teria um tanto de chance de agir de um determinado modo, e outra porcentagem de chance de agir completamente diferente.

No entanto outros grupos de cientistas nunca estiveram satisfeitos com esse método, e novas teorias para explicar com mais exatidão todo esse complexo surgiram ao longo do tempo. Quase um século depois, um crescente número de físicos ainda questiona as teorias de Bohr e seus aprendizes.

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Mas antes de prosseguirmos, é importante explicar dois conceitos: o colapso da função da onda e o problema de medição da mecânica quântica.

A função de onda, na mecânica quântica, é um processo pelo qual o sistema quântico evolui em uma superposição linear entre diferentes estados de matéria. No entanto, o grande desafio da ciência é conseguir medir esse fator, isso porque quando cientistas tentam mensurar o estado das partículas, a função da onda sempre colapsa para um determinado estado. Consequentemente, os físicos não conseguem detectar as partículas em múltiplas formas e qualquer evolução é baseada no estado do sistema que foi descoberto ao realizar a mensuração. 

A ideia pode ser explicada com uma analogia a um jogo de cara e coroa. Você joga a moeda para o alto, mas antes que observe o resultado, a moeda pode ser vista como cara ou coroa. O ato de olhar a moeda para entender o resultado do movimento, força o objeto a assumir uma posição em cara ou coroa. Não é possível detectar um estado em que a moeda assuma as duas formas. 

O que essa nova geração de pesquisadores procura responder é: por que o fato de medir os resultados forçaria que as partículas colapsarem um determinado estado, em primeiro lugar?

Um novo experimento, conhecido como TEQ, para teste de mecânicas quânticas em larga escala, pode ajudar a revelar os limites entre o estranho mundo quântico e o universo de projéteis e bolas de bilhar da mecânica clássica. 

No TEQ, cientistas estão trabalhando para construir um dispositivo capaz de levitar uma quantidade pequena de quartzo, ou dióxido de silicone, enquanto medem o tamanho do objeto em nanômetros. 

Com isso, querem descobrir quão grande um objeto pode ser e continuar exibindo comportamentos quânticos. Afinal, uma bola de baseball não se comporta como um elétron, que pode se movimentar em diversos campos simultaneamente. Mas e quanto a um nano pedaço de quartzo?

Os esforços para entender todo esse universo quântico são importantes para avanços tecnológicos, como os computadores quânticos, bem como para apoiar novas teorias científicas. Dentre elas existe uma chamada teoria de Ghirardi-Rimini-Weber, ou GRW, que recebe o nome dos três cientistas que a formularam na década de 80.

A GRW defende que partículas microscópicas existam em múltiplos estados ao mesmo tempo, fenômeno conhecido como superposição. Diferentemente da teoria de Bohr, elas podem “colapsar” para um estado espontaneamente, e não só a partir da mensuração. 

Segundo a teoria, quanto maior for o objeto, menos probabilidade ele tem de apresentar superposição. Por isso, na escala macroscópica os elementos existem em apenas um estado por tempo e podem ser descritos pela física clássica. 

“No GRW, o colapso acontece de forma aleatória com uma probabilidade fixa por partícula em uma unidade de tempo”, disse Tim Maudlin, físico filósofo da Universidade de Nova York, em entrevista à revista Smithsonian. 

Na teoria de Copenhagen (Bohr), por outro lado, os colapsos acontecem quando a medição é realizada, assim “seria necessário um critério claro para explicar quando acontece a mensuração e o que está sendo medido. E isso é precisamente o que a teoria de Bohr nunca explicou”.

GRW remete a um modelo de colapso. Se os físicos forem capazes de medir esse colapso em ação, “então isso vai sugerir que nosso modelo de colapso é correto”, disse Peter Barker, físico da Universidade de Londres“.

Como funciona o experimento?

Barkers é membro de um dos grupos responsáveis pelo TEQ, que vai colocar essas ideias do colapso quântico em teste. No experimento, o pequeno pedaço de quartzo ficará suspenso em um campo elétrico e confinado em um espaço frio, onde as vibrações atômicas devem ser levadas até próximas do zero absoluto. 

Os cientistas então vão atingir o quartzo com um laser e verificar se o espelhamento das luzes indica um movimento do objeto. O movimento do quartzo poderia apontar um colapso quântico, o que confirmaria as evidências do GRW, que objetos de diferentes massas apresentam um limite de movimentos diferentes para colapsarem. 

Se os cientistas não encontrarem sinais de colapso, o experimento ainda deve prover informações valiosas sobre o universo quântico das partículas e como isso reflete na mecânica clássica dos objetos no nosso cotidiano.  

Para Maudlin, “muito poucos cientistas querem entender as questões fundamentais da mecânica quântica, e eles não querem admitir que isso é uma situação vergonhosa.”

Aqueles que investigam as realidades da matéria atômica, entretanto, parecem concordar que provavelmente há mais coisas acontecendo do que as teorias existentes cobrem, mesmo que ainda não esteja claro exatamente o que acontece em escalas tão minúsculas. 

Além do GRW, outras teorias incluem a especulativa “interpretação de muitos mundos”, uma ideia de que todo resultado experimental pode e acontece enquanto partículas colapsam infinitamente em todos os estados possíveis, desovando um número infinito de universos paralelos. 

Uma alternativa conhecida como mecânica Bohmian, cujo nome vem do seu originador David Bohm dos anos 50, argumenta que as probabilidades envolvidas nos experimentos quânticos simplesmente descrevem nosso limitado conhecimento de um sistema – na realidade, uma equação com variáveis atualmente ocultas aos físicos guia o sistema independentemente de alguém fazer uma medida.

Entretanto, os dados de experimentos quânticos anteriores ainda não apontam para uma única interpretação, tornando difícil escolher uma tal qual um retrato mais preciso da realidade. Mas graças ao TEQ, os físicos poderiam finalmente fornecer evidências a favor ou contra teorias de colapso como GRW, quebrando o impasse com o problema da medição.

Fonte: Smithsonian Magazine