Neste artigo, examinaremos o significado do colapso de ondas, com foco na interpretação de Copenhague e na interpretação de muitos mundos dentre as várias interpretações da mecânica quântica, e consideraremos as características e limitações de cada interpretação.
Do final do século XIX ao início do século XX, começaram a surgir fenômenos que não podiam ser explicados apenas pela física clássica. Maxwell e Einstein descobriram que a luz possui propriedades tanto ondulatórias quanto corpusculares. Max Born previu que as partículas também possuem propriedades ondulatórias. Diz-se que o experimento de dupla fenda de Davisson-Germer demonstrou experimentalmente que os elétrons possuem comportamento ondulatório. Uma análise mais detalhada da experiência da dupla fenda revela o seguinte: um dispositivo que emite elétrons, uma placa com duas fendas e uma tela são dispostos em sequência. Os elétrons emitidos pela fonte de elétrons passam pelas duas fendas e atingem a tela; quando a chegada dos elétrons à tela é observada, um padrão de interferência aparece. Esse padrão não aparece quando há apenas uma fenda. Portanto, a posição de um elétron deve ser explicada como uma onda que passa simultaneamente por ambas as fendas. A mecânica quântica surgiu para explicar esses fenômenos. Na mecânica quântica, as ondas de probabilidade são descritas como os blocos de construção fundamentais da natureza. Ondas de probabilidade são usadas para descrever o estado da matéria. O estado da matéria inclui propriedades como posição e rotação. Uma onda de probabilidade indica que um valor não está fixo em um único ponto, mas sim que a probabilidade de ocorrência varia em cada ponto. A mecânica quântica foi estabelecida no início do século XX, e numerosos resultados experimentais desse período e posteriores corroboram a validade dessa teoria. No cerne dessa teoria está a equação de onda de Schrödinger. Como equação fundamental da mecânica quântica, a equação de onda de Schrödinger descreve como uma onda de probabilidade muda ao longo do tempo. No entanto, ainda não está claro exatamente como essas ondas de probabilidade se relacionam com a vida cotidiana. Na vida cotidiana, os resultados que observamos não são múltiplos estados, mas um único estado definido — como isso pode ser explicado? O que é uma onda de probabilidade e existe alguma maneira de compreendê-la? Para resolver essas questões, surgiram diversas interpretações da mecânica quântica. Numa pesquisa realizada anteriormente em uma conferência de física quântica, os participantes foram questionados sobre suas preferências em relação a cada interpretação. A preferência pela interpretação de Copenhague foi de 42%, a perspectiva da informação quântica de 24% e a interpretação de muitos mundos de 18%. Conforme demonstrado na pesquisa, a interpretação de Copenhague é a interpretação predominante na comunidade da física. A interpretação de Copenhague é aquela desenvolvida desde os primórdios da mecânica quântica por estudiosos liderados por Bohr. Brian Greene introduziu o princípio fundamental da interpretação de Copenhague da seguinte forma: "Sempre que tentamos observar uma onda de probabilidade diretamente, o próprio ato de observação a interrompe". A interpretação de Copenhague explica que, no momento da observação, a onda de probabilidade não pode mais permanecer nesse estado e colapsa em um único ponto. Explica-se que o resultado desse colapso em um único ponto é a realidade com a qual estamos familiarizados. Esse processo é chamado de colapso de ondas. A perspectiva da informação quântica explica que o próprio universo é composto de informação quântica, que constitui a própria essência do universo. Essa teoria postula que tudo é resultado de cálculos quânticos que envolvem essa informação quântica. Deste ponto de vista, o universo inteiro é, por vezes, visto como uma máquina que realiza cálculos quânticos. Seth Lloyd escreveu um livro que defende essa perspectiva de forma convincente. Nesse livro, ele explicou o papel da informação e como ela se relaciona com as leis físicas reais. Por exemplo, ele explicou como a computação quântica tende a disseminar informações desconhecidas e discorreu sobre as leis físicas relacionadas à entropia. A Interpretação de Muitos Mundos foi proposta por Hugh Everett. Essa interpretação não aceita o colapso da função de onda, que é a pedra angular da interpretação de Copenhague. Em vez disso, postula que o universo se ramifica em múltiplos mundos, e todas as possibilidades são realizadas. Assim, explica-se que, em cada mundo, um observador percebe a realidade com a qual estamos familiarizados. Considero o conceito de colapso da função de onda — que pode ser visto como o núcleo da interpretação de Copenhague — pouco convincente. Como Brian Greene salientou, a fronteira que define o que constitui uma "observação" não é clara. A explicação é mais ou menos a seguinte: o colapso da função de onda não ocorre quando objetos microscópicos interagem entre si, mas ocorre quando um observador realiza uma medição; no entanto, essa explicação é difícil de aceitar.
É natural supor que as leis da física se aplicam universalmente e de forma idêntica em todo o universo. Uma vez que o observador também faz parte do universo, acredito ser natural que as leis da mecânica quântica se apliquem igualmente a todas as ações, incluindo a observação. No entanto, a interpretação de Copenhague explica que o colapso da onda ocorre como resultado do ato de observação do observador. Matematicamente, o colapso de ondas também é uma operação distinta das operações mecânicas quânticas comuns. Embora eu não possa explicar em detalhes aqui o processo pelo qual uma função de onda de probabilidade muda, ele pode ser descrito como uma operação que envolve a multiplicação por uma matriz reversível com certas propriedades especiais. "Reversível" significa que existe uma correspondência direta entre o resultado e o estado que o causou. No entanto, quando ocorre o colapso da função de onda, essa correspondência é quebrada. O sistema fica fixo em um único estado, tornando impossível restaurar o estado original. Nos casos em que a natureza da observação é crucial — como na interpretação de Copenhague — o conceito de corte de Heisenberg é por vezes introduzido. Esse conceito postula que as leis da mecânica quântica se aplicam até um certo limite, e além desse limite, a função de onda colapsa. No entanto, esse limite não está claramente definido. Poderia ser definido no nível de objetos como elétrons ou prótons, ou poderia ser definido em objetos macroscópicos como seres humanos. Isso é insatisfatório porque não especifica exatamente onde esse limite deve ser traçado. Um exemplo bem conhecido que ilustra essa situação é o experimento mental do gato de Schrödinger. Neste experimento mental, aparecem uma partícula menor que um átomo e um gato. A pequena partícula pode se desintegrar com uma certa probabilidade, um processo que pode ser explicado pela mecânica quântica. Um dispositivo de detecção é colocado ao lado dele. Diz-se que, no momento em que tal deterioração é detectada, um mecanismo que mata o gato é acionado. Isso levanta a questão de saber se o gato está morto ou vivo naquele momento. A interpretação de Copenhague explica que o estado do gato — vivo ou morto — é determinado no momento em que é observado. Essa explicação se baseia na premissa de que nem mesmo objetos macroscópicos sofrem colapso de ondas. Isso sugere que mesmo objetos grandes devem ser considerados dentro da estrutura da mecânica quântica. Consequentemente, existem experiências mentais que levam essa situação a um extremo ainda maior. Neste experimento mental, partimos do pressuposto de que um amigo realizou o experimento mental do gato de Schrödinger e observou o estado do gato. Nesse caso, não fornece uma explicação definitiva sobre em que limite a função de onda deve ser considerada como tendo colapsado. Em relação a esse limite, alguns consideram crucial o grau de conhecimento do observador, e diz-se que isso está relacionado à probabilidade. No entanto, a interpretação de Copenhague tem a vantagem de explicar de forma fácil e clara os resultados observados pelo observador. Na verdade, isso explica muito bem os resultados de vários experimentos. Basta aplicar o colapso de ondas no momento da observação dos resultados experimentais ou na interação com objetos macroscópicos. Trata-se de uma interpretação conveniente que não exige a consideração do estado quântico do equipamento de observação. Uma das razões para o seu grande sucesso, apesar do resultado intuitivamente difícil de aceitar do colapso das ondas, é provavelmente a sua capacidade de explicar bem os resultados experimentais. Precisamente porque o colapso de ondas é uma explicação tão artificial, acredito que a Interpretação de Muitos Mundos possa ser uma alternativa viável à interpretação de Copenhague. A Interpretação de Muitos Mundos não reconhece o colapso de ondas. Diz-se que é uma interpretação derivada do foco exclusivo na equação de onda de Schrödinger. Como não considera o ato de observação como sujeito a quaisquer leis especiais, interpreta o processo simplesmente como uma mudança no estado da onda, conforme visto pela equação da onda. Em outras palavras, entende-se que, quando uma observação é feita, a onda não colapsa; em vez disso, o observador e o objeto entram em um estado de emaranhamento quântico-mecânico. Para entender esse estado de entrelaçamento, vamos examinar um exemplo sob a perspectiva da Interpretação de Muitos Mundos, que não reconhece o colapso de ondas. O spin de um elétron pode ser para cima (↑) ou para baixo (↓). O equipamento de observação é um dispositivo que mede o spin do elétron. Vamos supor que a janela de exibição de estado do equipamento de observação tenha três estados possíveis: para cima (⟰), para baixo (⟱) e em branco (). Vamos analisar a situação antes da medição. O spin do elétron e a janela de exibição de estado do equipamento de observação podem ser descritos como ondas de probabilidade mutuamente independentes. O elétron não está fixo como estando para cima (↑) ou para baixo (↓), mas é representado por uma onda de probabilidade. O aparelho de medição teria sido configurado para o estado vazio () para o experimento, e haveria uma função de onda de probabilidade representando essa situação. Vamos analisar a situação após a medição. Neste ponto, não pode mais ser descrito como funções de onda de probabilidade independentes. O estado geral é descrito por uma única função de onda de probabilidade que engloba tanto o elétron quanto o aparelho de medição.
Especificamente, é representada por uma única função de onda de probabilidade que descreve apenas duas situações possíveis: uma em que o spin do elétron está para cima e a janela de estado do aparelho de observação indica “para cima” (↑⟰), e outra em que o spin do elétron está para baixo e a janela de estado do aparelho de observação indica “para baixo” (↓⟱). Esse fenômeno, no qual múltiplos estados deixam de ser independentes, é descrito como “entrelaçamento”. A Interpretação de Muitos Mundos leva isso um passo adiante. Analisando o exemplo acima, existem duas situações possíveis (↑⟰, ↓⟱). A Interpretação de Muitos Mundos vê o mundo dividido nesses dois estados. Ou seja, em um mundo ocorre a situação ↑⟰ e em outro mundo ocorre a situação ↓⟱. Diz-se que, ao examinar a equação de Schrödinger, não há nenhum problema matemático importante em vê-la dessa maneira. Se separarmos os estados possíveis com base nos resultados das observações e interpretarmos cada resultado como um mundo distinto, isso é precisamente a Interpretação de Muitos Mundos. Assim, todo evento que pode ser considerado uma observação é visto como um evento no qual mundos se dividem. Consequentemente, todas as possibilidades mecanicamente quânticas viáveis se realizam em cada mundo. O aspecto da Interpretação de Muitos Mundos que considero mais atraente é que ela não considera o ato de observação como algo especial. Uma vez que até mesmo o observador é visto como parte de um mundo sujeito às mesmas leis da mecânica quântica, considero essa interpretação mais universalmente aplicável. No entanto, a Interpretação de Muitos Mundos enfrenta muitas críticas. Não existe uma explicação convincente para o que significa o mundo se dividir em múltiplos mundos. Além disso, a afirmação de que existem múltiplos mundos é bizarra por si só. Se mundos são criados continuamente ad infinitum, não há como explicar como podemos acompanhar tantos deles. Além disso, se mundos diferentes são completamente separados e não podem influenciar uns aos outros, pode-se argumentar que, da perspectiva do observador, a existência de outros mundos é totalmente sem sentido. Desse ponto de vista, a própria interpretação perde o sentido. Além disso, ainda existem vários desafios que precisam ser abordados na Interpretação de Muitos Mundos. Em primeiro lugar, uma das tarefas que devem ser abordadas é fornecer uma explicação adequada de qual mundo um observador real perceberá. Deve haver também uma maneira de descrever os fenômenos a partir da perspectiva do observador — e não da perspectiva do todo — para explicar os fenômenos que observamos no dia a dia. Isso ocorre porque não observamos diretamente as ondas de probabilidade, mas apenas seus resultados. A interpretação de Copenhague explica claramente esse aspecto. A interpretação de Copenhague sustenta que o mundo que observamos se realiza através do colapso da função de onda, e produz resultados que se alinham com a realidade. Além disso, a Interpretação de Muitos Mundos deveria ser capaz de explicar a Interpretação de Copenhague. Se a Interpretação de Muitos Mundos estiver correta, ela deverá ser capaz de explicar — de sua própria perspectiva — como todos os resultados experimentais obtidos até o momento corresponderam às previsões da Interpretação de Copenhague. Além disso, devemos determinar em que circunstâncias podem surgir diferenças entre as duas interpretações. Portanto, estabelecer uma conexão com a interpretação de Copenhague também é um grande desafio. Não apoio o conceito de colapso de ondas da interpretação de Copenhague porque não está claro quando exatamente ele deve ser aplicado, e considero a prática de isolar a medição como um processo separado problemática em termos de universalidade. Em vez disso, acredito que devemos manter a perspectiva de que todo o universo pode ser descrito como uma onda probabilística na mecânica quântica, e que o observador também faz parte dela. Portanto, acredito que a Interpretação de Muitos Mundos e teorias semelhantes poderiam servir como alternativas. No entanto, como mencionado anteriormente, vários problemas persistem também nessas interpretações. Conforme evidenciado pelos resultados de pesquisas envolvendo físicos, ainda não se chegou a uma conclusão definitiva sobre a interpretação da mecânica quântica. Algumas das interpretações existentes já foram refutadas por experimentos. No entanto, ainda não foram realizados experimentos desse tipo para a interpretação de Copenhague ou para a interpretação de Muitos Mundos. É possível que, algum dia, sejam desenvolvidos projetos experimentais capazes de demonstrar efetivamente as diferenças entre essas interpretações. Alternativamente, podemos eventualmente concluir que todas essas interpretações são igualmente válidas. Portanto, acredito que, à medida que nossa compreensão das leis da física se aprofunda, novas vias para a interpretação da mecânica quântica se abrirão. Será fascinante testemunhar o desenrolar desse processo.
