O gato de Schrödinger: o que esse paradoxo nos diz? - Médico - 2023

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"Se você pensa que entende a mecânica quântica, você não entende a mecânica quântica."

Assim se expressou Richard Feynman, astrofísico americano ganhador do Prêmio Nobel de Física em 1965 e um dos pais da mecânica quântica. Este ramo da Física, como vemos, é tão incrivelmente complicado que mesmo os próprios físicos que o estudam não o compreendem totalmente.

E não é surpreendente, porque em níveis subatômicos, a realidade é muito diferente do que percebemos em nosso mundo tridimensional. É evidente que se nosso corpo está em Nova York, não pode estar em Madrid ao mesmo tempo. É impossível. Bem, é impossível em nosso mundo. Mas quando chegamos ao nível quântico, este não é mais impossível.

E na tentativa de entender o que acontece quando chegamos ao nível das partículas subatômicas, Erwin Schrödinger, um físico austríaco (ganhador do Prêmio Nobel em 1933) e filósofo, idealizou um dos paradoxos mais famosos da história da ciência: o paradoxo da ciência, o gato de Schrödinger.

E não. Schrödinger não matou nenhum gato. Mas este paradoxo é, certamente (veremos que o fato de ser um gato não importa muito), a melhor maneira de explicar alguns dos conceitos mais importantes da mecânica quântica. E neste artigo iremos analisar todas as suas implicações.

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Relatividade geral e mecânica quântica: quem é quem?

Tudo o que os humanos percebem, veem e sentem é determinado pelas leis da relatividade geral. Esta teoria, apresentada por Albert Einstein em 1915, é baseada no fato de que espaço e tempo estão relacionados. Tão relacionados que formam um “pacote” imóvel que determina todas as leis do Universo: o espaço-tempo.

Isso significa que todos os corpos macroscópicos do Cosmos se movem em quatro dimensões: três espaciais (comprimento, altura e largura) e uma temporal (tempo). Essa teoria não serve apenas para explicar fenômenos como a gravidade, que é uma deformação do tecido-espaço-tempo causada por corpos com massa, mas também faz com que tudo o que acontece no Universo no nível macroscópico (reiteramos novamente) se enquadre perfeitamente com fórmulas matemáticas e deduções lógicas.

De acordo com a relatividade geral, se estou em um ponto A, não posso estar em um ponto B ao mesmo tempo, pois o espaço e o tempo formam um único conjunto.

Agora, o que aconteceu quando fomos ao menor e ao menor assunto? Bem, no início, conforme olhávamos para as células, moléculas e até átomos, tudo parecia estar de acordo com as leis da relatividade geral. Mas quando chegamos ao nível de partículas subatômicas, essas leis não foram cumpridas.

Para saber mais: "Os 8 tipos de partículas subatômicas (e suas características)"

As partículas subatômicas não pareciam se comportar de acordo com as leis da relatividade geral. Eles basicamente criaram outro mundo. Um mundo além do microscópico no qual o mesmo corpo poderia se comportar tanto como partícula quanto como onda. E o mesmo corpo pode estar em dois lugares ao mesmo tempo. Não sendo duas cópias, não. O mesmo, mas em dois lugares diferentes e ao mesmo tempo.

Isso, que a partir de nossa inteligência limitada pelas leis da relatividade geral por onde nos movemos, não faz nenhum sentido, é o que parece acontecer no Universo subatômico. Isso significava que, já na década de 1930, o princípios da mecânica quântica foram formulados. Alguns princípios que, como veremos, estão além de nossa compreensão.

Mas como é possível que haja uma fronteira tão grande entre as leis do mundo macroscópico e as do subatômico se toda a matéria macroscópica é composta de partículas subatômicas? Boa pergunta. É isso que os físicos teóricos vêm tentando resolver há mais de 80 anos, ou seja, tentando encontrar uma teoria que unifique as leis da relatividade geral e as da mecânica quântica em uma. Procuramos uma "Teoria de Tudo", onde, por enquanto, a Teoria das cordas parece ser o que está mais avançado.

Para saber mais: “O que é Teoria das Cordas? Definição e princípios "

O mundo subatômico não é governado pelas leis da relatividade geral.

Alguns dos princípios da mecânica quântica

Nem mesmo os melhores físicos teóricos do mundo entendem exatamente o que acontece no nível quântico da matéria, portanto, neste artigo não seremos capazes de desvendar os mistérios do Universo. Mas podemos fazer uma coisa: apresentar os princípios quânticos dos quais deriva o paradoxo do gato de Schrödinger.

Existem muitos, mas ficaremos com os três que, talvez (a menos que um físico diga o contrário), são os mais importantes: a dualidade onda-partícula, o princípio da superposição e o princípio da incerteza. Desculpe, mas cada um é mais estranho que o anterior.

1. Onda - dualidade de partícula

Começamos alto. Diretamente com algo que, para nós, é um paradoxo totalmente sem sentido. Como bem sabemos, toda a matéria do Universo é composta de átomos. E já dissemos que esses átomos se comportam de acordo com as leis da relatividade geral. Eles são "dóceis".

Agora, se baixarmos o nível e nos concentrarmos nas estruturas que compõem esses átomos, vamos para o nível da mecânica quântica. Os prótons e nêutrons nos átomos são constituídos por partículas subatômicas conhecidas como quarks. Os próprios elétrons que orbitam o núcleo são partículas subatômicas.

E além destes, existem muitos outros: hádrons, bósons, neutrinos ... Nessas partículas sabemos perfeitamente que está a chave para entender a origem de todas as forças do Universo. O que não entendemos é qual é a sua natureza.

E aqui chegamos a essa dualidade. E é que essas partículas subatômicas são, ao mesmo tempo, pontos e ondas. É como se agora estivéssemos dizendo a você que seu corpo é tanto uma partícula material quanto uma onda que viaja pelo espaço. Isso não faz sentido? Bem, nenhuma mecânica quântica o faz. Nós apenas acreditamos e continuamos com essa ideia.

2. Princípio de superposição

Continuamos com estilo. E é que o princípio da superposição, um dos mais importantes da física quântica, nos diz que uma partícula não está em um lugar ou outro no espaço. Está, simultaneamente, em todos aqueles lugares onde pode estar. E também nos diz que estará em um ou outro dependendo do observador, ou seja, nós.

Não foi compreendido, é claro. Mas basta ficar com a ideia de que, no nível subatômico, o conceito de espaço-tempo está perdido. As leis do quantum dizem que se uma partícula pode estar em dois lugares ao mesmo tempo (pode estar em muitos, muitos mais, mas não vamos complicar as coisas), ela estará em ambos os lugares simultaneamente. E cada um deles é totalmente real. Realmente, aquela partícula existe em dois pontos do espaço ao mesmo tempo.

3. Princípio da incerteza

E terminamos, obviamente, também em grande estilo. O princípio da incerteza nos diz que é fisicamente impossível, de nossa perspectiva, saber a posição e a velocidade exatas de uma partícula simultaneamente. Tudo se baseia em probabilidades. Ou seja, uma partícula em particular tem as probabilidades A de estar em um lugar e as probabilidades B de estar em outro. Mas nós nunca podemos saber em qual está exatamente, porque, basicamente, está em ambos. Se estiver em dois lugares, não podemos saber sua posição exata. É "lógica". Bem, lógica quântica, que tem tudo menos lógica.

O que o paradoxo do gato de Schrödinger nos explica?

Como você pode imaginar, o paradoxo do gato de Schrödinger, proposto pelo físico austríaco Erwin Schrödinger em 1935, é uma tentativa de explicar os três princípios da mecânica quântica que vimos. E antes de mais nada, é importante enfatizar que é um paradoxo, então você não precisa buscar a lógica ou encontrar uma solução. Isso é o que os paradoxos têm.

Depois de deixar isso claro, vamos ver em que consiste. O paradoxo do gato de Schrödinger é um experimento de pensamento, isto é, que nenhum gato jamais foi morto, o que tenta explicar a dualidade onda-partícula, o princípio da superposição e o princípio da incerteza.

Vamos imaginar que colocamos um gato (não sabemos exatamente por que ele escolheu um gato, talvez ele simplesmente não tenha gostado) dentro de uma caixa totalmente opaca, ou seja, não podemos ver o que está dentro. E dentro dele, colocamos um mecanismo de "assassinato quântico".

Isso significa que anexamos um detector de elétrons (que é uma partícula subatômica e, portanto, sujeito às leis da mecânica quântica) a um martelo, que, se o mecanismo for ativado, cai em uma jarra de vidro com uma dose de veneno letal para os pobres gato.

Mas o que isso tem a ver com a mecânica quântica? Agora vem. Há 50% de chance de que o mecanismo seja ativado e 50% de chance de não ser ativado. Por esmagadora lógica (a lógica ainda funciona), apenas duas coisas podem acontecer. Um: o frasco se quebra e o gato morre. Dois: que a mamadeira não quebre e que o gato viva.

De nossa perspectiva, o gato está morto ou vivo. Não há mais. E só saberemos se ele está vivo ou morto quando abrirmos a caixa. Mas a mecânica quântica nos diz que não. E agora é quando perdemos todos os rastros da lógica.

Em primeiro lugar, vamos lembrar que o mecanismo está conectado a um detector de elétrons. E se ele detectar elétrons, tome cuidado. Porque vamos lembrar que as partículas subatômicas têm, do ponto de vista quântico, uma dualidade, ou seja, elas se comportam tanto como ondas quanto como partículas. E eles não são exclusivos.

O que isto significa? Bem, algo muito estranho. E é que, se se comportar simultaneamente como um ponto que avança e como uma onda que se expande pelo espaço (como quando jogamos uma pedra em um rio), o elétron terá percorrido o caminho até o detector ao mesmo tempo e todos os outros caminhos possíveis que não levam você ao detector. Portanto, do ponto de vista quântico, ao mesmo tempo, o detector foi ativado e mantido desligado.

E se houvesse 50% de chance de morrer e 50% de chance de viver, pelo princípio de superposição das partículas subatômicas, ambos os estados são perfeitamente reais. Ou seja, o gato (que finge ser uma partícula subatômica) está vivo e está morto. E os dois estados não só não são exclusivos, mas existem simultaneamente. Ao mesmo tempo, o mesmo gato está vivo e morto.

O princípio da superposição quântica nos diz que o gato está vivo e morto ao mesmo tempo.

E, finalmente, o princípio da incerteza neste paradoxo é explicado porque é impossível sabermos em que estado o gato está. Enquanto não observarmos a partícula (o gato), não poderemos saber seu estado, ou seja, se está vivo ou morto. Não saberemos porque, basicamente, ele está vivo e está morto. Mas será quando abrirmos a caixa que veremos um estado ou outro.

Isso significa que, supondo que ele estivesse vivo, o estado de morte não teria existido? Não. Ainda seria tão real quanto o vivo, só que, no momento da observação, a partícula subatômica (o gato) estava nesse estado.

Resumo

O paradoxo do gato de Schrödinger é apenas isso: um paradoxo. Ela carece de qualquer lógica de nossa perspectiva, uma vez que expressa os princípios da mecânica quântica. E é que embora seja verdade que no mundo das partículas subatômicas, estas se comportam tanto como ondas quanto como partículas, podem estar em dois lugares ao mesmo tempo e é impossível calcularmos sua posição exata, no plano macroscópico. mundo isso não funciona assim. As coisas são ou não são. Não há mais.

O gato de Schrödinger é apenas uma metáfora para entender como a realidade é complexa e diferente no mundo subatômico. Mas deve ficar muito claro que toda matéria de nível igual ou superior ao nível atômico (incluindo gatos, é claro) não é dominada pelas leis da mecânica quântica, mas pelas da relatividade geral.

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Um gato não pode estar vivo e morto ao mesmo tempo, assim como um corpo grosseiro não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo. Nossa realidade não segue as leis quânticas e, portanto, esse experimento mental só funciona se pensarmos no gato como uma partícula subatômica.

Nem os gatos nem qualquer corpo macroscópico são governados pelas leis da mecânica quântica.