Movimento estranho de nêutrons prova que a natureza é fundamentalmente bizarra: WebCuriosos

Nas escalas mais pequenas, a nossa visão intuitiva da realidade já não se aplica. É quase como se a física fosse fundamentalmente indecisa, uma verdade que se torna mais difícil de ignorar à medida que ampliamos as partículas que pixelizam o nosso Universo.

Para melhor compreendê-lo, os físicos tiveram que conceber uma quadro totalmente novo para colocá-lo, baseado na probabilidade sobre a certeza. Esta é a teoria quântica e descreve todos os tipos de fenômenos, desde o emaranhamento até a superposição.

No entanto, apesar de um século de experiências que mostram quão útil é a teoria quântica para explicar o que vemos, é difícil abalar a nossa visão “clássica” dos blocos de construção do Universo como elementos fiáveis ​​no tempo e no espaço. Até Einstein foi forçado perguntar ao seu colega físico: “Você realmente acredita que a Lua não está lá quando você não está olhando para ela?”

Numerosos físicos perguntaram ao longo das décadas se existe alguma forma de a física que usamos para descrever experiências macroscópicas também poder ser usada para explicar toda a física quântica.

Agora, um novo estudo também determinou que a resposta é um grande não.

Especificamente, os nêutrons disparados em um feixe em um interferômetro de nêutrons pode existir em dois lugares ao mesmo tempo, algo que é impossível na física clássica.

O teste é baseado em uma afirmação matemática chamada Desigualdade de Leggett-Gargque afirma que um sistema está sempre determinadamente em um ou outro dos estados disponíveis para ele. Basicamente, o Gato de Schrödinger está vivo ou morto, e somos capazes de determinar em qual desses estados ele se encontra sem que nossas medições afetem o resultado.

Os macrossistemas – aqueles que podemos compreender de forma confiável usando apenas a física clássica – obedecem à desigualdade de Leggett-Garg. Mas os sistemas no domínio quântico violam-no. O gato está vivo e morto simultaneamente, uma analogia para a superposição quântica.

“A ideia por trás disso é semelhante à mais famosa Desigualdade de Bellpelo qual o Prêmio Nobel de Física foi concedido em 2022,” diz a física Elisabeth Kreuzgruber da Universidade de Tecnologia de Viena.

“No entanto, a desigualdade de Bell é sobre a questão de quão fortemente o comportamento de uma partícula está relacionado a outra partícula quântica emaranhada. A desigualdade de Leggett-Garg trata apenas de um único objeto e levanta a questão: como está seu estado em pontos específicos no tempo relacionado ao estado do mesmo objeto em outros momentos específicos?”

O interferômetro de nêutrons envolve o disparo de um feixe de nêutrons contra um alvo. À medida que o feixe percorre o aparelho, ele se divide em dois, com cada uma das pontas do feixe percorrendo caminhos separados até serem posteriormente recombinadas.

O teorema de Leggett e Garg afirma que uma medição em um sistema binário simples pode efetivamente fornecer dois resultados. Meça novamente no futuro, esses resultados serão correlacionados, mas apenas até certo ponto.

Para sistemas quânticos, o teorema de Leggett e Garg não se aplica mais, permitindo correlações acima deste limite. Com efeito, isto daria aos investigadores uma forma de distinguir se um sistema precisa de um teorema quântico para ser compreendido.

“No entanto, não é tão fácil investigar esta questão experimentalmente”, diz o físico Richard Wagner da Universidade de Tecnologia de Viena. “Se quisermos testar o realismo macroscópico, então precisamos de um objeto que seja macroscópico em certo sentido, ou seja, que tenha um tamanho comparável ao tamanho dos nossos objetos habituais do dia a dia.”

Para conseguir isso, o espaço entre as duas partes do feixe de nêutrons no interferômetro está em uma escala mais macro do que quântica.

“A teoria quântica diz que cada nêutron viaja em ambos os caminhos ao mesmo tempo”, diz o físico Niels Geerits da Universidade de Tecnologia de Viena. “No entanto, os dois feixes parciais estão separados por vários centímetros. De certa forma, estamos lidando com um objeto quântico que é enorme para os padrões quânticos.”

Usando vários métodos de medição diferentes, os pesquisadores sondaram os feixes de nêutrons em momentos diferentes. E, com certeza, as medições estavam demasiado correlacionadas para que as regras clássicas da macro-realidade pudessem ser aplicadas. Os nêutrons, sugeriram suas medições, estavam na verdade viajando simultaneamente em dois caminhos separados, separados por uma distância de vários centímetros.

É apenas o mais recente em um longa série de experimentos Leggett-Garg isso mostra que realmente precisamos da teoria quântica para descrever o Universo em que vivemos.

“Nosso experimento mostra: a natureza é realmente tão estranha quanto afirma a teoria quântica”, diz o físico Stephan Sponar da Universidade de Tecnologia de Viena. “Não importa qual teoria clássica e macroscopicamente realista você crie: ela nunca será capaz de explicar a realidade. Ela não funciona sem a física quântica.”

A pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.