O princípio da superposição quântica foi testado em escala nunca antes em um novo estudo realizado por cientistas da Universidade de Viena, em colaboração com a Universidade de Basileia. Moléculas quentes e complexas compostas por quase dois mil átomos foram levadas a uma superposição quântica e feitas para interferir.
Ao confirmar esse fenômeno – “o coração da mecânica quântica”, nas palavras de Richard Feynman – em uma nova escala de massa, foram colocadas restrições aprimoradas em teorias alternativas à mecânica quântica. O trabalho será publicado na Nature Physics.
Quântico para clássico?
O princípio da superposição é uma característica da teoria quântica que emerge de uma das equações mais fundamentais da mecânica quântica, a equação de Schrödinger. Ele descreve partículas no quadro das funções das ondas, que, assim como as ondas de água na superfície de uma lagoa, podem exibir efeitos de interferência. Mas, ao contrário das ondas de água, que são um comportamento coletivo de muitas moléculas de água em interação, as ondas quânticas também podem ser associadas a partículas isoladas.
Talvez o exemplo mais elegante da natureza ondulatória das partículas seja o experimento de fenda dupla, no qual a função de onda de uma partícula passa simultaneamente por duas fendas e interferem-se. Esse efeito foi demonstrado para fótons, elétrons, nêutrons, átomos e até moléculas, e levanta uma questão com a qual os físicos e filósofos têm lutado desde os primeiros dias da mecânica quântica: como esses estranhos efeitos quânticos passam para o mundo clássico com o qual todos nós estamos familiarizados
Abordagem experimental
Os experimentos de Markus Arndt e sua equipe da Universidade de Viena abordam essa questão da maneira mais direta possível, ou seja, mostrando interferência quântica em objetos cada vez mais massivos. As moléculas nas experiências recentes têm massas superiores a 25.000 unidades de massa atômica, várias vezes maiores que o registro anterior. Uma das maiores moléculas enviadas através do interferômetro, C707H260F908N16S53Zn4, é composta por mais de 40.000 prótons, nêutrons e elétrons, com um comprimento de onda de Broglie mil vezes menor que o diâmetro de um único átomo de hidrogênio. Marcel Mayor e sua equipe da Universidade de Basileia usaram técnicas especiais para sintetizar moléculas massivas que eram suficientemente estáveis ??para formar um feixe molecular em vácuo ultra-alto. Para provar a natureza quântica dessas partículas, também foi necessário um interferômetro de ondas de matéria com uma linha de base de dois metros de comprimento, construída em Viena.
Modelos quânticos alternativos e macroscopicidade
Uma classe de modelos que visa reconciliar a transição aparente de um regime quântico para um regime clássico prevê que a função de onda de uma partícula entra em colapso espontaneamente com uma taxa proporcional à sua massa ao quadrado. Ao mostrar experimentalmente que uma superposição é mantida para uma partícula pesada por um determinado período de tempo, coloca diretamente limites sobre a frequência e a localização desse processo de colapso. Nessas experiências, as moléculas permaneceram em superposição por mais de 7 ms, tempo suficiente para estabelecer novos limites interferométricos em modelos quânticos alternativos.
Uma medida generalizada chamada macroscopicidade é usada para classificar quão bem modelos alternativos são descartados por esses experimentos, e os experimentos de Fein et al. publicado na Nature Physics de fato representa um aumento de ordem de magnitude na macroscopicidade. “Nossos experimentos mostram que a mecânica quântica, com toda a sua estranheza, também é incrivelmente robusta, e estou otimista de que experimentos futuros o testem em uma escala ainda mais massiva”, diz Fein. A linha entre o quantum e o clássico está ficando cada vez mais embaçada.
Publicado em 28/12/2019
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