A mecânica quântica sempre desafiou nossa compreensão cotidiana da realidade. No mundo quântico, as partículas podem existir em superposições de estados, o que significa que podem ocupar múltiplas posições ou configurações possíveis ao mesmo tempo. Os físicos descrevem essas possibilidades matematicamente usando funções de onda.
Essa imagem é muito diferente da vida comum, onde um objeto aparece num lugar e num estado ao mesmo tempo. Para colmatar essa lacuna, a mecânica quântica padrão diz que quando um sistema quântico é medido ou observado, a sua função de onda colapsa num resultado fixo.
Agora, com o apoio do Instituto de Questões Fundamentais, FQXI, uma equipa internacional de físicos descobriu uma possibilidade mais fundamental. O seu trabalho mostra que certas alternativas à mecânica quântica padrão, conhecidas como modelos de colapso quântico, podem ter consequências surpreendentes para a natureza do tempo e para a precisão final dos relógios.
Conclusão, publicada em pesquisa de revisão físicaOs padrões também apontam para uma possível nova maneira de testar essas teorias não convencionais em comparação com a mecânica quântica.
“O que fizemos foi levar a sério a ideia de que o modelo de colapso poderia estar ligado à gravidade”, diz Nicola Bortolotti, estudante de doutoramento no Museu e Centro de Investigação Enrico Fermi (CREF) em Roma, Itália, que liderou o estudo. “E então fizemos uma pergunta muito concreta: o que isso significa para os tempos?”
Quando os estados quânticos entram em colapso
No início da década de 1980, os físicos desenvolveram modelos que não requerem instrumentos de medição ou observadores para o colapso da função de onda. Em vez disso, o colapso pode ocorrer espontaneamente.
Isso torna essas ideias diferentes de muitas interpretações da mecânica quântica. As interpretações fornecem principalmente diferentes explicações conceituais para o significado da teoria quântica, ao mesmo tempo que geralmente fazem as mesmas previsões experimentais que a mecânica quântica padrão. Os modelos de colapso quântico vão mais longe porque prevêem efeitos físicos que podem ser medidos, pelo menos em princípio.
Bortolotti e colegas examinaram dois modelos diferentes de colapso. A equipe inclui o membro do FQxI e Diretora de Pesquisa Catalina Curceanu do Laboratório Nazionali di Frascati do Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN-LNF) em Frascati, Itália, Cristian Pischchia do CREF e INFN-LNF, Lajos Diossi do Wigner Research Center for Physics e Eötvös Lorand University em Budapeste, Hungria, e Simon foram incluídos. Orientado do INFN-LNF.
Um dos modelos foi o modelo Diocese-Penrose (em homenagem aos membros da FQxI Lajos Diocese e Sir Roger Penrose). Há muito que se propõe que a gravidade pode desempenhar um papel ao forçar os sistemas quânticos a entrar em colapso em estados finitos.
Os pesquisadores também estudaram outra abordagem chamada localização contínua e suave. Pela primeira vez, ele estabeleceu uma relação quantitativa entre esse modelo e as flutuações gravitacionais no espaço-tempo.
Pode haver alguma incerteza inerente ao tempo
Os cálculos produziram uma conclusão surpreendente. Se estes modelos de colapso estiverem corretos, deverá haver uma quantidade muito pequena de incerteza intrínseca no tempo.
Em outras palavras, pode haver um limite fundamental para a precisão da medição do tempo. Isso não significa que os relógios se tornem repentinamente não confiáveis. O efeito previsto é excepcionalmente pequeno.
“Depois de fazer os cálculos, a resposta é óbvia e surpreendentemente convincente”, disse Bortolotti.
Mesmo os relógios atômicos mais avançados em funcionamento hoje ou esperados para um futuro próximo não seriam precisos o suficiente para perceber o efeito.
“A incerteza é várias ordens de magnitude menor do que podemos medir atualmente, por isso não tem consequências práticas para a cronometragem diária”, diz Curceanu. “Nossos resultados mostram claramente que as tecnologias modernas de cronometragem não são afetadas de forma alguma”, diz Pisicchia.
Uma possível pista para a gravidade quântica
Este trabalho aborda um dos maiores problemas não resolvidos da física moderna: como conciliar a mecânica quântica com a gravidade.
A mecânica quântica tem sido extremamente bem-sucedida na descrição de átomos, partículas e outros sistemas microscópicos. Enquanto isso, a teoria geral da relatividade de Einstein descreve o comportamento da gravidade, do espaço e do tempo em escalas muito maiores, incluindo planetas, estrelas, galáxias e até mesmo o universo.
Ambas as teorias concordam muito bem com experimentos nas áreas onde são utilizadas. O problema é que eles percebem o tempo de maneiras fundamentalmente diferentes.
“Na mecânica quântica padrão, o tempo é tratado como um parâmetro externo clássico que não é afetado pelo sistema quântico que está sendo estudado”, explica Curceanu.
A relatividade geral adota uma abordagem muito diferente. O espaço e o tempo fazem parte de uma estrutura flexível chamada espaço-tempo, que pode dobrar-se e mudar em resposta à massa e à energia.
Devido a esta incompatibilidade, os físicos passaram décadas procurando uma teoria mais profunda que pudesse unificar a mecânica quântica e a gravidade. Os novos resultados sugerem que o modelo de colapso pode conter pistas sobre como a física quântica, a gravidade e o tempo podem, em última análise, encaixar-se.
Eles também oferecem benefícios mais práticos. Como os modelos de colapso prevêem efeitos mensuráveis que diferem da mecânica quântica padrão, experiências extremamente precisas podem eventualmente ajudar a determinar se estas ideias descrevem algo real na natureza.
Cărceanu enfatizou a importância de apoiar a pesquisa sobre questões não convencionais nos fundamentos da física.
“Não há muitas instituições no mundo que apoiem a investigação sobre este tipo de questões fundamentais sobre o universo, o espaço, o tempo e a matéria”, diz Curceanu. “Nosso trabalho mostra que mesmo ideias radicais sobre a mecânica quântica podem ser testadas contra medições físicas precisas, e que, de forma tranquilizadora, a cronometragem é um dos pilares mais estáveis da física moderna.”
Este trabalho foi parcialmente apoiado Programa Consciência no Mundo Físico da FQxI.
