A mecânica quântica revolucionou o mundo, mas seu funcionamento permanece um enigma. Descubra por que até os maiores cientistas ainda debatem o que realmente significa observar a realidade e como isso muda tudo o que sabemos sobre o universo
Todos têm seu exemplo favorito de um truque que funciona de forma confiável para realizar determinada tarefa, mesmo que não entendam completamente o porquê.
Antigamente, poderia ser bater no topo da sua televisão quando a imagem ficava borrada. Hoje em dia, pode ser desligar e religar o computador. A mecânica quântica — a teoria mais bem-sucedida e importante na física moderna — é assim. Ela funciona maravilhosamente, explicando coisas desde lasers e química até o bóson de Higgs e a estabilidade da matéria. Mas os físicos não sabem por quê. Ou pelo menos, se alguns de nós acham que sabem o porquê, a maioria dos outros não concorda.
Segundo a revista Nature, a característica singular da teoria quântica é que a maneira como descrevemos os sistemas físicos é distinta do que vemos ao observá-los. As regras didáticas da mecânica quântica, portanto, precisam invocar processos especiais para descrever ‘medidas’ ou ‘observações’, diferentemente de todos os quadros anteriores da física. Como campo, a física não tem consenso sobre o porquê disso, ou o que isso significa.
Os primeiros indícios de comportamento quântico na natureza vieram nos trabalhos dos físicos Max Planck em 1900 e Albert Einstein em 1905. Eles mostraram que certas propriedades da luz poderiam ser melhor explicadas imaginando que ela vinha em pedaços discretos, semelhantes a partículas, em vez das ondas suaves que o eletromagnetismo clássico descreve.
Mas suas ideias não chegaram a descrever uma teoria completa. Foi o físico alemão Werner Heisenberg quem, em 1925, apresentou pela primeira vez uma versão abrangente da mecânica quântica.
Mais tarde naquele ano, Max Born e Pascual Jordan seguiram o trabalho com Heisenberg, e Erwin Schrödinger logo produziu uma formulaação independente da teoria. Portanto, é justo celebrar 2025 como o verdadeiro centenário da teoria quântica.
Embora tal comemoração possa apontar com razão para uma ampla variedade de sucessos experimentais impressionantes, deve deixar espaço para reconhecer as questões fundamentais que permanecem sem resposta. A mecânica quântica é um castelo bonito, e seria bom sermos tranquilizados de que ele não está construído sobre areia.
Ruptura com o passado
Desde que Isaac Newton formulou a mecânica clássica no século XVII, as teorias da física seguiram um padrão definido. Você tem um sistema sob consideração: talvez um planeta orbitando uma estrela, ou um campo elétrico ou uma caixa de gás.
Em qualquer momento no tempo, o sistema é descrito pelo seu ‘estado’, que inclui tanto a configuração atual do sistema quanto sua taxa de mudança; para uma única partícula sem características distintivas, isso equivale à sua posição e velocidade (ou, equivalentemente, momento).
Então, você tem equações de movimento, que nos dizem como o sistema evoluirá, dado o seu estado presente. Essa receita básica funcionou para tudo, desde a gravidade newtoniana até as teorias da relatividade de Einstein, que, como a teoria quântica, são produtos do início do século XX. Mas com o advento da mecânica quântica, a receita de repente falhou.
O fracasso do paradigma clássico pode ser atribuído a um único conceito provocativo: medição. A importância da ideia e prática de medição foi reconhecida por cientistas ativos desde que existem cientistas ativos. Mas nas teorias pré-quânticas, o conceito básico era dado como garantido. Quaisquer quantidades fisicamente reais que uma teoria postulasse eram assumidas como tendo valores específicos em qualquer situação particular.
Se você quisesse, poderia ir e medir essas quantidades. Se você fosse um experimentalista desleixado, poderia ter erros de medição significativos ou perturbar o sistema enquanto o medisse, mas esses não eram recursos inevitáveis da própria física. Tentando mais, você poderia medir as coisas tão delicada e precisamente quanto desejasse, pelo menos no que diz respeito às leis da física.
A mecânica quântica conta uma história muito diferente. Enquanto na física clássica uma partícula, como um elétron, tem uma posição e momento real e objetivos em qualquer momento dado, na mecânica quântica essas quantidades, em geral, não “existem” de forma objetiva antes dessa medição. Posição e momento são coisas que podem ser observadas, mas não são fatos pré-existentes. Isso é uma distinção considerável.
A implicação mais vívida dessa situação é o princípio da incerteza de Heisenberg, introduzido em 1927, que diz que não há estado em que um elétron possa estar para o qual possamos prever perfeitamente tanto sua posição quanto seu momento com antecedência.
Em vez disso, a teoria quântica descreve o estado de um sistema em termos de uma função de onda, um conceito introduzido por Schrödinger em 1926, junto com sua famosa equação que descreve como o sistema muda ao longo do tempo. Para nosso único elétron, a função de onda é um número atribuído a cada posição em que podemos observar o elétron — uma onda, em outras palavras, que pode estar principalmente localizada perto de um núcleo atômico ou espalhada amplamente pelo espaço.
Onde as coisas ficam complicadas é na relação entre a função de onda e quantidades observáveis, como posição e momento, que podemos querer medir. A resposta foi sugerida por Born logo após o artigo original de Schrödinger. De acordo com a interpretação de Born, nunca podemos prever precisamente o resultado de uma medição quântica.
Em vez disso, podemos determinar a probabilidade de obter qualquer resultado específico para a posição de um elétron, por exemplo, calculando o quadrado da função de onda nessa posição. Essa receita completamente derrubou o ideal de um universo determinístico e mecânico que prevaleceu desde os tempos de Newton.
Em retrospecto, é impressionante quão rapidamente alguns físicos foram capazes de aceitar essa mudança. Alguns, mas não todos. Luminárias como Einstein e Schrödinger ficaram insatisfeitos com o novo consenso quântico. Não é que eles não entendessem, mas achavam que as novas regras deveriam ser degraus para uma teoria ainda mais abrangente.
A aparência de indeterminismo é frequentemente retratada como sua principal objeção à teoria quântica — “Deus não joga dados com o Universo”, na frase memorável de Einstein. Mas as preocupações reais iam mais fundo. Einstein, em particular, se preocupava com a localidade, a ideia de que o mundo consiste em coisas existindo em locais específicos no espaço-tempo, interagindo diretamente com coisas próximas. Ele também estava preocupado com o realismo, a ideia de que os conceitos da física se mapeiam em características verdadeiramente existentes do mundo, em vez de serem meras conveniências calculatórias.
A crítica mais afiada de Einstein apareceu no famoso artigo EPR de 1935 — nomeado após ele e seus coautores Boris Podolsky e Nathan Rosen — com o título “a descrição mecânico-quântica da realidade física pode ser considerada completa?”. Os autores responderam a essa pergunta negativamente, com base em um fenômeno quântico crucial que destacaram e que se tornou conhecido como emaranhamento.
Se temos uma única partícula, a função de onda atribui um número a todas as posições possíveis em que ela pode estar. De acordo com a regra de Born, a probabilidade de observar essa posição é o quadrado do número. Mas se temos duas partículas, não temos duas funções de onda; a mecânica quântica dá um único número para cada configuração simultânea possível do sistema de duas partículas. À medida que consideramos sistemas cada vez maiores, eles continuam sendo descritos por uma única função de onda, até a função de onda de todo o Universo.
Como resultado, a probabilidade de observar uma partícula em algum lugar pode depender de onde observamos outra partícula, e isso permanece verdadeiro não importa o quão distantes elas estejam. A análise EPR mostra que poderíamos ter uma partícula aqui na Terra e outra em um planeta a anos-luz de distância, e nossa previsão para o que mediríamos sobre a partícula distante poderia ser “imediatamente” afetada pelo que medimos sobre a partícula próxima.
As aspas servem para nos lembrar que, de acordo com a teoria especial da relatividade, nem mesmo o conceito de “ao mesmo tempo” está bem definido para pontos distantes no espaço, como Einstein sabia melhor do que ninguém. O emaranhamento parece ir contra os preceitos da relatividade especial, implicando que informações viajam mais rápido que a luz — como mais o poderia a partícula distante “saber” que acabamos de realizar uma medição?
Não podemos realmente usar o emaranhamento para comunicar grandes distâncias. Medindo nossa partícula quântica aqui, agora sabemos algo sobre o que será observado longe, mas qualquer pessoa que esteja realmente longe não tem acesso ao conhecimento que temos, então nenhuma comunicação ocorreu. Mas há pelo menos uma certa tensão entre como a teoria quântica descreve o mundo e como pensamos que o espaço-tempo funciona na relatividade einsteiniana.
Reivindicando a realidade
Tentativas de resolver essa tensão proliferaram, sem consenso claro à vista. De fato, desacordos significativos permanecem em torno da questão mais central que podemos imaginar: a função de onda quântica deve representar a realidade ou é apenas uma ferramenta que usamos para calcular a probabilidade de resultados experimentais?
Essa questão dividiu fundamentalmente Einstein e o físico dinamarquês Niels Bohr em debates famosos que tiveram ao longo de décadas sobre o significado da mecânica quântica. Einstein, como Schrödinger, era um realista convicto: ele queria que suas teorias descrevessem algo que poderíamos reconhecer como realidade física.
Bohr, junto com Heisenberg, estava disposto a abandonar qualquer discussão sobre o que estava “realmente acontecendo”, concentrando-se em fazer previsões sobre o que acontecerá quando algo for medido.
Essa última perspectiva deu origem a interpretações “epistêmicas” da teoria quântica. As visões de Bohr e Heisenberg tornaram-se conhecidas como a interpretação de Copenhague, que é muito próxima do que os físicos ensinam nos livros didáticos hoje.
Versões modernas incluem QBism, abreviação de “quantum Bayesianism”, e a mecânica quântica relacional. Ambas as interpretações enfatizam como os estados quânticos não devem ser considerados por si mesmos, mas apenas em relação a um observador, ao processo de medição e às mudanças de conhecimento durante esse processo.
Uma coisa boa sobre as abordagens epistêmicas é que as preocupações sobre influências mais rápidas que a luz desaparecem. Quando um observador faz uma medição, ele atualiza seu conhecimento; nada fisicamente viaja de uma partícula emaranhada para outra. Uma desvantagem é que essas abordagens deixam completamente em aberto a questão do que a realidade realmente é, o que é (ou deveria ser, presume-se) importante para a física.
Isso é especialmente problemático dado que a função de onda certamente age como uma coisa física em certas circunstâncias. Por exemplo, a função de onda pode interferir consigo mesma, como demonstrado no experimento da dupla fenda. Uma função de onda que passa por duas fendas estreitas, recombinando-se do outro lado, interferirá construtiva ou destrutivamente dependendo das oscilações da onda. Isso certamente soa como o comportamento de algo fisicamente real.
A alternativa é uma abordagem ôntica, aceitando que o estado quântico representa a realidade (pelo menos em parte). O problema aí é que nunca “vemos” a função de onda em si; só a usamos para fazer previsões sobre o que vemos. Podemos pensar na função de onda como representando uma superposição de muitos resultados de medição possíveis. Mas é difícil resistir, uma vez que fizemos uma medição e registramos um resultado, pensar nesse resultado como o que é real, e não na abstrata superposição de possibilidades que o precedeu.
Existem vários modelos ônticos da mecânica quântica que reconciliam a centralidade das funções de onda com sua relação complicada com as observações. Em modelos de onda-piloto ou variáveis ocultas, desenvolvidos abrangentemente pela primeira vez por David Bohm no início da década de 1950, as funções de onda são reais, mas também existem graus de liberdade extras representando as posições reais das partículas, e são esses últimos que são observados.
Na interpretação everettiana, ou de muitos mundos, introduzida pouco depois por Hugh Everett, os observadores se entrelaçam com os sistemas que medem, e todos os resultados permitidos são realizados em ramos separados da função de onda, que são interpretados como mundos paralelos. Em modelos de colapso objetivo de vários tipos, a função de onda ocasionalmente se ajusta (violando a equação convencional de Schrödinger) para parecer com a realidade semiclássica que observamos.
Embora essas abordagens sejam frequentemente pensadas como interpretações concorrentes da mecânica quântica, essa é uma concepção errônea, porque são teorias físicas distintas.
Modelos de colapso objetivo têm uma variedade de consequências experimentais explícitas; mais dramaticamente, violando o princípio de conservação de energia quando a função de onda entra em colapso objetivamente, algo que pode ser observável em sistemas atômicos ultrafrios.
Testes estão em andamento, mas nenhuma evidência desses efeitos foi encontrada até agora. Até onde alguém sabe, não há experimento que pudesse distinguir entre abordagens everettianas e de onda-piloto. (Defensores de cada uma tendem a argumentar que a outra é simplesmente mal definida.)
Então, os físicos não concordam sobre o que exatamente é uma medição, se as funções de onda representam a realidade física, se existem variáveis físicas além da função de onda ou se a função de onda sempre obedece à equação de Schrödinger. Apesar de tudo isso, a mecânica quântica moderna nos deu algumas das previsões mais testadas com precisão em toda a ciência, com a concordância entre teoria e experimento se estendendo por muitas casas decimais.
A teoria dos campos quânticos relativísticos, a base de toda a física de partículas moderna, deve contar entre os maiores sucessos da mecânica quântica. Para acomodar o fato observado de que partículas podem ser criadas ou destruídas, junto com as simetrias da relatividade, seu ponto de partida são campos quânticos que se estendem por todo o espaço.
As regras da teoria quântica implicam que pequenas vibrações nesses campos naturalmente parecem ser coleções de partículas individuais. As influências iteradas dessas vibrações umas sobre as outras levam a uma profusão de fenômenos observáveis que foram fantástica e espetacularmente confirmados por experimentos, desde como os quarks são confinados para formar prótons e nêutrons até a existência do bóson de Higgs.
Essa partícula surge de vibrações em um campo de Higgs que permeia todo o espaço, que dá massa a outras partículas e explica por que a força nuclear fraca tem um alcance tão curto. De acordo com a teoria do inflacionismo cosmológico, a origem das estrelas e galáxias pode até ser rastreada até pequenas variações quânticas na densidade do Universo primitivo.
Mas nem tudo está resolvido
Mas por todos os seus sucessos, a teoria dos campos quânticos tem seus próprios enigmas. Infamemente, um cálculo direto das correções quânticas à probabilidade de espalhamento de duas partículas frequentemente resulta em respostas infinitamente grandes — não é uma característica que você deseja que uma probabilidade tenha.
A física moderna se acostumou com esse problema usando “teorias de campo efetivas”, que tentam descrever processos apenas em energias e momentos (relativamente) baixos, e das quais as problemáticas infinitudes estão totalmente ausentes.
Mas esse quadro ainda nos deixa com problemas de “naturalidade”. Na abordagem de teoria de campo efetiva, os parâmetros que observamos em energias baixas representam os efeitos combinados de processos não observáveis em energias muito altas.
Essa compreensão nos permite prever quais valores naturais deveriam ter parâmetros como a massa do Higgs ou a densidade de energia do vácuo. Mas os valores observados desses números são muito mais baixos do que o esperado — um problema que ainda aguarda uma solução convincente.
Então, há o maior problema de todos: a dificuldade de construir uma teoria quântica fundamental da gravidade e do espaço-tempo curvo. A maioria dos pesquisadores na área imagina que a própria mecânica quântica não precisa de modificação; simplesmente precisamos descobrir como encaixar o espaço-tempo curvo na história de maneira consistente. Mas parecemos estar longe desse objetivo.
Enquanto isso, as inúmeras manifestações da teoria quântica continuam a encontrar aplicação em um número crescente de tecnologias relativamente terrenas. A química quântica está abrindo caminhos no design de medicamentos avançados, materiais exóticos e armazenamento de energia.
A metrologia quântica e a sensoriamento estão possibilitando medições de quantidades físicas com precisão sem precedentes, até e incluindo a detecção da minúscula oscilação de um pêndulo causada por uma onda gravitacional passando gerada por buracos negros a um bilhão de anos-luz de distância. E, é claro, os computadores quânticos prometem realizar certos cálculos em velocidades que seriam impossíveis se o mundo seguisse princípios clássicos.
Tudo isso aconteceu sem nenhum acordo completo sobre como a mecânica quântica, em seu núcleo, realmente funciona. Historicamente, avanços na tecnologia muitas vezes facilitaram — ou até necessitaram — melhorias na compreensão fundamental. Continuamos inventando novas maneiras de bater no aparelho de televisão chamado realidade, mantendo-nos otimistas de que uma imagem borrada eventualmente entrará em foco.
