O gato de Schrödinger: O paradoxo da Física quântica

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O experimento do gato de Schrödinger é um dos mais populares paradoxos da física. Com efeito, ele é regido no mundo mecânica quântica e nos busca trazer um entendimento simplificado das estranhezas do mundo microscópico. Todavia, muitas vezes esse paradoxo é dito e entendido de forma errada, tanto por iniciantes no estudo da mecânica quântica, quanto por curiosos que buscam o conhecimento por meio de meios de divulgação científica.

Tendo isso em vista, nós da MeuGuru preparamos esse artigo especialmente para você, gurunauta. Decerto, aqui vamos explorar de forma clara, objetiva e precisa a ideia por trás do paradoxo do gato de Schrödinger. Em particular, vamos começar revisitando um pouco da figura do grande físico Erwin Schrödinger e depois atacaremos esse paradoxo.

Ademais, pode ficar tranquilo que desde já advertimos que nenhum felino morreu nesse processo. Então gurunauta, vem conosco que agora vamos adentrar nas nuances do mundo microscópico.

Quem foi Erwin Schrödinger ?

Desde já, é interessante sabermos um pouco da mente que está por trás desse fascinante paradoxo o físico Erwin Schrödinger. Com efeito, Erwin Schrödinger ou simplesmente Schrödinger como é amplamente conhecido, foi um físico austríaco nascido em Viena, em 12 de agosto de 1887, e falecido em Viena em 4 de janeiro de 1961.

Esse grande físico tornou-se historicamente conhecido por suas importantes contribuições para a física teórica, especialmente na área da mecânica quântica. Além disso, Schrödinger trabalhou em diversos campos da física, incluindo óptica, eletrodinâmica e termodinâmica, antes de se concentrar na mecânica quântica. Em 1926, ele propôs a equação de onda de Schrödinger, que descreve o comportamento dos sistemas quânticos e é uma das equações fundamentais da física quântica, trazendo grandes avanços para o entendimento e compreensão matemática da mecânica quântica.

Além do mais, Schrödinger também se dedicou aos entendimentos conceituais que regem sistemas quânticos. Com efeito, sua grande contribuição foi a concepção do famoso experimento mental do gato de Schrödinger, que ilustra o paradoxo da mecânica quântica e se tornou um ícone popular da física quântica.

Assim, com essas contribuições, Schrödinger consagrou-se como um dos grandes pais da Mecânica Quântica. Foram essas e outras contribuições que o levaram a receber diversos prêmios e honrarias ao longo de sua carreira. Em particular, o Prêmio Nobel de Física em 1933, juntamente com Paul Dirac, pelo desenvolvimento da nova mecânica quântica.

O experimento do gato de Schrödinger

Agora que temos em mente uma breve noção da mente por trás desse paradoxo, vamos adentrar em sua descrição efetivamente. Com efeito, experimento do gato de Schrödinger é experimento mental, ou seja, não foi concebido de forma prática apenas imaginado e discutido conceitualmente a luz da filosofia e da mecânica quântica. Em suma, a ideia do experimento é explicar uma noção fundamental da física quântica: superposição de estados.

De fato, na mecânica quântica nós chamamos de estados as funções que nós fornecem a compreensão matemática do sistema. Entretanto, essa noção não é algo obtido precisamente, na verdade, os estados carregam consigo uma natureza probabilística. Dessa forma, não temos efeitos determinísticos na mecânica quântica o que rompe o paradigma determinístico da mecânica newtoniana embasada pelas leis de Newton.

Com efeito, vamos juntos imaginar esse experimento gurunauta. De início, vamos pensar numa determinada caixa a qual contém quatro elementos básicos, sendo estes.

      • Um gato fofinho.

      • Um frasco contendo um veneno letal.

      • Um contador Geiger.

      • Uma fonte de radiação.

    Todos esses ingredientes ficam postos numa caixa fechada, sendo que não sabemos o que acontece dentro da caixa. Então, inicia-se a liberação de radiação a partir da fonte (não nos interessa qual é essa radiação). Com isso, nós temos dois cenários uma vez que temos um contador Geiger (é um aparelho que detecta radiação ionizante) na caixa, estes são.

        • Há 50% de chance do contador detectar a radiação e se isso ocorre ele libera o veneno letal e nosso gato fofinho falece.

        • Há 50% de chance do contador não detectar a radiação e nosso gato fofinho fica vivo.

      A grande questão que o paradoxo nos põem é a seguinte: “O gato dentro da caixa está vivo ou morto?”

      Resolvendo o paradoxo do Gato de Schrödinger

      De fato, você deve estar pensando que talvez esse ideia seja um tanto quanto imprecisa, pois, basicamente, basta abrirmos a caixa e conferirmos o resultado. Assim, nós teremos o entendimento do que ocorreu e saberemos se nosso gato está ou não vivo.

      Entretanto, aqui temos várias sutilezas que devem ser tratadas. Em particular, a questão é que até que a caixa seja aberta, não se sabe se o gato está vivo ou morto. Nesse ponto, nós dizemos que o gato está num estado de superposição, o qual ele pode estar vivo ou ele pode estar morto. Ou seja, antes de abrirmos a caixa há 50% de ele estar vivo ou 50% de ele estar morto e essas duas probabilidades devem e coexistem de forma mútua.

      Assim, de acordo com a mecânica quântica, antes da observação, o gato existe em um estado de superposição, ou seja, ele está simultaneamente vivo e morto. A observação corresponde a um processo de medição que corresponde ao ato de abrir a caixa para verificar se o gato está vivo ou morto. De acordo com a interpretação de Copenhague da mecânica quântica, o ato de observar colapsa a função de onda, fazendo com que o gato exista apenas em um dos dois estados possíveis (vivo ou morto.

      A figura a seguir ilustra essas questões de forma clara e simplificada.

      Imagem ilustrativa sobre o experimento do Gato de Schrödinger com relação ao papel do observador na determinação dos estados e da realidade física.

      Figura 1. Esquematização das etapas do processo do experimento do gato de Schrödinger.

      O papel da observação

      Com efeito, você deve ter visto que a noção de observação no paradoxo é crucialmente significativa a tal ponto de decidir se nosso gato está ou não vivo/morto. Todavia, essa situação esquemática nos leva a consideração dos estados de superposição que retiram nossa compreensão absoluta e nos lançam probabilidades para o entendimento dos sistemas em mecânica quântica.

      Ademais, na consagrada interpretação de Copenhague da mecânica quântica, o papel da observação no experimento do gato de Schrödinger é extremamente significativo. De acordo com essa interpretação, antes da observação, o gato existe em um estado de superposição, ou seja, ele está simultaneamente vivo e morto. No entanto, assim que a caixa é aberta e a observação é feita, a função de onda do sistema colapsa em um dos dois estados possíveis, fazendo com que o gato exista apenas em um estado (vivo ou morto) e não mais em ambos simultaneamente.

      Isso ocorre porque, de acordo com a mecânica quântica, o ato de observação altera o sistema observado. A observação causa uma interação entre o sistema e o observador, o que resulta na perda da coerência quântica e na transição para um estado bem definido.

      Entretanto, a questão de como e por que a observação causa o colapso da função de onda ainda é objeto de debate e pesquisa na física quântica.

      Implicações do paradoxo do gato de Schrödinger

      Assim, o experimento do gato de Schrödinger não limita-se a uma mera questão mental. De fato, ele é uma forma ilustrativa de entendermos que o papel de um observador na mecânica quântica pode alterar resultados em processos de medição. Ademais, a noção de observação ainda nos leva a obter o colapso da função de onda o qual força os estados em superposição a nos fornecerem um resultado preciso após a medição.

      Assim, podemos destacar várias implicações profundas na física quântica e na filosofia da ciência que emergem desse paradoxo. Algumas das principais implicações são:

          1. Coerência quântica: O paradoxo do gato de Schrödinger ilustra a ideia de que os sistemas quânticos podem estar em estados de superposição, o que significa que eles podem estar em vários estados possíveis simultaneamente.

          1. Colapso da função de onda: O paradoxo do gato de Schrödinger também levanta a questão do colapso da função de onda, que é o fenômeno em que a superposição de estados quânticos é “forçada” a se tornar um estado bem definido quando uma observação é feita.

          1. Interpretações da mecânica quântica: O paradoxo do gato de Schrödinger é frequentemente usado como um exemplo de como diferentes interpretações da mecânica quântica podem levar a resultados diferentes.

        Referências

            1. Livro: “O Gato de Schrödinger: A vida secreta dos universos quânticos” de John Gribbin. Editora: Cultrix, 2017. ISBN: 978-8531613984.

            1. Artigo: “The Schrödinger’s Cat Paradox” de Andrew Zimmerman Jones. Disponível em: https://www.thoughtco.com/schrodingers-cat-paradox-373382. Acesso em: 16 maio 2023.

            1. Artigo: “The Quantum Mechanics of Schrödinger’s Cat” de Jeffrey A. Barrett. Disponível em: https://plato.stanford.edu/entries/qm-schrodinger-cat/. Acesso em: 16 maio 2023.

            1. Livro: “Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum” de Leonard Susskind e Art Friedman. Editora: Basic Books, 2014. ISBN: 978-0465062904.

            1. Artigo: “Quantum Superposition” de Barry R. Holstein. Disponível em: https://www.physicstoday.org/doi/10.1063/PT.3.3464. Acesso em: 16 maio 2023.

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