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O misterioso Gato de Schrödinger



        Todos devem conhecer ou terem ouvido falar do paradoxo do gato na caixa, uma representação hipotética feita para questionar os limites de aplicabilidade dos fenômenos da mecânica quântica no mundo macroscópico. Chamado de Gato de Schrödinger (em homenagem ao seu criador, Erwin Schrödinger, um dos físicos mais importantes na área da Quântica), o paradoxo é um experimento imaginativo onde temos um gato fechado dentro de uma caixa junto a um átomo de material radioativo, um contador Geiger (para medir a emissão radioativa) e um botão para a aplicação de um veneno mortal. Assim, caso o átomo radioativo decaísse (emitisse uma radiação alfa) o botão seria disparado e o gato morreria envenenado. Caso não decaísse, o gato continuaria vivo.

         O decaimento radioativo é uma propriedade quântica de tunelamento da matéria. Ou seja, mesmo com um potencial energético finito restringindo o fenômeno de acontecer, ele poderá ocorrer como um resultado de probabilidade associado a uma função de onda. E esse decaimento representa uma situação de superposição de estados, ou seja, pode acontecer e não acontecer, ao mesmo tempo ou não, em uma infinita soma de caminhos possíveis para o evento! Sim, nessa superposição de estados várias combinações contraditórias de resultados não vistos normalmente no mundo macroscópico explicam várias situações no mundo subatômico. E só podemos saber qual é o real resultado de um sistema quântico em um determinado instante de tempo se pudermos observar diretamente o sistema, apesar disso já gerar uma interferência no estado original. Antes disso, apenas a superposição é aceitável. Mas e quanto ao gato? Se o tal átomo pode decair ou não ao mesmo tempo, isso significaria que o bichano poderia estar vivo e morto ao mesmo tempo?? Ora, sabemos, na prática, que um gato só pode estar vivo ou estar morto, mas não ambos. E é isso que Schrödinger quis questionar.
       
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  INCONFORMAÇÃO DE SCHRÖDINGER

          "Eu peço desculpas por ter tido qualquer ligação com a Teoria Quântica."

           Essa, por incrível que pareça, é uma frase que saiu da boca de Erwin Schrödinger quando este reclamava com colegas sobre os estranhos comportamentos do mundo quântico. Mas ele não estava blasfemando a quântica, esta a qual deve grande parte dos seus alicerces ao físico austríaco (quem já estudou quântica, com toda a certeza se deparou com a famosa Equação de Schrôdinger, representada abaixo). Essa frase saiu junto com o seu tão prestigiado e discutido experimento hipotético, o Gato de Schrödinger, descrito acima.



           Muitas pessoas distorcem ou mal interpretam o objetivo original desse experimento. Schrödinger, em 1935, não estava querendo provar a existência de um gato vivo-morto e, sim, o contrário: foi uma resposta à interpretação de Copenhagen sobre um sistema quântico, onde um fóton, elétron, átomo, ou quaisquer outras partículas subatômicas podem existir em uma combinação de múltiplos estados, ou seja, a superposição mencionada anteriormente. Isso fazia parte - e ainda faz - da interpretação vigente sobre a Teoria Quântica. Nesse sentido, essa superposição só seria colapsada, resultando em um ou outro estado definido, quando sofresse interferência do mundo externo ou fosse observada ("abrir a caixa").

           A superposição de estados quânticos hoje é algo bem estabelecido, já tendo sido provado inúmeras vezes e sendo importante para explicar diversos fenômenos. Mas Schrödinger não conseguia ver muita lógica nessa visão, assim como outros cientistas, incluindo o próprio Albert Einstein. Para ele, se o mundo atômico era regido pela mecânica quântica, ou seja, se essa era algo fundamental no Universo, por que não vemos a superposição nos objetos à nossa volta? Pedras, gatos, planetas, estrelas, todos deveriam também apresentar tal estranho comportamento de superposição, não? Mas, ao invés disso, o mundo macroscópico ao nosso redor continua obedecendo muito bem à Mecânica Clássica, fundamentada por Isaac Newton. Bem, foi pensando nisso que o físico resolveu criar o experimento do Gato. Se a interpretação de Copenhagen estivesse certa, e o gato dependesse de um fenômeno quântico que envolvia a superposição de estados para sobreviver, então isso significaria que, até alguém olhar para dentro da caixa, o bichano poderia estar existindo sob o estado de vivo-morto também. E isso, para Schrödinger e o senso comum, era impossível e um absurdo.

           Apesar da mídia popular retratar sempre o Gato de Schrödinger como uma prova de que é possível existir um gato "zumbi" no nosso mundo, esse é completamente o oposto do que o experimento tenta provar. O físico austríaco quis mostrar que existe uma clara separação entre o mundo macroscópico - supostamente sempre regido pela Mecânica Determinística - e o mundo quântico. E desse paradoxo surge também, derivado, outro aparente absurdo, cunhado por Schrödinger de ´Verschränkung´, ou, no inglês, de ´Entanglement´ (´Emaranhado´), onde partículas estariam ligadas entre si e não poderiam ser descritas de forma independente. Propriedades físicas como posição, momento, spin e polarização realizadas por um integrante do grupo em ´entaglement´ seriam sentidas pelos outros de forma correlata, mesmo a longa distância.

            Esse entanglement também deixou Einstein atordoado, levando o nosso gênio a propor, junto com Boris Podlsky e Nathan Ronsem, também em 1935, um experimento onde colocavam duas partículas muito distantes entre si. Se uma delas estivesse sentindo realmente a presença da outra de forma instantânea, considerando a interpretação de Copenhagen, isso não faria sentido, porque a Relatividade Geral determina que as interações no Universo não podem ser mais rápidas do que a velocidade da luz (300 mil Km/s). Tal paradoxo ficou cunhado de ´Experimento EPR´, em homenagem ao sobrenome dos três físicos.


     CAÇA AO GATO

            Bem, mas esse paradoxo do Gato não apenas foi propagado com força dentro da cultura popular. Cientistas do mundo inteiro desde então vem tentando entender esses supostos dilemas físicos e, principalmente, reunindo provas de que tais superposições e entaglements podem ser encontradas entre as partículas quânticas e até mesmo no mundo macroscópico.

           Nas últimas décadas, pesquisadores vem caçando o que eles apelidaram de SCS (Schrödinger Cat State), tanto em sistemas quânticos quanto nos macroscópicos. O que estaria por trás dessa aparente barreira entre o domínio dos sistemas quânticos e o domínio dos sistemas macroscópicos? Até onde é possível aplicar os estranhos comportamentos quânticos?

            No caso de SCS ligados ao entanglement, diversos trabalhos científicos já conseguiram criá-los desde 1980. Através de experimentos físicos não-usuais, envolvendo o uso de lasers e cavidades especiais, elétrons, íons, átomos e moléculas já foram colocados em dois lugares ao mesmo tempo e até mesmo campos eletromagnéticos excitados foram colocados para vibrar de diferentes modos em um único instante. Mas, ainda assim, esses sistemas não podiam ser considerados realmente à nível macroscópico.

             Em Julho de 2000, pesquisadores do Departamento de Física e Astronomia, da Universidade do Estado de New York, conseguiram demonstrar uma superposição quântica ocorrendo em um nível considerado macroscópico, onde um dispositivo de interferência quântica supercondutora (SQUID, na sigla em inglês) foram colocados em duas superposições de estados envolvendo fluxo-magnético: alguns poucos microamperes de corrente fluindo no sentido anti-horário e horário ao mesmo tempo (Ref.16). Já em 2016, um estudo publicado na Nature (Ref.17) mostrou um SCS de forma macroscópica em uma estrutura de diamante (Ressonador Mecânico de Diamante - RMD), onde uma certa quantidade de átomos de carbono no sólido eram trocados por átomos de nitrogênio, e diferentes estados de energia podiam ser manipulados de forma seletiva, através do ajuste de certos parâmetros.  

           Essas comprovações práticas da interpretação de Copehagem inclusive abriram as portas para a computação quântica, onde a manipulação de estados quânticos pode gerar processadores com capacidades inimagináveis, os quais podem ajudar na resolução de problemas hoje considerados impossíveis. E o processamento de informações quânticas vem sendo demonstrado cada vez mais alcançável. Além de superprocessamentos, as informações quânticas podem se mostrar à prova de hackers ou interceptações indevidas. Isso porque em um sistema em entanglement, quaisquer interferências observacionais acabam gerando colapsos nos estados quânticos, acionando de imediato um "alarme de roubo" e destruição das informações originais.

            Computadores clássicos são feitos de transistores que ficam em um troca-troca de sinais entre 0 e 1. Em um computador quântico, os transistores ficariam em uma superposição de estados de 0 e 1 simultaneamente (algo chamado de ´bit quântico´, ou qubit).Cálculos seriam realizados via interação entre os estados superpostos até uma medida observacional ser feita. Nesse momento, as superposições são colapsadas, grando o resultado final. Como esse computador, em teoria, pode processar diversas respostas simultaneamente, o mesmo poderia efetuar tarefas em segundos que em um computador clássico levariam anos.

            Outra poderosa prova do entanglement veio recentemente a partir do trabalho de pesquisadores chineses (Ref.21), quando o primeiro satélite de comunicação quântica alcançou seu mais ambicioso objetivo: fótons em estado de entanglement foram mandados de um satélite para duas estações opostas separadas por uma distância de mais de 1200 km! Esse fenômeno quântico nunca tinha sido observado agindo de forma estável em tal escala. Um par de fótons em entanglament foram transmitidos por segundo, em uma taxa 10 vezes maior do que os cientistas esperavam. Foi um passo mais do que importante para a criação de bases para uma rede supersegura de comunicação quântica intercontinental.


   MAS E O GATO?

            Apesar de já termos provado a veracidade da interpretação de Copenhagen em experimentos controlados tanto em nível quântico quanto em nível macroscópico limitados, por que não presenciamos tais efeitos em objetos muito complexos e multiparticulados, como uma bola de futebol e um gato? Onde está esse gato vivo-morto no nosso dia-a-dia?

            Para tentar responder essa pergunta, vamos voltar ao satélite chinês de comunicação quântica. Após o sucesso de transmissão dos fótons em estado entaglement, o próximo passo dos pesquisadores é realizar o experimento de dia e avaliar a interferência da gravidade nessas transmissões. Sim, porque o experimento de sucesso foi conduzido durante a noite, onde a quantidade de fótons na atmosfera terrestre é bem menor do que a enxurrada deles traga pela radiação solar incidindo diretamente. Além disso, será que a gravidade do nosso planeta pode ser um obstáculo em alguma extensão. E qual o limite de distância além desses 1,2 mil km?

           Nesse sentido, começa a ficar claro que ´ruídos´ ao nosso redor talvez possam colapsar as superposições quando a complexidade do sistema aumenta demais e sai de um ambiente extremamente controlado, ou seja, invadem o nosso dia-a-dia. Em um gato (animal), por exemplo, a enorme quantidade de átomos e partículas sendo criadas dentro do mesmo (fótons gerados por todos os lados, sejam térmicos, gravitacionais ou eletromagnéticos) podem atrapalhar a estabilidade de superposições, fazendo nosso felino ter estados pré-determinados independentemente da existência ou não de observações e do sistema analisado. Essa coerência de estados de superposição, onde um gato pode estar morto ou vivo simultaneamente, pode não ser válida quando existem interferências demais ao redor. Cientistas gostam de chamar essa preposição de ´Decoherence´ ("Decoerência"). Basicamente, a Decoerência Quântica advoga que o ambiente destrói a coerência quântica.

           Com isso, nosso mundo continuaria sendo regido pela mecânica quântica em todos os níveis, mas a complexidade de cada sistema irá resultar em medidas diferentes quando comparamos o mundo quântico com o real mundo macroscópico. Efeitos gravitacionais que não afetariam a superposição de partículas subatômicas podem afetar sistemas muito complexos e grandes de partículas, por exemplo. Sistemas quânticos, consequentemente, acabariam colapsando em sistemas clássicos à medida que as interferências se tornam intoleráveis. Essas crescentes interferências acabam servindo mais do que simples ruídos e, sim, também como reais observadores colapsando as superposições.

           Outra sugestão no mesmo sentido é considerar a hipótese de GRW. Nela, a função de onda de uma partícula se espalha através do tempo, mas esse espalhamento pode, a qualquer momento, se chocar com algo no pano de fundo do espaço-tempo. Assim, nesse ponto, a função de onda se torna localizada. Partículas individuais possuiriam somente uma pequena chance de realizar tais choques, em torno de 1 chance a cada 100 milhões de anos. Mas para um real gato, por exemplo, onde existem uma quantidade de partículas interativas na ordem de 1027, as chances de 1 dessas partículas se chocar cai para um intervalo de tempo em torno de 100 picossegundos, ou seja, ínfimo demais para ser considerado. Assim, o gato já terá colapsado qualquer superposição muito antes mesmo de ter a chance de pensar em tê-la.        

           No final, enquanto um ou algumas centenas de átomos isolados do gato poderiam ser regidos pela superposição e dependerem de observações para a determinação de um estado específico, um gato inteiro seguiria padrões determinísticos (clássicos) de comportamento mecânico, apesar de ser constituído fundamentalmente pela quântica. Essas interferências podem ser um problema ao querer trazer computadores quânticos, por exemplo, ao mundo real, onde superposições envolvendo um grande número de partículas podem se mostrar muito instáveis na prática. Isso, claro, se as hipóteses associadas à decoerência e similares estiverem corretas.

             E se quisermos viajar ainda mais, podemos assumir uma interpretação de ´Vários Mundos´ para explicar a existência de um gato morto-vivo sem desrespeitar o estado de superposição. Aqui, todo o sistema está superposto, mas não interage entre si, porque cada estado está localizado em um Universo paralelo. Quando um observador abre a caixa, ele apenas segue um desses Universos, onde o gato pode estar morto ou vivo.  O gato não estava verdadeiramente morto-vivo no espaço de um único mundo, apenas no instante de tempo. Essa visão, bastante controversa no meio acadêmico, é também usada como possível ferramenta para explicar viagens no tempo para o passado (É possível viajar no tempo?)



    CONCLUSÃO...?

            Podemos dizer, pelo menos até o momento, que o Schrödinger talvez estivesse certo e errado ao mesmo tempo (em uma clássica superposição de opiniões... Risos!) ao achar a interpretação de Compehange absurda. Na época, a tecnologia ainda era insuficiente para provar os estranhos efeitos de superposição e entanglement, algo só mais tarde possível de ser demonstrado. Porém, pode ser que sistemas complexos demais na esfera macroscópica, como um gato, não sigam esses estranhos fenômenos como resultado final, por interferências ambientais e intrínsecas, o que torna o objetivo inicial do experimento de Schrödinger algo relativamente verdadeiro, ao sugerir uma barreira entre mundo macroscópico e quântico dependendo do referencial.

          O que as pessoas precisam entender é que a mecânica quântica ainda é um mistério para nós. Mesmo a Equação de Schrödinger explicando e prevendo muito bem fenômenos quânticos, o que realmente significa essa nova física e sobre o que ela está estruturada ainda é incerto. A todo momento, em laboratórios ao redor do mundo, experimentos estão descobrindo novas e inusitadas propriedades nessa área. Se gatos em superposição e viagens ao passado são possíveis como resultados práticos da quântica, só o futuro nos dirá.

ATUALIZADO (15/07/17)


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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. Introduction to Quantum Mechanics (2° Edição); David J. Griffiths
  2. http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/SchrodCat/SchrodCat.html
  3. http://science.sciencemag.org/content/352/6289/1087
  4. http://www.quantumsciencephilippines.com/seminar/seminar-topics/SchrodingerCatAtom.pdf
  5. http://www.lassp.cornell.edu/ardlouis/dissipative/Schrcat.html
  6. https://web.archive.org/web/20061130173850/http://www.ensmp.fr/aflb/AFLB-311/aflb311m387.pdf 
  7. http://www.abc.net.au/science/articles/2015/06/16/4254153.htm
  8. https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1607/1607.01298.pdf
  9. https://experts.illinois.edu/en/publications/schrodingers-cat-and-her-laboratory-cousins
  10. https://www.scientificamerican.com/article/bringing-schrodingers-quantum-cat-to-life/
  11. https://arxiv.org/abs/1612.08883
  12. https://arxiv.org/abs/1604.00623
  13. https://www3.amherst.edu/~jrfriedman/Leggett%20Physics%20World%20article/PW%20article.pdf
  14. http://news.yale.edu/2016/05/26/doubling-down-schr-dinger-s-cat
  15. https://www.researchgate.net/post/Are_macroscopic_bodies_Schroedingers_cat_really_cannot_be_in_superposition_of_states
  16. https://www.nature.com/nature/journal/v406/n6791/full/406043a0.html
  17. https://www.nature.com/articles/srep37542
  18. http://adsabs.harvard.edu/abs/2015EL....10940009S
  19. https://arxiv.org/abs/quant-ph/?0202113
  20. http://www.nature.com/news/how-quantum-trickery-can-scramble-cause-and-effect-1.22208
  21. http://www.nature.com/news/china-s-quantum-satellite-clears-major-hurdle-on-way-to-ultrasecure-communications-1.22142