Os muitos mundos ocultos da mecânica quântica

Aperte os cintos de segurança e decole para o reino dos mundos múltiplos, talvez até infinitos. O professor Carroll explica como a mecânica quântica prevê a existência de um grande número de universos paralelos ao nosso. Essa teoria distante é uma das principais candidatas a uma formulação rigorosa da mecânica quântica. Acompanhe a história e a motivação dessa ideia.

Investigue a imagem clássica da realidade, que é como os físicos pensavam que o mundo funcionava antes da mecânica quântica. Codificada por Newton, a física clássica evoluiu para uma visão unificada baseada em partículas e campos, e incluiu ideias como as teorias da relatividade de Einstein. Porém, a partir do início do século XX, os cientistas começaram a perceber que algo estava errado.

O sistema da física clássica começou a se desfazer em 1900, quando Max Planck propôs uma ideia que ficou conhecida como quântica. Elaborada por Einstein, a teoria sustentava que as ondas de luz se comportavam como partículas. Trabalhos posteriores de Louis de Broglie sustentaram que as partículas se comportam como ondas. Como as ideias foram confirmadas tornarando princípios da mecânica quântica.

Faça a transição da antiga teoria quântica para a mecânica quântica completa com o conceito matematicamente elegante da função de onda, derivado por Erwin Schrödinger em 1925. O professor Carroll o orienta pelos termos da equação de Schrödinger, que rendeu um Prêmio Nobel a Schrödinger e se tornou a base da mecânica ondulatória - a teoria que prevê como os sistemas quânticos se comportam.

A mecânica quântica era inquietante para qualquer pessoa treinada em física clássica. Para dissipar essa inquietação, Niels Bohr e Werner Heisenberg criaram a "Interpretação de Copenhague". Conheça os pontos dessa visão influente, que rejeita a especulação sobre o que está "realmente acontecendo". Uma reação foi o famoso experimento mental de Schrödinger envolvendo um gato em perigo mortal.

Heisenberg e seu princípio da incerteza, muitas vezes mal interpretado pelos físicos. Aprofunde-se na dualidade onda-partícula, estudando o famoso experimento da dupla fenda, que mostra a luz se comportando simultaneamente como uma onda e uma partícula. Descubra por que uma perspectiva realista da função de onda de Schrödinger dissolve alguns dos principais paradoxos da mecânica quântica.

Explore a propriedade quântica das partículas "spin", que podem se apresentar em estados binários, como os bits 0 e 1 da computação digital. Para fins de computação quântica, o spin pode servir como um "qubit" para codificar informações no nível subatômico. Saiba como o spin torna o princípio da incerteza mais fácil de entender e fornece percepções profundas sobre a natureza do mundo quântico.

Concentre-se na objeção de Einstein a um recurso específico da mecânica quântica chamado emaranhamento, que ele chamou de "ação assustadora à distância". Quando duas partículas estão emaranhadas, se você medir a propriedade de uma, saberá instantaneamente a propriedade correspondente da outra. Einstein tentou usar esse recurso para argumentar que a mecânica quântica deve ser incompleta.

Use os conceitos desenvolvidos no curso até o momento para aprender como o físico Hugh Everett chegou a uma nova abordagem da mecânica quântica. Chamada de Interpretação de Muitos Mundos, ela sustenta que a função de onda representa a realidade e evolui para vários mundos distintos quando ocorre uma medição quântica. Compare a ideia direta de Everett com a opaca Interpretação de Copenhague.

Concentre-se na decoerência, que faz o mesmo trabalho em Muitos Mundos que o colapso da função de onda na Interpretação de Copenhague. Ambos explicam o que acontece quando uma medição é feita, mas em Muitos Mundos o mecanismo é mais consistente com a física subjacente. Veja como a decoerência é a porta de entrada para vários mundos ramificados, que diferem da ideia cosmológica do multiverso.

O teórico de Muitos Mundos, David Deutsch, ajudou a criar a computação quântica, que ele argumenta ser uma consequência da Interpretação de Muitos Mundos. Investigue os princípios por trás da computação quântica, comparando-a com a computação clássica. Descubra que a grande diferença é a arquitetura das portas lógicas. Veja como os computadores quânticos podem se destacar em determinados cálculos.

A visão de muitos mundos desafia o senso comum. Por que não podemos ver os outros mundos? E eles não violam as leis da física e outras regras da natureza? O professor Carroll responde a cinco objeções, relativas ao conceito filosófico conhecido como Navalha de Occam, ao problema da assimetria do tempo, à possibilidade do infinito, além de escrúpulos sobre imortalidade e conservação de energia.

Aborde outra objeção à Interpretação de Muitos Mundos: sua testabilidade. Isso se refere ao famoso critério de falseabilidade do filósofo Karl Popper, que descarta qualquer teoria que não possa ser provada falsa. A proliferação de mundos que nunca podem ser observados parece qualificar a interpretação de muitos mundos como infalsificável, mas o professor Carroll mostra que ela é testável.

Outro obstáculo para os Many-Worlds é a origem e a natureza da probabilidade. A versão de Copenhague da mecânica quântica é fundamentalmente probabilística, em vez de determinística. Esse é um recurso fundamental para seu sucesso. Por outro lado, o conceito de muitos mundos é determinístico. Podemos obter uma compreensão da probabilidade pensando em onde estamos na função de onda quântica.

Dadas as implicações de muitos mundos, os físicos têm buscado alternativas plausíveis. Considere a possibilidade de alterar a equação de Schrödinger - o ponto de partida para Muitos Mundos. Investigue duas propostas que tentam essa tática: GRW (nomeada em homenagem a seus inventores, Ghirardi, Rimini e Weber) e a teoria CSL (Continuous Spontaneous Localization, localização espontânea contínua).

A função de onda conta toda a história? Explore a teoria da variável oculta, desenvolvida por Louis de Broglie e aprimorada por David Bohm. Nela, as partículas são guiadas por ondas piloto construídas a partir da função de onda. As "variáveis ocultas" são as posições precisas das partículas, que estão sendo guiadas pelas ondas piloto.

Como a mecânica quântica e a consciência são misteriosas, elas poderiam estar conectadas de alguma forma? Veja argumentos que relacionam os fenômenos quânticos ao envolvimento de observadores conscientes. A Interpretação de Copenhague é aberta a essas especulações. Veja também o Bayesianismo Quântico, ou QBismo, que contorna os paradoxos quânticos dispensando a ideia de realidade objetiva.

Como a estrutura da realidade observada emerge da função de onda em Muitos Mundos? De onde vêm os mundos? Essa pergunta está relacionada ao problema da "base preferida" que tenta vincular o reino quântico aos objetos macroscópicos cotidianos. Veja como o experimento de pensamento inteligente de Schrödinger envolvendo um gato fornece uma ferramenta para resolver esse quebra-cabeça.

A teoria quântica explica uma variedade de partículas e forças, mas não a gravidade. Saiba por que a construção de uma teoria bem-sucedida da gravidade quântica tem incomodado os físicos. O professor Carroll estabelece as bases para a discussão da perspectiva de Muitos Mundos sobre a gravidade, concentrando-se em duas teorias alternativas: a teoria das cordas e a gravidade quântica em loop.

Começando com os ingredientes da teoria quântica - funções de onda, equação de Schrödinger e emaranhamento - com a abordagem de Muitos Mundos, investigue: Que circunstâncias levam a ramos emergentes da função de onda que se assemelham à matéria que se move em um espaço-tempo curvo, ou seja, em campos gravitacionais? Descubra que a gravidade pode ser uma consequência natural da mecânica quântica.

Assim como o espaço pode ser uma propriedade do entrelaçamento quântico, será que o mesmo pode acontecer com o tempo? Divida uma função de onda em subsistemas e veja como o restante do universo fica emaranhado de uma maneira que pode ser interpretada como a passagem do tempo. Ao longo do caminho, aprenda as ideias por trás da equação de Wheeler-DeWitt, que ajudou a definir o "problema do tempo".

Filosofe com um par de perguntas profundas que surgem das implicações distantes de Muitos Mundos. Os mundos com múltiplas ramificações são causados por nossas decisões? O livre-arbítrio humano é possível, especialmente à luz da natureza determinística dos Muitos Mundos? O professor Carroll analisa a maneira como o mundo macroscópico do pensamento e da ação humana interage com o reino quântico.

Uma teoria na qual todo ato moral implica um ato imoral que ocorre em um universo ramificado está repleta de dilemas éticos. Agora, considere se você poderia ser moral em cada um dos universos de um cenário de Muitos Mundos. Um obstáculo é imaginar que a versão de você que seguiu um caminho de ramificação é realmente você. Vocês podem compartilhar um passado, mas são pessoas realmente diferentes.

Muitos mundos e teorias concorrentes sobre os fundamentos da mecânica quântica podem parecer essenciais para a nossa compreensão da realidade, mas foram ignorados por físicos práticos e sensatos. Encerre o curso testemunhando como a maré está mudando, à medida que se torna cada vez mais claro que as questões fundamentais são provavelmente a chave para desvendar os mistérios pendentes do cosmos.