What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani

Tradutor: Carlos Espírito Santo Revisora: Margarida Ferreira

Consider throwing a ball straight into the air.

Considere atirar uma bola ao ar.

Can you predict the motion of the ball after it leaves your hand?

Pode prever o movimento da bola depois de sair das suas mãos?

Sure, that's easy.

Claro, é fácil.

The ball will move upward until it gets to some highest point,

A bola deslocar-se-á para cima até atingir o ponto mais alto,

then it will come back down and land in your hand again.

depois descerá e cairá novamente na sua mão.

Of course, that's what happens,

Claro, é o que sucede,

and you know this because you have witnessed events like this countless times.

e sabe isso porque já presenciou eventos destes inúmeras vezes.

You've been observing the physics of everyday phenomena your entire life.

Toda a sua vida tem observado a física de fenómenos do dia a dia.

But suppose we explore a question about the physics of atoms,

Mas suponha que exploramos uma questão sobre a física dos átomos, do tipo:

like what does the motion of an electron

"Como é o movimento de um eletrão

around the nucleus of a hydrogen atom look like?

"em torno do núcleo de um átomo de hidrogénio?"

Could we answer that question based on our experience with everyday physics?

Podemos responder a essa questão como base na física do dia a dia?

Definietly not. Why?

Certamente que não. Porquê?

Because the physics that governs the behavior of systems at such small scales

Porque a física que rege o comportamento de sistemas em escalas tão pequenas

is much different than the physics of the macroscopic objects

é muito diferente da física dos objetos macroscópicos

you see around you all the time.

que vemos constantemente à nossa volta.

The everyday world you know and love

O mundo do dia a dia que conhecemos e amamos

behaves according to the laws of classical mechanics.

comporta-se de acordo com as leis da mecânica clássica.

But systems on the scale of atoms

Mas os sistemas à escala dos átomos

behave according to the laws of quantum mechanics.

comportam-se de acordo com as leis da mecânica quântica.

This quantum world turns out to be a very strange place.

Este mundo quântico parece ser um local muito estranho.

An illustration of quantum strangeness is given by a famous thought experiment:

Um exemplo da estranheza quântica é dado por uma famosa experiência mental:

Schrödinger's cat.

o gato de Schrödinger.

A physicist, who doesn't particularly like cats, puts a cat in a box,

Um físico, que não gosta lá muito de gatos, põe um gato numa caixa,

along with a bomb that has a 50% chance of blowing up after the lid is closed.

com uma bomba que tem 50% de hipóteses de rebentar depois de se fechar a tampa.

Until we reopen the lid, there is no way of knowing

Até abrirmos a tampa não há forma de saber

whether the bomb exploded or not,

se a bomba explodiu ou não,

and thus, no way of knowing if the cat is alive or dead.

e, por isso, de saber se o gato está vivo ou morto.

In quantum physics, we could say that before our observation

Na física quântica, diríamos que antes da nossa observação

the cat was in a superposition state.

o gato estava num estado de sobreposição.

It was neither alive nor dead but rather in a mixture of both possibilities,

Não estaria nem vivo nem morto mas numa mistura das duas possibilidades,

with a 50% chance for each.

com 50% de hipóteses para cada uma.

The same sort of thing happens to physical systems at quantum scales,

O mesmo acontece aos sistemas físicos numa escala quântica,

like an electron orbiting in a hydrogen atom.

como um eletrão a orbitar um átomo de hidrogénio.

The electron isn't really orbiting at all.

O eletrão não está de todo a orbitar.

It's sort of everywhere in space, all at once,

Está como que por todo o lado no espaço, ao mesmo tempo,

with more of a probability of being at some places than others,

com maior probabilidade de estar nuns sítios do que noutros,

and it's only after we measure its position

e só depois de medirmos a sua posição

that we can pinpoint where it is at that moment.

podemos precisar a sua posição nesse momento.

A lot like how we didn't know whether the cat was alive or dead

Tal como não sabíamos se o gato estava vivo ou morto

until we opened the box.

até abrirmos a caixa.

This brings us to the strange and beautiful phenomenon

Isto leva-nos ao fenómeno estranho e maravilhoso

of quantum entanglement.

do entrelaçamento quântico.

Suppose that instead of one cat in a box, we have two cats in two different boxes.

Suponhamos que em vez de um gato na caixa, temos dois em duas caixas diferentes.

If we repeat the Schrödinger's cat experiment with this pair of cats,

Se repetirmos a experiência de Schrödinger com estes gatos,

the outcome of the experiment can be one of four possibilities.

o resultado da experiência pode ser uma de quatro possibilidades.

Either both cats will be alive, or both will be dead,

Ou ambos os gatos estão vivos, ou ambos estão mortos,

or one will be alive and the other dead, or vice versa.

ou um está vivo e o outro morto ou vice versa.

The system of both cats is again in a superposition state,

O sistema dos dois gatos está também num estado de sobreposição,

with each outcome having a 25% chance rather than 50%.

com uma probabilidade de 25% para cada resultado, em vez de 50%.

But here's the cool thing:

Mas eis uma coisa fixe:

quantum mechanics tells us it's possible to erase

a mecânica quântica diz-nos que podemos eliminar

the both cats alive and both cats dead outcomes from the superposition state.

os resultados dos dois gatos vivos ou mortos do estado de sobreposição.

In other words, there can be a two cat system,

Por outras palavras, pode haver um sistema de dois gatos,

such that the outcome will always be one cat alive and the other cat dead.

cujo resultado será sempre um gato vivo e outro morto.

The technical term for this is that the states of the cats are entangled.

O termo técnico para isto é que os estados dos gatos estão entrelaçados.

But there's something truly mindblowing about quantum entanglement.

Mas há algo verdadeiramente espantoso acerca do entrelaçamento quântico.

Se prepararmos o sistema de dois gatos em caixas neste estado entrelaçado,

If you prepare the system of two cats in boxes in this entangled state,

then move the boxes to opposite ends of the universe,

e levarmos as caixas para extremos opostos do universo,

the outcome of the experiment will still always be the same.

o resultado da experiência será sempre o mesmo.

One cat will always come out alive, and the other cat will always end up dead,

Um gato sairá sempre vivo e o outro gato estará morto,

even though which particular cat lives or dies is completely undetermined

mesmo que seja completamente indeterminado qual dos gatos fica vivo

before we measure the outcome.

antes de verificarmos o resultado.

How is this possible?

Como é isto possível?

How is it that the states of cats on opposite sides of the universe

Como é que o estado dos gatos em extremos opostos do universo

can be entangled in this way?

pode estar entrelaçado desta forma?

They're too far away to communicate with each other in time,

Estão demasiado afastados para comunicarem entre si a tempo,

so how do the two bombs always conspire such that

Por isso, como é que as duas bombas conspiram

one blows up and the other doesn't?

de modo a uma rebentar e a outra não?

You might be thinking,

Poderá estar a pensar:

"This is just some theoretical mumbo jumbo.

"Isto é apenas conversa da treta teórica.

This sort of thing can't happen in the real world."

"Este tipo de coisas não acontece no mundo real."

But it turns out that quantum entanglement

Mas acontece que o entrelaçamento quântico

has been confirmed in real world lab experiments.

foi confirmado por experiências em laboratórios reais.

Two subatomic particles entangled in a superposition state,

Duas partículas subatómicas entrelaçadas num estado de sobreposição,

where if one spins one way then the other must spin the other way,

em que se uma gira num sentido a outra deve girar no outro,

will do just that, even when there's no way

farão isso mesmo ainda que não haja forma

for information to pass from one particle to the other

de a informação passar de uma partícula para a outra

indicating which way to spin to obey the rules of entanglement.

indicando em que sentido girar para obedecer às regras do entrelaçamento.

It's not surprising then that entanglement is at the core

Não é surpreendente que o entrelaçamento esteja no centro

of quantum information science,

da ciência da informação quântica,

a growing field studying how to use the laws of the strange quantum world

uma área em crescimento que estuda como usar as leis do estranho mundo quântico

in our macroscopic world,

no nosso mundo macroscópico,

like in quantum cryptography, so spies can send secure messages to each other,

como a criptografia quântica, para que os espiões troquem mensagens seguras,

or quantum computing, for cracking secret codes.

ou a computação quântica, para descodificar código secretos.

Everyday physics may start to look a bit more like the strange quantum world.

A física do dia a dia pode começar a parecer-se como o estranho mundo quântico.

Quantum teleportation may even progress so far,

O teletransporte quântico pode até evoluir tanto

that one day your cat will escape to a safer galaxy,

que um dia, o nosso gato irá escapar para uma galáxia mais segura,

where there are no physicists and no boxes.

onde não haja físicos nem caixas.