CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Filardo Bassalo
www.bassalo.com.br

O Entrelaçamento ou Emaranhamento (“Entanglement”) Quântico em Física.

 

Em verbetes desta série, vimos como foi desenvolvida a Teoria Quântica (TQ) [Mecânica Quântica (Não-Relativista - MQ e Relativista - MQR) e Eletrodinâmica Quântica - EQ] na década de 1920, principalmente devido aos trabalhos dos físicos, os alemães Max Born (1882-1970; PNF, 1954), Werner Karl Heisenberg (1901-1976; PNF, 1932) e Ernst Pascual Jordan (1902-1980) (1924-1925), o austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961; PNF, 1933) (1926), o francês, o Príncipe Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987; PNF, 1929) (1926-1927), o austro-suíço Wolfgang Pauli Junior (1900-1958; PNF, 1945) (1927) e o inglês Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984; PNF, 1933) (1927-1928). O sucesso na aplicação da TQ em temas científicos relacionados com o micromundo, principalmente na Física da Matéria Condensada (décadas de 1930 e 1940), resultou na grande revolução tecnológica da informática e da nanotecnologia, cujos principais resultados, foram, por exemplo: as invenções do transistor (1947-1948), da fibra óptica (1952), do maser (1953-1954), do chip (1959), do laser (1960), do LED (“Light-Emitting Diode”) (1962), da MBE (“Molecular Beam Epitaxy”) (1968), do  sensor CCD (“Charge-Coupled Device”) (1970), da câmara digital (1978) e do LCD (“Liquid-Crystal Display”) (1979), e as descobertas do fulereno (C60) (1985), do nanotubo (1991), da magnetoresistência (1994), do grafeno (2004) e da molibdenita (2011).

                   Apesar do grande sucesso da TQ, existe ainda uma grande discussão sobre os seus fundamentos. Por exemplo, se ela é uma teoria indeterminista (Born e Heisenberg, 1926-1927) ou determinista (de Broglie, 1926-1927) [esta teoria, conhecida como Teoria das Variáveis Ocultas (TVO), foi retomada pelo físico norte-americano David Joseph Bohm (1917-1992), em 1951-1952, e ela tenta completar a TQ com outras variáveis (posição e velocidade) não consideradas pela própria TQ]. Segundo vimos em verbetes desta série, essa discussão começou em 1935, com o célebre artigo dos físicos, o germano-suíço-norte-americano Albert Einstein (1879-1955; PNF, 1921), o russo Boris Podolsky (1896-1966) e o norte-americano Nathan Rosen (1909-1955) – o famoso paradoxo EPR – no qual é conjecturado que a função de onda schrödingeriana (ψ) não representa toda a realidade física (ela é incompleta). Ainda em 1935, o físico norueguês Niels Henrik David Bohr (1885-1962; PNF, 1922) contestou essa conjectura afirmando que ψ representa toda a realidade física (ela é completa). Também em 1935, Schrödinger colocou mais “fogo nessa fogueira de argumentos de autoridade” com o também célebre artigo – o gato de Schrödinger – no qual ele discute se ψ pode ser aplicada a problemas macroscópicos. Essa discussão epistemológica é resumida no seguinte. Segundo o EPR – os estados reais de objetos separados espacialmente são independentes um do outro. Contudo, para Bohr, tais estados são inseparáveis. Desse modo, surgiu a polêmica separabilidade versus inseparabilidade. Essa discussão teve uma primeira resposta em favor de Bohr com o trabalho teórico realizado, em 1964 (Physics 1, p. 135), pelo físico irlandês John Stewart Bell (1928-1990), no qual ele demonstrou o hoje famoso Teorema de Bell (traduzido, inicialmente, pela desigualdade de Bell - DB) : , onde C significa a correlação de pares de partículas e a, b e c são os resultados dos aparelhos de medida que medem algum parâmetro (posição, spin etc.) das mesmas. No entanto, essa desigualdade não é usada na prática, pois ela envolve três resultados. Desse modo, são usadas várias desigualdades envolvendo apenas dois resultados; daí, então, falarmos em desigualdades de Bell (en.wikipédia.org/wiki/Bell´s_theorem).

                   A polêmica referida acima é resumida na afirmativa: - A hipótese do realismo local (separabilidade) (a. objetos possuem valores definitivos que não dependem do processo de medição; b. eles podem ser conectados por uma troca subluminal de informação) é incompatível com a Mecânica Quântica (inseparabilidade). [Sobre o desdobramento dessa polêmica Einstein versus Bohr, ver: John Archibald Wheeler and Wojciech Hubert Zurek (Editors), Quantum Theory and Measurement (Princeton University Press, 1983); Olival Freire Junior, Sobre as Desigualdades de Bell, Caderno Catarinense de Ensino de Física 8, p. 212 (1991); Peter R. Holland, The Quantum Theory of Motion: An Account of the de Broglie-Bohm Causal Interpretation of Quantum Mechanics (Cambridge University Press, 1993); Genaro Auletta, Foundations and Interpretation of Quantum Mechanics (World Scientific, 2001); Pang Xiao-Feng e Feng Yuan-Ping, Quantum Mechanics in Nonlinear Systems (World Scientific, 2005);  Olival Freire Junior, Osvaldo Pessoa Junior e Joan Lisa Bromberg (Organizadores), Teoria Quântica: Estudos históricos e implicações culturais (EdUEPB/Livraria da Física, 2010)].

                   A busca da comprovação experimental da DB e, consequentemente, da intestabilidade da TVO, levou à descoberta de dois novos fenômenos físicos: o entrelaçamento ou emaranhamento (“entanglement”) e a de(s)coerência quânticos. Neste verbete, vamos tratar do entrelaçamento quântico. Uma primeira experiência para testar a TVO foi realizada, em 1967 (Physical Review Letters 18, p. 575), por Carl A. Kocher e Eugene D. Commins ao medirem a correlação da polarização linear entre pares de fótons do decaimento em cascata do cálcio (Ca40): 6 1S0 → 4 1P1 → 4 1S0. Um tipo de experiência análoga a essa foi também proposta pelos físicos norte-americanos John Francis Clauser (n.1942), Michael A. Horne, Abner Shimony (n.1928) e Richard A. Holt, em 1969 (Physical Review Letters 23, p. 880), e realizada, em 1972 (Physical Review Letters 28, p. 938), por Clauser e Stuart J. Freedman. Por outro lado, em 1974 (Physical Review D10, p. 526), Clauser e Horne analisaram as consequências experimentais de teorias quânticas locais objetivas. Note-se que, em 1976 (Physical Review Letters 37, p. 465), outra experiência envolvendo a correlação da polarização linear entre dois fótons do decaimento em cascata do mercúrio (Hg200): 7 3S1 → 6 3P1 → 6 1S0, foi realizada por Edward S. Fry e Randall C. Thompson. Ainda em 1976 (Physical Review D14, p. 2543), M. Lamehi-Rachti e W. Mittig mediram a correlação de spin em um espalhamento próton-próton. Mais tarde, em 1978 (Reports on Progress in Physics 41, p. 1881), Clauser e Shimony realizaram novos testes experimentais para investigar suas implicações relacionadas com a DB. Em 1979 (Physical Review D19, p. 473), William K. Wootters e Wojciech Hubert Zurek (n.1951) e em 1980 (Physical Review D21, p. 1698), Lawrence S. Bartell examinaram a complementaridade bohriana (onda-partícula) (inseparabilidade quântica: IQ) na experiência de dupla-fenda que havia sido proposta por Einstein, em 1934 (Essays in Science, Philosophical Library, p. 100). Observe-se que todos esses trabalhos (teóricos e experimentais) foram favoráveis a Bohr com relação à IQ. (Ver esses artigos em Wheeler e Zurek, op. cit.). É interessante registrar que, em 1973 (Harvard University - preprint), Holt e F. M. Pipkin realizaram uma experiência envolvendo fótons de baixa energia no decaimento de Hg198 e na qual confirmaram a DS. O mesmo foi observado, em 1975, por G. Fioraci, S. Gutkowski, S. Natarrigo e R. Pennisi em experiência envolvendo fótons de alta energia decorrente de aniquilação pósitron-elétron (Pang e Feng, op. cit.)    

                   Na década de 1980 novas experiências sobre a polêmica entre Einstein versus Bohr (separabilidade versus inseparabilidade) foram realizadas pelo físico francês Alan Aspect (n.1947) e seus colaboradores. Com efeito, em 1975 (Physics Letters A54, p. 117) e 1976 (Physical Review D14, p. 1944), Aspect havia proposto um tipo de experiência para testar a TVO. Esta proposta só começou a ser colocada em prática em 1981 (Physical Review Letters 47, p. 460), quando Aspect e os físicos franceses Philippe Grangier (n.1957) e Gérard Roger realizaram uma experiência na qual mostraram a violação da DB, indicando a inseparabilidade quântica. Esse resultado foi confirmado, em 1982, por Aspect, Grangier e Roger (Physical Review Letters 48, p. 91) e por Aspect, Roger e o físico francês Jean Dalibard (n.1958) (Physical Review Letters 49, p. 1804). Nessas experiências também foi usado a correlação da polarização entre pares de fótons do decaimento em cascata de elementos químicos. Contudo, diferentemente dos experimentos realizados por Clauser e colaboradores, em que cada fóton do par de fótons (γ12), era dirigido para um polarizador (P1/P2), Aspect usou comutadores ópticos para dirigir cada um dos fótons do par (p.e.: γ1), ou para um polarizador (P1A) ou para um outro (P1B), com orientações diferentes (A/B). (Auletta, op. cit.). É interessante ressaltar que a correlação indicada acima é hoje conhecida como entrelaçamento ou emaranhamento (“entanglement”) quântico. Falar no resultado recente que o Nassar assinalou.