Teoria das Cordas e Teoria M

"Historicamente a música tem propiciado as melhores metáforas para quem quer entender as coisas cósmicas."

Brian Greene

Antes de resumir esta fantástica e moderníssima teoria da física, que é um estudo de ponta na área, cabe ressaltar que diferente da mecânica quântica e relatividade, a teoria das cordas não está totalmente desenvolvida e tão pouco já sofreu rigorosos testes experimentais e aceitos pelos físicos.

A teoria possui uma matemática sólida, embora suas equações representem tal ordem de dificuldade que nem por meio de computadores se consegue solucioná-las. As aproximações matemáticas é que tem proporcionado resultados brilhantes, coerentes e admiráveis. Em suma, este é um estudo que tem de ser visto como em processo de consolidação. Testes futuros indicarão a solidez do que propõem os pesquisadores da área.

A teoria das cordas emerge de um sentimento compartilhado por grande parte dos físicos: parece improvável que a natureza tenha guardado expressões tão incompatíveis entre o macro e o micro, entre escalas de galáxias e subatômicas. Einstein passou seus últimos dias buscando unificar as teorias da gravidade e eletromagnética. Infelizmente, sem sucesso.

A ideia que se chegar a uma TST que harmonize e explique os diversos fenômenos físicos observados, que resolva o terceiro e último grande confronto da física.

Partícula	Massa	Carga Elétrica	Carga Fraca	Carga Forte
Elétron	0,00054	-1	-1/2	0
Neutrino do elétron	<10-8	0	1/2	0
Quark up	0,0047	2/3	1/2	vermelho, verde; azul
Quark down	0,0074	1/3	-1/2	vermelho, verde; azul
Múon	0,11	-1	1/2	0
Neutrino do múon	<0,0003	0	1/2	0
Quark charm	1,6	2/3	1/2	vermelho, verde; azul
Quark strange	1,6	1/3	-1/2	vermelho, verde; azul
Tau	1,9	-1	-1/2	0
Neutrino do tau	<0,033	0	1/2	0
Quark top	189	2/3	1/2	vermelho, verde; azul
Quark bottom	5,2	-1/3	1/2	vermelho, verde; azul

Tabela: Partículas e suas propriedades físicas.

Em síntese, a teoria das cordas propõe que as partículas elementares (tabela) que os aceleradores de partícula vêm revelando aos físicos são, em essência, cordas. As cordas seriam pequenos filamentos unidimensionais, ou seja, possuem somente tamanho, mas não há qualquer espessura. Uma aproximação grosseira seriam as cordas de um violão.

As diferentes formas de vibração destas cordas, ou os harmônicos para quem estiver familiarizado com música, dariam as diferenças das partículas que são observadas. Tais partículas estão para o universo assim como as letras estão para os livros. As propriedades das partículas (carga, massa, spin), ou seja, aquilo que diferencia uma das outras, seriam percepção que temos da forma as quais uma corda pode vibrar.

Imagine uma linha muito fina. Agora, admita também que por mais que você amplie esta linha ele permanece muito fina, de forma tal que não é possível medir suas espessura. Essa seria a corda da teoria que apresentamos nesta seção. Mas esta corda seria tão pequena, mas tão pequena, que pareceria um ponto se analisada com a mais avançadas de nossa tecnologia moderna.

Tecnicamente falando, a dimensão dela é da ordem da distância de Planck: 10^-33 cm.

FIG. 7.14: Harmônicos em uma corda.

Na figura, há um pequeno exemplo de como uma corda que vibra em uma só dimensão (no sentido longitudinal desta folha). Supondo que o gráfico oscilante represente uma corda presa por ambas às pontas, as pequenas ondas que se formam terão sempre um ponto médio nos extremos. Não é possível, em ondas estacionárias, por exemplo, ter-se uma extremidade no meio de uma parte da corda que está subindo ou no segundo terço da parte que desce. Há sempre uma quantidade inteira de “ondas para cima” e “para baixo”.

Pode-se imaginar também essa possibilidade no sentido perpendicular a folha, ou seja, saindo do papel. É possível combinar o movimento da corda em ambos os sentidos. Com isso, damos dois graus de liberdade ao movimento, ou seja, ele pode vibrar em duas dimensões. Grosso modo, é isso que os físicos “percebem”, só que em 10 dimensões na teoria das cordas.

A riqueza da teoria é ainda maior quando se pensa nas formas que estas dimensões podem ser concebidas. Podemos imaginar uma dimensão retilínea, como o fio de uma faca. É possível ainda pensar em dimensões circulares, elípticas eu seguindo outra curva qualquer. Na teoria das cordas, a forma destas dimensões é fundamental para caracterizar o movimento vibratório das partículas elementares. Pode-se dizer que as formas das dimensões  adicionais para o universo são equivalentes ao DNA para o corpo humano.

Os estudiosos desenvolveram cinco diferentes versões dimensionais da teoria. Mas, estudos mais apurados, mostraram que estes cinco estudos podiam se unificados. Era como se fossem diferentes pontos de vista para um mesmo cenário. Esta união se vez em 11 dimensões: 10 espaciais e uma temporal. Assim surgiu a Teoria M.

Mais tarde, essa teoria incluiu vibrações não só para cordas abertas, mas para as fechadas também (laços). Hoje se propõem membranas de mais dimensões (nas quais as cordas seriam apenas uma “membrana unidimensional”), as chamadas p-branas (com p variando de 1 até 10).

O brilhantismo desta ideia é que todas os elementos da tabela acima, e suas propriedades consequentemente, emergem naturalmente da vibração destas pequenas cordas ou p-branas.

Assim, segundo esta teoria e de forma metafórica, o universo pode ser entendido como uma imensa sinfonia guiado pela música das pequenas cordas que o formam.

Obviamente o conceito de uma corda material, algo como um fio, é uma descrição. Há uma descrição sobre o que seria mais fundamental: as cordas ou o campo (as linhas de força, como as do campo eletromagnético, por exemplo).

Ambas podem expressar uma só coisa.

Campo de Higgs

Para alguns físicos teóricos, o campo de Higgs [1] é aquilo que confere a propriedade de massa à matéria, dentre algumas outras características. Segundo estes cientistas, o universo inteiro está imerso nesse campo.

A forma de interagir das partícula com o campo de Higgs, ou oceano de Higgs, definem determinadas propriedades. A massa é uma resistência à alteração do movimento (ou ausência deste). Para modificar o estado inercial de uma partícula, é necessário imprimir a mesma uma aceleração. O campo de Higgs é que faz resistência à aceleração (não ao movimento, diferindo-se, por exemplo, da resistência que a água impõe ao deslocamento de um barco).

Quanto mais forte é a resistência encontrada por uma dada partícula em mover-se no oceano de Higgs, maior será sua massa.

Teorias recentes mostram que, em determinadas circunstâncias, presentes nos momentos iniciais de formação de nosso universo, o campo de Higgs pode ter gerado uma antigravidade, esticando o tecido do espaço por um fator estimado entre 10 elevado a 30 a 10 elevado a 100 [2], ou até maior. Na cosmologia, este "estirão"  abrupto do espaço ficou conhecido como inflação. 

Embora seja um estudo teórico, muitos físicos se empenham na busca da constatação da partícula de Higgs, o que confirmaria a existência do campo em análise. Os aceleradores de partículas hoje em operação [3], em princípio, não produzem energia suficiente para que os choques das partículas revelem, ou não, a existência do oceano de Higgs.

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[1] O nome do campo é uma homenagem ao físico escocês Peter Higgs.

[2] O número um seguido por 30 ou por 100 zeros.

[3] Espera-se que o maior deles, o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), permita tal feito.

Simetria e as 4 forças da natureza

Einstein afirmava que a teoria que ele elaborou, a relatividade, era tão bonita que tinha de ser verdadeira. A rigor, numa primeira análise, nada na física diz que uma teoria tem que ser bela: ela tem que ser prática, ou seja, ser capaz de prever eventos, casos práticos. Porém, numa análise mais liberta, podemos afirmar que, em certo sentido, a física requer um componente fundamental da beleza: a harmonia.

Uma teoria só cria bases sólidas na ciência se não for conflitante, se não apresentar conflitos, contradições. Nas palavras de Brian Geene:

“Mas é bem verdade que algumas decisões dos físicos teóricos baseiam-se no sentido da estética - a sensação de que as estruturas teóricas têm uma elegância e uma beleza naturais, que condizem com o que vemos no mundo físico.”

Talvez por isso este físico tenha denominado um dos seus mais conhecidos livros por O Universo Elegante.

A estética, para ser harmoniosa, tem um vínculo quase sempre indissolúvel com a simetria. Para simplificar, vamos fazer uma analogia com a simetria (geométrica) presente no cotidiano. Dizemos que um objeto é absolutamente simétrico quando apresenta a mesma aparência seja qual for o ângulo que é observado: uma esfera de cor única tem igual aparência mesmo que a giremos em um grau arbitrário e num sentido qualquer; um cubo requer ângulos determinados (90º) e sentido precisos (paralelo a alguma das faces) para manter o mesmo aspecto após um giro. Na física, a simetria é algo que guarda equivalência com este conceito.

Nas sociedades, em lugares e tempos diferentes, as leias que as regem mudam, adaptam-se (portanto, rompem uma simetria). No universo físico parece ser diferente. A experiência científica tem apontado para a ausência de mudanças nas leis que regem o cosmo. Não se pode provar isso, mas todas as nossas experiências apontam para esta direção.

Esta invariância das leis naturais no tempo e espaço é denominada pelos cientistas por simetria da natureza. Apoiando-se no conceito intuitivo de simetria apresentado, isso significa que de qualquer ponto do espaço e do tempo que as leis da natureza são observadas, elas são iguais. Não é belo?

Nas condições que imperavam no início do universo, em uma temperatura de trilhões de graus Kelvin, dentro do escopo de uma Teoria Sobre Tudo, uma única força imperava no universo. A medida que o universo esfriava, enquanto expandia-se, aconteceu a quebra de simetria. Em poucas palavras, houve mudanças na forma de se ver (perceber) esta força: ela, portanto, perdeu sua simetria.

As pesquisas atuais levam à conclusão da existência de quatro forças na natureza. Duas delas são muito familiares no cotidiano diário: a gravidade e a eletromagnética. A gravidade é a força que atrais os corpos que possuem massa: mantem as pessoas no nosso planeta, a Terra em órbita em torno do Sol e as estrelas se agrupando em galáxias, dentre outras coisas. A força eletromagnética é responsável pela luz que brilha em nossas cidades, pela atração dos imãs, pelos relâmpagos, por manter os elétrons ligados ao núcleo atômico e outros feitos de conhecimento também público.

As outras duas são quase desconhecidas fora do meio dos físicos: força forte e força fraca. A razão é bastante simples para esta ignorância: são forças subatômicas, ou seja, atuam em escalas menores que as do átomo. Seus efeitos estão diretamente ligados à estrutura do núcleo atômico.

A força forte une os quarks, formando assim prótons e neutros. Além disso, é esta força que mantém prótons e nêutrons ligados no pequeno espaço que forma o núcleo dos átomos. Já a força fraca tem como efeito conhecido a desintegração radioativa que acorre em determinados elementos, como o césio por exemplo.

As 04 forças

Ou seja, de uma só força inicial, antes do primeiro segundo de existência do universo físico, paulatinamente, esta foi desdobrando-se (perdendo sua simetria) em duas, depois três e, finalmente, nas quatro que conhecemos hoje. Se isto vier a ser confirmado dentro de uma estrutura teórica e com resultados práticos experimentais, teremos a tão almejada Teoria Sobre Tudo.

Uma particularidade: a simetria associada às três forças não gravitacionais é denominada de simetria de calibre. Esta simetria aponta para a interação entre quarks de cores [1] iguais como idênticas entre si. Ou seja, quarks verdes interagem com quarks verdes da mesma forma que quarks vermelhos interagem com entre si. Além disso, a interação de quarks de cores diferentes são iguais (azul com verde é igual à interação de vermelho com azul).

[1] As cores dos quarks são rótulos, não devem ser associados ao aspecto visual.

Onisciência e Livre-Arbítrio

Antes de entra no foco deste texto, é indispensável ressaltar a raiz do problema aqui abordado. Trata-se da aparente mutua exclusão que alguns postulam entre o livre-arbítrio e o determinismo.

O determinismo, em termos simples, nada mais é do que vincular qualquer evento a um conjunto de causas, que o precedem no tempo, as quais determinam, de forma necessária e suficiente, aquilo que observamos. Em outros termos, eventos do presente são inteiramente definidos por fatos (ou outros eventos) que ocorreram no passado.

Esse princípio é natural ao nosso dia-a-dia. Quando planejamos sair de férias, a rotina previamente preparada até chegarmos ao trabalho (ou colégio), a cocção de alimentos para nossas refeições, o saque em caixas eletrônicos, toda a física clássica, dentre inúmeros outros exemplos, são calcados no determinismo: esperamos que o acontecimento futuro, dada as condições que executamos ou percebemos, esteja condicionado.

Já o livre-arbítrio é a condição de arbitrar, decidir forma soberana, de acordo com a vontade pessoal, uma escolha dentre várias disponíveis. É claro que isso excluir incapacidades físicas (por exemplo, voar sem uso de tecnologia ou se teletransportar com o poder do pensamento) e aspectos moralmente (ou legalmente) condenáveis (ao menos para determinado grupo, dado o temor das consequências possíveis advindas de tais atos).

Alguns podem defender que sentimos e escolhemos por força de reações orgânicas próprias e condicionamentos comportamentais adquiridos, o que cai num determinismo absoluto. É exatamente neste sentido que se observa um aparente choque entre livre-arbítrio e o determinismo.

Todavia, têm-se bons textos mostrando que esse choque é dependente da abordagem conceitual do problema e considerações realizadas. Um texto amplo, bem escrito, abrangente e esclarecedor sobre as múltiplas possibilidades sobre o assunto livre-arbítrio e o determinismo pode ser lido em um artigo no exemplar número 1 da revista Dicta&Contradicta.

Esclarecido (no texto apontado) as diversidades de interpretação sobre o assunto livre-arbítrio e o determinismo, cumpri descaracterizar o vínculo, supostamente obrigatório, que alguns fazem entre onisciência de determinismo.

É certo que, em universo determinista, a inteligência capaz de perceber e computar todas as variáveis básicas que condicionam a existência seria perfeitamente competente em predizer sobre qualquer evento que, do nosso ponto de vista, figure como futuro. Seria equivalente a um físico usar uma equação da cinemática para prever a velocidade futura, a qualquer tempo, de um veículo para o qual aquele detivesse a posse das variáveis que determinam a velocidade do automóvel.

Todavia a onisciência pode ir além. Ao consultar os textos deste blog que tratam do tempo (visão clássica ou moderna), pode-se descrever o tempo como um “anotador” de alterações no espaço. Pode-se imaginar as sucessivas disposições da matéria no espaço como diversas fotografias, todas possíveis, das configurações assumidas pela existência física que, uma vez arranjadas convenientemente, demonstram a continuidade a que estamos familiarizados (como uma determinada sequência de fotos pode ser vista como um filme).

Além disso, a partir de uma dada “foto”, as possíveis sequências advindas dessa determinada configuração espacial (distribuição de matéria, incluindo nós, seres humanos, e energia no espaço) são eliminadas na medida em que apenas uma delas figura como parte da realidade que experimentamos.

A ideia de que o tempo e uma dimensão, similar a nossa percepção sobre o espaço, é respaldada no contexto as teoria da relatividade. Segundo se pode deduzir utilizando a teoria da relatividade, nas palavras de seu idealizador, Albert Einstein:

“Para nós, físicos convictos, a distinção entre o passado, o presente e o futuro é apenas uma ilusão, ainda que persistente.”

Em outras palavras, há equações particulares que advém da relatividade e mostram que o tempo, assim como o espaço é percebido em certo momento, existe como uma dimensão já construída, finalizada. Não perceber isso é, grosso modo, uma limitação humana análoga àquela que levou nossos ancestrais a postular que a Terra é plana e, em outra época, que o sol gira em torno do nosso planeta.

Já a experiência da escolha retardada mostra que, ao menos em níveis de “detalhes”, há uma interligação, um enlace, que conecta eventos em tempos diferentes. Essa conexão demonstra que aquilo que determinado observador considera como o momento em que vive, seu “agora”, pode ter aspectos que só são definidos, na nossa expectativa, com um determinado evento futuro. Note que, a luz da aludida experimentação, os “momentos” que são a Base da percepção do tempo são interdependentes (inclusive o passado em relação o futuro).

Isto posto, a consideração da existência do livre-arbítrio recai na análise de que tal faculdade deve ser atemporal, ou seja, não estar confinada a percepção do tempo contínuo a que estamos encerrado. Do ponto de vista teísta, o real exercício do livre-arbítrio ocorre anteriormente a vivência no universo físico: a consciência, de forma livre, escolhe se quer ou não encarnar e faz todas suas escolhas em um plano que não é o mesmo deste universo. 

Essa percepção é condizente, dentre outras coisas, com um trabalho de Benjamin Libet [1] em que é mostrado que, meio segundo antes de acusarmos consciência física de uma decisão tomada, há um pico de estímulos nervosos no cérebro. Interpreto isso como a captação do nosso sistema nervoso central da decisão tomada (em um plano de existência que embasa o plano físico em que vivemos). Em outras palavras, tomamos consciência da decisão que, em tese, foi nossa cerca de meio segundo após o fato de decidirmos.
Concluo que aqui, no nível físico, vivemos as experiências que abraçamos enquanto num nível de existência pessoal primário, plano esse que "sustenta" o nível material.

Assim sendo, não é uma abordagem pertinente confinar Deus as possibilidades humanas da existência, visto que isto equivale a o submeter a sua própria criação (supostamente). Admitindo que o Criador não se sujeita aos limites de sua criação e, além disso, invocando a percepção de Einstein relativo ao espaço-tempo, tem-se que nossas experiências passadas, presentes ou futuras são perceptíveis a Deus como nós podemos verificar as páginas de uma fotonovela, ou os diversos quadros que compõe um desenho animado.


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[1] INTRODUCTION
PREVIOUS studies had indicated that there is a substantial delay, up to about 0-5 s, before activity at cerebral levels achieves 'neuronal adequacy' for eliciting a conscious somatosensory experience (Libet, Alberts, Wright, Delattre, Levin and Feinstein, 1964; Libet, 1966).


Trecho extraído de "Libet, B., Wright, E. W., Feinstein, B., and Pearl, D. (1979). Subjective referral of the timing for a conscious sensory experience: A functional role for the somatosensory specific projection system in man. Brain, 102(1):193-224."

Geração no Vácuo

A aplicação do princípio da incerteza vai além, de posições e velocidades. Ele é aplicável a campos, como os eletromagnéticos e gravitacionais. Isso significa que quanto mais se sabe sobre o valor de um campo magnético em um ponto qualquer, menos se sabe sobre sua variação, ou sua frequência. Com efeito, isso implica que não existe vácuo, ao menos na forma que concebemos.

O que é o vácuo? Imaginando uma região do espaço, ao se retirar toda a matéria e campo desta região, ao se sobrar o "espaço puro", isto seria vácuo. Só que nesta definição de vácuo, o valor do campo eletromagnético e gravitacional seria conhecido (igual à zero), bem como sua frequência (também igual à zero). Isso contraria o princípio da incerteza.

Mas, lembrando a relatividade geral, gravidade é uma deformação do espaço ocasionada pela presença de massa ou energia. Na situação descrita no parágrafo anterior, segundo o princípio da incerteza, o campo gravitacional não seria nulo, contrariando a relatividade. Este é o terceiro grande conflito da física.

Para simplificar, experiências mostram que realmente a intensa agitação dos campos é uma realidade no nível do domínio da mecânica quântica. Os leitores mais ávidos de conhecimento poderão procurar uma experiência famosa que confirma esta teoria: o Efeito Casimir.

É necessária uma nova teoria que harmonize esta diferença brutal entre os dois pilares da física atual. A esperança disso está numa possível Teoria Sobre Tudo. Este atividade incomum dos campos em escala subatômica leva a uma formação tal dos campo que falar de direção sentido para qualquer campo não é aplicável. Na escala de Planck, a realidade que conhecemos, segundo os cálculos, se desfaz por completo. Uma representação gráfica dos campos neste nível mostra uma distorção de tal forma que passaram a denominar este aspecto de Espuma Quântica.

Espuma quântica. Representações nas escalas de 10^-12 cm, 10^-30 cm e 10^-33 cm (de cima para baixo)

 

Os picos, na representação gráfica da violenta variação dos campo, ilustram o quão ampla pode ser as amplitudes deste frenesi. Porém, lembrando que massa e energia são faces de uma só moeda, segundo a famosa equação E = mc², neste nível a matéria é criada e destruída incessantemente: uma guerra eterna e por todo o espaço entre a criação e aniquilação.

Nestas circunstâncias, neste domínio da distância de Planck, ainda que de maneira ínfima e por breve fração de segundo, é rompida a lei de conservação de energia: a matéria surge do nada e a ele retorna, como que pagasse um débito de energia usada de forma desbalanceada.

Princípio da Incerteza

O princípio da incerteza (PI) foi anunciado pelo físico alemão Werner Heisenber e é um marco na física. Segundo este princípio, ao se tentar medir sucessivas vezes a posição de uma partícula com uma precisão crescente, a exatidão da medida da velocidade (na verdade, quantidade de movimento) desta mesma partícula decresce, e vice-versa.

Em outra palavras, quanto mais se sabe sobre a posição de uma partícula, menos se sabe sobre a velocidade desta.

Após a formulação do PI e as conclusões advindas do mesmo, um experimento elaborado por John Bell, em 1964, e realizado por outros cientistas, no início da década de 1980, comprovou que o PI não era uma incapacidade de medição somente ou falta de uma complementação à mecânica quântica. Os resultados da experiência mostravam que as partículas subatômicas não possuem propriedades definidas (como posição, velocidade ou spin). A medição as faz assumir tais propriedades, mas não faz sentido afirmar que as mesmas preexistem antes da observação realizada.

Para saber mais, o leitor deve procurar sobre Variáveis Ocultas, Desigualdade de Bell ou Paradoxo EPR.

Segundo o PI, quanto mais se restringe o espaço de movimentação de um elétron (ou outra partícula deste domínio), quanto mais o confinamos, mais frenético fica seu movimento. É como se ele fosse claustrofóbico e enlouquecesse na perspectiva de ser “fechado”. O resultado direto disso é que este princípio indica uma atividade crescente na medida em que reduzimos nossa observação do tempo e espaço.

O tempo, visão moderna

A experiência da Escolha Retardada nos mostra que a multiplicidade de comportamentos e trajetórias de um fóton, elétron, quark ou qualquer partícula fundamental - ou até algumas compostas - nos mostra que eventos que constam na “fotografia mental” do nosso "agora" podem definir todo um ramo de uma história sob a ótica da mecânica quântica. Ou seja, se um dado elétron, por exemplo, comportou-se como partícula ou onda numa distante fotografia, num dado momento, do nosso passado.

Isso significa que o que fazemos hoje pode escrever o passado? Sim, ao menos nos detalhes de nível subatômico. Mas essa "imposição" não deve ser entendida como uma alteração do passado, mas sim como uma definição do mesmo. Assim como a posição e a velocidade de uma partícula só é conhecida quando medida, o passado de uma partícula também só é definido quando observado.

Nestes termos, o que chamamos de passado - ou detalhes que o constitui - são demarcados quando medidos, ainda que essa medição, a qual “impõe” um dado comportamento, seja futura.

Há algo ainda mais intrigante. Uma variação da experiência da escolha retardada misturada à experiência da dupla fenda - conhecida como apagador quântico de escolha retardada - nos mostra que: numa experiência onde as medições dos detectores são feitas de forma que não se pode identificar qual é o detector que recebeu o fóton (portador do sinal medido), o padrão de interferência, ou seja, o comportamento como onda, ocorre [1].

Quanto à seta do tempo, a direção única que experimentamos (do passado para o futuro), pode ser compreendida da mesma forma em que a mesma foi apresentada no texto sobre a percepção clássica do tempo: a segunda lei da entropia é a causa unidirecional do tempo.

Uma curiosidade para os que gostam de equações: ao se aplicar o conceito de entropia sobre as descrições na forma de funções de onda das partículas, tem-se definição similar à definição de entropia no caso da física clássica, ou seja, a entropia deve aumentar sempre.

Assim, nossa noção do tempo é proveniente da física clássica [2].

[1] Isso leva alguns, eu, por exemplo, a acreditar que é preciso um ser ciente, uma consciência, mesmo de forma indireta, sabendo sobre o destino do fóton para que o mesmo tenha um “comportamento clássico”.

[2] “... por alguma razão, a entropia era extraordinariamente baixa após o Big-Bang e as coisas vêm se desenrolando vagarosamente nos últimos 14 bilhões de anos e continuarão a fazê-lo em direção ao futuro.” ... “... o nosso esforço para explicar a seta do tempo nos leva novamente à origem do universo.” Brian Greene, em O Tecido do Cosmo, Cia das Letras, explicando como se conclui sobre o aspecto unidirecional do tempo na mecânica quântica.

Escolha Retardada (ou Escolha Demorada)

De todas as experiências práticas da física, esta é a minha preferida. Seu arranjo inicial - figura - pode ser descrito como um emissor de luz (um laser, por exemplo) - ponto X -, que incide sobre um divisor de feixe ou um espelho semitransparente (50% dos fótons passam, os demais são refletidos) - ponto A. O feixe dividido têm trajetórias perpendiculares (90%).

Os fótons seguem até encontrar um espelho (reflete 100% da luz que incide sobre o mesmo) - pontos B e C. Estes dois espelhos estão equidistantes do divisor de feixes e tem como menor ângulo entre sua superfície refletora e o raio de luz incidente 45 graus. Assim, a trajetória dos raios de luz passa a ser concorrentes, a se dirigir ao um ponto comum.

No ponto de encontro - em D - é que ocorre a presença ou não de uma p

eça fundamental à experiência: outro espelho semitransparente, ou um novo divisor de feixes. Há ainda dois detectores de fótons.

Escolha retardada

O experimento pode ser conduzido sem o espelho semitransparente em D. O resultado é que o número de fótons recebidos por ambos os detectores é igual, ou seja, 50% de impactos em cada sensor (para grandes números de fotos).

Quando se acrescenta o divisor de feixe em D, ocorre algo surpreendente para a maioria dos leigos em física: só uns dos detectores acusa impacto.

Explicando de forma resumida, isso ocorre devido a arrumação do experimento (distância, espessura dos divisores de feixes, dentre outros detalhes) ser feita de forma a lançar na direção do detector que nada acusa os fótons com as mesmas características do emitido pelo feixe e o mesmo número de fótons com fase inversa (isso significa que quando há um pico no valor dos campos de um fóton há um vale no seu “gêmeo” invertido). O resultado é que eles se anulam.

Mas isso é esperado. O desconcertante é que isso ocorre mesmo que só seja lançado um fóton por vez pelo emissor em X.

Este experimento pode ser interpretado como o da dupla fenda no sentido de que a ação do pesquisador, ao escolher a presença do espelho  semitransparente em D, seleciona o comportamento do fóton como onda (com o espelho) ou partícula (sem o espelho).

Mas os fenômenos quânticos não param de nos surpreender. Raciocinando da forma convencional, se o fóton se comporta como partícula, ele segue ABD ou ACD. Caso se comporte como onda, segue ambas as trajetórias ao mesmo tempo.

Porém, se o experimento for feito de forma que as distâncias ABD e ACD sejam de tal ordem de grandeza que permita a decisão, e efetiva ação, de por o espelho semitransparente em D após a emissão do feixe, mesmo assim esta escolha é que determina a trajetória.

Se isso não espanta o leitor é porque ele não entendeu ou já conhecia a experiência. Vou explica de novo. Imagine a sequência temporal t0< t1< t2< t3< t4< t5. Digamos que o emissor em X dispara um fóton mo istante t0. O tempo que este fóton chega à bifurcação do ponto A é t1. Em t2, o cientista optou por o espelho, ou seja, o fóton deve ter o comportamento de onda.

Em t4 a opção do pesquisador é transformada em ação e o espelho está em D. Observe que o ponto em que trajetória é defina é t1, anterior a t2 (decisão) e t4 (ação). Nessa suposição, chamamos de t3 o momento em que fóton atinge B e t5 em que atinge C. Teoricamente, ele só atingirá os dois pontos, B e C, se o espelho tiver em D. Para isso ele precisa seguir as trajetórias ABD e ACD, como mencionado (comportamento onda). Mas a informação para ele seguir um ou ambos os caminhos só é pensada em t2 e transformada em ação em t4, após o tempo de passagem pelo ponto A.

O raciocínio análogo é valido quando o cientista não põe o espelho. De forma simples, ou admitimos que uma informação regride no tempo e é “percebido” pelo fóton em t1 (seja lá o que isso significar), ou o fóton "advinha" a opção do cientista e sempre acerta, ou que causa e efeito estão além dos laços convencionais do tempo. Mas esse raciocínio é de senso comum, não do ponto de vista de estudos da física.

Em termos de comportamento da natureza, dos fatos observados nesta experiência sob o "domínio" da mecânica quântica, conclui-se que um evento no que convencionamos a chamar de futuro, pode definir os padrões clássicos do que definimos como passado.

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Veja, também, aqui.

Faça você mesmo uma borracha quântica: com um equipamento simples, você pode fazer em casa uma experiência que ilustra um dos efeitos mais incríveis da mecânica quântica (veja como aqui, ou na edição 61 - Junho 2007  - da Scientific American Brasil).