O gato de Schrödinger

Quando falamos sobre o "gato de Schrödinger" estamos nos referindo a um paradoxo que aparece a partir de um célebre experimento imaginário proposto por Erwin Schrödinger em 1937, para ilustrar as diferenças entre interação e medida no campo da mecânica quântica. O experimento mental consiste em imaginar um gato aprisionado dentro de uma caixa que contém um curioso e perigoso dispositivo. Esse dispositivo se constitui de uma ampola de frágil vidro (que contém um veneno muito volátil) e um martelo suspenso sobre essa ampola de forma que, ao cair, essa se rompe, liberando o gás venenoso com o qual o gato morrerá. O martelo esta conectado a um mecanismo detetor de partículas alfa, que funciona assim: se nesse sensor chegar uma partícula alfa que seja, ele é ativado, o martelo é liberado, a ampola se parte, o gás escapa e o gato morre; pelo contrário, se nenhuma partícula chegar, nada ocorrerá e o gato continuará vivo.

Quando todo o dispositivo estiver preparado, iniciamos o experimento. Ao lado do detetor colocamos um átomo radioativo que apresente a seguinte característica: ele tem 50% de probabilidade de emitir uma partícula alfa a cada hora. Evidentemente, ao cabo de uma hora só terá ocorrido um dos dois casos possíveis: o átomo emitiu uma partícula alfa ou não a emitiu (a probabilidade que ocorra um ou outro evento é a mesma). Como resultado da interação, no interior da caixa o gato estará vivo ou estará morto. Porém, isso não poderemos saber --- a menos que se abra a caixa para comprovar as hipóteses.
Se tentarmos descrever o que ocorreu no interior da caixa, servindo-nos das leis da mecânica quântica, chegaremos a uma conclusão muito estranha. O gato viria descrito por uma função de onda extremamente complexa resultado da superposição de dois estados, combinando 50% de "gato vivo" e 50% de "gato morto". Ou seja, aplicando-se o formalismo quântico, o gato estaria por sua vez 'vivo' e 'morto'; correspondente a dois estados indistinguíveis!
A única forma de averiguar o que 'realmente' aconteceu com o gato será realizar uma medida: abrir a caixa e olhar dentro. Em alguns casos encontraremos o gato vivo e em outros um gato morto. Por que isso?Ao realizar a medida, o observador interage com o sistema e o altera, rompendo a superposição dos dois estados, com o que o sistema decanta em um dos dois estados possíveis.
O senso comum nos predispõe que o gato não pode estar vivo e morto. Mas a mecânica quântica afirma que, se ninguém olhar o interior da caixa, o gato se encontrará numa superposição dos dois estados possíveis: vivo e morto.
Essa superposição de estados é uma conseqüência da natureza ondulatória da matéria, e sua aplicação à descrição mecânico-quântica dos sistemas físicos é que permite explicar o comportamento das partículas elementares e dos átomos. A aplicação disso aos sistemas macroscópicos como o gato ou, inclusive, se assim o preferir, a qualquer professor de física quântica, nos levaria ao paradoxo proposto por Schrödinger.
Curiosamente, alguns livros de física, para colaborar com a 'lei dos direitos dos animais', substitui nesse dispositivo experimental (hipotético) a ampola com veneno por uma garrafa de leite que ao romper-se, permite ao gato alimentar-se. Os dois estados possíveis agora são: "gato bem alimentado" ou "gato esfomeado". O que, também, tem sua parcela de crueldade.

Comentário

Quando se recorre á imagem do "gato de Schrödinger" já sabemos que estamos nos referindo a um dos aspectos mais singulares e misteriosos da mecânica quântica, a saber, que tais fenômenos quânticos necessitam, para ocorrer, da consciência de um observador. Explico melhor: quando se produz o colapso da função de onda de uma partícula --- que, segundo os 'entendidos' possui consistência ondulatória e corpuscular indistintamente --- esta pode resultar com um dado sinal (para seu 'spin') (+) ou outro (-), porém, enquanto alguém, um observador, não constatar, esse resultado não existe.
Não é que o resultado seja positivo ou negativo (todavia, desconhecido), não, é mais estranho ainda: o novo estado da partícula em questão (e suas possíveis conseqüências) não existe de nenhuma maneira até que seja verificado pela observação. Ainda não entenderam? Certo, junte-me a essa lista. Richard Feymann, premio Nobel de Física, já dizia: "quem não ficar pasmado com a física quântica é porque não a compreendeu". Pasmem!
Como ninguém entendeu nada, vale salientar que esse experimento mental tem outra versão: no exterior da caixa há uma partícula cuja função de onda entra em colapso; se o resultado do colapso resultar uma partícula com spin positivo o sensor acusa e o gato morre, se resultar com spin negativo o sensor nada acusa e o gato vive. Até que se observe o interior da caixa, o gato estará vivo e morto.
A imagem desse "gato", na física quântica, pelo menos tem uma vantagem, a de evitar repetir tediosas explicações como o princípio da incerteza, a simultaneidade do caráter ondulatório e corpuscular das partículas e outros detalhes técnicos desse peculiar campo da física.

Paradoxo de Gêmeos

O paradoxo dos gêmeos foi formulado há quase 100 anos atrás mas ainda hoje é um dos meios mais eficazes para compreendermos a essa ciência da dependência no estado de movimento do observador das noções de espaço e de tempo. Abordaremos o paradoxo dos gêmeos em sua formulação convencional salientando os seus pontos chaves e uma versão modificada onde consideraremos um universo com dimensões espaciais compactificadas.
Neste último caso é possível fazer com que os gêmeos se reencontrem sem que nenhum deles sofra nenhuma aceleração retirando assim a assimetria que convencionalmente é atribuida à resolução do paradoxo. Em seguida aproveitamos para analisar qual o verdadeiro papel da aceleraçãoe concluímos com uma reflexão sobre a sincronizaçãode relógios e com a relevância dos verdadeiros observáveis em relatividade restrita.

Na teoria da relatividade, cada observador tem sua própria medida de tempo, isso leva ao famoso paradoxo dos gêmeos.
Imagine que um dos gêmeos parte para uma viagem espacial durante a qual ele viaja próximo à velocidade da luz, enquanto seu irmão permanece na Terra. Por causa do movimento dele, o tempo flui mais devagar na espaçonave, conforme visto pelo irmão na Terra.
Assim o viajante ao retornar à Terra descobrirá que seu irmão envelheceu mais do que ele.
Embora isto pareça contrariar o senso comum, vários experimentos bem como a teoria da relatividade, indicam que nesse cenário o gêmeo viajante voltaria mais jovem.
Obviamente o experimento citado se torna impossível de ser realizado, pelo fato de que para existir realmente uma diferença temporal perceptível a velocidade do viajante deveria ser próxima à velocidade da luz e durante um tempo considerável.

Física Quântica

Mecânica Quântica ou Física Quantica é a parte da física que estuda o estado de sistemas onde não valem os conceitos usuais na mecânica clássica tais como os de trajetória e o de distingüibilidade de partículas idênticas -; aliás, os dois conceitos são intimamente relacionados; usualmente estuda o movimento das partículas muito pequenas, ou seja, em nível microscópico. Entretanto, efeitos há que ocorrem a nível macroscópico -;ver adiante. O conceito de partícula -;muito pequena, mesmo que de limites muito imprecisos, relaciona-se com as dimensões nas quais começam a ficar evidentes efeitos como a impossibilidade de conhecer com infinita acuidade e ao mesmo tempo a posição e a velocidade de uma partícula - veja Princípio da incerteza de Heisenberg, entre outros. Os ditos efeitos chamam-se - ; efeitos quânticos. Assim, a Mecânica Quântica é a que descreve o movimento de sistemas nos quais os efeitos quânticos são relevantes. Experimentos mostram que estes são relevantes em escalas de até 1000 átomos. Entretanto, existem situações onde mesmo em escalas macroscópicas, os efeitos quânticos se fazem sentir de forma manifestamente clara, como nos casos da supercondutividade e da superfluidez. A escala que regula em geral a manifestação dos efeitos quânticos é o raio de Bohr.

*A Física Quântica é super interessante e importante:

O desenvolvimento do transistor, do laser e da nanotecnologia são exemplos de aplicações da física quântica que revolucionaram nossas vidas. Apesar disso, parece ser um mundo estranho e que escapa à intuição. A teoria quântica proporcionou à comunidade científica novas formas de entender, de forma profunda, o mundo microscópico.
Recentes avanços tecnológicos permitem investigar este estranho mundo de forma detalhada a partir do isolamento e manipulação de sistemas quânticos como átomos, moléculas, fótons ou microchips supercondutores. Para além de seu interesse intrínseco e fundamental, estes estudos abrem perspectivas fascinantes no sentido de aplicações práticas.
Sonhamos sobre criptografia quântica, teletransporte e computação quântica. Se alguma destas aplicações vai se tornar realidade algum dia é uma questão em aberto. A certeza que temos é que a exploração das estranhas leis do mundo quântico ainda nos proporcionará muitas surpresas e motivos para se perguntar sobre a Natureza.