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A NATUREZA DA REALIDADE
O
resultado do teste mencionado acima é muito mais que um simples
esclarecimento de um assunto técnico entre duas teorias rivais do
micromundo. O debate concerne a nossa concepção do universo e da
natureza da realidade.
Antes
dos dias da mecânica quântica, a maioria dos cientistas ocidentais
supunham que o mundo ao nosso redor goza de uma existência
independente. Isto é, consiste em objetos como mesas, cadeiras,
estrelas, átomos, que estão simplesmente "por aí afora ", ainda que
os observemos ou não. Segundo esta filosofia, o universo é uma
coleção de tais objetos existentes independentemente, que juntos
formam a totalidade das coisas. Naturalmente, tem-se que admitir que
uma observação que chegamos de um objeto leva consigo alguma
interação com ele, o que implica que sofrerá inevitavelmente alguma
perturbação. Entretanto, esta é considerada como uma perturbação
incidental sobre algo que já possui uma existência concreta e bem
definida. Certamente, em princípio, a perturbação necessária para
medir algo poderia se fazer arbitrariamente pequena e, em qualquer
caso, poderia ser calculada com todo detalhe, de modo que depois da
medida poderíamos deduzir exatamente o que havia ocorrido ao objeto
observado. Se este fora o caso de verdade, não vacilaríamos em dizer
que o objeto tinha realmente um conjunto completo de atributos
dinâmicos como posição, momento, spin e energia antes e depois da
observação do mesmo. Os átomos e os elétrons seriam então
simplesmente "coisas pequenas", diferindo das "coisas grandes", tais
como bolas de bilhar, somente em matéria de escala. Salvo isso, não
há diferenças qualitativas em sua categoria dentro do real.
Esta
descrição do mundo é atraente porque é a que se dá melhor com o
nosso sentido comum de entender a natureza. Einstein a chamava de
"realidade objetiva" porque o status dentro da realidade dos objetos
externos não depende das observações conscientes de um indivíduo.
(Em contraste com os objetos em nossos sonhos, que são partes da
realidade subjetiva). Mas é precisamente esta visão de sentido comum
da realidade que Bohr desafiou com a filosofia que acompanha à
interpretação de Copenhagem.
A
posição de Bohr, como já se tem dito, é que não tem sentido
descrever um conjunto completo de atributos de algum objeto quântico
antes de ter realizado sobre ele um ato de medida. Assim, por
exemplo, em um experimento de polarização de fótons não podemos
simplesmente dizer qual polarização tem um fóton antes que tenhamos
feito uma medida. Mas depois da medida podemos certamente atribuir
um estado de polarização definida ao fóton. Similarmente, se nos
enfrentarmos com a escolha de medir a posição ou o momento de uma
partícula, não podemos dizer que a partícula possui valores
específicos destas quantidades antes da medida. Se decidirmos medir
a posição, acabamos com uma partícula em um lugar. Se, em lugar
dela, escolhermos medir o momento, obteremos uma partícula com um
movimento. No primeiro caso, depois de acabar a medida, a partícula
simplesmente não tem um momento; no último caso não tem uma
localização.
Estas
idéias podem ser ilustradas com a ajuda de um exemplo simples (veja
a Fig 08). Considere uma caixa em que se introduz um único elétron.
Na ausência de observações, o elétron tem a mesma probabilidade de
estar em qualquer parte da caixa. A onda mecânico quântica que
corresponde ao elétron, portanto, estende-se uniformemente por toda
a caixa. Suponha-se agora que um anteparo impenetrável é introduzido
na metade da caixa, dividindo-a em duas câmaras. Obviamente, o
elétron pode somente estar ou na uma câmara ou na outra. Entretanto,
até olharmos e vermos em qual, a onda seguirá estando em ambas as
câmaras. Após a observação, o elétron se revelará em uma câmara
particular. Nesse mesmo instante (segundo as regras da mecânica
quântica) a onda desaparece
bruscamente da câmara vazia, inclusive se a câmara permaneceu
fechada durante o processo!!! É como se, antes da observação,
houvessem dois nebulosos elétrons "fantasmas" que habitam cada uma
das câmaras e esperam uma observação que converta um deles em um
elétron "real" e que, simultaneamente, causa o completo
desaparecimento do outro.
Este
exemplo também ilustra claramente a não-localidade da mecânica
quântica. Suponha-se que se separam as duas câmaras, A e B, e se
levam a uma certa distância uma da outra (digamos um ano-luz); então
A é inspecionada por um observador que encontra a partícula.
Instantaneamente, a onda quântica em B desaparece, inclusive ainda
quando está a um ano-luz de distância. (Deve repetir-se, entretanto,
que isto não pode ser usado para enviar sinais mais rápidos do que a
luz, devido à natureza imprevisível de cada observação).
Em
geral, um sistema quântico se encontrará em um estado que consiste
numa coleção (talvez um número infinito) de estados quânticos
superpostos. Um exemplo simples de uma superposição assim foi dado
mais acima e consistia em duas amostras ondulatórias desconexas, uma
em cada câmara. Um exemplo mais típico é o do experimento de Young
da dupla fenda, onde as ondas procedentes de ambas fendas de fato se
juntam e interferem entre si.
Temos
já encontrado esta classe de superposição anteriormente, ao discutir
a luz polarizada que atravessa um polarizador orientado
obliquamente. Se a onda luminosa incidente forma 45º com o
polarizador, podemos considerá-la como formada por duas ondas de
igual intensidade combinadas coerentemente com polarizadores
perpendiculares entre si, como se tem mostrado na Fig 02. A onda
paralela ao polarizador será transmitida, a outra será bloqueada.
Poderíamos considerar a um estado quântico que contém um fóton
polarizado a 45 com respeito ao polarizador, como uma superposição
de dois "fantasmas" ou fótons "potenciais", um com polarização
paralela, o que capacita a passar através do polarizador, e outro
com polarização perpendicular, o que o impede de passar. Quando
finalmente se faz a medida, um desses dois "fantasmas" é promovido a
fóton "real" e o outro desaparece. Suponha que a medida mostra que o
fóton passa através do polarizador. O fóton fantasma que é paralelo
ao polarizador antes da medida se converte então no fóton real. Mas
não podemos dizer que este fóton existia realmente antes da medida.
Tudo o que se pode dizer é que o sistema estava em uma superposição
de dois estados quânticos, nenhum dos quais possuía um estado
privilegiado.
O
físico John Wheeler gosta de contar uma deliciosa parábola que
ilustra muito bem o estado peculiar de uma partícula quântica antes
da medida. A história tem a ver com uma versão do jogo das 20
perguntas.
Então
chegou a minha vez, o quarto a sair da sala de modo que os outros
quinze convidados de Lothar Nordheim pudessem confabular em segredo
para se chegar a um acordo sobre a palavra difícil. Estive fora por
um tempo incrivelmente grande. Quando finalmente fui readmitido,
encontrei que todos estavam sorrindo, sinal de brincadeira ou
conspiração. Entretanto, pensei em tentar descobrir a palavra. "É
animal?" "Não". "É mineral?" "Sim". "É verde?" "Não". "É branco?"
"Sim". As respostas chegavam rapidamente. Então a partir daí as
perguntas precisavam de mais tempo para ser respondidas. Era
estranho. Tudo o que eu queria dos meus amigos era simplesmente um
sim ou um não. Entretanto, o perguntado pensava e pensava, sim ou
não, não ou sim, antes de responder. Finalmente tive fortes
suspeitas de que a palavra poderia ser "nuvem". Sabia que tinha
somente uma oportunidade para dizer a palavra. Aventurei-me: "É
nuvem?" "Sim", disseram, e todos caíram em gargalhadas.
Explicaram-me que não havia nenhuma palavra no começo. Haviam
concordado em não chegar a um acordo sobre nenhuma palavra. Cada um
dos perguntados poderia responder como quisesse, com o único
requisito de que devia ter em mente uma palavra compatível com a sua
própria resposta e com as dadas anteriormente, pois de outro modo
perderiam se eu cumprisse o meu intento. A versão surpresa do jogo
das vinte perguntas era, portanto, tão difícil para meus colegas
como era para mim.
Qual o
simbolismo da história? O mundo, uma vez criado, existe "mesmo",
independente de qualquer ato de observação. Considerávamos o elétron
no átomo como possuidor de posição e momento definidos. Quando eu
entrava, pensava que na sala havia uma palavra definida. Realmente,
a palavra foi desenvolvida passo a passo mediante as perguntas que
eu fazia, como a informação acerca do elétron se faz existente pelo
experimento que o observador escolheu realizar; isto é, pelo tipo de
equipamento de registro que este coloca. Se eu houvesse feito
perguntas diferentes ou as mesmas perguntas em ordem diferente,
haveria acabado com uma palavra diferente, assim como o
experimentador teria concluído uma história diferente dos fatos do
elétron. Entretanto, o poder que eu tinha de trazer à existência em
particular a palavra "nuvem" era somente parcial. Uma importante
parte da seleção reside nos "sim" e "não" dos colegas da sala. De
modo semelhante, o experimentador tem uma influência substancial
acerca do que sucederá ao elétron mediante a escolha dos
experimentos que realizará sobre este, "as perguntas que fará à
natureza"; mas ele sabe que existe uma certa imprevisão acerca do
que um qualquer dos seus experimentos averiguará, acerca de qual
"resposta dará a natureza", acerca do que sucederá quando "Deus joga
os dados". Esta comparação entre o mundo das observações e a versão
surpresa do jogo das vinte perguntas é muito incompleta, mas contém
o ponto decisivo. No jogo, nenhuma palavra é uma palavra até que
essa palavra é promovida à realidade pela escolha das perguntas
formuladas e respostas dadas. No mundo real da física quântica,
nenhum fenômeno elementar é um fenômeno até que seja um fenômeno
registrado.
A
visão da realidade da escola de Copenhagem é, portanto,
decididamente rara. Significa que um átomo ou um elétron ou qualquer
outra partícula não pode ser dita existir por si mesma na acepção
completa, de sentido comum, da palavra.
Isto,
naturalmente, coloca com urgência a pergunta: O que é um elétron? Se
não é algo de "externo", existente por direito próprio, por quê
podemos falar tão confiadamente acerca dos elétrons?
A
filosofia de Bohr parece relegar os elétrons e outras entidades
quânticas a um estado bastante abstrato. Por outro lado, se vamos
simplesmente adiante e aplicamos as regras da mecânica quântica como
se o elétron fosse real, então, parece que obtemos os resultados
corretos; podemos dar respostas a todas as perguntas físicas bem
formuladas, como quanta energia tem um elétron atômico, e obter
acordo com os experimentos.
Um
cálculo típico que envolve elétrons consiste na computação da vida
média do estado excitado de um átomo. Se sabemos que o átomo está
excitado no instante t1 , então a mecânica quântica capacita-nos a
calcular a probabilidade de que em algum instante posterior t2
já não o está. Assim, pois, a mecânica quântica nos proporciona um
ALGORITMO para relacionar duas observações, uma em t1 e a
outra em t2. O chamado "átomo" entra aqui como um modelo
que capacita o algoritmo para predizer um resultado específico.
Nunca observamos diretamente o átomo durante o processo de
desexcitação. Tudo o que sabemos acerca dele está contido nas
observações de sua energia em t1 e t2.
Claramente, não necessitamos supor acerca do átomo nada mais que o
necessário para obter resultados satisfatórios para nossas predições
de observações reais.
A
filosofia segundo a qual a realidade do mundo está enraizada nas
observações é semelhante ao conhecido como positivismo lógico.
Parece, talvez, alheio a nós porque, na maioria dos casos, o mundo
segue comportando-se COMO SE tivesse uma existência independente.
Somente quando testamos fenômenos quânticos esta impressão parece
como insustentável. Inclusive então, em seu trabalho pratico, muitos
físicos continuam pensando sobre o micromundo da maneira do senso
comum.
A
razão para isto é que muitos dos conceitos matemáticos puramente
abstratos empregados se tornam tão familiares que assumem um ar
espúrio de realidade por próprio direito. Isto também acontece na
física clássica. Considere o conceito de energia, por exemplo. A
energia é uma quantidade puramente abstrata, que se introduz na
física como um modelo útil com o qual podemos abreviar os cálculos
complexos. A energia não se pode ver nem tocar, entretanto, a
palavra é agora tão cotidiana que a gente considera a energia como
uma entidade tangível com uma existência própria. Na realidade, a
energia é meramente uma parte de um conjunto de relações matemáticas
que conectam de um modo simples as observações de processos
mecânicos. O que sugere a filosofia de Bohr é que palavras como o
elétron, fóton ou átomo tem de se considerar do mesmo modo - como
modelos úteis que consolidam na nossa imaginação o que realmente é
só um conjunto de relações matemáticas que conectam várias
observações.
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