É a questão central da mecânica quântica, e ninguém sabe a resposta: O que acontece realmente numa sobreposição – a circunstância peculiar em que as partículas parecem estar em dois ou mais lugares ou estados ao mesmo tempo? Em 2018 uma equipa de investigadores em Israel e no Japão propôs uma experiência que poderia finalmente deixar-nos dizer algo com certeza sobre a natureza deste fenómeno intrigante.
A sua experiência foi concebida para permitir aos cientistas dar uma olhadela de relance sobre onde um objecto – neste caso uma partícula de luz, chamada fotão – reside quando é colocada numa sobreposição. E os investigadores prevêem que a resposta será ainda mais estranha e chocante do que “dois lugares ao mesmo tempo”
O exemplo clássico de uma sobreposição envolve disparar fotões a duas fendas paralelas numa barreira. Um aspecto fundamental da mecânica quântica é que partículas minúsculas podem comportar-se como ondas, de modo que as que passam por uma fenda “interferem” com as que passam pela outra, as suas ondulações ondulatórias ou impulsionam-se ou cancelam-se umas às outras para criar um padrão característico num ecrã detector. O estranho, porém, é que esta interferência ocorre mesmo que apenas uma partícula seja disparada de cada vez. A partícula parece de alguma forma passar por ambas as fendas ao mesmo tempo, interferindo em si mesma. Isso é uma sobreposição.
E fica mais estranho: Medir por que fenda tal partícula atravessa invariavelmente indicará que só atravessa uma, mas depois a interferência ondulatória (a “quantumidade”, se preferir) desaparece. O próprio acto de medição parece “colapsar” a sobreposição. “Sabemos que algo de suspeito se passa numa sobreposição”, diz o físico Avshalom Elitzur do Instituto Israelita de Investigação Avançada. “Mas não está autorizado a medi-lo. É isto que torna a mecânica quântica tão diabólica”
Durante décadas, os investigadores pararam neste aparente impasse. Não podem dizer exactamente o que é uma sobreposição sem olhar para ela, mas se tentarem olhar para ela, ela desaparece. Uma solução potencial – desenvolvida pelo antigo mentor de Elitzur, o físico israelita Yakir Aharonov, agora na Universidade de Chapman, e os seus colaboradores – sugere uma forma de deduzir algo sobre as partículas quânticas antes de as medir. A abordagem de Aharonov chama-se formalismo de dois estados (TSVF) da mecânica quântica e postula que os eventos quânticos são, em certo sentido, determinados pelos estados quânticos não só no passado, mas também no futuro. Ou seja, o TSVF assume que a mecânica quântica funciona da mesma maneira tanto para a frente como para trás no tempo. Nesta perspectiva, as causas podem parecer propagar-se para trás no tempo, ocorrendo depois dos seus efeitos: um fenómeno chamado retrocausation.
Mas não é preciso tomar esta estranha noção literalmente. Em vez disso, no TSVF, pode-se ganhar conhecimento retrospectivo do que aconteceu num sistema quântico, seleccionando o resultado: Em vez de simplesmente medir onde uma partícula vai parar, um investigador escolhe um determinado local para a procurar. A isto chama-se pós-eleição, e fornece mais informação do que qualquer espreitadela incondicional aos resultados alguma vez poderia. Isto porque o estado da partícula em qualquer instante está a ser avaliado retrospectivamente à luz de toda a sua história, até à medição, inclusive. A estranheza surge porque parece que o investigador – simplificando ao optar por procurar um determinado resultado – então, causa a ocorrência desse resultado. Mas isto é um pouco como concluir que, se ligar a sua televisão quando o seu programa favorito está programado, a sua acção faz com que esse programa seja transmitido nesse preciso momento. “É geralmente aceite que o TSVF é matematicamente equivalente à mecânica quântica padrão”, diz David Wallace, filósofo da ciência da Universidade do Sul da Califórnia, especializado em interpretações da mecânica quântica. “Mas isso leva a ver certas coisas que de outra forma não se teria visto”
Take, por exemplo, uma versão da experiência de dupla ranhura concebida por Aharonov e o seu colega de trabalho Lev Vaidman da Universidade de Tel Aviv em 2003, que interpretaram com o TSVF. O par descreveu (mas não construiu) um sistema óptico no qual um único fotão actua como um “obturador” que fecha uma fenda fazendo com que outro fotão “sonda” que se aproxima da fenda seja reflectido de volta da forma como veio. Aplicando a pós-eleição às medidas do fotão da sonda, Aharonov e Vaidman demonstraram que se podia discernir um fotão de obturador numa sobreposição fechando ambas (ou mesmo arbitrariamente muitas) as fendas simultaneamente. Por outras palavras, esta experiência de pensamento permitiria, em teoria, dizer com confiança que o fotão do obturador é tanto “aqui” como “ali” ao mesmo tempo. Embora esta situação pareça paradoxal da nossa experiência quotidiana, é um aspecto bem estudado das chamadas propriedades não locais das partículas quânticas, onde toda a noção de um local bem definido no espaço se dissolve.
Em 2016 os físicos Ryo Okamoto e Shigeki Takeuchi da Universidade de Quioto verificaram as previsões de Aharonov e Vaidman experimentalmente utilizando um circuito de transporte de luz no qual o fotão do obturador é criado utilizando um router quântico, um dispositivo que permite a um fotão controlar o trajecto percorrido por outro. “Esta foi uma experiência pioneira que permitiu inferir a posição simultânea de uma partícula em dois lugares”, diz o colega de Elitzur Eliahu Cohen da Universidade de Ottawa em Ontário.
Agora Elitzur e Cohen juntaram-se a Okamoto e a Takeuchi para conceberem uma experiência ainda mais espantosa. Eles acreditam que isso permitirá aos investigadores dizer com certeza algo sobre a localização de uma partícula numa sobreposição numa série de pontos diferentes no tempo – antes de qualquer medição real ter sido feita.
Desta vez o percurso do fotão da sonda seria dividido em três por espelhos parciais. Ao longo de cada um desses trajetos pode interagir com um fotão de obturador numa sobreposição. Estas interacções podem ser consideradas como tendo lugar dentro de caixas rotuladas A, B e C, uma das quais está situada ao longo de cada uma das três rotas possíveis do fotão. Olhando para a auto-interferência do fotão da sonda, pode-se concluir retrospectivamente com certeza que a partícula do obturador estava numa determinada caixa num determinado momento.
A experiência foi concebida para que o fotão da sonda só possa mostrar interferência se interagisse com o fotão do obturador numa sequência particular de locais e tempos: nomeadamente, se o fotão do obturador estava em ambas as caixas A e C num determinado momento (t1), então num momento posterior (t2) apenas em C, e num momento ainda posterior (t3) tanto em B como em C. Assim, a interferência no fóton da sonda seria um sinal definitivo que o fotão do obturador fazia esta sequência bizarra e lógica de aparências desarticuladas entre as caixas em momentos diferentes – uma ideia que Elitzur, Cohen e Aharonov propuseram como possibilidade em 2017 para uma única partícula espalhada por três caixas. “Gosto da forma como este artigo enquadra questões sobre o que está a acontecer em termos de histórias inteiras e não de estados instantâneos”, diz o físico Ken Wharton da Universidade Estatal de San José, que não está envolvido no novo projecto. “Falar de ‘estados’ é um velho preconceito generalizado, enquanto que as histórias completas são geralmente muito mais ricas e interessantes”
Que riqueza, argumentam Elitzur e os seus colegas, é a que o TSVF dá acesso. O aparente desaparecimento de partículas num lugar de cada vez e o seu reaparecimento noutros tempos e lugares – sugere uma visão extraordinária dos processos subjacentes envolvidos na existência não local de partículas quânticas. Através da lente do TSVF, diz Elitzur, esta existência cintilante e em constante mudança pode ser entendida como uma série de eventos em que a presença de uma partícula num local é “cancelada” pela sua própria “contrapartida” no mesmo local. Ele compara isto com a ideia introduzida pelo físico britânico Paul Dirac nos anos 20, que argumentou que as partículas possuem antipartículas, e se reunidas, uma partícula e uma antipartícula podem aniquilar uma à outra. No início, esta noção parecia apenas uma forma de falar, mas logo levou à descoberta de antimatéria. O desaparecimento de partículas quânticas não é “aniquilação” neste mesmo sentido, mas é algo análogo: estas putativas contrapartidas, Elitzur posits, deveriam possuir energia negativa e massa negativa, permitindo-lhes cancelar as suas contrapartidas.
Então, embora a tradicional visão “dois lugares ao mesmo tempo” da sobreposição possa parecer bastante estranha, “é possível que uma sobreposição seja um conjunto de estados ainda mais loucos”, diz Elitzur. “A mecânica quântica apenas nos fala da sua média”. A pós-eleição permite então isolar e inspeccionar apenas alguns desses estados com maior resolução, sugere ele. Uma tal interpretação do comportamento quântico seria, diz ele, “revolucionária” – porque implicaria um menagerie até agora não imaginado de estados reais (mas muito estranhos) subjacentes a fenómenos quânticos contraintuitivos.
Okamoto e os seus colegas em Quioto realizaram agora a experiência proposta utilizando fotões, mas ainda estão a analisar os resultados. Mesmo assim, diz Cohen, “os resultados preliminares concordam bem com a teoria”. Ele diz que os investigadores japoneses estão agora a fazer melhorias na configuração para reduzir as barras de erro.
Por enquanto alguns observadores externos não estão exactamente à espera com a respiração suspensa. “A experiência está destinada a funcionar”, diz Wharton – mas acrescenta que “não convencerá ninguém de nada, uma vez que os resultados são previstos pela mecânica quântica padrão”. Por outras palavras, não haveria razão convincente para interpretar o resultado em termos da TSVF em vez de uma das muitas outras formas que os investigadores interpretam o comportamento quântico.
Elitzur concorda que a sua experiência poderia ter sido concebida utilizando a visão convencional da mecânica quântica que prevaleceu há décadas atrás – mas nunca o foi. “Não será isso uma boa indicação da solidez do TSVF?” pergunta ele. E se alguém pensa que pode formular uma imagem diferente do “que realmente se passa” nesta experiência utilizando a mecânica quântica padrão, acrescenta, “Bem, deixe-os avançar!”
Ele está confiante que o trabalho anuncia “nada menos que uma revolução dentro da mecânica quântica”. Agora que os métodos de medição se tornaram suficientemente precisos, ele diz, “pode ter a certeza de que noções como retrocausação vão tornar-se parte e parcela da realidade quântica””