Normalmente acredita-se que uma medição quântica afeta o objeto medido - vai de um estado indefinido a um certo, como na física quântica uma superposição de estados "colapsa" em um único estado próprio. No entanto, poucas pessoas pensam no fato de que a medição também pode destruir informações quânticas.
Imagine-se no lugar de um cientista tentando entender a realidade em um nível fundamental. Como você lidaria com esse problema? Você estaria tentando decompor a matéria em componentes minúsculos que são mais fáceis de estudar. Você projetaria experimentos para testar e medir as propriedades dessas minúsculas partículas subatômicas em vários estados. Se você fosse realmente inteligente, tentaria usar as propriedades que mediu para entender as leis do universo.
Você pode muito bem decidir que, com medições ou experimentos suficientes, pode descobrir o que quiser sobre qualquer partícula (ou grupo de partículas) em todo o universo. Expectativas semelhantes eram comuns entre os cientistas no início do século XX. Mas descobriu-se que o universo quântico tem outras propostas para nós. Certas medições anulam completamente as informações que você recebeu em medições anteriores. Aparentemente, o ato de medir destrói informações. E foi assim que descobrimos.
Certas operações matemáticas, como adição ou multiplicação, não dependem da ordem das ações - são comutativas. Se a ordem das operações for importante e o resultado depender dela, as operações serão chamadas de não comutativas. No mundo da física, isso é muito importante.
Em teoria, a história começa com uma ideia matemática simples: o conceito de comutatividade. Comutatividade é quando você pode reorganizar as peças em lugares sem alterar o resultado. A adição é comutativa: 2 + 3 = 3 + 2. O mesmo é verdadeiro para a multiplicação: 2 × 3 = 3 × 2. A subtração não é comutativa: 2 - 3 ≠ 3 - 2; você precisa adicionar um sinal de menos à direita para que a expressão se torne verdadeira. A divisão também não é comutativa, e com ela tudo fica um pouco mais complicado: 2 ÷ 3 ≠ 3 ÷ 2; uma das partes deve ser invertida para torná-la igual à outra.
Na física, a comutabilidade se refere não apenas às operações matemáticas, mas também à manipulação ou medição física. Um exemplo simples: rotações. Podemos pegar um objeto que é diferente em todas as três dimensões - por exemplo, um telefone celular - e fazer duas rotações uma após a outra:
- segurando o objeto à sua frente, gire-o 90 ° no sentido anti-horário em relação ao eixo direcionado a você;
- gire o mesmo objeto 90 ° no sentido horário em torno do eixo vertical.
Pode surpreender alguns que a ordem em que esses giros são executados seja importante.
O telefone anterior do autor, da era anterior aos smartphones, ilustra a não comutatividade das rotações no espaço tridimensional. As linhas superior e inferior, da esquerda para a direita, começam na mesma posição. Na parte superior, seguindo uma rotação de 90 ° no sentido anti-horário no plano da fotografia, segue-se uma rotação de 90 ° no sentido horário em torno do eixo vertical. Na parte inferior, as mesmas duas voltas são feitas em uma ordem diferente. A não comutatividade das rotações é óbvia.
A ideia de não-comutatividade aparece até mesmo no mundo da física clássica, mas sua aplicação mais famosa se relaciona ao mundo quântico na forma do princípio da incerteza de Heisenberg... Em nosso mundo clássico, podemos medir muitas propriedades de um objeto a qualquer momento. Coloque um objeto na balança e meça sua massa [peso / aprox. por.]. Anexe um sensor de movimento a ele e meça seu momento. Atire com um laser e meça sua localização. Envie para o calorímetro e meça sua energia. Inicie o cronômetro enquanto o objeto está balançando e obtenha o período de oscilação.
No universo quântico, muitas dessas medições são válidas, mas apenas no momento em que você as faz - e não para sempre. A questão é que certas propriedades quânticas que você pode medir - pares de quantidades chamadas de variáveis conjugadas - estão relacionadas entre si. Se você medir o momento com uma certa precisão, não poderá saber a localização de uma partícula com mais precisão do que com um certo erro - mesmo que tenha medido anteriormente essa localização com muito mais precisão.
A incerteza inerente do mundo quântico entre localização e momento. Quanto melhor você souber a localização de uma partícula, menos saberá seu momento - e vice-versa. A localização e o momento são melhor descritos por uma função de onda probabilística em vez de um único valor.
Muitos acham difícil aceitar o princípio da incerteza, mas o universo parece apoiá-lo. Também se aplica a outros pares de variáveis conjugadas:
- localização (Δx) e momento (Δp),
- energia (ΔE) e tempo (Δt),
- potencial elétrico, ou tensão (Δφ) e carga elétrica livre (Δq),
- momento angular (ΔL) e orientação, ou posição angular (Δθ).
No entanto, se você realmente precisa demonstrar uma necessidade física, precisa obter evidências experimentais para apoiá-la. Não é suficiente simplesmente dizer "Não sei quão precisas são minhas medições". Você precisa encontrar uma maneira de mostrar que as informações recebidas em medições anteriores com certa precisão foram destruídas pelas medições subsequentes.
E em 1921, o físico Otto Stern apareceu com uma maneira engenhosa de testar isso.
Partículas individuais e compostas podem ter momento angular orbital e intrínseco (spin). Quando essas partículas têm uma carga elétrica intrínseca ou intrínseca, surge um momento magnético que faz com que elas se desviem uma certa quantidade na presença de um campo magnético.
Digamos que você tenha uma partícula quântica - um elétron, um próton, um núcleo composto (um objeto que consiste em prótons e nêutrons ligados), ou mesmo um átomo neutro com um núcleo e elétrons girando em torno dele. Esse objeto tem várias propriedades quânticas inerentes a ele: massa, carga elétrica, etc. Em teoria, ele também deveria ter momento angular - não apenas porque gira em torno de outras partículas (ou outras partículas giram em torno dele), mas também algum momento angular interno inerente. Esta propriedade quântica de um objeto é chamada de spin [girar (inglês) - girar / aprox. por.], por analogia com um topo girando em torno de seu próprio eixo.
Se você imaginar um pião, poderá imediatamente imaginar duas maneiras de girá-lo:
- no sentido horário em torno do eixo vertical,
- ou anti-horário.
Vivendo em um mundo sem gravidade (e sem direções preferenciais - cujo papel, no nosso caso, é desempenhado pela direção para o centro da Terra), pode-se imaginar sua rotação no sentido horário ou anti-horário em torno de qualquer eixo nas três dimensões. Esta é a nossa premissa: a ideia de que as partículas têm um spin, um momento angular interno. Embora em 1921 ainda houvesse vários anos antes de George Eugene Uhlenbeck e Samuel Abraham Goudsmit formularem sua hipótese do spin do elétron, essa ideia ainda estava presente na "velha teoria quântica" de Bohr e Sommerfeld.
A trajetória de uma partícula quântica giratória que passa por um campo magnético é afetada por seu momento magnético associado ao seu spin. Na teoria quântica, isso significa que o spin deve ser discreto.
Como medir o spin de partículas quânticas? Como determinar se o spin é uma quantidade contínua que pode assumir qualquer valor na forma dos parâmetros clássicos ou é inerentemente quântico e discreto?
Stern adivinhou que se tomarmos um campo magnético perpendicular à direção do movimento de uma partícula carregada com spin, o campo atuará na trajetória do movimento de acordo com o momento magnético associado ao spin. Uma partícula sem spin não será afetada, mas uma partícula com spin desviará na direção do campo magnético.
Se o spin for discreto, ou seja, quantizado, todas as partículas que se movem na mesma velocidade devem estar no mesmo lugar. Se o spin for clássico e contínuo, as partículas podem estar em qualquer lugar.
Um feixe de partículas passando por um ímã pode fornecer resultados quânticos / discretos (5) para o momento angular das partículas, ou clássico / contínuo (4). O experimento Stern-Gerlach demonstrou a existência de vários fenômenos quânticos importantes.
Em 1922, o físico Walter Gerlachprovidenciou um teste das idéias de Stern desenvolvendo um experimento. Gerlach começou com um eletroímã através do qual viaja um feixe de átomos de prata, que pode ser facilmente acelerado à mesma velocidade. Quando o eletroímã foi desligado, todos os átomos de prata atingiram o mesmo ponto no detector do outro lado do ímã. Quando o ímã foi ligado, o feixe se dividiu em duas partes - metade dos átomos mudou sua trajetória, desviando em uma direção, metade na outra. Hoje sabe-se que este comportamento corresponde à presença de spins +1/2 e -1/2 direcionados paralelos ou antiparalelos às linhas do campo magnético.
Este experimento inicial foi suficiente para provar a existência de spin, que é quantizado em valores discretos. No entanto, demonstrou ainda mais a capacidade da mecânica quântica de destruir informações previamente obtidas. Quando os átomos de prata passam pelo aparato Stern-Gerlach com o campo magnético ligado, o feixe de átomos é dividido em dois, de acordo com os spins das partículas.
Ok - e se passarmos uma das metades do feixe por outro aparelho Stern-Gerlach?
Se você atirar partículas através do aparato Stern-Gerlach, o campo magnético dividirá seu feixe em duas partes, de acordo com as opções de spin possíveis. Se o segundo aparato de Stern-Gerlach for colocado no caminho de uma das metades do feixe, a divisão não ocorrerá mais, uma vez que essa propriedade quântica das partículas já foi determinada.
A resposta pode surpreendê-lo: tudo depende da direção em que o ímã está orientado. Se o primeiro aparato Stern-Gerlach foi orientado, digamos, ao longo do eixo x, então algumas das partículas irão na direção + x, e algumas - ao longo da direção –x. Vamos nos concentrar no primeiro. Se você passá-los por mais um ímã, orientado ao longo do eixo x, as partículas não se separarão - todas permanecerão orientadas na direção + x.
Mas se você orientar o segundo campo magnético ao longo do eixo y, o resultado pode surpreendê-lo. Agora o raio de partículas, inicialmente orientado na direção + x, se dividirá ao longo do eixo y: metade irá na direção + y, e a outra na direção –y.
Então chega o momento crítico: o que acontece se nos concentrarmos apenas nas partículas + y, e novamente passá-las por um campo magnético orientado ao longo do eixo x?
Se você passar um conjunto de partículas pelo aparato Stern-Gerlach uma vez, elas se separarão de acordo com seu spin. Se você passá-los por um segundo ímã perpendicular, eles se separam em uma nova direção. Se você usar um terceiro ímã paralelo ao primeiro, eles se separarão novamente - o que significa que as informações previamente determinadas tornaram-se novamente aleatórias devido à medição mais recente.
Eles irão novamente, como da primeira vez, se dividir ao longo das direções + xe –x. Ao passá-los através do segundo ímã, orientado perpendicularmente, você destruiu as informações obtidas na primeira medição. Hoje entendemos que as direções x, y e z não comutam entre si. Uma medição quântica de uma variável de um tipo destrói todas as informações anteriores sobre suas variáveis conjugadas.
Vários aparelhos sucessivos que dividem partículas quânticas ao longo de um dos eixos de acordo com seu spin irão dividi-las ao longo da perpendicular à direção anterior, mas não irão se dividir na mesma direção.
O experimento Stern-Gerlach tem uma consequência duradoura. Em 1927, foi demonstrado que a divisão ocorre até mesmo em átomos de hidrogênio, o que indica que eles têm um momento magnético diferente de zero. Os núcleos atômicos têm um momento angular quântico inerente e também fissão no aparelho de Stern-Gerlach. Ao mudar o campo magnético ao longo do tempo, os cientistas descobriram como fazer um momento magnético assumir um estado ou outro. Acabou sendo possível induzir transições entre estados mudando o campo no tempo. Este foi o nascimento da ressonância magnética, que agora é onipresente nas máquinas de ressonância magnética e, eventualmente, levou ao relógio atômico.
- . . . 1937 , , .
Parece que o ato de medição e observação não deve influenciar o resultado do experimento. A ideia de que observar um sistema muda suas propriedades parece absurda. Mas no universo quântico isso não apenas acontece - foi demonstrado antes mesmo de a teoria ser totalmente formada. Medir o spin de uma partícula ao longo de uma direção destrói as informações obtidas anteriormente sobre as outras duas direções. Mesmo que você os tenha medido antes e os conheça exatamente, a nova dimensão fundamentalmente apaga (torna aleatória) qualquer informação obtida anteriormente.
Para muitos físicos que ouviram a famosa declaração de Einstein de que “ Deus não joga dados com o Universo"Este experimento deve primeiro vir à mente como um contra-exemplo. Não importa o quão bem você pensa que entende a realidade. Não importa o quão precisa e exaustivamente você a mede de maneiras diferentes. Qualquer medição inerentemente torna uma informação aleatória. A nova dimensão destrói as informações antigas. Tudo que é necessário para provar isso é um ímã e algumas partículas.