Compreendendo a revolução quântica
Compre livro - Helgoland por Carlo Rovelli
Qual é o enredo do romance de Helgoland?
Um estudo sonhador e lírico da física quântica, Helgoland (2021) é ambientada no ano 2021. O estranho universo subatômico descrito neste pequeno livro é aquele em que nada pode ser totalmente definitivo.
Quem é que lê o romance de Helgoland?
- Físicos que estão interessados na história da ciência, mas não são profissionais
- Psiconautas aspirantes que querem aprender mais sobre o mundo estranho dos átomos
- Qualquer pessoa que esteja interessada em dar um olhar surrealista sobre a realidade
Quem é Carlo Rovelli e qual é o seu fundo?
O físico Carlo Rovelli é o chefe do Grupo de Pesquisa da Gravidade Quântica do Center de Physique Théorique em Marselha, França, onde trabalha como físico teórico. Muitos de seus trabalhos, como sete breves lições sobre a física, a realidade não é o que parece e a ordem do tempo, foram os melhores vendedores em seus respectivos campos da física.
O que exatamente está nele para mim? Uma olhada nos desenvolvimentos mais recentes da física quântica.
Werner Heisenberg não conseguia parar de espirrar no verão de 1925, que por acaso era a temporada de alergias. O cientista de 23 anos fugiu para Helgoland, uma pequena ilha rochosa no Mar do Norte, a fim de aliviar seus sintomas de febre do feno. Ele começa a refletir cuidadosamente sobre átomos enquanto está aqui, finalmente capaz de respirar fundo. Suas descobertas terão um impacto profundo na física e na nossa compreensão da realidade. Com base na excelente narrativa do físico Carlo Rovelli, essas notas relatam a história intrigante de como a mecânica quântica passou a ser descoberta e descoberta pelos cientistas. Ao passar pelo livro, você aprenderá o que as idéias de Heisenberg nos dizem sobre o mundo bizarro e paradoxal das partículas subatômicas, e você verá como suas descobertas descobriram questões que continuam confundindo os cientistas hoje. Descubra como a febre do feno ajudou os cientistas a descobrir a física quântica, quando uma coisa não é realmente um objeto e por que os multiversos não são necessários nesses conjuntos de notas.
Heisenberg foi o catalisador para o nascimento de uma área nova e complicada de pesquisa conhecida como física quântica.
Ser um cientista jovem e ambicioso no início do século XX foi um momento emocionante para estar vivo. O físico dinamarquês Niels Bohr descobriu um fenômeno estranho que confunde cientistas por décadas. Ele descobriu que, quando aquecido, os átomos produzem luz em frequências específicas exclusivas para eles. Esses padrões indicam que os elétrons, as pequenas partículas subatômicas que giram sobre o núcleo de um átomo, apenas órbita a certas distâncias do núcleo do átomo. Heisenberg está perplexo com o motivo pelo qual isso está acontecendo. Por que os elétrons devem ser restritos a certas configurações orbitais? E por que eles deveriam pular entre órbitas em maneiras mensuráveis específicas, se não são necessárias? Essencialmente, ele quer entender melhor a física dos saltos quânticos. A lição mais importante a tirar disso é: Heisenberg foi o catalisador para o nascimento de uma área nova e complicada de pesquisa conhecida como física quântica.
Isso era um dilema, já que os cientistas da época não conseguiram entender as órbitas elétrons ou os saltos quânticos que ocorreram entre essas órbitas. Números discretos são usados para explicar o movimento de partículas na física clássica. Esses números foram usados para representar variáveis como localização, velocidade e energia. No entanto, foi impossível estabelecer esses fatores no caso de elétrons. Os cientistas só podiam ver as mudanças nessas variáveis quando os elétrons saltaram entre órbitas e, assim, limitaram suas observações. Para evitar esse enigma, Heisenberg concentrou -se no que podia ser visto, a saber, a frequência e a amplitude da luz emitidas durante esses saltos quânticos. Ele reescreveu os princípios físicos clássicos e substituiu cada variável individual por uma tabela ou matriz que representava todas as possíveis mudanças que poderiam ocorrer no mundo. No entanto, embora a aritmética fosse muito complexa, o resultado foi exatamente o que Bohr tinha visto.
O outro cientista, Erwin Schrödinger, adotou uma abordagem um pouco diferente dos outros. Era sua crença de que os elétrons não eram apenas uma coleção de partículas que orbiam um núcleo, mas que eram ondas eletromagnéticas que viajavam ao seu redor. Ele também foi capaz de combinar com precisão as descobertas de Bohr usando a matemática mais direta das equações de ondas. Havia, no entanto, um problema. As ondas são difusas, mas quando os elétrons são detectados por um detector, são claramente pontos definidos, ou partículas, em oposição às ondas.
Como podemos conciliar esses modelos aparentemente contraditórios que, apesar de sua aparente incompatibilidade, fornecer os mesmos resultados? Max Born, um terceiro pensador, foi capaz de fornecer uma solução. Os cálculos de ondas de Schrödinger, afirmou, ofereceram uma melhor explicação dos resultados das medições de elétrons do que os cálculos da matriz de Heisenberg, que apenas forneceram a chance de fazer essas observações. Parecia que, nessa nova física quântica, os elétrons viviam de alguma forma como ondas até serem vistos por um observador externo. Então eles param em um único local. Isso resultou em uma pergunta nova e desconcertante: por que isso aconteceu?
Como resultado de sua existência, as superposições levantam questões desafiadoras sobre a natureza da realidade.
Existe um experimento famoso que explica o reino confuso da física quântica de maneira direta. Possui um gato em uma caixa com um gadget estranho preso a ele. Após a ativação, emite um forte sedativo que ajuda a colocar a criatura para dormir. Suponhamos que o gadget seja ativado apenas quando ocorre um determinado evento quântico, como a desintegração de um átomo. Além disso, suponhamos que as equações de Schrödinger prevejam que esse evento ocorrerá a qualquer momento com um em duas chances. Como resultado, não saberemos se o evento aconteceu ou não até abrirmos a caixa. O gato parece estar dormindo e alerta ao mesmo tempo.
Isso é referido como uma superposição quântica e acontece quando duas características conflitantes estão presentes simultaneamente no mesmo espaço físico. Como é uma noção famosa de entender, levou décadas para físicos e filósofos inventarem uma explicação satisfatória de como funciona. A lição mais importante a afastar disso é: como resultado de sua existência, as superposições levantam questões desafiadoras sobre a natureza da realidade. É conhecido como o gato de Schrödinger e serve para destacar um dos mistérios mais fundamentais da física quântica. Apesar do fato de que as superposições parecem impossíveis, os cientistas mostraram que existem. Por exemplo, um único fóton de luz pode parecer que viajou por dois caminhos totalmente diferentes! Há uma variedade de teorias concorrentes sobre essa realidade bizarra, que geralmente são chamadas de interpretações.
A idéia de vários universos é uma explicação possível. Nesse modelo, o conceito de o gato está dormindo e acordado é levado à sua conclusão lógica. Como resultado, como a chance de o gatilho acontecer é uma em cada dois, ocorrem ambos os eventos, embora em prazos separados, como mostrado acima. Você, como observador, também vive em cada uma dessas outras linhas do tempo. De fato, como existe um número ilimitado de ocorrências quânticas, há um número infinito de cronogramas ou universos a serem considerados como resultado.
A hipótese das variáveis ocultas, que é uma interpretação rival, evita a existência de universos intermináveis, distinguindo a onda de Schrödinger da própria partícula quântica. De acordo com essa teoria, a probabilidade indicada por Schrödinger existe de maneira genuína que ainda não compreendemos, apesar do fato de o mundo físico visível ter apenas uma forma. Como resultado, mesmo que observemos apenas um gato acordado, a possibilidade de um gato adormecido existe em nossa realidade.
No entanto, há uma terceira interpretação, conhecida como bayesianismo quântico ou qbism, que é completamente diferente. De acordo com essa teoria, as superposições e as probabilidades de Schrödinger nada mais são do que informações, e essas informações são parcialmente completas. Quando os observadores abrem a caixa e visualizam o gato, eles obtêm mais conhecimento da situação. Dessa maneira, o observador cria realidade por peça observando o mundo ao seu redor. No entanto, isso levanta a questão de quem é o observador em primeiro lugar.
A interpretação relacional descreve um universo no qual tudo está sempre mudando.
De acordo com o entendimento do leigo sobre a física quântica, as superposições quânticas persistem até que um observador intervém e determine o que realmente está ocorrendo. Como resultado, um elétron zomba em uma nuvem indefinida de probabilidade até que um cientista venha com um detector de elétrons e, através da observação, determina onde o elétron está realmente localizado. Mas o que há sobre um cientista que o torna tão único? Existe algo nela que confere nela a posição de um observador com direitos especiais? Seu casaco de laboratório, seu sofisticado equipamento tecnológico ou sua própria presença como criatura senciente com a capacidade de ver, pensar e estar ciente são todos fatores em seu sucesso. A verdade é que nenhuma dessas coisas existe. Observação, sob a interpretação relacional da teoria quântica, não inclui ver no significado convencional da palavra. Na realidade, todo tipo de interação pode ser considerado uma observação.
A lição mais importante aqui é que a interpretação relacional descreve um mundo em que tudo está sempre mudando. É um pouco impróprio referir -se à teoria quântica como "observação" quando se trata disso. É feita uma distinção entre o mundo natural da física e um sujeito em particular, geralmente um humano, que observa este mundo de uma posição fora dele. A interpretação relacional da física quântica, por outro lado, elimina essa diferença. De acordo com esse conceito, cada entidade do universo é um observador e um observador, e é observado e observado.
O Cosmos está repleto de uma variedade incrível de objetos, variando de fótons ou partículas leves e arco -íris a gatos, relógios e galáxias, entre muitas outras coisas. Nenhuma dessas entidades, que geralmente é chamada de sistemas físicas, pode existir no vácuo. Eles estão constantemente interagindo entre si. E, na realidade, são as interações variadas entre sistemas físicos que determinam suas características. Se algo não tem nenhuma interação com outras coisas, não existe em nenhum sentido significativo.
Dessa maneira, todas as características físicas, que geralmente são chamadas de informação, são vinculadas. Ou seja, eles estão sempre em fluxo, aparecendo e desaparecendo, dependendo da situação. Isso é algo que já sabemos ser verdadeiro de certas maneiras. Uma qualidade como a velocidade só pode ser descoberta examinando o relacionamento entre duas coisas. Quando você está andando em um barco, sua velocidade varia dependendo se você está medindo -o com referência ao convés do barco ou à superfície do oceano.
Imaginar o mundo como uma rede infinita de relacionamentos que criam atributos pode não parecer revolucionária, mas realmente é. Vamos voltar à história do gato de Schrödinger. Enquanto dentro da caixa, o gato está dormindo ou acordado, dependendo de sua proximidade com o gatilho, mas, por fora, o gato parece não ser. Ambas as declarações estão corretas, pois vários relacionamentos resultam em realidades distintas, como afirmado anteriormente. O que importa é qualquer evento relacional ou quadro de referência que esteja sendo examinado no momento em questão.
O modelo relacional simplifica o processo de emaranhamento quântico e remove sua mística.
Considere dois fótons que estão em uma superposição quântica, onde são vermelhos e azuis ao mesmo tempo. Não podemos determinar a condição definida de qualquer um até fazer uma observação, assim como não podemos identificar o estado definitivo do gato de Schrödinger, a menos que façamos uma observação. No entanto, como cada fóton tem dois resultados possíveis, cada cor tem uma probabilidade de 50 % de aparecer quando é vista. Envie um desses fótons para Viena e o outro para Pequim e veja como vai. Se dermos uma olhada no fóton de Viena, veremos que ele aparecerá vermelho ou azul. Vamos fingir que é a cor vermelha para o bem deste exemplo. Agora, quando vemos o fóton de Pequim, deve ser cerca de metade da duração do fóton de Viena sendo observado.
No entanto, aqui é quando as coisas começam a ficar estranhas. Se o fóton de Viena estiver vermelho, o fóton de Pequim também ficará vermelho, independentemente das circunstâncias. O emaranhado quântico é o nome dado a essa conexão aparentemente mágica. A lição mais importante para tirar isso é: o modelo relacional simplifica o processo de emaranhamento quântico e remove sua mística. O emaranhamento quântico é uma das ocorrências mais incomuns que já ocorreu no campo da física. Embora dois fótons fiquem emaranhados, suas características se correlacionam ou correspondem, mesmo quando são separadas por uma grande distância. Obviamente, um par de luvas vermelhas também estão associadas ao espaço - mesmo que sejam separadas por uma grande distância, elas mantêm a mesma cor. No entanto, até que sejam vistos, um par de fótons em uma superposição vermelho-azul não é vermelho nem azul. Então, como um é capaz de competir contra outro?
Afinal, o primeiro fóton pode se comunicar com o segundo de alguma forma. Apesar disso, o emaranhamento foi detectado em longas distâncias, apesar do fato de o sinal ter que viajar mais rápido que a velocidade da luz. Como alternativa, o casal pode se estabelecer em um tom antes de ser separado. Além disso, um conjunto complicado de equações conhecidas como desigualdades do sino também exclui essa teoria. Então, o que exatamente está acontecendo nessa situação? O modelo relacional pode fornecer algumas orientações.
Lembre -se de que, sob esse paradigma, os atributos só podem ser encontrados através de interações. O fato de que nenhuma entidade pode ver os fótons de Viena e Pequim ao mesmo tempo implica que nenhum deles possui características reais em relação ao outro. O tom vermelho do fóton de Viena é visível apenas em conexão com os espectadores em Viena, e não em qualquer outro local. O fóton em Pequim, e de fato tudo em Pequim, permanece em uma superposição quântica aos olhos dos vienenses, como resultado. Qualquer comparação é inútil, a menos e até que ambas as partes se vejam.
No entanto, essas ocorrências aparentemente díspares podem estar ligadas. Um cientista em Viena pode se comunicar com um colega em Pequim por telefone. Essa interação, ou observação, fornece informações sobre o tom vermelho do fóton de Viena, fazendo com que o fóton emaranhado pareça vermelho como resultado. ocorrências e proporcionando suas próprias características.
A filosofia e a ciência estão inextricavelmente ligadas em seus respectivos campos de estudo.
Ernst Mach é talvez o pensador mais importante que nunca foi amplamente divulgado. Em seus papéis como cientista e filósofo, sua capacidade de gerar insights inesperados e um pensamento desafiador lhe conquistaram fãs e críticos em uma ampla gama de disciplinas. O trabalho de Mach foi criticado riscamente pelo revolucionário russo Vladimir Lenin em seus escritos. Alexander Bogdanov, outro revolucionário, defendeu -os com uma vingança. Vários aspectos dos pensamentos de Mach foram integrados ao livro épico, o homem sem qualidades, pelo renomado escritor, Robert Musil. Além disso, Einstein e Heisenberg reconhecem as teorias de Mach como tendo tido um impacto significativo em suas próprias descobertas. Então, quais foram as idéias revolucionárias que Mach defendia que causaram tal tumulto entre os reinos da política, as artes e a física? Como se vê, ele propôs que o universo seja composto de sensações, que tem uma estranha ressonância com a teoria quântica relacional.
A lição mais importante aqui é que a filosofia e a ciência estão inextricavelmente ligadas entre si. Ao longo dos séculos XVIII e XIX, uma suposição filosófica conhecida como mecanismo controlava a maior parte da comunidade científica. Em seu nível mais fundamental, o mecanismo afirmou que a realidade funcionava de maneira semelhante a um relógio. O Cosmos era um enorme recipiente vazio conhecido como espaço, e todos os fenômenos eram compostos de matéria que interagia rigorosamente entre si nesse recipiente. Segundo Ernst, esse paradigma foi útil, mas tinha suas limitações. Ele acreditava que o conceito de mecanismos era muito metafísico ou etéreo. Ao contrário disso, ele acreditava que a ciência deveria se concentrar no que pode ser visto, a saber, os sentimentos que surgem quando os componentes interagem. Se isso parece familiar, é porque Heisenberg foi motivado por esse mesmo conceito a estudar os comportamentos dos elétrons, o que acabou levando à descoberta da teoria quântica.
As idéias de Mach, por outro lado, têm uma aplicação muito mais ampla. As coisas físicas, de acordo com sua visão da realidade, não são componentes autônomos que interagem mecanicamente, mas são o resultado dessas interações, que criam o mundo. E os observadores não são considerados distintos do sistema como um todo. Eles também têm apenas um entendimento sensorial do universo obtido via encontros. Mais uma vez, essa idéia parece ser um prenúncio da interpretação relacional da física quântica, segundo as quais as características não existem isoladamente de seu ambiente.
Afirmar que Mach tinha um conhecimento pré -cognitivo da física quântica não é sugerir que ele fez. A observação de Mach, por outro lado, demonstra a importante interação entre ciência e filosofia. Heisenberg pode não ter feito suas descobertas seminais se não tivesse desconsiderado Mach e manteve as idéias de mecanismo com uma adesão tão rigorosa. Da mesma forma, os filósofos modernos podem se envolver com os mais recentes entendimentos científicos, a fim de aprimorar e melhorar suas próprias opiniões sobre a realidade e o universo. Então, como tudo isso acontece quando aplicado a um tópico difícil, como o pensamento consciente? Isso será discutido em mais detalhes na próxima seção.
Examinar relacionamentos e correlações pode fornecer informações sobre o funcionamento da mente.
Simplesmente navegar na Internet por alguns minutos revelará uma infinidade de aplicações inovadoras de idéias quânticas (ou, mais adequadamente, aplicações incorretas) em vários campos. Os gurus elogiam o espiritualismo quântico, os médicos do SCAM promovem a terapia quântica e os empreendedores de tecnologia glorificam todo tipo de bobagem quântica, entre outras coisas. Parece que a estranheza intrínseca da física quântica tem uma maneira de acender a imaginação daqueles que estão interessados nela. A teoria quântica, por outro lado, pode fornecer luz sobre as questões fundamentais da vida? É capaz de explicar o amor, elucidar as origens da beleza e da verdade ou fornecer uma explicação significativa da existência? Não, de jeito nenhum. No entanto, aplicar as idéias da teoria quântica relacional a um tópico como a natureza da consciência pode abrir novos caminhos de estudo e investigação sobre o fenômeno.
A lição mais importante para tirar isso é: examinar relacionamentos e correlações pode fornecer informações sobre o funcionamento da mente. A filosofia da mente, em geral, fornece três modelos principais para a mente humana. Há dualismo, que sustenta que a mente existe como uma entidade distinta, quase espiritual, do corpo e do resto do universo. Por um lado, há idealismo, que sustenta que a mente inclui e contas por tudo o que existe. Por outro lado, há materialismo ingênuo, que sustenta que as experiências mentais são apenas o resultado de processos físicos básicos.
A teoria quântica relacional pode fornecer uma perspectiva um pouco diferente da mente da teoria quântica tradicional. É importante considerar o significado da frase para compreendê -la. A importância do significado na cognição humana não pode ser exagerada. Quando vemos sinais, lemos palavras ou pensamos em idéias, sabemos que elas significam algo porque se relacionam ou indicam algo externo a nós no universo físico. De acordo com o filósofo alemão Franz Brentano, a intencionalidade é o processo pelo qual interagimos um com o outro e encontramos o caminho através da realidade.
No entanto, como surge a intencionalidade? Uma maneira de abordar essa questão é examinar fatos relacionados pertinentes. Informações relativas são uma correlação que ocorre quando dois sistemas se comunicam. Uma rocha em queda é um exemplo de informação relativa, criada quando um item externo, a rocha, está correlacionada com um estado interno, a determinação do seu cérebro da descida da rocha. Quando esse conhecimento se torna importante, é porque influencia a resposta do seu corpo, que é sair do caminho do que quer que esteja acontecendo.
Nessa situação, a intencionalidade é produzida pelas informações criadas pelas relações entre o exterior e o interior: a visão de um perigo de sinalizações de rochas em queda e você age para evitá -lo como resultado dessas informações. Os processos físicos que ocorrem em diferentes sistemas são, obviamente, apenas brevemente descritos nesta descrição. O fato de você ter que se esquivar de uma rocha não lhe diz nada sobre sua experiência específica. É mais difícil explicar como acontece uma experiência tão subjetiva. Isso é referido como a "questão difícil" da consciência e continua sendo uma fonte de controvérsia.
Estudar física quântica pode abrir nossos olhos para novas perspectivas no universo.
O que você vê quando olha para um gato? O que você vê? A percepção, de acordo com o conceito convencional de visão, está preocupado principalmente com a aquisição de informações. Usando a forma, o cabelo e os bigodes do gato, os fótons são refletidos e entre em seus olhos. Suas retinas convertem a luz em um sinal, que é enviado ao seu cérebro. Finalmente, seus neurônios traduzem as informações em uma imagem de um gato adorável, que é o que você vê. No entanto, isso não é totalmente verdadeiro. Na realidade, seu cérebro faz previsões sobre o que seus olhos deveriam ver. Os olhos continuam a coletar luz, mas eles apenas transmitem sinais que estão em conflito com a imagem anterior. São essas disparidades entre o que antecipamos e o que vemos que nos fornecem o conhecimento crítico que precisamos para entender o mundo externo. A lição mais importante para tirar isso é: o estudo da física quântica pode abrir nossos olhos para novas perspectivas no universo.
Usando uma noção conhecida como modelo de conscientização projetiva, podemos fornecer uma segunda explicação da visão na qual o cérebro desempenha um papel de liderança. O cérebro, de acordo com essa visão, gera consciência, melhorando continuamente suas crenças preconcebidas e representações mentais em resposta a informações coletadas por nossos sentidos. Isso significa que nossa percepção da realidade é uma "alucinação confirmada" que é continuamente atualizada e evoluindo. Em alguns aspectos, a ciência e a filosofia são baseadas nas mesmas idéias. A humanidade desenvolve uma única imagem de como o mundo funciona e, então, através da experiência e experimentação, descobrimos todas as maneiras pelas quais a realidade difere e contradiz essa idéia de como o mundo funciona. Obviamente, enquanto nossos cérebros completam esse processo em uma fração de segundo, a ciência o completa em um período consideravelmente mais longo. É preciso uma comunidade para testar e desenvolver novas idéias, e leva décadas para concluir o processo.
Nossas teorias da física quântica, que incluem a interpretação relacional, são apenas a manifestação mais recente desse processo contínuo de desenvolvimento. Atualmente, eles nos fornecem a representação mais precisa da realidade com base no que podemos ver, mapear e medir no presente. No entanto, é uma imagem bastante estranha de se ver em qualquer caso. A física quântica relacional descreve um universo no qual objetos estáticos e estáticos não existem. Em oposição a coisas discretas que interagem no espaço, a realidade é composta inteiramente por uma rede de interações nas quais os eventos convergem e se dissipam em uma espuma interminável. Nós também somos apanhados no Whirlpool de relacionamentos interpessoais. É possível que essa enxurrada constante de conexões seja responsável por nossa própria identidade ou subjetividade. Ver o mundo dessa maneira pode parecer estranho, até alucinogênico, mas, por enquanto, essa alucinação foi verificada, e devemos esperar e ver onde isso nos leva a seguir.
A conclusão do romance Helgoland.
Essas notas transmitem a seguinte mensagem principal: No início do século XX, um quadro de jovens cientistas, principalmente um Werner Heisenberg propenso a alergia, começou a desconstruir o entendimento convencional da física. Seu paradigma do universo quântico, caracterizado por incerteza e probabilidade, substituiu o modelo mundial determinístico e mecânico anterior. De acordo com a interpretação relacional da física quântica, a realidade quântica é composta por uma rede de conexões instáveis - o que é real e verdadeiro pode mudar, dependendo de quais relações estão ocorrendo.
Compre livro - Helgoland por Carlo Rovelli
Escrito por BrookPad Equipe baseada em Helgoland por Carlo Rovelli