O que uma disputa entre Einstein e Bohr pode ensinar à era da pós-verdade

Físicos estudaram a mecânica quântica, área que mudou a forma como compreendemos o mundo

Fernando de Melo

[RESUMO]  A mecânica quântica —a melhor teoria que temos até hoje para explicar fenômenos na escala atômica e subatômica— é a base de tecnologias que vão do laser a computadores supervelozes. Mais do que isso, essa área da física mudou a forma como compreendemos o mundo. A história de todo esse desenvolvimento guarda, porém, outro ensinamento que pode ser bastante valioso em tempos de pós-verdade: a atitude científica.

 

Em 2016, o departamento universitário responsável por editar o renomado dicionário Oxford de inglês escolheu o vocábulo "pós-verdade" ("post-truth") como a palavra do ano. "Pós-verdade" é definido, segundo essa obra, como um termo que "se relaciona ou denota circunstâncias em que fatos objetivos são menos importantes na formação da opinião pública do que apelos à emoção e às crenças pessoais".

Pós-verdades têm tido maior repercussão no cenário político, mas questões de cunho científico não escaparam ilesas. Negação do aquecimento global, criacionismo e, mais recentemente, terraplanismo são exemplos marcantes em que fatos científicos são ignorados e substituídos por crenças ou comodismos.

einstein em sala de aula
O físico alemão, Albert Einstein, se apresenta em Paris em 1922, um ano após ganhar o Nobel. - Universidade Hebraica de Jerusalém

Talvez os cientistas tenhamos uma parcela de culpa nisso. Muitas vezes, passamos ao público uma imagem dogmática do fazer científico: é tudo preto no branco; não existe espaço para questionamentos ou erros. Dessa forma, a ciência fica parecendo só outra crença. E, crença por crença, cada um prefere a sua.

O dia a dia do cientista é bastante diferente, porém. Não tenha dúvida: cientistas somos humanas e humanos, temos nossas paixões, vieses, cometemos erros e somos influenciados por questões que vão daquelas mais mundanas possíveis até temas socioeconômicos.

Mas um aspecto da prática científica é crucial: não podemos ignorar os resultados de experimentos. Mais do que isso: quando propomos uma nova ideia ou teoria, temos que buscar convencer aqueles que discordam de nós. Isso não se dá no grito, na força ou por argumentos de autoridade.

Para convencer os demais cientistas, procuramos realizar experimentos que podem nos provar errados. Se tal experimento não cumpre essa tarefa, nossa teoria ganha força; se o experimento mostra nosso equívoco, temos que modificar nossa teoria ou até mesmo abandoná-la. É esse aspecto fundamental que faz com que os resultados científicos sejam confiáveis.

Possivelmente, uma das melhores ilustrações dessa prática científica venha da história da mecânica quântica e, em especial, das discussões sobre seu fenômeno mais controverso: o emaranhamento quântico.

A mecânica quântica se originou por volta de 1900. Naquele momento, três dos grandes pilares da física moderna —a mecânica newtoniana, o eletromagnetismo e a termodinâmica— já estavam bem desenvolvidos e foram de grande influência, por exemplo, na Revolução Industrial e nas telecomunicações (telégrafo, sincronização de horários dos trens etc.). No entanto, resultados experimentais teimavam em balançar esses pilares.

Quando fazemos uma fogueira para nos aquecer do frio, podemos observar que a madeira fica avermelhada. A cor que vemos ser irradiada por um objeto incandescente (madeira, metal etc.) é composta de várias cores fundamentais, e a distribuição delas nessa composição é relacionada à temperatura daquilo que está pegando fogo.

Essa radiação emitida pelo objeto vem da vibração de seus átomos, e as teorias vigentes no começo do século passado falhavam em explicar a distribuição das cores observadas —de fato, nem mesmo a ideia de átomos era bem aceita à época.

Para explicar tal distribuição de cores fundamentais para uma dada temperatura, Max Planck (1858-1947) fez, ainda que de modo relutante, uma excêntrica suposição: a energia emitida pela vibração dos átomos só pode se dar em múltiplos inteiros de um valor mínimo, o chamado quantum de energia. Estava assim proposto que a energia é quantizada e, como tal, só pode ser gerada ou absorvida em pacotes de quanta (plural de quantum).

O valor de um quantum é muito pequeno, o que não permite observarmos os efeitos dessa quantização da energia no dia a dia. No entanto, a suposição de Planck explicou perfeitamente a distribuição de cores de um objeto incandescente. Mais tarde, comentando sua atitude, ele disse: "[Foi] um ato de desespero"¦ Eu estava pronto para sacrificar todas as minhas convicções sobre física."

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O físico alemão Max Planck (1858-1947) em retrato de 1930 - Divulgação

Por esse "ato de desespero", Planck recebeu o Nobel de Física de 1918. Sua atitude de se despir de ideias preconcebidas guiou todo o desenvolvimento da mecânica quântica. O mundo das partículas subatômicas é tão diferente de nosso cotidiano que temos de nos guiar inteiramente por resultados experimentais. O senso comum do mundo macroscópico precisa ser abandonado se quisermos entender o âmbito das partículas subatômicas.

Depois que uma ideia explica os resultados de um experimento, é necessário ver se ela é consistente com aquilo que já havia sido observado anteriormente, e devemos explorar suas consequências. Essa tarefa foi desempenhada por um grupo de cientistas —Albert Einstein (1879-1955), Marie Curie (1867-1934), Niels Bohr (1885-1962), Erwin Schrödinger (1887-1961), Werner Heisenberg (1901-1976), entre outros— e culminou com as bases do que hoje chamamos a teoria da mecânica quântica.

A teoria proposta por esses pesquisadores esclareceu vários resultados experimentais à época, bem como tornou possível entender a estrutura atômica e sua interação com a luz. Esse desenvolvimento acabaria por levar à invenção do laser, do transistor, dos aparelhos de ressonância magnética"¦ e da bomba atômica.

Antes mesmo de a Segunda Guerra Mundial eclodir, uma consequência direta da então recente teoria da mecânica quântica já causava estrondo.

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O físico Albert Einstein escreve equação na lousa do Instituto Carnegie, em Pasadena. - Associated Press

Em 1935, Einstein, com Boris Podolsky (1896-1966) e Nathan Rosen (1909-1995), percebeu que a teoria quântica leva a um tipo de "conexão" (tecnicamente, correlação) entre partículas subatômicas que pode ser mais forte do que as correlações observadas entre sistemas macroscópicos. Esse tipo de correlação entre partículas subatômicas foi batizado por Schrödinger, em 1935, de emaranhamento quântico.

Em princípio, correlações não têm nada de misterioso. Considere a situação em que dois carros se afastam um do outro em linha reta com velocidades idênticas, porém inicialmente desconhecidas para nós. Quando medimos a velocidade de um dos carros, descobrimos imediatamente a velocidade do outro.

Da mesma forma, se os dois carros partiram do mesmo ponto, quando medimos a posição de um deles em relação ao ponto inicial, descobrimos imediatamente a posição do outro. Portanto, as posições e velocidades dos dois carros estão correlacionadas. No entanto, quando transportamos esse cenário para o mundo quântico, as correlações quânticas parecem desafiar ora a mecânica quântica, ora a teoria da relatividade, ambas muito caras a Einstein.

Einstein, Podolsky e Rosen (EPR) imaginaram uma situação experimental semelhante à dos carros acima, mas com partículas subatômicas. Eles consideraram um experimento mental no qual duas partículas (que denotaremos por A e B) são preparadas de tal forma que suas posições e velocidades são quanticamente emaranhadas, ou seja, dotadas daquela "conexão" que só ocorre no mundo atômico e subatômico.

Depois que as duas partículas estão bem distantes uma da outra, EPR argumentam que, assim como para os carros, se realizássemos uma medição da posição de A, poderíamos inferir a posição de B. E, se medíssemos a velocidade de A, poderíamos descobrir a velocidade de B.

Como, no ato das medições, as partículas já estão muito distantes entre si, os três autores supõem que a medição de A não interfere em nada nos valores da posição e velocidade de B. Aqui, temos um possível dilema.

Alguns anos antes, em 1927, Heisenberg havia demonstrado que, segundo a mecânica quântica, não pode existir um sistema subatômico que tenha, ao mesmo tempo, valores bem definidos para posição e velocidade. Se um sistema subatômico apresenta um valor bem definido para sua posição, quando medimos a sua velocidade encontramos valores aleatórios. Esse é o conteúdo da famosa relação de incerteza de Heisenberg.

No entanto, no experimento pensado por EPR, caso decidíssemos medir a posição de A, descobriríamos que B tem posição bem definida; se resolvêssemos medir a velocidade de A, descobriríamos que B tem velocidade bem definida. Mas, como as partículas estão separadas por grande distância, a decisão de qual medição será feita em A não pode influenciar os valores de posição e velocidade da partícula B. Ou seja, B deveria ter, em princípio, posição e velocidade bem definidas ao mesmo tempo.

Essa argumentação leva a uma contradição com o princípio da incerteza. Portanto, os autores alegam que a mecânica quântica não seria uma teoria completa, já que não conseguiria estabelecer valores de grandezas físicas que estão de fato presentes no sistema que está sendo medido.

Na concepção dos três físicos, o único modo de salvar a mecânica quântica seria relaxando a hipótese de que a medição de A não pode interferir instantaneamente nas propriedades de B. Por exemplo, se decidíssemos medir a posição de A —o que, por consequência, nos permitiria dizer que B teria posição bem definida—, isso perturbaria de forma aleatória a velocidade da partícula B, e, portanto, essa partícula não teria velocidade bem definida.

Essa solução, porém, sugere que a informação do que foi medido em A teria de ser transmitida instantaneamente para B. Mas, segundo a teoria da relatividade de Einstein, nenhum sinal que carrega informação pode ser enviado de modo mais rápido do que a luz (300 mil km/s). Mais uma vez, parecemos chegar a uma contradição. Einstein deu nome a essa possível transmissão instantânea: "ação fantasmagórica a distância".

As ideias que levaram ao "paradoxo EPR" foram fortemente influenciadas pelas várias discussões que Einstein teve com Bohr. Einstein ganhou o Nobel de Física em 1921 por mostrar o efeito da quantização da luz; Bohr recebeu o Nobel de Física no ano seguinte por descrever a quantização da matéria.

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O físico dinamarquês Niels Bohr (esq.) e o alemão Albert Einstein discutem mecânica quântica, em 1925 - Coleção particular

Apesar de os dois cientistas terem participado de forma crucial da construção da mecânica quântica, eles discordavam fortemente a respeito de aspectos mais filosóficos da teoria.

Einstein acreditava que, ao contrário do que diz a mecânica quântica, todas as grandezas físicas de um sistema devem ter um valor bem definido o tempo todo, independentemente de estarem ou não sendo medidas. Ou seja, há uma realidade intrínseca, e medições só a descobrem.

Bohr, em contrapartida, postulou o princípio da complementaridade —para os sistemas na escala atômica, não existe um valor predefinido para as grandezas físicas; são as medições que criam a realidade.

Apesar dessa discordância (ou por causa dela), os dois cientistas se admiravam mutuamente. A discussão de ideias, sobretudo com quem não concorda com elas, é parte fundamental da atitude científica. Na esteira da construtiva discussão entre dois dos maiores cientistas do século passado, Bohr, ainda em 1935, escreveu um artigo no qual abordava o tal "paradoxo EPR".

A resposta, porém, não convenceu. Einstein morreu em 1955; Bohr, em 1962. A teoria da mecânica quântica se transformou em uma das mais precisas e mais bem testadas de todos os tempos. Até hoje, nenhum experimento pôs em questão sua validade. Apesar de todo esse sucesso, aquelas questões de 1935 ainda incomodavam.

Foram necessários quase 30 anos e um até então desconhecido físico, John Stewart Bell (1928-1990), para que, em 1964, a resposta ao "paradoxo EPR" começasse a se desenhar. Bell percebeu que, se realizamos um experimento somente uma vez, nada podemos falar sobre correlações ou transferência de informação. Para tal, é preciso repeti-lo muitas vezes e, assim, obter a probabilidade de cada resultado possível.

A estratégia de Bell foi, então, a de relacionar os conceitos de realismo (que diz que os valores das grandezas físicas estão definidos a todo instante) e de localidade (que afirma que não pode haver interação instantânea a distância instantânea) com as probabilidades dos resultados de medições nas partículas A e B. Com isso, ele transformou conceitos a princípio de cunho filosófico em grandezas que podem ser acessadas por experimentos.

Também com essa formulação probabilística podemos estabelecer critérios para verificar se uma teoria permite transmissão de informação instantaneamente —e fica claro que a mecânica quântica não a permite. A contradição em relação à teoria da relatividade, então, não existe, mas ainda resta a possibilidade de interação instantânea a distância sem a transmissão de informação.

Partindo das ideias de Bell, é possível construir uma relação entre as probabilidades dos resultados de um experimento a qual deve ser satisfeita por todas as teorias que supõem realismo e localidade. Essa relação é conhecida hoje em dia como desigualdade de Bell.

Experimentos para testar tal desigualdade começaram no início da década de 1980, tendo sido realizada em 2015 sua versão mais sofisticada. Em todos esses experimentos, a conclusão é sempre a mesma: a mecânica quântica não está de acordo com a desigualdade de Bell.

Os resultados desses experimentos mostram, mais uma vez, que ideias que tomamos como absolutamente triviais no mundo macroscópico não podem ser tomadas como verdadeiras no mundo das partículas subatômicas. Na arena quântica, ou não temos realismo, ou não temos localidade, ou não temos nenhuma das duas coisas.

Portanto, uma teoria sem interação a distância e com valores bem definidos a todo tempo para as grandezas físicas —como, talvez, desejasse Einstein— não é possível. Uma teoria sem interação a distância na qual medições geram a realidade —como argumentava Bohr— ainda não foi refutada e segue, portanto, como uma das possíveis descrições da natureza. Mesmo em uma discussão entre gigantes da ciência, os fatos dão a última palavra.

Desde seu nascimento, a mecânica quântica tem mudado nossa sociedade de forma radical. Aquela discussão filosófica de 1935, que alterou a forma como entendemos a natureza a partir de 1964, é hoje o combustível de surpreendentes tecnologias quânticas.

Computadores quânticos, que permitem resolver problemas intratáveis para as máquinas atuais, e criptografia quântica, que permite comunicações intrinsecamente seguras, são alguns dos desenvolvimentos tecnológicos que prometem mudar drasticamente a forma como viveremos em um futuro não muito distante. Crucial para esses desenvolvimentos foi (e ainda é) a atitude científica.

Numa sociedade em que mentiras e meias verdades são disseminadas com velocidade —o que fez analistas afirmarem que vivemos a era da pós-verdade—, talvez a atitude científica seja a mais importante das lições da história da mecânica quântica. Mais que gerar inovações tecnológicas, o papel das ciências é o de mudar a sociedade pela forma como compreendemos o mundo.

Fica, então, uma possível lição para estes tempos: interpretações, erros, vieses e dúvidas vão sempre estar presentes, mas fatos não podem ser ignorados. 


Fernando de Melo é doutor em física pela Universidade Federal do Rio de Janeiro e pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, no Rio de Janeiro (RJ). Sua área de pesquisa é informação quântica.

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