A teoria quântica prevalece no teste de desigualdade de Leggett-Garg

A natureza é realmente tão estranha quanto a teoria quântica diz — ou há explicações mais simples? Medições de nêutrons na TU Wien provam que ela não funciona sem as propriedades estranhas da teoria quântica.

Uma partícula pode estar em dois lugares diferentes ao mesmo tempo? Na física quântica, pode: A teoria quântica permite que objetos estejam em estados diferentes ao mesmo tempo — ou mais precisamente: em um estado de superposição, combinando diferentes estados observáveis. Mas será que esse é realmente o caso? Talvez a partícula esteja realmente em um estado muito específico, em um local muito específico, mas nós simplesmente não sabemos?

A questão de se o comportamento de objetos quânticos poderia talvez ser descrito por uma teoria simples e mais clássica tem sido discutida por décadas. Em 1985, uma maneira de medir isso foi proposta: a chamada “desigualdade de Leggett-Garg”. Qualquer teoria que descreva nosso mundo sem os estranhos estados de superposição da teoria quântica deve obedecer a essa desigualdade.

A teoria quântica, por outro lado, a viola. Medições com nêutrons testando essa “desigualdade de Leggett-Garg” foram agora realizadas pela primeira vez na TU Wien — com um resultado claro: a desigualdade de Leggett-Garg é violada, explicações clássicas não são possíveis, a teoria quântica vence. Os resultados foram agora publicados no periódico Cartas de revisão física.

Realismo físico

Normalmente assumimos que todo objeto tem certas propriedades: uma bola está em um determinado local, tem uma certa velocidade, talvez também uma certa rotação. Não importa se observamos a bola ou não. Ela tem essas propriedades de forma bastante objetiva e independente de nós. “Essa visão é conhecida como ‘realismo’”, diz Stephan Sponar do Instituto Atômico da TU Wien.

Sabemos por nossa experiência cotidiana que objetos grandes e macroscópicos em particular devem obedecer a essa regra. Também sabemos que objetos macroscópicos podem ser observados sem serem influenciados significativamente. A medição não muda fundamentalmente o estado. Essas suposições são coletivamente chamadas de “realismo macroscópico”.

No entanto, a teoria quântica como a conhecemos hoje é uma teoria que viola esse realismo macroscópico. Se diferentes estados são possíveis para uma partícula quântica, por exemplo, diferentes posições, velocidades ou valores de energia, então qualquer combinação desses estados também é possível. Pelo menos enquanto esse estado não for medido. Durante uma medição, o estado de superposição é destruído: a medição força a partícula a decidir em favor de um dos valores possíveis.

A desigualdade de Leggett-Garg

No entanto, o mundo quântico deve ser logicamente conectado ao mundo macroscópico — afinal, coisas grandes são feitas de pequenas partículas quânticas. Em princípio, as regras da teoria quântica devem se aplicar a tudo.

Então a questão é: É possível observar comportamento em objetos “grandes” que não podem ser reconciliados com nossa imagem intuitiva de realismo macroscópico? Coisas macroscópicas também podem mostrar sinais claros de propriedades quânticas?

Em 1985, os físicos Anthony James Leggett e Anupam Garg publicaram uma fórmula com a qual o realismo macroscópico pode ser testado: a Desigualdade de Leggett-Garg.

“A ideia por trás disso é semelhante à mais famosa desigualdade de Bell, pela qual o Prêmio Nobel de Física foi concedido em 2022”, diz Elisabeth Kreuzgruber, primeira autora do artigo.

“No entanto, a desigualdade de Bell é sobre a questão de quão fortemente o comportamento de uma partícula está relacionado a outra partícula quântica emaranhada. A desigualdade de Leggett-Garg é sobre apenas um único objeto e faz a pergunta: como seu estado em pontos específicos no tempo se relaciona com o estado do mesmo objeto em outros pontos específicos no tempo?”

Correlações mais fortes do que as permitidas pela física clássica

Leggett e Garg assumiram um objeto que pode ser medido em três momentos diferentes, cada medição pode ter dois resultados diferentes. Mesmo que não saibamos nada sobre se ou como o estado desse objeto muda ao longo do tempo, ainda podemos analisar estatisticamente o quão fortemente os resultados em diferentes pontos no tempo se correlacionam entre si.

Pode ser demonstrado matematicamente que a força dessas correlações nunca pode exceder um certo nível — assumindo que o realismo macroscópico esteja correto. Leggett e Garg foram capazes de estabelecer uma desigualdade que deve sempre ser cumprida por toda teoria realista macroscópica, independentemente de quaisquer detalhes da teoria.

No entanto, se o objeto aderir às regras da teoria quântica, então deve haver correlações estatísticas significativamente mais fortes entre os resultados da medição nos três pontos diferentes no tempo. Se um objeto estiver realmente em estados diferentes ao mesmo tempo entre os tempos de medição, isso deve — de acordo com Leggett e Garg — levar a correlações mais fortes entre as três medições.

Feixes de nêutrons: objetos quânticos de tamanho centimétrico

“No entanto, não é tão fácil investigar essa questão experimentalmente”, diz Richard Wagner. “Se quisermos testar o realismo macroscópico, então precisamos de um objeto que seja macroscópico em um certo sentido, ou seja, que tenha um tamanho comparável ao tamanho de nossos objetos cotidianos usuais.” Ao mesmo tempo, no entanto, deve ser um objeto que tenha uma chance de ainda mostrar propriedades quânticas.

“Feixes de nêutrons, como os usamos em um interferômetro de nêutrons, são perfeitos para isso”, diz Hartmut Lemmel, responsável pelo instrumento S18 no Institut Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, onde o experimento foi conduzido.

No interferômetro de nêutrons, um interferômetro de cristal perfeito de silício que foi usado com sucesso pela primeira vez no Instituto Atômico da TU Wien no início dos anos 1970, o feixe de nêutrons incidente é dividido em dois feixes parciais na primeira placa de cristal e então recombinado por outro pedaço de silício. Há, portanto, duas maneiras diferentes pelas quais os nêutrons podem viajar da fonte para o detector.

“A teoria quântica diz que cada nêutron viaja em ambos os caminhos ao mesmo tempo”, diz Niels Geerits. “No entanto, os dois feixes parciais estão a vários centímetros de distância. Em certo sentido, estamos lidando com um objeto quântico que é enorme para os padrões quânticos.”

Usando uma combinação sofisticada de diversas medições de nêutrons, a equipe da TU Wien conseguiu testar a desigualdade de Leggett-Garg — e o resultado foi claro: a desigualdade foi violada.

Os nêutrons se comportam de uma forma que não pode ser explicada por nenhuma teoria macroscopicamente realista concebível. Eles realmente viajam em dois caminhos ao mesmo tempo, eles estão simultaneamente localizados em lugares diferentes, a centímetros de distância. A ideia de que “talvez o nêutron esteja viajando apenas em um dos dois caminhos, nós simplesmente não sabemos qual” foi, portanto, refutada.

“Nosso experimento mostra: a natureza realmente é tão estranha quanto a teoria quântica afirma”, diz Stephan Sponar. “Não importa qual teoria clássica, macroscopicamente realista você invente: ela nunca será capaz de explicar a realidade. Ela não funciona sem a física quântica.”