Interpretação de Copenhaga

Esta coisa dos Universos Múltiplos já deu o que falar.

O meu sobrinho JN, cujo link para o seu blog ‘WalkingInCambridge’ se encontra ali ao lado, já ‘meteu o bedelho’ no assunto...

Só que a complexidade do assunto em causa é mesmo muito alta, não podendo ser apenas associada a filmes de ficção de Hollywood.

Torna-se mesmo necessária uma noção, mesmo que muito pequena, dos princípios da mecânica quântica, para se poder perceber que a ideia de Universos Paralelos, Multiversos ou Outros Mundos poderá ser algo que, daqui a 50, 60 ou 100 anos, deixe de se situar na esfera da tal ficção cientifica, sendo que muitos dos fenómenos tomados hoje como ‘sobrenaturais’ tenham também uma interpretação cientifica.

Como vimos no meu ultimo post , as partículas, ou melhor, toda a matéria, possui uma dualidade onda – partícula.

Este facto determina a existência de uma Função de Onda para todo e qualquer estado de matéria.

Por sua vez, essa Função de Onda determina as diferentes probabilidades da posição e estado da matéria num determinado momento.

E agora vamos ver como essa Função de Onda poderá ‘colapsar’, eliminando assim a dualidade onde-partícula, logo que se tenta fazer uma observação ao objecto de estudo, neste caso o electrão.

Sendo assim, decide-se, na experiência da Dupla Fenda, adicionar uma lâmpada entre a parede e o ecrãn.

Sabendo-se que os electrões dispersam a luz, assim que o electrão em estudo passar por uma das fendas verificar-se-á um flash do lado dessa fenda. Se se observar flashs de ambos os lados então não há dúvidas: - o electrão passa pelas duas fendas, seja por obra de magia, seja por se ter subdividido.

Alívio!...

Sempre que se dispara um electrão, ao realizar-se a experiencia desta maneira, verifica-se apenas um flash pelo lado da fenda por onde este passa... afinal, não existem magias negras, nem o electrão se divide contrariando todas as Leis Físicas existentes.

Mas... e a Interferência Quântica registada no ecrã? – Supresa total! Desapareceu e agora o único electrão já forma um impacto consistente com um projéctil!

Como é possível? Quem anda a brincar com o investigador? Deus?...se calhar... ou então a explicação mais racional seja que a luz da lâmpada interfere com o electrão.

Verifica-se...

...e para se verificar diminui-se a intensidade da luz, ou seja, de emissão de fotões, e... espanto.... uns electrões são flashados e outros passam sem serem vistos... os que são vistos registam comportamento de partículas no ecrã, os que não são vistos tem comportamento de onda – passam pelas duas fendas ao mesmo tempo! ... que coisa estranha.

Diminui-se então, não a quantidade, mas a energia dos fotões utilizando uma luz com um comprimento de onda maior – portanto baixa frequência e logo baixa energia – para que não seja transmitida demasiada energia ao electrão... luz vermelha, por exemplo.

Esta nova situação resulta em flashs difusos não sendo possível determinar se o electrão passa na fenda esquerda ou direita. Este é um efeito de óptica. Se temos dois objectos muito próximos, eles só se distinguem entre si se forem observados com uma luz de comprimento de onda menor que a distância entre eles. Caso contrário, os dois objectos aparecerão juntos, como um borrão, perdendo-se a resolução.

Ou seja, na medida em que aumenta o comprimento de onda, diminui-se a ‘resolução’ do padrão de partícula do electrão, apresentando este cada vez mais as características de onda.

Quando se tenta observar o electrão, ‘interferimos’ com ele, não sendo possível deixar de o fazer e alterar o resultado final... assim que ‘metemos o bedelho’ na história estragamos tudo!

Um exemplo interessante para ilustrar a Função de Onda, que é demonstrada pela experiencia da Dupla Fenda, é o efeito ‘máquina fotográfica’: - Imaginem que têm uma reflex na mão. Apontam-na para um objecto e este aparece desfocado naturalmente, se rodam a objectiva para o focarem este fica, obviamente, focado e com uma boa resolução. E à medida que rodam a objectiva em sentido contrário, o objecto começa a desfocar até não se perceber o que é, perdendo a resolução necessária para que o nosso cérebro possa processar a imagem, cérebro que é, por definição, o ‘observador’ final...

Somos então nós, enquanto observadores, que determinamos as características do objecto. Se os nossos olhos sofrerem de desfoque, o nível de focagem da objectiva é um, mas se o nosso colega tiver uma visão 20/20 irá focar a objectiva com outro nível, demonstrando assim a influência directa do observador na forma como o objecto se revela, não significando com isso que essa forma seja a total imagem do objecto.

Mas afinal o que é o electrão? Onda ou partícula?

Bom, pelas experiências descritas neste e no último post é ambas as coisas ao mesmo tempo, podendo inclusive estar em dois lugares ao mesmo tempo também, excepto, quando se efectua a observação directa da partícula o que reduz todos os possíveis estados a apenas um - aquele que a observação permite.

A introdução de um observador irá interferir automaticamente com o sistema em causa, fazendo ‘colapsar’ a Função de Onda do que é observado. Observando-se um determinado fenómeno este passa a deixar de ter ‘probabilidades’ de estado, passando a ter um estado bem definido pela observação que se realiza.

Devido exactamente ao factor ‘observador’ Niels Bohr enunciou o Principio da Complementaridade, que basicamente enuncia que a dualidade onda-particula não é uma característica dupla da partícula, mas sim duas características complementares, nunca se manifestando simultaneamente. Quando é observada uma a outra não se manifesta.

Este axioma integra-se na Interpretação de Copenhaga, que é seguida por uma grande parte dos físicos até agora, inclusive por Einstein.

Então, perante isto, surge um novo paradigma:

O ‘observador’ da Física Clássica deixa de ser passivo – ao observarmos as estrelas elas não se movem por causa disso – e passa a ser activo na Física Quântica – ao observarmos uma partícula interferimos na forma como ela se revela.

Mas existem investigadores que não concordam com a Interpretação de Copenhaga que, para além do Principio de Complementaridade, baseia-se num outro Principio fundamental, o da Correspondência, que determina que o mundo quântico e todas estas novas observações paradoxais apenas são válidas para o mundo do ‘muito pequeno’, sendo que a física clássica manterá o seu ‘poder’ no mundo do ‘grande’.

Este princípio afirma que:

"as grandezas quantizadas dos observáveis tendem ao limite clássico quando os números quânticos associados ao sistema em questão tendem a infinito."

Por outras palavras mais simples: Se a objectiva da máquina fotográfica pudesse ter uma focagem infinita, chegava-se a um ponto em que o objecto focado, para nós, por muito mais focagem que fizéssemos, já não apresentava alterações ao que víamos e era ai que a física clássica entrava em vigor...

E é a partir da Interpretação de Copenhaga que Heisenberg delineou o seu Principio da Incerteza, conhecido por quase toda a gente, mas que poucos sabem de que se trata.

O Principio da Incerteza estabelece exactamente as restrições aos pares observáveis. Ou seja:

Se queremos observar a posição de um electrão (numa ou outra fenda pEx.) 'atira-se' ao gajo luz (fotões). Mas como verificamos, para determinarmos com precisão a sua posição, o comprimento de onda dessa 'luz' terá de ser o mais curto possivel, contudo, maior será a energia cedida ao electrão, que, por sua vez, segundo algumas 'coisas' matemáticas que não vou explanar (constante de Planck e efeito Compton), promove a imprevisibilidade da sua velocidade...

Era como que para analisarmos a posição e a velocidade de uma bicla lhe atirássemos uma jacto de água para medir, com o recuo da água, a sua posição e a velocidade...e, intuitivamente se percebe,l que quanto mais forte for o jacto de água mais precisa será a medição do seu recuo...só que na realidade não é isso que acontece, como bem sabemos.

...ora, se eu fosse o ciclista até talvez fosse possível verificar a minha posição com um jacto de água fraco, mas, garantidamente quanto mais forte este ficasse menos possibilidades teriam de determinar onde estava, pois com a força desse jacto provavelmente iria parar uns vinte metros atrás, sem contar obviamente com a minha velocidade, que se tornaria automaticamente negativa.

Sendo assim seria sempre Incerta a medida efectuada, porque quanto mais preciso é o mecanismo de medição, mais errada seria essa medição.

Resumindo, quanto mais precisamente se medir uma grandeza, forçosamente mais imprecisa será a medida da grandeza correspondente.

Um dos grandes problemas da experimentação na Física Quântica é exactamente este. A verdade é que na escala de realidade em que vivemos podemos fazer medições com instrumentos e escalas energéticas que não afectam mensuravelmente o objecto de observação - um radar verifica a velocidade do nosso carro e ele não perde velocidade por isso.

Contudo quando se reduzem as observações ao mundo sub-atómico ou mesmo atómico, as observações do objecto de estudo só podem ser realizadas com instrumentos e energias da mesma escala, interferindo automaticamente com esses objectos de estudo.

Mas será mesmo assim?? Os princípios quânticos servem apenas para o mundo das partículas atómicas e sub-atómicas?

E será que a realidade só existe porque existe quem a observa?

São questões que algumas filosofias já colocam há milénios como a Zen (que pergunta como é o som de uma árvore a cair na floresta se ninguém lá estiver para a ouvir) e que agora começam a ser colocadas matematicamente, levando, curiosamente, às mesmas questões.

Vamos analisar a seguir a experiência mental do Gato de Schrödinger, para tentarmos tirar algumas conclusões...