What does it feel like to be both alive and dead?essa questão irritou e inspirou o físico húngaro-americano Eugene Wigner na década de 1960., Ele estava frustrado pelos paradoxos decorrentes dos caprichos da mecânica quântica—a teoria que governa o Reino microscópico que sugere, entre muitas outras coisas contra-intuitivas, que até que um sistema quântico seja observado, não necessariamente tem propriedades definidas. Leve o seu colega físico Erwin Schrödinger a famosa experiência de pensamento em que um gato está preso numa caixa com veneno que será libertado se um átomo radioactivo decair., A radioactividade é um processo quântico, por isso, antes de a caixa ser aberta, a história diz, O átomo tanto se deteriorou como não se deteriorou, deixando o infeliz gato no limbo—uma chamada superposição entre a vida e a morte. Mas o gato tem experiência de estar em superposição?Wigner aguçou o paradoxo imaginando um amigo (humano) de sua fechadura em um laboratório, medindo um sistema quântico. Ele argumentou que era absurdo dizer que seu amigo existe em uma superposição de ter visto e não ter visto uma decadência a menos e até Wigner abrir a porta do laboratório., “O experimento de pensamento do amigo de Wigner mostra que as coisas podem se tornar muito estranhas se o observador também for observado”, diz Nora Tischler, uma física quântica da Universidade Griffith em Brisbane, Austrália.Tischler e seus colegas realizaram uma versão do teste do amigo de Wigner. Combinando o clássico experimento do pensamento com outro coçador quântico chamado entrelaçamento-um fenômeno que liga partículas através de vastas distâncias—eles também derivaram um novo teorema, que eles afirmam que coloca as restrições mais fortes ainda sobre a natureza fundamental da realidade., Seu estudo, que apareceu na física da natureza em 17 de Agosto, tem implicações para o papel que a consciência pode desempenhar na física quântica—e até mesmo se a teoria quântica deve ser substituída.
O novo trabalho é “um importante passo em frente no domínio da metafísica experimental”, diz o físico quântico Aephraim Steinberg, da Universidade de Toronto, que não estava envolvido no estudo. “É o começo do que espero que seja um grande programa de pesquisa.,”
a Matter of Taste
Until quantum physics came along in the 1920s, physicists expected their theories to be deterministic, generating predictions for the outcome of experiments with certainty. Mas a teoria quântica parece ser inerentemente probabilística. A versão textual—às vezes chamada de Interpretação de Copenhague-diz que até que as propriedades de um sistema sejam medidas, elas podem abranger uma miríade de valores. Esta superposição só colapsa em um único estado quando o sistema é observado, e os físicos nunca podem prever com precisão o que esse estado será., Wigner segurou a então visão popular de que a consciência de alguma forma desencadeia uma superposição para colapsar. Assim, seu hipotético amigo iria discernir um resultado definido quando ela ou ele fez uma medição—e Wigner nunca iria vê-la ou ele em superposição.
esta visão desde então caiu em desuso. “As pessoas nas fundações da mecânica quântica rapidamente descartam a visão de Wigner como assustadora e mal definida porque torna os observadores especiais”, diz David Chalmers, um filósofo e cientista cognitivo da Universidade de Nova Iorque., Hoje, a maioria dos físicos concorda que objetos inanimados podem derrubar sistemas quânticos de superposição através de um processo conhecido como decoerência. Certamente, pesquisadores que tentam manipular superposições quânticas complexas no laboratório podem encontrar seu trabalho duro destruído por partículas de ar rápidas colidindo com seus sistemas. Então eles realizam seus testes a temperaturas ultracold e tentam isolar seus aparelhos das vibrações.,várias interpretações quânticas concorrentes surgiram ao longo das décadas que empregam mecanismos menos místicos, como a decoerência, para explicar como as superposições se decompõem sem invocar a consciência. Outras interpretações mantêm a posição ainda mais radical de que não há nenhum colapso. Cada um tem o seu estranho e maravilhoso teste do Wigner. A mais exótica é a visão de “muitos mundos”, que diz que sempre que você faz uma medição quântica, as fraturas da realidade, criando universos paralelos para acomodar todos os resultados possíveis., Assim, o amigo de Wigner se dividiria em duas cópias e, “com boa tecnologia suficiente”, ele poderia realmente medir essa pessoa para estar em superposição de fora do laboratório, diz O físico quântico e fã de muitos mundos Lev Vaidman da Universidade de Tel Aviv.
A alternativa “Bohmian” teoria (nomeado para o físico David Bohm) diz que, no nível fundamental, o quantum sistemas têm definitiva propriedades; nós simplesmente não sabemos o suficiente sobre esses sistemas para prever com precisão o seu comportamento., Nesse caso, o amigo tem uma única experiência, mas Wigner ainda pode medir esse indivíduo para estar em uma superposição por causa de sua própria ignorância. Em contraste, um recém-chegado no bloco chamado de interpretação do Qbismo abraça o elemento probabilístico da teoria quântica de todo coração (Qbismo, pronunciado “cubismo”, é na verdade abreviado para o Bayesianismo quântico, uma referência ao trabalho do matemático do século XVIII Thomas Bayes sobre probabilidade., Os QBists argumentam que uma pessoa só pode usar a mecânica quântica para calcular como calibrar suas crenças sobre o que ele ou ela vai medir em uma experiência. “Os resultados de medição devem ser considerados pessoais para o agente que faz a medição”, diz Ruediger Schack de Royal Holloway, Universidade de Londres, que é um dos fundadores do QBism. De acordo com os princípios do QBism, a teoria quântica não pode dizer nada sobre o estado subjacente da realidade, nem pode Wigner usá-la para especular sobre as experiências de seu amigo.,outra interpretação intrigante, chamada retrocausalidade, permite que eventos no futuro influenciem o passado. “Em um relato retrocausal, o amigo de Wigner absolutamente experimenta algo”, diz Ken Wharton, um físico da Universidade Estadual de San Jose, que é um defensor desta visão distorcida pelo tempo. Mas que “algo” que o amigo experimenta no ponto de medição pode depender da escolha de Wigner de como observar essa pessoa mais tarde.,
O problema é que cada interpretação é igualmente boa—ou má—para prever o resultado dos testes quânticos, então escolher entre eles se resume ao gosto. “Ninguém sabe qual é a solução”, diz Steinberg. “Nem sequer sabemos se a lista de potenciais soluções que temos é exaustiva.”
outros modelos, chamados teorias do colapso, fazem previsões testáveis. Estes modelos tack em um mecanismo que força um sistema quântico a entrar em colapso quando ele fica muito grande—explicando por que gatos, pessoas e outros objetos macroscópicos não podem estar em superposição., Estão em curso experiências para procurar assinaturas de tais colapsos, mas ainda não encontraram nada. Físicos quânticos também estão colocando objetos cada vez maiores em superposição: no ano passado, uma equipe em Viena relatou fazê-lo com uma molécula de 2.000 átomos. A maioria das interpretações quânticas dizem que não há nenhuma razão pela qual estes esforços para Super-dimensionar superposições não devem continuar para cima para sempre, presumindo que os pesquisadores podem conceber os experimentos certos em condições de laboratório pristino para que a decoferência possa ser evitada., Teorias do colapso, no entanto, apontam que um limite será alcançado um dia, independentemente de quão cuidadosamente os experimentos são preparados. “Se você tentar manipular um observador clássico—um humano, digamos—e tratá-lo como um sistema quântico, ele entraria em colapso imediatamente”, diz Angelo Bassi, um físico quântico e proponente de teorias de colapso na Universidade de Trieste, na Itália.a Way to watching Wigner’s Friend Tischler and her colleagues believed that analyzing and performing a Wigner’s friend experiment could shed light on the limits of quantum theory., Eles foram inspirados por uma nova onda de artigos teóricos e experimentais que investigaram o papel do observador na teoria quântica, trazendo entrelaçamento para a configuração clássica de Wigner. Digamos que você pega duas partículas de luz, ou fótons, que são polarizadas para que possam vibrar horizontalmente ou verticalmente. Os fótons também podem ser colocados em uma superposição de vibração horizontal e vertical ao mesmo tempo, assim como o gato paradoxal de Schrödinger pode estar vivo e morto antes de ser observado.,tais pares de fótons podem ser preparados juntos-enredados-de modo que suas polarizações são sempre encontradas na direção oposta quando observadas. Isso pode não parecer estranho—a menos que você se lembre que essas propriedades não são fixas até que sejam medidas., Mesmo se um fóton é dado a um físico chamado de Alice na Austrália, enquanto o outro é transportado para o seu colega Bob em um laboratório em Viena, o emaranhamento garante que assim que Alice observa-la de fótons e, por exemplo, encontra a sua polarização para ser horizontal, a polarização de Bob fóton sincroniza instantaneamente para vibrar verticalmente. Porque os dois fótons parecem comunicar—se mais rápido do que a velocidade da luz—algo proibido pelas suas teorias da relatividade-este fenómeno perturbou profundamente Albert Einstein, que o apelidou de “Acção assustadora à distância”.,”
estas preocupações permaneceram teóricas até a década de 1960, quando o físico John Bell concebeu uma maneira de testar se a realidade é realmente assustadora—ou se poderia haver uma explicação mais mundana por trás das correlações entre parceiros enredados. Bell imaginou uma teoria de commonsense que era local—isto é, uma em que influências não podiam viajar entre partículas instantaneamente. Foi também determinista ao invés de inerentemente probabilístico, então os resultados experimentais poderiam, em princípio, ser previstos com certeza, se apenas os físicos entendessem mais sobre as propriedades ocultas do sistema., E era realista, o que, para um teórico quântico, significa que os sistemas teriam essas propriedades definidas mesmo que ninguém olhasse para elas. Em seguida, Bell calculou o nível máximo de correlações entre uma série de partículas enredadas que uma teoria tão local, determinística e realista poderia suportar. Se esse limiar foi violado em uma experiência, então um dos pressupostos por trás da teoria deve ser falso.tais “testes Bell” foram realizados desde então, com uma série de versões estanques realizadas em 2015, e eles confirmaram a sinistralidade da realidade., “Quantum foundations é um campo que foi realmente iniciado experimentalmente por Bell’s-agora com mais de 50 anos de idade. E nós passamos muito tempo reformulando essas experiências e discutindo o que elas significam”, diz Steinberg. “É muito raro que as pessoas sejam capazes de criar um novo teste que se move além de Bell.”
The Brisbane team’s aim was to derive and test a new theorem that would do just that, providing even stricter constraints—” local friendliness ” bounds-on the nature of reality. Tal como a teoria de Bell, a imaginária dos investigadores é local., Eles também banem explicitamente o “superdeterminismo” – ou seja, insistem que os experimentadores são livres para escolher o que medir sem ser influenciado por eventos no futuro ou no passado distante. (Bell implicitamente assumiu que os experimentadores também podem fazer escolhas livres.) Finalmente, a equipe prescreve que quando um observador faz uma medição, o resultado é um evento real e único no mundo—não é relativo a ninguém ou nada.,testar a simpatia local requer uma configuração astuta envolvendo dois “superobservadores”, Alice e Bob (que desempenham o papel de Wigner), assistindo seus amigos Charlie e Debbie. Alice e Bob cada um têm seu próprio interferômetro-um aparelho usado para manipular feixes de fótons. Antes de serem medidas, as polarizações dos fótons estão em uma superposição de ser tanto horizontal quanto vertical. Pares de fótons entrelaçados são preparados de modo que se a polarização de um é medida para ser horizontal, a polarização de seu parceiro deve imediatamente virar para ser vertical., Um fóton de cada par entrelaçado é enviado para o interferômetro de Alice, e seu parceiro é enviado para Bob. Charlie e Debbie não são realmente amigos humanos neste teste. Em vez disso, eles são deslocadores de feixes na frente de cada interferômetro. Quando o fóton de Alice atinge o deslocador, sua polarização é efetivamente medida, e ele gira tanto para a esquerda quanto para a direita, dependendo da direção da polarização em que ele se desloca. Esta ação desempenha o papel de Charlie, amigo de Alice, “medindo” a polarização. (Debbie similarmente reside no interferômetro de Bob.,)
Alice então tem que fazer uma escolha: ela pode medir o novo caminho desviado do fóton imediatamente, o que seria o equivalente a abrir a porta do Laboratório e perguntar a Charlie o que ele viu. Ou ela pode permitir que o fóton continue em sua jornada, passando por um segundo deslocamento de feixe que recombina os caminhos esquerdo e direito—o equivalente a manter a porta do laboratório fechada. Alice pode então medir diretamente a polarização de seu fóton à medida que ele sai do interferômetro., Ao longo do experimento, Alice e Bob, independentemente, escolhem quais as escolhas de medição a fazer e, em seguida, comparam notas para calcular as correlações vistas através de uma série de pares entrelaçados.Tischler e os seus colegas realizaram 90 mil experiências. Como esperado, as correlações violaram os limites originais de Bell—e, crucialmente, também violaram o novo limiar de simpatia local., A equipe também poderia modificar a configuração para afinar o grau de entrelaçamento entre os fótons, enviando um dos pares em um desvio antes de entrar em seu interferômetro, perturbando suavemente a harmonia perfeita entre os parceiros. Quando os pesquisadores executaram a experiência com este nível ligeiramente inferior de entrelaçamento, eles encontraram um ponto onde as correlações ainda violavam o limite de Bell, mas não a simpatia local. Este resultado provou que os dois conjuntos de limites não são equivalentes e que as novas restrições de simpatia local são mais fortes, diz Tischler., “Se você os violar, você aprende mais sobre a realidade”, acrescenta. Ou seja, se sua teoria diz que “amigos” podem ser tratados como sistemas quânticos, então você deve desistir da localidade, aceitar que as medidas não têm um único resultado que os observadores devem concordar ou permitir o superdeterminismo. Cada uma destas opções tem implicações profundas—e, para alguns físicos, distintamente desagradáveis -.,
reconsiderando a realidade
“The paper is an important philosophical study”, says Michele Reilly, co-founder of Turing, a quantum-computing company based in New York City, who was not involved in the work. Ela observa que os físicos que estudam fundações quânticas têm muitas vezes lutado para chegar a um teste viável para apoiar suas grandes ideias. “Estou feliz por ver uma experiência por trás de Estudos Filosóficos”, diz Reilly. Steinberg chama o experimento de “extremamente elegante” e elogia a equipe por enfrentar o mistério do papel do observador na medição de frente.,apesar de não ser surpresa que a mecânica quântica nos force a desistir de uma suposição de bom senso—os físicos sabiam que a partir de Bell—”o avanço aqui é que nós somos um estreitamento em quais dessas suposições é”, diz Wharton, que também não fazia parte do estudo. Ainda assim, ele observa, proponentes da maioria das interpretações quânticas não perderão o sono. Os adeptos da retrocausalidade, como ele próprio, já fizeram as pazes com o superdeterminismo: na sua opinião, não é chocante que as medições futuras afectem os resultados do passado., Enquanto isso, os QBists e muitos-mundos aderentes há muito tempo descartaram a exigência de que a mecânica quântica prescreve um único resultado que todo observador deve concordar.
E Tanto a mecânica Bohmiana como os modelos espontâneos de colapso já felizmente abandonaram a localidade em resposta a Bell. Além disso, modelos de colapso dizem que um verdadeiro amigo macroscópico não pode ser manipulado como um sistema quântico em primeiro lugar.Vaidman, que também não estava envolvido no novo trabalho, está menos entusiasmado com ele, no entanto, e critica a identificação do amigo de Wigner com um fóton., Os métodos usados no papel “são ridículos; o amigo tem que ser macroscópico”, diz ele. O filósofo da física Tim Maudlin da Universidade de Nova Iorque, que não fazia parte do estudo, concorda. “Ninguém pensa que um fóton é um observador, a menos que você seja um pansíquico”, diz ele. Porque nenhum físico questiona se um fóton pode ser colocado em superposição, Maudlin sente que a experiência carece de mordida. “Exclui qualquer coisa-apenas algo que nunca ninguém propôs”, diz ele.Tischler aceita a crítica. “Não queremos exagerar no que fizemos”, diz ela., A chave para futuras experiências será aumentar o tamanho do “amigo”, acrescenta o membro da equipe Howard Wiseman, um físico da Universidade Griffith. O resultado mais dramático, diz ele, envolveria o uso de uma inteligência artificial, incorporada em um computador quântico, como o amigo. Alguns filósofos têm mused que tal máquina poderia ter experiências humanas, uma posição conhecida como a hipótese de IA forte, Wiseman observa, embora ninguém ainda sabe se essa idéia vai se tornar verdade. Mas se a hipótese se mantiver, esta inteligência artificial de base quântica (AGI) seria microscópica., Assim, do ponto de vista dos modelos de colapso espontâneo, não desencadearia colapso por causa de seu tamanho. Se tal teste fosse executado, e o limite de simpatia local não fosse violado, esse resultado implicaria que a consciência de uma AGI não pode ser colocada em superposição. Por sua vez, essa conclusão sugere que Wigner estava certo que a consciência causa colapso. “Acho que não viverei para ver uma experiência como esta”, diz Wiseman. “Mas isso seria revolucionário.,”
Reilly, however, warns that physicists hoping that future AGI will help them home in on the fundamental description of reality are put the cart before the horse. “Não é inconcebível para mim que os computadores quânticos sejam a mudança de paradigma para chegar até nós na AGI”, diz ela. “Em última análise, precisamos de uma teoria de tudo, a fim de construir uma AGI em um computador quântico, ponto final, ponto final.”
Este requisito pode excluir planos mais grandiosos. Mas a equipe também sugere testes intermediários mais modestos envolvendo sistemas de aprendizagem de máquinas como amigos, o que agrada a Steinberg., Essa abordagem é “interessante e provocadora”, diz ele. “Está a tornar – se concebível que dispositivos computacionais de maior e maior escala possam, de facto, ser medidos de uma forma quântica.”
Renato Renner, um físico quântico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETH Zurique), torna ainda mais forte reivindicação: independentemente de futuros experimentos podem ser realizados, diz ele, o novo teorema nos diz que a mecânica quântica precisa ser substituído., Em 2018, Renner e sua colega Daniela Frauchiger, em seguida, em ETH Zurique, publicaram um experimento de pensamento baseado no amigo de Wigner e o usaram para derivar um novo paradoxo. Sua configuração difere da da equipe de Brisbane, mas também envolve quatro observadores cujas medidas podem ficar enredadas. Renner e Frauchiger calcularam que se os observadores aplicam leis quânticas uns aos outros, eles podem acabar inferindo resultados diferentes na mesma experiência.
“The new paper is another confirmation that we have a problem with current quantum theory,” says Renner, who was not involved in the work., Ele argumenta que nenhuma das interpretações quânticas de hoje pode sair do chamado paradoxo Frauchiger-Renner sem os proponentes admitirem que não se importam se a teoria quântica dá resultados consistentes. Os QBists oferecem os meios mais palatáveis de fuga, porque desde o início, eles dizem que a teoria quântica não pode ser usada para inferir o que outros observadores irão medir, diz Renner. “Ainda me preocupa: se tudo é apenas pessoal para mim, Como posso dizer algo relevante para você?”ele acrescenta., Renner está agora trabalhando em uma nova teoria que fornece um conjunto de regras matemáticas que permitiriam que um observador resolvesse o que outro deveria ver em uma experiência quântica.ainda assim, aqueles que acreditam fortemente que sua interpretação favorita é certa, vêem pouco valor no estudo de Tischler. “Se você acha que a mecânica quântica não é saudável, e precisa ser substituída, então isso é útil porque lhe diz novas restrições”, diz Vaidman. “Mas não concordo que este seja o caso—muitos mundos explicam tudo.,”
Por agora, os físicos terão que continuar a concordar em discordar sobre qual interpretação é melhor ou se uma teoria inteiramente nova é necessária. “Foi aí que paramos no início do século XX—estamos genuinamente confusos sobre isso”, diz Reilly. “Mas esses estudos são exatamente a coisa certa a fazer para pensar sobre isso.”
Disclaimer: the author frequently writes for the Foundational Questions Institute, which sponsors research in physics and cosmology and partially funded the Brisbane team’s study.