Física Quântica 35 - Por Que Há Tantas Interpretações da Teoria Quântica?

 

Por Que Há Tantas Interpretações
da Teoria Quântica?

por Osvaldo Pessoa Jr.

Ao longo dos textos sobre física quântica apresentados aqui no Vya Estelar, diversas interpretações da teoria quântica foram apresentadas.

Há dezenas de interpretações diferentes, e interpretações novas vão surgindo a cada ano. Por que acontece isso com a física quântica?

No ensino médio o que nos é ensinado é chamado de “física clássica”. Aprendemos a calcular a aceleração de um bloco que desce um plano inclinado sem atrito, e as leis de Newton nos são ensinadas como se fossem a palavra final em ciência.

Quem duvida que exista uma força da gravidade, representada em cada ponto por uma setinha chamada “vetor”?

Na escola ninguém duvida disso, mas nos séculos XVIII e XIX a questão de se existiam forças que agem à distância, como a força da gravidade, era muito debatida.

E havia outras interpretações da mecânica clássica que evitavam dar ao conceito de força um estatuto de realidade.

O mesmo acontecia com a teoria do eletromagnetismo, onde se discutia se os efeitos magnéticos são realmente distintos dos elétricos, com a teoria do calor, com a óptica, etc.

Em suma, apesar de uma teoria científica ter um núcleo de teses “objetivas” e aceitas por todos, que refletem o que é observado nos experimentos dos cientistas.

Outra parte dessa teoria envolve teses “interpretativas” ou convencionais, que não podem ser comprovadas diretamente através de experimentos, mas que têm um papel na articulação dos conceitos da teoria.

Na educação científica, há uma tendência de se apresentar apenas uma interpretação de uma teoria científica, já que não se quer complicar as coisas para o aluno.

Mas, na verdade, sempre há discordâncias sobre como interpretar teorias científicas.

Os cientistas não dão muita bola para essas diferenças enquanto seu trabalho de pesquisa vai indo bem.

Mas quando surgem discussões que não podem ser decididas imediatamente por experimentos, discussões muitas vezes envolvendo verbas para pesquisa ou o prestígio dos cientistas, então os cientistas se envolvem em discussões filosóficas sobre qual é a melhor teoria (supercordas ou gravidade quântica “em loop”? – para mencionar uma controvérsia recente) ou a melhor interpretação.

Se na mecânica clássica podemos contar no máximo umas dez interpretações diferentes, no caso da física quântica essa contagem chega a em torno de cem!

Eu já contei cinquenta interpretações, mas se me oferecessem um pote de sorvete premium de chocolate com pedaços de chocolate, creio que conseguiria fazer uma lista com uma centena!

Por que acontece isso com a física quântica?

Em primeiro lugar, trata-se de uma teoria fundamental, uma teoria de como teorias modernas devem ser construídas ou, se quiserem, uma linguagem para tratar de fenômenos atômicos.

Mas isso também é o caso da mecânica clássica

Em segundo lugar, trata-se de um campo de ponta da ciência moderna, um campo que está nos limites de nosso conhecimento, distante do cotidiano, sendo portanto difícil observar aspectos que estariam por trás das medições conseguidas em laboratório.

Na mecânica clássica, é mais fácil estudar os detalhes dos objetos macroscópicos envolvidos nas pesquisas, e portanto é mais fácil refutar possíveis interpretações. Na física quântica, só muito raramente uma interpretação é refutada.

Cosmologia ou teoria do Universo

Um outro campo científico que está nos limites de nosso conhecimento e que apresenta várias interpretações é a cosmologia, ou a teoria do Universo e de seus limites. Há porém fatores diferentes agindo em cada caso, que seria o nosso terceiro ponto.

Na física quântica, o próprio ato da observação afeta ou constrange o objeto sendo estudado, de forma que não há como observar o que acontece quando ninguém está medindo um sistema atômico.

Um “realista”, então, pode especular à vontade sobre como é o mundo enquanto ninguém observa esse mundo (falarei mais sobre o realista abaixo).

Já no caso da cosmologia, o problema não é que a observação afeta o observado, mas que não é possível fazer observações sobre coisas que estariam fora do nosso Universo.

Uma distinção básica (epistemológica) entre os diferentes tipos de interpretações é se elas são “realistas” ou “fenomenalistas”.

Por fenomenalismo designamos a abordagem do cientista que não vai além daquilo que pode ser observado, que não especula sobre o que está por trás das aparências, e considera que o papel da ciência é descrever os fenômenos observados, e não buscar explicações a partir de causas ocultas.

Esta abordagem é típica do movimento positivista e das abordagens instrumentalistas.

Já o realista científico defende que a ciência tem como alcançar as partes inobserváveis da realidade, não através da observação (é claro), mas através de inferências para a melhor explicação dos fenômenos.

Por exemplo, Einstein defendeu que o espaço-tempo é curvo não porque isso possa ser diretamente observado (pois não pode), mas porque suas equações se simplificavam ao máximo.

Na classificação das interpretações, pode-se também fazer uma distinção (ontológica) entre as entidades básicas que constituiriam o mundo.

Assim, no caso da teoria quântica, há interpretações que se baseiam apenas em partículas (corpúsculos) ou outras propriedades bem definidas:

• Há aquelas que veem o mundo quântico como constituído apenas de ondas, ou de entidades difusas ou borradas.
• Há também aquelas que são dualistas, descrevendo o mundo com ambas as entidades (ondas e partículas).
• Por fim, há algumas interpretações que não adotam uma ontologia explícita (enfatizando apenas a descrição matemática).

Há um terceiro eixo que é significativo para classificar as interpretações científicas, que é o aspecto “intencional” ou “emocional”, que as pessoas agregam às suas posições interpretativas.

Há indivíduos que defendem ardentemente e até agressivamente uma interpretação, e o embate emocionalmente carregado envolvendo dois ou mais partidos pode resultar numa controvérsia científica.

Há cientistas que apresentam ideias interpretativas novas, como as probabilidades negativas de Wigner, mas as consideram apenas como um instrumento útil de cálculo, e não como conceitos que descrevem aspectos da natureza.

Com essas distinções, proponho que se possam formar cinco grandes grupos de interpretações da teoria quântica (algumas já mencionadas no texto 16, “Interpretando o experimento da dupla fenda”:

(1) Interpretação Ondulatória Realista

Este ponto de vista considera que a função de onda quântica corresponde a uma realidade, uma realidade ondulatória, “borrada”, ou talvez uma “potencialidade”.

Numa versão ingênua da interpretação ondulatória, a realidade que corresponde à função de onda sofreria colapsos toda vez que ela interagir com um aparelho de medição.

Um problema conceitual é que tais colapsos são “não locais”, ou seja, envolvem efeitos que se propagam de maneira instantânea.

A interpretação dos estados relativos de Everett (1957), a transacional de Cramer (1986), a da decoerência de Zeh (1993), e a das localizações espontâneas (Ghirardi et al., 1986) são outros exemplos de interpretações ondulatórias realistas.

(2) Interpretação Corpuscular Realista

Este é o ponto de vista segundo o qual as entidades microscópicas são partículas, sem uma onda associada.

Esta posição foi defendida explicitamente por Landé (1965), dentro da “interpretação dos coletivos estatísticos”, que em sua versão realista também inclui Ballentine e Popper, entre outros.

A grande dificuldade da abordagem corpuscular é explicar os padrões de interferência obtidos em experimentos com elétrons.

Apesar deste problema não ter sido satisfatoriamente superado, é muito comum encontrarmos interpretações corpusculares na literatura.

Interpretações que atribuem valores simultaneamente bem definidos para observáveis incompatíveis (como posição e momento), e que não introduzem grandezas “borradas”, são classificadas como “corpusculares”.

A interpretação implícita ao se usar a Lógica Quântica seria um exemplo disso.

(3) Interpretação Dualista Realista

Esta interpretação foi formulada originalmente por Louis de Broglie, em sua teoria da “onda piloto”, e ampliada por David Bohm (1952) para incluir também o aparelho de medição.

O objeto quântico se divide em duas partes: uma partícula com trajetória bem definida (mas em geral desconhecida), e uma onda associada (ou um “potencial quântico”).

A probabilidade de a partícula se propagar em uma certa direção depende da amplitude da onda associada, de forma que em regiões onde as ondas se cancelam, não há partícula.

No nível ingênuo de um curso introdutório, esta abordagem está livre do problema da não localidade, tendo como única dificuldade conceitual a existência de “ondas vazias”, que não carregam energia.

O problema da não localidade só surge quando se consideram duas partículas correlacionadas, como foi demonstrado por John S. Bell.

(4) Interpretação Dualista Fenomenalista

Esta expressão designa especialmente a interpretação da complementaridade de Niels Bohr (1928), que reconhece uma limitação em nossa capacidade de representar a realidade microscópica.

Conforme o experimento, podemos usar ou uma descrição corpuscular, ou uma ondulatória, mas nunca ambas ao mesmo tempo (esses aspectos excludentes, porém, “exauririam” a descrição do objeto).

Isto não significa, porém, que o objeto quântico seja um corpúsculo ou seja uma onda. Segundo qualquer abordagem fenomenalista (no contexto da física), só podemos afirmar a existência das entidades observadas.

Afirmar, por exemplo, que “um elétron não observado sofre um colapso” não teria sentido.

Um fenômeno ondulatório se caracteriza pela medição de um padrão de interferência, e um corpuscular pela possibilidade de inferir (ou melhor, “retrodizer”) uma trajetória bem definida.

O aspecto pontual de toda detecção (considerada pela interpretação 2 como a maior evidência da natureza corpuscular dos objetos quânticos), que ocorre mesmo em fenômenos ondulatórios, é considerado o princípio fundamental da teoria quântica, e chamado por Bohr de “postulado quântico”.

Há diversas variações desta abordagem, constituindo as chamadas interpretações “ortodoxas”. Mais recentemente, podemos destacar a interpretação das histórias consistentes de R.B. Griffiths (1984) e Omnès (1992).

(5) Interpretação Corpuscular Fenomenalista

Há versões da interpretação dos coletivos estatísticos (mencionada no item 2) que são estritamente fenomenalistas, e consideram que não faz sentido afirmar nada a respeito do que acontece por trás dos fenômenos, que no caso da física quântica se manifestam como partículas.

Esta posição “instrumentalista” é bastante difundida entre os físicos, e faz parte do conjunto de interpretações ortodoxas (junto com o item 4).

Salienta-se que a teoria quântica apenas descreve o comportamento estatístico dos elétrons ou fótons, e que não faz sentido perguntar o que acontece para um quantum individual enquanto ele está se propagando (antes de ser medido).

Essa visão aparece no trabalho inicial de Heisenberg (1927), e uma versão recente mais sofisticada é apresentada pelo físico israelense Asher Peres.

Trata-se de um fenomenalismo mais radical do que o da interpretação da complementaridade, que ao menos aplica seus conceitos para detecções individuais.

Para finalizar, vale mencionar que não há interpretações ondulatórias fenomenalistas, já que as ondas quânticas não são observadas diretamente.

O que mais se aproximaria disso seria a visão de John von Neumann (1932), que descrevia todos os objetos (incluindo aparelho de medição e até o observador humano) a partir de funções de onda, sem no entanto defender que essa descrição correspondesse à realidade.

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