Por mais que digamos que as coisas são 'aleatórias', raramente os fenômenos realmente correspondem a esse descritor. Na mecânica clássica do nosso mundo – composta por entidades de macroescala construídas a partir de um grande número de partículas – tudo é determinado. Tudo tem uma história definida; todo evento tem uma causa; todo futuro pode ser previsto. Na verdade, você estava 'destinado' a ler isso.
Depois de cavar todo o caminho até essas partículas individuais, a menor das pequenas, as coisas começam a parecer diferentes. O determinismo do nosso mundo é trocado por probabilidade. Uma partícula não perturbada é como um dado voando pelo ar – um borrão de possibilidades giratórias. Existe em um estado de muitas possibilidades ao mesmo tempo: aqui/lá, rápido/lento, esquerda/direita. É somente quando perturbamos a partícula de alguma forma, talvez medindo-a, que ela precisa escolher um conjunto de propriedades específicas. Este é o dado que cai na mesa, parando em apenas uma de suas seis ou 20 faces.
Esse rosto pode então ser considerado 'aleatório'. Essa é toda a estranheza da física quântica, na verdade.
Como se pode imaginar, esse estado de coisas torna o cálculo de sistemas quânticos uma bagunça sagrada. As probabilidades de uma única partícula são uma coisa, mas quando várias partículas estão interagindo juntas – dizemos que elas estão correlacionadas – os problemas se tornam muito, muito difíceis.
As coisas estranhas e aleatórias que surgem quando um monte de partículas quânticas inter-relacionadas dançam e colidem umas com as outras pode ser explicada matematicamente.
Um par de físicos, Kaspar Sakmann e Mark Kasevich, encontraram uma nova maneira, no entanto, simulando os efeitos correlacionados de partículas no estado atômico super-frio conhecido como condensado de Bose-Einstein e oferecendo 'explicações de primeiro princípio' para suas comportamento. Em outras palavras, as estranhas coisas aleatórias que surgem quando um monte de partículas quânticas inter-relacionadas dançam e colidem umas com as outras pode ser explicada matematicamente.
O trabalho da dupla é descrito na atual Nature Physics , mas pode ser visualizado em um formato pré-impresso (um pouco diferente) em arXiv , menos o paywall.
Tecnicamente falando, o que buscamos são 'tiros únicos'. É uma amostragem simulada de um sistema quântico ultrafrio que deve revelar sua distribuição de probabilidade de muitas partículas, por exemplo. em qual face é mais provável que um dado giratório caia, dado um monte de outros dados interdependentes, todos girando juntos enquanto caem em direção à mesa. 'Em alguns casos, esses disparos únicos podem ser simulados com sucesso a partir de uma determinada função de onda de muitos corpos, mas para dinâmicas de muitos corpos realistas dependentes do tempo, isso tem sido difícil de alcançar', escrevem Sakmann e Kasevich.
Como eles cortam uma aleatoriedade tão profunda? Normalmente, para descrever um sistema de muitas partículas, criamos uma equação de onda de muitas partículas. Matematicamente, as partículas quânticas são descritas como funções de onda que dão uma certa probabilidade de uma partícula ter uma certa propriedade observável, como posição, momento ou spin. Essas funções também podem descrever muitas partículas ao mesmo tempo, desde que compartilhem um estado quântico. Embora isso funcione para algumas partículas, quando você entra em números cada vez maiores, a descrição da função de onda fica confusa.
Sakmann e Kasevich contornam isso olhando para a coleção de partículas como o produto de um monte de funções de onda individuais multiplicadas. Comece com uma partícula, faça um cálculo e, em seguida, use esse cálculo no cálculo da próxima partícula. Encadeie tudo isso e você terá uma descrição muito mais razoável do sistema.
“Tais cálculos não eram possíveis anteriormente e nosso método é amplamente aplicável a sistemas de muitos corpos cuja fenomenologia é orientada por informações além do que normalmente está disponível”, escrevem eles. Usando a técnica, os físicos foram capazes de prever e explicar flutuações e vórtices anteriormente inexplicáveis no mosh quântico de um sistema de muitas partículas.
Isso provavelmente não levará a uma grande inovação tecnológica impressionante no futuro próximo, mas oferece uma nova maneira de entrar em alguns dos fenômenos mais estranhos e aparentemente mais imprevisíveis que existem. A aleatoriedade é muito mais elusiva.