Física Quântica 28 - Entenda o Efeito Zenão Quântico

Entenda o Efeito Zenão Quântico

por Osvaldo Pessoa Jr.

O efeito Zenão quântico ocorre quando a observação de um sistema impede que ele mude de estado, ao passo que se ninguém estivesse observando, ele mudaria de estado.

"Alguns filósofos, como o argentino Mario Bunge, atacaram a veracidade do efeito, pois não admitiriam que uma mera observação pudesse mudar a realidade. Porém, ele acabou sendo comprovado experimentalmente em 1990, por Itano e seus colaboradores. O ponto a ser ressaltado é que uma “observação” não é uma mera contemplação apolínea, distante, mas que ela envolve um forte distúrbio no átomo sendo observado"

É como se estivéssemos esquentando água em uma panela. Se deixarmos a panela tampada, sem observar a água, ela ferve depois de cinco minutos (com gás encanado, dez minutos).

Mas se a cada dez segundos levantarmos rapidamente a tampa para observar se ela já ferveu, demora um tempo muito maior para ferver. O que ocorre é que nossa observação interfere no sistema, e altera sua evolução.

É isso que acontece no efeito Zenão quântico. Um exemplo seria um núcleo radioativo. Se após uma hora medíssemos quantos átomos decaíram em uma amostra, suponha que 50% deles o tenham feito.

Porém, se medíssemos a cada minuto, no final (após uma hora) menos de 1% teria decaído! E no limite, se observássemos continuamente o núcleo radioativo, ele nunca decairia!

O efeito já tinha sido previsto por alguns físicos na década de 1960, mas foi com o trabalho de Misra & Sudarshan, em 1976, que o efeito passou a ser discutido, e seu nome foi dado.

Zenão foi o filósofo grego que lançou vários paradoxos para mostrar que, racionalmente, o movimento não pode ser compreendido.

Por exemplo, o corredor Aquiles nunca poderia atingir a linha de chegada, pois haveria infinitos pontos para ele passar antes de chegar. Outro nome dado ao efeito Zenão quântico é “efeito da panela observada”.

Observar, de fato, muda realidade

Alguns filósofos, como o argentino Mario Bunge, atacaram a veracidade do efeito, pois não admitiriam que uma mera observação pudesse mudar a realidade.

Porém, ele acabou sendo comprovado experimentalmente em 1990, por Itano e seus colaboradores.

O ponto a ser ressaltado é que uma “observação” não é uma mera contemplação apolínea, distante, mas que ela envolve um forte distúrbio no átomo sendo observado.

Nesse sentido, as dúvidas de Bunge puderam se dissipar, pois o experimento não desafia a sua postura filosófica “objetivista”. A chave para entender o efeito Zenão quântico é lembrar que a cada observação ou medição ocorre um colapso da onda quântica.

Os sistemas em questão envolvem uma lenta transição de um estado para outro. Ao observar constantemente um tal sistema, provocam-se colapsos constantes para o estado inicial, e ele nunca completa a transição para o outro estado.

Entraremos agora em um pouco mais de detalhe a respeito do efeito. Comecemos relembrando o conceito de superposição quântica, que já discutimos no texto “Onde está o Átomo de Prata?”.

Um átomo pode ser descrito em um estado que envolve duas posições diferentes, X1 e X2.  Antes de efetuar uma medição neste sistema, não se pode dizer que o átomo está localizado em uma posição definida.

Pode-se dizer que ele está “potencialmente” em duas posições, e que é só após a medição (de posição) que ele se “atualiza” (colapsa) em uma posição bem definida.

A probabilidade de se medir a posição X1 ou a X2 depende dos coeficientes c1 e c2 que multiplicam esses termos, na descrição do estado quântico, que pode ser escrito assim: (c1 X1) + (c2 X2)

A probabilidade de medirmos X1 vai ser “c1 elevado ao quadrado”, e analogamente para X2. 

Para quem quiser entender melhor a notação, aí vão dois exercícios simples.

1. EXERCÍCIO 1: Suponha que c1 = 1 e c2 = 0.  Qual vai ser a probabilidade de medir X1?  Obviamente, vai ser 1. Ou seja, neste exemplo, o átomo já se encontra na posição X1 antes da medição.
2. EXERCÍCIO 2: Para qual valor de c1 e c2 as probabilidades são iguais?  Como a soma dos quadrados dos coeficientes tem que dar 1, a resposta é que c1 e c2 têm valor “1 dividido por raiz de 2”, ou seja, em torno de 0,71.

Pois muito bem, chega de exercícios colegiados! Vamos para o caso que nos interessa. Em certos processos atômicos, pode ocorrer uma lenta transição entre os estados X1 e X2.

De início, o estado é apenas X1, ou seja, o coeficiente c2 tem valor 0.  Mas aos poucos, a probabilidade de X2 vai aumentando, de tal forma que c2 aumenta com o tempo t, por exemplo: c2 = at, onde a é uma constante pequena.

Suponha que depois de uma hora resolvemos medir a posição do átomo, e suponhamos que a probabilidade de obter X2 tenha subido para ½.

Assim, se houver muitos átomos, aproximadamente 50% deles serão encontrados no estado X2. Neste caso, o valor da constante a é 0,71 (em unidades de hora).

Agora, suponha que resolvemos observar a posição do átomo depois de apenas um minuto. Tomando a = 0,71, e  t= 1/60 de hora, temos que a probabilidade de transição é o quadrado de at, ou seja, em torno de 0,00014.

Em outras palavras, a probabilidade de medir X1 é 99,992 %, e se este for de fato o valor obtido, o estado sofre um colapso e retorna para o estado inicial X1.

Após mais um minuto, repete-se o procedimento, e assim sucessivamente até completar uma hora. Neste caso, se houver muitos átomos, menos de 1% deles serão encontrados no estado X2.

Em suma, se fizermos apenas uma medição após uma hora, 50% dos átomos terão feito a transição. Se medirmos a cada minuto, ao final de uma hora menos de 1% terão feito a transição.

Se medirmos continuamente, nenhum átomo faz a transição. Eis o efeito Zenão quântico!

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