Baralho, gatos e probabilidades

Novas ideias fervilhavam nas cabeças inquietas de cientistas revolucionários.  A física clássica sofria uma completa transformação desde do famoso artigo de Albert Einstein em 1905.  A luz, descrita e comprovada por experimentos como uma onda eletromagnética, apresentava também um caracter corpuscular. A partir do conceito de partículas de luz, indagações pela existência de ondas de matéria impulsionaram o físico Louis de Broglie a escrever uma ousada tese de doutorado sobre o tema. Essa hipótese, comprovada em 1927, originou uma dúvida pertinente: se os átomos são ondas, onde está a equação de onda?

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Erwin Schrodinger

Entra em cena um dos mais famosos cientistas de todos os tempos. Professor na Universidade de Zurique, o físico austríaco Erwin Schrodinger descreve a equação de onda da matéria, a chave mestra de grande parte da física moderna, e considerada por muitos como a mais importante descoberta do século XX. Quase ao mesmo tempo, utilizando-se de outras ferramentas matemáticas os alemães Max Born, Werner Heisenberg e Pascual Jordan chegam a uma equação equivalente. A “nova mecânica quântica” surgia diante desses avanços inquestionáveis e de uma formulação matemática poderosa. Em pouco tempo, uma grande quantidade de fenômenos, como por exemplo, o espectro de átomos mais complicados que o de hidrogênio, passaram a ser explicados e compreendidos. Mas qual a interpretação da equação de onda da matéria? O que tudo isso realmente significava?

 

Born interpretou essa função de onda em termos de probabilidades. Enfim, vamos jogar

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dados, ou melhor, vamos jogar baralho… Pegue uma carta de baralho e tente equilibrá-la em pé sobre a mesa. Se você conseguir essa façanha, e se não houver interferência de nenhum agente externo, essa carta permaneceria ali equilibrada para sempre, certo? Essa é a interpretação da física clássica. Se quisermos explicar esse experimento à luz da mecânica quântica chegaríamos a confusa conclusão de que carta cairia simultaneamente para direita e para esquerda. Enquanto ninguém observa a carta, a equação de Schrodinger prevê uma superposição de estados na qual a carta cai tanto para a direita como para a esquerda. A partir do momento que alguém a observa, acontece um colapso na função de onda e o observador vê a carta em um estado definido. Não é possível eliminar o comportamento probabilístico da função de onda que engloba todas as possibilidades do que pode acontecer com a carta. É como se um estado fosse escolhido ao acaso a partir da observação (se a carta cai para a direita ou para a esquerda). Ficou claro? Não?

cat_2-001Tudo bem, vamos tentar deixar esses conceitos mais acessíveis utilizando-se de um exemplo do próprio Schrodinger. Um gato é colocado em uma caixa junto com um átomo radioativo. Se esse átomo decair, um dispositivo dentro da caixa detecta a emissão da partícula emitida e libera uma toxina que mata o gato. Antes da caixa ser aberta por alguém, nenhuma observação do que aconteceu no seu interior foi feita. A função de onda do átomo radioativo descreve uma superposição de ambos os estados: o átomo decaiu e o átomo não decaiu.  A conclusão, ÓBVIA, é de que o gato também deve estar simultaneamente vivo e morto antes da caixa ser aberta e o experimento observado. A observação do gato colapsa então a função de onda e determina se ele está realmente vivo ou morto. Agora deu para entender tudo, né?

Podemos determinar matematicamente quando e como a função de onda vai colapsar? Para muitos físicos a ausência dessa equação significava que a mecânica quântica estava errada, inclusive para Einstein que, ironicamente (ele foi um dos pais da mecânica quântica, veja o post) passou a vida tentando refutar a teoria. Atualmente, a teoria quântica goza de um sucesso impressionante, revolucionando a física moderna. Mas a pergunta que não quer calar:  Porque não observamos a superposição dos estados classicamente distintos (gato vivo ou morto)? Ou seja, porque a função de onda colapsa destruindo as franjas de interferência? Como construir um experimento capaz de exibir essas interferências entre as diversas possibilidades no mundo macroscópico (como no caso do comportamento ondulatório observado no elétron no experimento de Davisson-Germer)?

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Escrito por

Nascida na capital federal, morei nos EUA, Itália e atualmente me encontro no país mais populoso do mundo. Isso mesmo, estou morando na China, mais precisamente na cidade de Hefei. Sinta-se a vontade para procurar essa pequena cidade (para os parâmetros chineses) de mais de 7 milhões de habitantes no mapa. Sou formada em Física pela Universidade de Brasília e PhD em astrofísica pela universidade de Roma. Sempre ávida por dividir conhecimento, não somente no campo das ciências, mas também as minhas experiências pessoais , preferências literárias, etc. O leque é muito grande, então por simplicidade, digamos que gosto de debater sobre tudo e sobre nada, sobre qualquer coisa der na telha.

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