Debates Bohr-Einstein - Bohr–Einstein debates

Niels Bohr com Albert Einstein na casa de Paul Ehrenfest em Leiden (dezembro de 1925)

Os debates Bohr-Einstein foram uma série de disputas públicas sobre mecânica quântica entre Albert Einstein e Niels Bohr . Seus debates são lembrados por causa de sua importância para a filosofia da ciência , uma vez que as divergências e o resultado da versão de Bohr da mecânica quântica que se tornou a visão predominante formam a raiz da compreensão moderna da física. A maior parte da versão de Bohr dos eventos ocorridos em Solvay em 1927 e em outros lugares foi escrita pela primeira vez por Bohr décadas depois em um artigo intitulado "Discussões com Einstein sobre Problemas Epistemológicos na Física Atômica". Com base no artigo, a questão filosófica do debate era se a Interpretação de Copenhague da mecânica quântica de Bohr , que se centrava em sua crença na complementaridade , era válida para explicar a natureza. Apesar de suas diferenças de opinião e das descobertas sucessivas que ajudaram a solidificar a mecânica quântica, Bohr e Einstein mantiveram uma admiração mútua que duraria o resto de suas vidas.

Os debates representam um dos pontos altos da pesquisa científica na primeira metade do século XX porque chamou a atenção para um elemento da teoria quântica , a não localidade quântica , que é central para nosso entendimento moderno do mundo físico. A visão consensual dos físicos profissionais é que Bohr se mostrou vitorioso em sua defesa da teoria quântica e estabeleceu definitivamente o caráter probabilístico fundamental da medição quântica.

Debates pré-revolucionários

Einstein foi o primeiro físico a dizer que a descoberta de Planck do quantum ( h ) exigiria uma reescrita das leis da física . Para sustentar seu ponto, em 1905 ele propôs que a luz às vezes atua como uma partícula que ele chamou de quantum de luz (veja dualidade fóton e onda-partícula ). Bohr foi um dos oponentes mais vocais da ideia do fóton e não a abraçou abertamente até 1925. O fóton atraiu Einstein porque ele o viu como uma realidade física (embora confusa) por trás dos números apresentados por Planck matematicamente em 1900. Bohr não gostou porque tornou a escolha da solução matemática arbitrária. Bohr não gostava que um cientista tivesse que escolher entre as equações. Este foi talvez o primeiro verdadeiro debate Bohr-Einstein. Einstein havia proposto o fóton em 1905, e Compton provou que o fóton existia experimentalmente em 1922, mas Bohr se recusou a acreditar que o fóton existisse mesmo então. Bohr lutou contra a existência do quantum de luz (fóton) escrevendo a teoria BKS em 1924. No entanto, Einstein estava certo e Bohr provou estar errado sobre os quanta de luz.

Embora Bohr e Einstein discordassem, eles foram grandes amigos por toda a vida e gostavam de usar um ao outro como contraste.

O ano de 1913 trouxe o modelo de Bohr do átomo de hidrogênio , que fazia uso do quantum para explicar o espectro atômico, embora na época Bohr não acreditasse que o átomo fosse em forma de onda, mas sim um sistema solar, de modo que as equações que utilizou foram para órbitas rotacionais de partículas semelhantes a planetas, embora a constante de Planck tivesse sido inventada para a radiação de luz em corpos negros. Einstein a princípio ficou cético quanto ao uso de h como átomo do sistema solar, mas rapidamente mudou de ideia e admitiu sua mudança de mentalidade. De 1913 a 1919, Einstein estudou e revisou a extensão de Arnold Sommerfeld do átomo de Bohr para incluir o efeito Stark e o efeito Zeeman . Os coeficientes que Einstein criou durante esse tempo ainda têm o nome dele e ainda são usados ​​hoje.

A revolução quântica

A revolução quântica de meados da década de 1920 ocorreu sob a direção de Einstein e Bohr, e seus debates pós-revolucionários tratavam de dar sentido à mudança. Os choques para Einstein começaram em 1925, quando Werner Heisenberg introduziu equações matriciais que removeram os elementos newtonianos de espaço e tempo de qualquer realidade subjacente. No entanto, quando Erwin Schrödinger enviou uma pré-impressão de sua nova equação para Einstein, Einstein respondeu saudando sua equação como um avanço decisivo do "verdadeiro gênio". Mas o próximo choque veio em 1926, quando Max Born propôs que a mecânica deveria ser entendida como uma probabilidade sem qualquer explicação causal.

Tanto Einstein quanto Erwin Schrödinger rejeitaram essa interpretação com sua renúncia à causalidade, que havia sido uma característica-chave da ciência anterior à Mecânica Quântica e ainda era uma característica da Relatividade Geral . Em uma carta de 1926 para Max Born , Einstein escreveu: "A mecânica quântica é certamente imponente. Mas uma voz interior me diz que ainda não é a coisa real. A teoria diz muito, mas não nos aproxima realmente do segredo do “velho”. Eu, de qualquer forma, estou convencido de que Ele [Deus] não está jogando dados ”. No início, até mesmo Heisenberg teve disputas acaloradas com Bohr de que sua mecânica de matriz não era compatível com a Equação de Schrödinger. E Bohr a princípio se opôs ao Princípio da Incerteza. Mas na Quinta Conferência Solvay realizada em outubro de 1927, Heisenberg e Born concluíram que a revolução havia acabado e nada mais era necessário. Foi nesse último estágio que o ceticismo de Einstein se transformou em consternação. Ele acreditava que muito havia sido conquistado, mas as razões para a mecânica ainda precisavam ser entendidas.

A recusa de Einstein em aceitar a revolução como completa refletia seu desejo de ver o desenvolvimento de um modelo para as causas subjacentes das quais resultaram esses aparentes métodos estatísticos aleatórios. Ele não rejeitou a ideia de que as posições no espaço-tempo nunca poderiam ser completamente conhecidas, mas não queria permitir que o princípio da incerteza necessitasse de um mecanismo aparentemente aleatório e não determinístico pelo qual as leis da física operassem. O próprio Einstein era um pensador estatístico, mas discordava que nada mais precisava ser descoberto e esclarecido. Einstein trabalhou o resto de sua vida para descobrir uma nova teoria que desse sentido à Mecânica Quântica e devolvesse a causalidade à ciência, o que muitos agora chamam de Teoria de Tudo. Bohr, por sua vez, não ficou consternado com nenhum dos elementos que perturbaram Einstein. Ele fez as pazes com as contradições ao propor um princípio de complementaridade que enfatizava o papel do observador sobre o observado.

Pós-revolução: primeiro estágio

Conforme mencionado acima, a posição de Einstein sofreu modificações significativas ao longo dos anos. No primeiro estágio, Einstein recusou-se a aceitar o indeterminismo quântico e procurou demonstrar que o princípio da indeterminação poderia ser violado, sugerindo engenhosos experimentos mentais que deveriam permitir a determinação precisa de variáveis ​​incompatíveis, como posição e velocidade, ou para revelar explicitamente simultaneamente o onda e os aspectos de partícula do mesmo processo. (A principal fonte e substância para esses experimentos mentais provém exclusivamente do relato de Bohr vinte anos depois.) Bohr admite: "No que diz respeito ao relato das conversas, estou claro que estou ciente de que estou confiando apenas em minha própria memória, assim como estou preparado para a possibilidade de que muitas características do desenvolvimento da teoria quântica, nas quais Einstein desempenhou um papel tão importante, possam aparecer para si mesmo sob uma luz diferente. ”

Argumento de Einstein

O primeiro ataque sério de Einstein à concepção "ortodoxa" ocorreu durante a Quinta Conferência Internacional Solvay sobre Elétrons e Fótons em 1927. Einstein apontou como era possível tirar proveito das (universalmente aceitas) leis de conservação de energia e de impulso ( momentum ) para obter informações sobre o estado de uma partícula em processo de interferência que, de acordo com o princípio da indeterminação ou da complementaridade , não deve ser acessível.

Figura A. Um feixe monocromático (um para o qual todas as partículas têm o mesmo impulso) encontra uma primeira tela, difracta, e a onda refractada encontra uma segunda tela com duas fendas, resultando na formação de uma figura de interferência sobre o fundo  F . Como sempre, presume-se que apenas uma partícula de cada vez é capaz de passar por todo o mecanismo. Pela medida do recuo da tela S 1 , segundo Einstein, pode-se deduzir por qual fenda a partícula passou sem destruir os aspectos ondulatórios do processo.
Figura B. Fenda de Einstein.

Para seguir sua argumentação e avaliar a resposta de Bohr, é conveniente consultar o aparato experimental ilustrado na figura A. Um feixe de luz perpendicular ao eixo X se propaga na direção z e encontra uma tela S 1 com um estreito ( em relação ao comprimento de onda do raio) fenda. Depois de passar pela fenda, a função de onda difrata com uma abertura angular que faz com que ela encontre uma segunda tela S 2 com duas fendas. A propagação sucessiva dos resultados de onda na formação da figura interferência na tela final  F .

Na passagem pelas duas fendas da segunda tela S 2 , os aspectos ondulatórios do processo tornam-se essenciais. Na verdade, é precisamente a interferência entre os dois termos da superposição quântica correspondente aos estados em que a partícula está localizada em uma das duas fendas que implica que a partícula é "guiada" preferencialmente para as zonas de interferência construtiva e não pode terminar em um ponto nas zonas de interferência destrutiva (em que a função de onda é anulada). Também é importante notar que qualquer experimento projetado para evidenciar os aspectos " corpusculares " do processo na passagem da tela S 2 (que, neste caso, se reduz à determinação de qual fenda a partícula passou), inevitavelmente destrói o aspecto ondulatório, implica o desaparecimento da figura de interferência e o surgimento de dois pontos concentrados de difração que confirmam nosso conhecimento da trajetória seguida pela partícula.

Nesse ponto, Einstein também põe em jogo a primeira tela e argumenta o seguinte: uma vez que as partículas incidentes têm velocidades (praticamente) perpendiculares à tela S 1 , e uma vez que é apenas a interação com esta tela que pode causar um desvio do direção original de propagação, pela lei de conservação do impulso que implica que a soma dos impulsos de dois sistemas que interagem é conservada, se a partícula incidente for desviada para o topo, a tela recuará para o fundo e vice-versa. Em condições realistas, a massa da tela é tão grande que permanecerá estacionária, mas, em princípio, é possível medir até mesmo um recuo infinitesimal. Se imaginarmos fazer a medição do impulso da tela na direção X após cada partícula ter passado, podemos saber, pelo fato de que a tela será encontrada recuada em direção ao topo (embaixo), se a partícula em questão tem foi desviada para a parte inferior ou superior e, portanto, por qual fenda em S 2 a partícula passou. Mas uma vez que a determinação da direcção do recuo da tela depois da partícula tenha passado não pode influenciar o desenvolvimento sucessivas do processo, que ainda terá uma figura de interferência na tela  F . A interferência ocorre precisamente porque o estado do sistema é a superposição de dois estados cujas funções de onda são diferentes de zero apenas perto de uma das duas fendas. Por outro lado, se cada partícula passar apenas pela fenda b ou pela fenda c , então o conjunto de sistemas é a mistura estatística dos dois estados, o que significa que a interferência não é possível. Se Einstein estiver correto, então há uma violação do princípio da indeterminação.

Este experimento de pensamento foi iniciado de uma forma mais simples durante a parte de Discussão Geral dos procedimentos reais durante a conferência Solvay de 1927. Nesses procedimentos oficiais, a resposta de Bohr é registrada como: "Sinto-me em uma posição muito difícil porque não entendo exatamente o que Einstein está tentando fazer." Einstein explicou: "pode ​​acontecer que o mesmo processo elementar produza uma ação em dois ou vários lugares da tela". É claro que Einstein estava se referindo à separabilidade, não à indeterminação. Na verdade, Paul Ehrenfest escreveu uma carta a Bohr afirmando que os experimentos mentais de 1927 de Einstein nada tinham a ver com as Relações de Incerteza, pois Einstein já as havia aceitado "e por muito tempo nunca duvidou".

Resposta de Bohr

A resposta de Bohr foi ilustrar a ideia de Einstein de forma mais clara usando o diagrama da Figura C. (a Figura C mostra uma tela fixa S 1 aparafusada. Em seguida, tente imaginar uma que possa deslizar para cima ou para baixo ao longo de uma haste em vez de um parafuso fixo. ) Bohr observa que o conhecimento extremamente preciso de qualquer movimento vertical (potencial) da tela é um pressuposto essencial no argumento de Einstein. Na verdade, se sua velocidade na direção X antes da passagem da partícula não for conhecida com uma precisão substancialmente maior que aquela induzida pelo recuo (isto é, se já estivesse se movendo verticalmente com uma velocidade desconhecida e maior do que aquela que ela deriva como consequência do contato com a partícula), então a determinação de seu movimento após a passagem da partícula não daria a informação que buscamos. No entanto, continua Bohr, uma determinação extremamente preciso da velocidade da tela, quando se aplica um princípio de indeterminação, implica uma imprecisão inevitável da sua posição na direcção  X . Antes mesmo de o processo começar, a tela ocuparia, portanto, uma posição indeterminada, pelo menos até certo ponto (definida pelo formalismo). Agora considere, por exemplo, o ponto d na figura A, onde a interferência é destrutiva. Qualquer deslocamento da primeira tela tornaria os comprimentos dos dois caminhos, a – b – d e a – c – d , diferentes daqueles indicados na figura. Se a diferença entre os dois caminhos varia em meio comprimento de onda, no ponto d haverá interferência construtiva em vez de destrutiva. O experimento ideal deve ter uma média sobre todas as posições possíveis da tela S 1 , e, para cada posição, corresponde, para um determinado ponto fixo F , um tipo diferente de interferência, do perfeitamente destrutivo ao perfeitamente construtivo. O efeito dessa média é que o padrão de interferência na tela F será uniformemente cinza. Mais uma vez, nossa tentativa de evidenciar os aspectos corpusculares em S 2 destruiu a possibilidade de interferência em F , que depende fundamentalmente dos aspectos da onda.

Figura C. Para concretizar a proposta de Einstein, é necessário substituir a primeira tela da Figura A (S 1 ) por um diafragma que se mova verticalmente, como este proposto por Bohr.

Como Bohr reconheceu, para a compreensão desse fenômeno “é decisivo que, ao contrário dos instrumentos de medida genuínos, esses corpos junto com as partículas constituíssem, no caso em exame, o sistema ao qual o formalismo da mecânica quântica deve se aplicar. No que diz respeito à precisão das condições sob as quais se pode aplicar corretamente o formalismo, é essencial incluir todo o aparato experimental. De fato, a introdução de qualquer novo aparato, como um espelho, no caminho de uma partícula pode introduzir novos efeitos de interferência que influenciam essencialmente as previsões sobre os resultados que serão registrados no final. " Mais adiante, Bohr tenta resolver essa ambigüidade sobre quais partes do sistema devem ser consideradas macroscópicas e quais não:

Em particular, deve ficar muito claro que ... o uso inequívoco de conceitos espaço-temporais na descrição de fenômenos atômicos deve ser limitado ao registro de observações que se referem a imagens em uma lente fotográfica ou a efeitos análogos praticamente irreversíveis de amplificação, tais como a formação de uma gota de água em torno de um íon em uma sala escura.

O argumento de Bohr sobre a impossibilidade de usar o aparato proposto por Einstein para violar o princípio da indeterminação depende crucialmente do fato de que um sistema macroscópico (a tela S 1 ) obedece a leis quânticas. Por outro lado, Bohr consistentemente sustentou que, para ilustrar os aspectos microscópicos da realidade, é necessário desencadear um processo de amplificação, que envolve aparelhos macroscópicos, cuja característica fundamental é obedecer a leis clássicas e passíveis de descrição. em termos clássicos. Essa ambigüidade voltaria mais tarde na forma do que ainda hoje é chamado de problema de medição .

O princípio da indeterminação aplicado ao tempo e energia

Figura D. Uma onda estendida longitudinalmente passa por uma fenda que permanece aberta apenas por um breve intervalo de tempo. Além da fenda, há uma onda espacialmente limitada na direção de propagação.

Em muitos exemplos de livros didáticos e discussões populares de mecânica quântica, o princípio da indeterminação é explicado por referência ao par de variáveis ​​posição e velocidade (ou momento). É importante notar que a natureza ondulatória dos processos físicos implica que deve existir outra relação de indeterminação: aquela entre tempo e energia. Para compreender essa relação, convém referir-se ao experimento ilustrado na Figura D, que resulta na propagação de uma onda com extensão espacial limitada. Suponha que, conforme ilustrado na figura, um raio extremamente estendido longitudinalmente se propague em direção a uma tela com uma fenda provida de uma veneziana que permanece aberta apenas por um breve intervalo de tempo . Além da fenda, haverá uma onda de extensão espacial limitada que continua a se propagar para a direita.

Uma onda perfeitamente monocromática (como uma nota musical que não pode ser dividida em harmônicos) tem extensão espacial infinita. Para que uma onda seja limitada em extensão espacial (que é tecnicamente chamada de pacote de ondas ), várias ondas de diferentes frequências devem ser sobrepostas e distribuídas continuamente dentro de um certo intervalo de frequências em torno de um valor médio, como . Acontece então que, em um determinado instante, existe uma região espacial (que se move ao longo do tempo) na qual as contribuições dos vários campos da superposição se somam construtivamente. No entanto, de acordo com um teorema matemático preciso, à medida que nos afastamos dessa região, as fases dos vários campos, em qualquer ponto especificado, são distribuídas causalmente e é produzida interferência destrutiva. A região em que a onda tem amplitude diferente de zero é, portanto, espacialmente limitada. É fácil demonstrar que, se a onda tem uma extensão espacial igual a (o que significa, em nosso exemplo, que a veneziana permaneceu aberta por um tempo em que v é a velocidade da onda), então a onda contém (ou é uma sobreposição de) várias ondas monocromáticas cujas frequências cobrem um intervalo que satisfaz a relação:

Lembrando que na relação universal de Planck, frequência e energia são proporcionais:

segue-se imediatamente da desigualdade anterior que a partícula associada à onda deve possuir uma energia que não está perfeitamente definida (uma vez que diferentes frequências estão envolvidas na sobreposição) e, conseqüentemente, há indeterminação na energia:

Disto segue-se imediatamente que:

que é a relação de indeterminação entre tempo e energia.

Segunda crítica de Einstein

Experiência de pensamento de Einstein de 1930 projetada por Bohr. A caixa de Einstein deveria provar a violação da relação de indeterminação entre tempo e energia.

No sexto Congresso da Solvay em 1930, a relação de indeterminação que acabamos de discutir foi alvo de críticas de Einstein. Sua ideia contempla a existência de um aparato experimental que foi posteriormente projetado por Bohr de forma a enfatizar os elementos essenciais e os pontos-chave que ele usaria em sua resposta.

Einstein considera uma caixa (chamada de caixa de Einstein ; ver figura) contendo radiação eletromagnética e um relógio que controla a abertura de uma veneziana que cobre um orifício feito em uma das paredes da caixa. A veneziana descobre o buraco por um tempo que pode ser escolhido arbitrariamente. Durante a abertura, devemos supor que um fóton, dentre os que estão dentro da caixa, escape pelo orifício. Desta forma, uma onda de extensão espacial limitada foi criada, seguindo a explicação dada acima. Para desafiar a relação de indeterminação entre tempo e energia, é necessário encontrar uma maneira de determinar com a precisão adequada a energia que o fóton trouxe consigo. Neste ponto, Einstein se transforma em sua relação celebrado entre massa e energia da relatividade especial: . Disto se segue que o conhecimento da massa de um objeto fornece uma indicação precisa sobre sua energia. O argumento é, portanto, muito simples: se pesarmos a caixa antes e depois da abertura da veneziana e se uma certa quantidade de energia tiver escapado da caixa, a caixa ficará mais leve. A variação na massa multiplicada por fornecerá um conhecimento preciso da energia emitida. Além disso, o relógio indicará a hora precisa em que ocorreu o evento de emissão da partícula. Visto que, em princípio, a massa da caixa pode ser determinada com um grau arbitrário de precisão, a energia emitida pode ser determinada com uma precisão tão precisa quanto se deseja. Portanto, o produto pode ser processado menos do que o que está implícito no princípio da indeterminação.

O aparato experimental de faz-de-conta de George Gamow para validar o experimento mental no Instituto Niels Bohr em Copenhagen .

A ideia é particularmente aguda e o argumento parecia inatacável. É importante considerar o impacto de todas essas trocas nas pessoas envolvidas no momento. Leon Rosenfeld , um cientista que participou do Congresso, descreveu o evento vários anos depois:

Foi um verdadeiro choque para Bohr ... que, a princípio, não conseguia pensar em uma solução. Durante toda a noite ele ficou extremamente agitado e continuou passando de um cientista para outro, tentando persuadi-los de que não poderia ser o caso, que teria sido o fim da física se Einstein estivesse certo; mas ele não conseguiu encontrar nenhuma maneira de resolver o paradoxo. Jamais esquecerei a imagem dos dois antagonistas ao saírem do clube: Einstein, com sua figura alta e imponente, que caminhava tranquilo, com um sorriso levemente irônico, e Bohr que trotava ao lado dele, cheio de emoção ... O na manhã seguinte vi o triunfo de Bohr.

Triunfo de Bohr

O "Triunfo de Bohr" consistiu em demonstrar, mais uma vez, que o argumento sutil de Einstein não era conclusivo, mas ainda mais na forma como ele chegou a essa conclusão apelando justamente para uma das grandes ideias de Einstein: o princípio de equivalência entre a massa gravitacional e a massa inercial, junto com a dilatação do tempo da relatividade especial, e uma consequência disso - o desvio para o vermelho gravitacional . Bohr mostrou que, para que o experimento de Einstein funcionasse, a caixa teria de ser suspensa por uma mola no meio de um campo gravitacional. A fim de obter uma medida do peso da caixa, um ponteiro teria que ser colocado na caixa que correspondia ao índice em uma escala. Após a liberação de um fóton, uma massa poderia ser adicionada à caixa para restaurá-la à sua posição original e isso nos permitiria determinar a energia que foi perdida quando o fóton partiu. A caixa está imersa em um campo gravitacional de força , e o desvio para o vermelho gravitacional afeta a velocidade do relógio, gerando incerteza no tempo necessário para o ponteiro retornar à sua posição original. Bohr deu o seguinte cálculo estabelecendo a relação de incerteza .

Deixe a incerteza na massa ser denotada por . Seja o erro na posição do ponteiro . Adicionar a carga à caixa dá um momento que podemos medir com precisão , onde ≈ . Claramente , e portanto . Pela fórmula do desvio para o vermelho (que segue do princípio da equivalência e da dilatação do tempo), a incerteza no tempo é , e , e assim . Provamos, portanto, o alegado .

Pós-revolução: segundo estágio

A segunda fase do "debate" de Einstein com Bohr e a interpretação ortodoxa é caracterizada pela aceitação do fato de que é, na prática, impossível determinar simultaneamente os valores de certas quantidades incompatíveis, mas a rejeição de que isso implica que estes as quantidades não têm realmente valores precisos. Einstein rejeita a interpretação probabilística de Born e insiste que as probabilidades quânticas são epistêmicas e não ontológicas por natureza. Como consequência, a teoria deve estar incompleta de alguma forma. Ele reconhece o grande valor da teoria, mas sugere que ela "não conta toda a história" e, embora forneça uma descrição apropriada em um determinado nível, não fornece informações sobre o nível subjacente mais fundamental:

Tenho a maior consideração pelos objetivos perseguidos pelos físicos de última geração que levam o nome de mecânica quântica, e acredito que esta teoria representa um nível profundo de verdade, mas também acredito que a restrição às leis de uma natureza estatística acabará sendo transitória .... Sem dúvida a mecânica quântica apreendeu um importante fragmento da verdade e será um modelo para todas as teorias fundamentais futuras, pelo fato de que deve ser dedutível como um caso limite de tal fundamentos, assim como a eletrostática é dedutível das equações de Maxwell do campo eletromagnético ou como a termodinâmica é dedutível da mecânica estatística.

Esses pensamentos de Einstein dariam início a uma linha de pesquisa em teorias de variáveis ​​ocultas , como a interpretação de Bohm , em uma tentativa de completar o edifício da teoria quântica. Se a mecânica quântica pode ser completada no sentido de Einstein, isso não pode ser feito localmente ; esse fato foi demonstrado por John Stewart Bell com a formulação da desigualdade de Bell em 1964. Embora a desigualdade de Bell tenha excluído as teorias de variáveis ​​ocultas locais, a teoria de Bohm não foi excluída. Um experimento de 2007 descartou uma grande classe de teorias de variáveis ​​ocultas não-Bohmianas não locais, embora não a própria mecânica Bohmiana.

Pós-revolução: Terceiro estágio

O argumento do EPR

Seções de títulos de artigos históricos sobre EPR.

Em 1935, Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen desenvolveram um argumento, publicado na revista Physical Review com o título A descrição mecânica quântica da realidade física pode ser considerada completa? , com base em um estado emaranhado de dois sistemas. Antes de chegar a esse argumento, é necessário formular outra hipótese que surge da obra de Einstein na relatividade: o princípio da localidade . Os elementos da realidade física que são objetivamente possuídos não podem ser influenciados instantaneamente à distância.

David Bohm pegou o argumento EPR em 1951. Em seu livro-texto Quantum Theory, ele o reformulou em termos de um estado emaranhado de duas partículas , que pode ser resumido da seguinte forma:

1) Considere um sistema de dois fótons que no tempo t estão localizados, respectivamente, nas regiões espacialmente distantes A e B e que também estão no estado emaranhado de polarização descrito abaixo:

2) No tempo t, o fóton na região A é testado para polarização vertical. Suponha que o resultado da medição seja que o fóton passe pelo filtro. De acordo com a redução do pacote de ondas, o resultado é que, no tempo t + dt , o sistema passa a

3) Neste ponto, o observador em A que realizou a primeira medição no fóton 1 , sem fazer mais nada que pudesse perturbar o sistema ou o outro fóton ("suposição (R)", abaixo), pode prever com certeza que o fóton 2 passará em um teste de polarização vertical. Segue-se que o fóton 2 possui um elemento de realidade física: o de ter uma polarização vertical.

4) De acordo com a suposição de localidade, não pode ter sido a ação realizada em A que criou este elemento de realidade para o fóton 2 . Portanto, devemos concluir que o fóton possuía a propriedade de ser capaz de passar no teste de polarização vertical antes e independentemente da medição do fóton 1 .

5) No momento t , o observador em A poderia ter decidido realizar um teste de polarização a 45 °, obtendo um determinado resultado, por exemplo, que o fóton passa no teste. Nesse caso, ele poderia ter concluído que o fóton 2 acabou polarizado em 45 °. Alternativamente, se o fóton não passasse no teste, ele poderia ter concluído que o fóton 2 estava polarizado em 135 °. Combinando uma dessas alternativas com a conclusão alcançada em 4, parece que o fóton 2 , antes de ocorrer a medição, possuía tanto a propriedade de ser capaz de passar com certeza um teste de polarização vertical quanto a propriedade de ser capaz de passar com certeza um teste de polarização em 45 ° ou 135 °. Essas propriedades são incompatíveis de acordo com o formalismo.

6) Uma vez que requisitos naturais e óbvios forçaram a conclusão de que o fóton 2 simultaneamente possui propriedades incompatíveis, isso significa que, mesmo que não seja possível determinar essas propriedades simultaneamente e com precisão arbitrária, elas são, no entanto, possuídas objetivamente pelo sistema. Mas a mecânica quântica nega essa possibilidade e, portanto, é uma teoria incompleta.

Resposta de Bohr

A resposta de Bohr a esse argumento foi publicada, cinco meses depois da publicação original do EPR, na mesma revista Physical Review e exatamente com o mesmo título do original. O ponto crucial da resposta de Bohr é destilado em uma passagem que ele mais tarde republicou no livro de Paul Arthur Schilpp Albert Einstein, cientista-filósofo em homenagem ao septuagésimo aniversário de Einstein. Bohr ataca a suposição (R) de EPR afirmando:

A afirmação do critério em questão é ambígua no que diz respeito à expressão "sem perturbar o sistema de forma alguma". Naturalmente, neste caso, nenhuma perturbação mecânica do sistema sob exame pode ocorrer no estágio crucial do processo de medição. Mas mesmo nesta fase surge o problema essencial de uma influência sobre as condições precisas que definem os possíveis tipos de predição que dizem respeito ao comportamento subsequente do sistema ... seus argumentos não justificam sua conclusão de que a descrição quântica acaba por ser essencialmente incompleto ... Esta descrição pode ser caracterizada como um uso racional das possibilidades de uma interpretação inequívoca do processo de medição compatível com a interação finita e incontrolável entre o objeto e o instrumento de medição no contexto da teoria quântica .

Experimentos confirmatórios

Chien-Shiung Wu

Anos após a exposição de Einstein por meio de seu experimento EPR, muitos físicos começaram a realizar experimentos para mostrar que a visão de Einstein de uma ação fantasmagórica à distância é de fato consistente com as leis da física. A primeira experiência a provar definitivamente que esse era o caso foi em 1949, quando os físicos Chien-Shiung Wu e seu colega Irving Shaknov apresentaram essa teoria em tempo real usando fótons. Seu trabalho foi publicado no ano novo da década seguinte.

Mais tarde, em 1975, Alain Aspect propôs em um artigo de um experimento meticuloso o suficiente para ser irrefutável: Experimento proposto para testar a não separabilidade da mecânica quântica ,. Isso levou Aspect, junto com os físicos Philippe Grangier, Gérard Roger e Jean Dalibard ) a estabelecer vários experimentos cada vez mais complexos entre 1980 e 1982 que estabeleceram ainda mais o emaranhamento quântico. Finalmente, em 1998, o experimento de Genebra testou a correlação entre dois detectores separados por 30 quilômetros, virtualmente em toda a cidade, usando a rede suíça de telecomunicações de fibra óptica. A distância deu o tempo necessário para comutar os ângulos dos polarizadores. Portanto, era possível ter um shunt elétrico completamente aleatório. Além disso, os dois polarizadores distantes eram totalmente independentes. As medições foram registradas em cada lado e comparadas após cada experimento, datando cada medição usando um relógio atômico. O experimento mais uma vez verificou o emaranhamento sob as condições mais estritas e ideais possíveis. Se o experimento de Aspect implicou que um sinal de coordenação hipotético viaja duas vezes mais rápido que c , o de Genebra atingiu 10 milhões de vezes c .

Pós-revolução: Quarta etapa

Em seu último texto sobre o tema, Einstein refinou ainda mais sua posição, deixando completamente claro que o que realmente o perturbava na teoria quântica era o problema da renúncia total a todos os padrões mínimos de realismo, mesmo no nível microscópico, que a aceitação da completude da teoria implícita. Embora a maioria dos especialistas na área concorde que Einstein estava errado, o entendimento atual ainda não é completo (ver Interpretação da mecânica quântica ).

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Boniolo, G., (1997) Filosofia della Fisica , Mondadori, Milan.
  • Bolles, Edmund Blair (2004) Einstein Defiant , Joseph Henry Press, Washington, DC
  • Born, M. (1973) The Born Einstein Letters , Walker and Company, Nova York, 1971.
  • Ghirardi, Giancarlo, (1997) Un'Occhiata alle Carte di Dio , Il Saggiatore, Milan.
  • Pais, A., (1986) Sutil é o Senhor ... A Ciência e Vida de Albert Einstein , Oxford University Press, Oxford, 1982.
  • Shilpp, PA, (1958) Albert Einstein: Philosopher-Scientist , Northwestern University e Southern Illinois University, Open Court, 1951.