Estranheza Quântica

Física é a ciência que trata de como o universo funciona em seu nível mais básico e fundamental. Existem muitas subcategorias da física, cada uma lidando com certo aspeto particular do universo. O ramo da física que lida com a forma como o universo opera em escalas muito pequenas – interações envolvendo partículas menores que átomos – é chamado de mecânica quântica. A mecânica quântica é estranha. Suspeito que a maioria dos físicos concordaria que, de todos os ramos da física, a mecânica quântica é a mais estranha e a menos intuitiva. Francamente, a maneira como as coisas se comportam nas escalas menores simplesmente não é o que esperaríamos. Porquê? Existe uma maneira melhor de entender a mecânica quântica, que seja mais agradável às nossas expectativas? E o que tudo isso tem a ver com a cosmovisão cristã?

Desafiando nossas expectativas

Quais são alguns exemplos de estranheza quântica? Quando perde suas chaves, começa a procurá-las, esperando encontrá-las em um local específico. Mas, depois de encontrá-las, não continuará à procura, porque sabe que suas chaves só podem estar em um lugar ao mesmo tempo. Se elas estiverem no seu bolso, não podem estar também entre as almofadas do sofá. Este princípio funciona muito bem em grandes escalas, mas não em escalas quânticas. Sob certas circunstâncias, uma partícula subatômica pode estar em vários lugares ao mesmo tempo. Esquisito!

Um satélite orbita porque a gravidade da Terra desvia o caminho do satélite de uma linha reta para um caminho curvo (quase circular). A distância que um satélite orbita dependerá da energia total de sua órbita. Você pode adicionar um pouco de energia e o satélite se moverá para uma órbita mais alta, ou subtrairá um pouco, e o satélite se moverá para uma órbita mais baixa. Você pode colocar o satélite em órbita a qualquer distância que desejar adicionando ou removendo a quantidade apropriada de energia.

Você poderia pensar que os elétrons que orbitam o núcleo de um átomo se comportariam da mesma maneira. Mas os elétrons só podem orbitar a certas distâncias de um núcleo. Por exemplo, eles podem orbitar no nível 1 ou 2, mas você não pode fazê-los orbitar em nenhum lugar entre esses níveis. Consequentemente, você não pode adicionar um pouco de energia a um elétron em órbita para fazê-lo orbitar um pouco mais. Ele não o aceitará. Ele aceitará apenas exatamente a quantidade de energia necessária para fazer o salto para o próximo nível permitido. Esquisito! As órbitas dos elétrons são quantizadas, razão pela qual esse ramo da física é chamado de quantum.

A rotação também é quantizada na escala subatômica. Você pode imaginar girar uma roda a 60 rotações por minuto ou um pouco mais lentamente a 59 rotações por minuto. Você também pode girá-la em qualquer lugar entre essas, como 59,5 rotações por minuto ou 59.97632. Qualquer valor é permitido. Mas não é assim no mundo quântico. Na escala atômica, as partículas podem girar, mas apenas em determinadas taxas quantizadas, como 1, 2, 3, 4, mas não no meio. Portanto, 1.3 não é permitido. Além disso, as partículas mais básicas, como os elétrons, têm uma rotação interna cuja quantidade é imutável e (no caso de muitas partículas) é exatamente metade da taxa permitida para partículas compostas maiores. Os elétrons têm uma rotação de 1/2.

Em nossa experiência cotidiana, sabemos que, para uma coisa afetar outra, ela deve estar em contato com ela. No beisebol, se você quer bater um “home run”, deve acertar na bola com seu taco. Você só pode mover as coisas que realmente toca. Suas ações não terão efeito em uma bola de beisebol que você não toque, como uma que está do outro lado do planeta.1 Você pode pensar que o mesmo seria verdade para partículas subatômicas. Mas você está errado. Quando duas partículas estiveram em contato uma com a outra, mesmo depois que se separam, uma mudança numa pode afetar instantaneamente a outra – mesmo que agora estejam em lados opostos da galáxia! Esse fenômeno é chamado emaranhamento quântico e deve ser o aspeto mais estranho da mecânica quântica.

Uma explicação parcial

Algumas das estranhezas da mecânica quântica começaram a fazer sentido quando os cientistas descobriram que as partículas subatômicas têm uma natureza de onda. Imagine jogar uma grande pedra em uma lagoa. O respingo inicial cria uma onda circular que se afasta do ponto de impacto. Esse círculo cresce ao longo do tempo, com pequenas ondulações dentro dele que se afastam do centro até atingirem a circunferência do círculo.

Os físicos estudam as propriedades das ondas há séculos. Então, sabemos bastante sobre como as ondas se comportam. As ondas têm picos positivos e negativos e viajam pelo espaço. Quando duas ondas diferentes entram em contato, elas podem passar uma pela outra, produzindo picos positivos e negativos que são a combinação das duas ondas. Imagine jogar duas pedras simultaneamente em dois locais diferentes em um lago. Uma onda se afastará de cada impacto e, eventualmente, as ondulações de um respingo entrarão em contato com as ondulações no outro respingo. Quando dois picos de ondulações estão no mesmo local, eles se somam e você verá um pico realmente grande. No entanto, quando um pico em uma onda está no mesmo local que um vale na outra onda, os dois se cancelam e a água fica temporariamente nivelada.

Temos provas experimentais de que partículas subatômicas podem se comportar exatamente dessa maneira. Todas as partículas têm um comprimento de onda que depende de sua massa e velocidade. Quanto menos massiva a partícula, maior o comprimento de onda a uma determinada velocidade. Não enxergamos o comprimento de onda de objetos grandes, como um carro, porque para um objeto tão grande o comprimento de onda é muito menor que um átomo. Mas para partículas minúsculas, sua natureza de onda é muito percetível.

“A estranheza da mecânica quântica existe não por causa de algo ilógico no universo, mas porque temos uma imagem incorreta do que está acontecendo.”

Portanto, a estranheza da mecânica quântica existe não por causa de algo ilógico no universo, mas porque temos uma imagem incorreta do que está acontecendo. Tendemos a pensar nas partículas como um ponto ou uma pequena esfera que existe em apenas um local específico no espaço. Mas, de fato, as partículas subatômicas são mais como ondas que se estendem no espaço. Portanto, é claro, um elétron pode existir em mais que um local porque se expande por um volume de espaço como uma onda.

De fato, a natureza das ondas dos elétrons explica porque eles só podem orbitar o núcleo de um átomo em certos níveis discretos, e não entre esses níveis. Os níveis em que os elétrons orbitam são aqueles em que a circunferência da órbita corresponde a um múltiplo inteiro do comprimento de onda do elétron. Caso contrário, os picos positivos e negativos da onda seriam cancelados e o elétron deixaria de existir. Sabendo disso, podemos calcular matematicamente os níveis em que os elétrons orbitarão um átomo de hidrogênio, e experimentos confirmaram isso com precisão.

No entanto, algumas propriedades do mundo quântico ainda são bastante misteriosas. Por exemplo, embora as partículas subatômicas se comportem como ondas, elas apenas o fazem às vezes. Outras vezes, elas se comportam como uma partícula – como se existissem em apenas um local no espaço. Aparentemente, todas as partículas subatômicas agem como ondas até que qualquer tipo de medição seja feita sobre elas. Quando tentamos medir qualquer propriedade de uma partícula, ela cessará – naquele momento – seu comportamento de onda. Os físicos dizem que sua “função de onda entra em colapso“. A partícula não será mais estendida por um volume de espaço como uma onda, mas assumirá uma posição discreta no espaço. Surpreendentemente, a probabilidade de encontrar a partícula em um local específico é o quadrado de sua função de onda. Basicamente, as partículas agem como ondas quando você não está a olhar para elas, e elas agem como partículas quando você está a olhar para elas. E é provável que a partícula esteja onde a onda é um pico alto ou bem negativo. É estranho, mas é verdade.

Apesar de sua natureza contraintuitiva, temos uma boa razão para pensar que a mecânica quântica é uma descrição razoavelmente boa de como o universo opera: funciona incrivelmente bem. Nomeadamente, as previsões da mecânica quântica foram repetidamente verificadas experimentalmente. Elas sempre fazem a previsão correta. Então, devemos estar a acertar em alguma coisa. Ninguém está a afirmar que a mecânica quântica é toda a história. A maioria dos físicos acredita que aproximações ainda melhores serão descobertas no futuro. Mas seu sucesso demonstra que a mecânica quântica deve ser uma aproximação muito boa do que está a acontecer.

No entanto, existem interpretações de alguns aspetos da mecânica quântica preconizados por alguns cientistas que são duvidosas e não são necessárias para fazer previsões corretas. Por exemplo, ao fazer uma medição em uma partícula que interrompe sua função de onda, sabemos que a partícula será encontrada em locais onde o quadrado da função de onda é alto. Mas não podemos prever qual “pico” a partícula escolherá. Alguns físicos propuseram que a partícula escolha todos os caminhos possíveis – cada um em um universo separado. Por acaso, vivemos no universo onde observamos o resultado fornecido. Mas em algum outro universo, a partícula fez uma escolha diferente. Obviamente, essa ideia de “multiverso” não passa de conjetura. Não faz previsões testáveis, não possui evidências de apoio (nem poderia, em princípio) e, portanto, não contribui para a ciência.

Lógica versus intuição

Às vezes, os leigos duvidam da mecânica quântica porque é muito estranha – muito contrária à nossa intuição. Mas deveria o universo ser intuitivo? Intuição é a nossa expectativa cotidiana sobre como as coisas devem funcionar. Não temos tempo nem intelecto para calcular explicitamente, a partir dos primeiros princípios, o que deve acontecer em todas as situações de nossas vidas. Portanto, confiamos na experiência e descobrimos padrões que parecem funcionar a maior parte do tempo. Tais experiências formam nossa intuição sobre o que esperar em situações futuras inexperientes.

Muitas vezes, nossa intuição está correta. Mesmo uma criança pequena que não sabe nada sobre a lei da gravidade de Newton espera que uma pedra na mão caia no chão se a soltar. A experiência passada diz a ela que, geralmente, as coisas caem. Mas como a intuição se baseia na experiência, ela funciona melhor nos casos em que temos muita experiência. No entanto, a intuição falha mais miseravelmente em situações nas quais temos pouca ou nenhuma experiência. Uma criança assistindo um astronauta na televisão pode se surpreender quando o astronauta solta algo, e isso não cai no chão.2

Grande parte da estranheza da mecânica quântica pode ocorrer simplesmente porque a maioria das pessoas não tem experiência com partículas subatômicas. Não podemos vê-las diretamente, pois são pequenas demais. Mas observe que a mecânica quântica não viola princípios de lógica. Não há nada irracional no comportamento das partículas subatômicas. Pode haver certas interpretações dos resultados experimentais que violam as leis da lógica – e essas interpretações estão, portanto, erradas. Mas os próprios resultados experimentais são perfeitamente lógicos, mesmo que sejam contrários à nossa intuição.

De fato, se a mecânica quântica fosse genuinamente ilógica, se realmente violasse os princípios da lógica, nunca poderíamos tê-la descoberto. Usamos princípios da lógica para fazer descobertas científicas. Argumentamos a partir de observações experimentais sob a suposição de que o universo é fundamentalmente lógico – que nunca viola princípios corretos de raciocínio. Mas o que justifica essa expectativa?

A cosmovisão cristã é o que torna a ciência possível. O universo é sempre lógico, porque a lógica é uma descrição de como Deus pensa. Deus é perfeitamente racional. E como a mente de Deus controla o universo, o universo sempre será lógico. Sendo feitos à imagem de Deus, os seres humanos têm a capacidade de pensar logicamente, embora em nossos pecados às vezes deixemos de o fazer. O sucesso da ciência é, portanto, evidência de que a cosmovisão cristã é correta. Num universo casual, porquê esperar encontrar padrões na natureza? Por que esperar que esses padrões sigam as leis da lógica? O fato de que cientistas seculares esperam encontrar padrões na natureza, e esperam que esses padrões sejam lógicos, mostra que, no fundo do coração, eles realmente conhecem a Deus, embora suprimam essa verdade em injustiça (Romanos 1: 18-20).

Embora Deus seja lógico, Ele também é muito criativo. Seus caminhos e pensamentos estão muito acima dos nossos (Isaías 55: 8–9). E, portanto, alguns aspetos da maneira como Deus escolheu para defender seu universo podem parecer muito estranhos e surpreendentes para nós. A mecânica quântica é um ótimo exemplo disso. E, no entanto, confiamos que o universo sempre será racional, se não sempre intuitivo, porque é sustentado pela mente de Deus. O sucesso da ciência justifica o pensamento bíblico e desafia o secularismo. Além disso, o estudo da maneira como o universo opera nos diz algo sobre a magnificência da mente de Deus. Como colocou o cientista da criação Johannes Kepler, fazer ciência é pensar “os pensamentos de Deus atrás Dele“.

Artigo original por Dr. Jason Lisle em : https://answersingenesis.org/physics/quantum-weirdness/