Como a Teoria de Bell Provou que “Atividade Assustadora à Distância” é Real

A raiz da mudança quântica atual foi o teorema de 1964 de John Stewart Bell, mostrando que a mecânica quântica automática permite conexões instantâneas entre áreas distantes.

Temos como certo que uma ocasião em uma parte do mundo não pode influenciar imediatamente o que ocorre. Esse conceito, que os físicos chamam de localidade, foi por muito tempo considerado uma suposição fundamental sobre as leis da física. Portanto, quando Albert Einstein e dois colegas mostraram em 1935 que os técnicos quânticos permitem “ações assustadoras à distância”, como Einstein colocou, essa característica do conceito pareceu muito suspeita. Os físicos se perguntaram se a mecânica quântica de automóveis estava perdendo alguma coisa.

Depois disso, em 1964, com um golpe de caneta, o físico norte-irlandês John Stewart Bell transformou a localidade de um conceito precioso em uma teoria testável. Bell provou que os técnicos quânticos previram conexões estatísticas mais fortes nos resultados de medições distantes específicas do que qualquer conceito local poderia. Com o passar dos anos, estive considerando que os experimentos têm justificado a mecânica quântica automática continuamente.

A tese de Bell derrubou nossos instintos mais profundamente arraigados em relação à física e motivou os físicos a descobrir como a mecânica quântica de automóveis poderia possibilitar tarefas inconcebíveis em um mundo atemporal. “A mudança quântica que está ocorrendo atualmente, e todas essas tecnologias quânticas, são 100% graças à teoria de Bell”, afirma Krister Shalm, físico quântico do Instituto Nacional de Critérios e Inovação.

Veja como a teoria de Bell revelou que a “atividade assustadora à distância” é real.

Altos e baixos

A “atividade assustadora” que perturbou Einstein envolve um fenômeno quântico conhecido como complicação, no qual dois bits que normalmente tomaríamos como entidades distintas perdem sua independência. Notoriamente, na mecânica quântica de automóveis, a área de uma partícula, a polarização e outras residências podem ser incertas até o minuto em que são avaliadas. No entanto, determinar as propriedades de fragmentos emaranhados produz resultados fortemente correlacionados, mesmo quando as partículas estão distantes e medidas virtualmente simultaneamente. O resultado incerto de uma medição parece influenciar imediatamente o resultado da outra, independentemente da faixa entre elas, uma violação grosseira da área.

Para compreender mais complicações exatamente, considere uma propriedade residencial ou comercial de elétrons e outros bits quânticos chamados spin. Bits com spin agem como pequenos ímãs. Quando, por exemplo, um elétron viaja através de um campo eletromagnético produzido por um conjunto de pólos magnéticos norte e sul, ele é desviado por uma quantidade fixa em direção a um ou outro poste. Isso mostra que o spin do elétron é uma quantidade que pode ter apenas um de dois valores: “para cima” para um elétron disperso em direção ao posto norte e “para baixo” para um elétron desviado em direção ao posto sul.

Imagine um elétron passando por uma região com o Pólo Norte logo acima e o Pólo Sul logo abaixo. Medir sua deflexão revelará se o spin do elétron é “para cima” ou “para baixo” ao longo do eixo vertical. Atualmente gire o eixo entre os pólos do ímã para longe da posição vertical e proceda a deflexão ao longo desse novo eixo. Mais uma vez, o elétron certamente desviará constantemente na mesma quantidade em direção a um dos postes. Você vai medir constantemente um spin binário que vale para cima ou para baixo ao longo de qualquer eixo.

Acaba não sendo possível construir nenhum detector que possa medir o spin de uma partícula ao longo de vários eixos simultaneamente. A teoria quântica afirma que esta propriedade residencial ou comercial dos detectores de spin é uma propriedade residencial do próprio spin: se um elétron tem um spin preciso ao longo de um eixo, seu spin ao longo de qualquer outro eixo é indefinido.

Variáveis ​​Ocultas da Vizinhança

Equipados com essa compreensão do spin, podemos projetar um experimento de ideia que podemos usar para provar o teorema de Bell. Considere uma certa instância de um estado emaranhado: um conjunto de elétrons cujo spin geral é zero, o que implica medições de seus spins ao longo de qualquer eixo dado sempre gerará resultados contrários. O que é impressionante sobre esse estado de nó é que, embora o spin total tenha esse determinado valor ao longo de todos os eixos, o spin privado de cada elétron é incerto.

Significa que esses elétrons emaranhados são divididos e movidos para laboratórios distantes, e que as equipes de pesquisadores nesses laboratórios podem girar os ímãs de seus detectores particulares da maneira que quiserem ao executar as dimensões de spin.

Quando os dois grupos medem ao longo do mesmo eixo, eles obtêm resultados contrários 100% das vezes. Mas isso é evidência de não localidade? Nem sempre.

Além disso, Einstein recomendou que cada conjunto de elétrons venha com uma coleção vinculada de “variáveis ​​ocultas” que definem as rotações dos fragmentos ao longo de todos os eixos simultaneamente. Essas variáveis ​​surpresa estão faltando na descrição quântica do estado emaranhado, mas a mecânica quântica pode não estar informando a história toda.

Os conceitos de variáveis ​​surpresa podem discutir por que as medições do mesmo eixo produzem constantemente resultados opostos sem ofensa de área: A dimensão de um elétron não afeta o outro, mas revela o valor pré-existente de uma variável oculta.

Bell confirmou que você poderia eliminar os conceitos de variável surpresa local e eliminar a localidade medindo as rotações das partículas emaranhadas ao longo de vários eixos.

Espere, para iniciantes, que um grupo de cientistas gire seu detector em relação aos outros laboratórios em 180 níveis. Isso é equivalente a trocar seus pólos norte e sul, de modo que um resultado “para cima” para um elétron nunca seria acompanhado por um resultado “para baixo” para o outro. Os pesquisadores também podem escolher girá-lo em um valor intermediário – 60 graus, digamos. Dependendo do alinhamento dos ímãs da pessoa amada em ambos os laboratórios, a probabilidade de resultados contrários pode variar entre 0% e 100%.

Sem definir orientações particulares, pretende-se que ambos os grupos concordem em um conjunto de três eixos de dimensão possíveis, que podemos identificar A, B e C. Para cada par de elétrons, cada laboratório mede o spin de um dos elétrons junto com um dos esses três eixos escolhidos ao acaso.

Atualmente, permite presumir que o mundo é explicado por um conceito de variável surpresa regional em vez da mecânica quântica de automóveis. Nessa situação, cada elétron tem seu próprio valor de spin em cada uma das três direções. Isso traz cerca de oito conjuntos de valores viáveis ​​para as variáveis ​​encobertas, que podemos classificar nos seguintes meios:

O conjunto de valores de spin rotulado como 5, por exemplo, dita que o resultado de uma dimensão ao longo do eixo A no primeiro laboratório será “para cima”, enquanto as dimensões junto com os eixos B e C certamente serão “para baixo”; os valores de spin do segundo elétron certamente serão contrários.

Para qualquer conjunto de elétrons com valores de spin identificados como 1 ou 8, as medições nos dois laboratórios certamente sempre produzirão resultados contrários, independentemente dos eixos que os pesquisadores escolherem para medir ao longo. Todos os outros seis conjuntos de valores de spin produzem 33% de causas opostas de dimensões de eixos diferentes. (Por exemplo, para os valores de spin classificados 5, os laboratórios certamente adquirirão resultados contrários quando um mede ao longo do eixo B enquanto o outro mede junto com C; isso representa um terço das escolhas possíveis.).

Portanto, os laboratórios adquirirão resultados opostos ao medir ao longo de vários eixos, pelo menos 33% do tempo; equivalentemente, eles obterão o mesmo resultado no máximo 67% das vezes. Esse resultado, um limite superior nas relações possibilitadas pelos conceitos de variáveis ​​surpresa regionais, é a desigualdade no cerne da teoria de Bell.

Acima do Limite

Agora, o que dizer da mecânica quântica de automóveis? Estamos interessados ​​na probabilidade de os dois laboratórios obterem o mesmo resultado ao medir os spins dos elétrons ao longo de eixos diferentes. As equações da teoria quântica fornecem uma fórmula para essa chance como uma característica dos ângulos entre os eixos das dimensões.

De acordo com a fórmula, quando os três eixos estiverem o mais distantes possível, ou seja, separados por 120 níveis, como no logotipo da Mercedes, os dois laboratórios certamente obterão o mesmo resultado 75% das vezes. Isso excede o limite superior de Bell de 67%.

Esse é o significado da teoria de Bell: se a região se mantém e uma medição de uma partícula não pode afetar instantaneamente o resultado de outra medição longe, então os resultados em uma configuração especulativa particular não podem ser maiores que 67% associados. Se, por outro lado, os destinos dos fragmentos com nós estão completamente ligados também em faixas substanciais, como na mecânica quântica, os resultados de certas dimensões certamente exibirão conexões mais poderosas.

Por causa da década de 1970, os físicos fizeram testes especulativos cada vez mais exatos da teoria de Bell. Cada um verificou as relações sólidas dos técnicos quânticos. Nos últimos cinco anos, várias lacunas foram fechadas. Os físicos continuam a lutar com as ramificações da tese de Bell, mas a conclusão típica é que a região, aquela suposição de longa data a respeito das leis físicas, não é uma característica de nosso mundo.

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