Gato de Schrödinger

O gato de Schrödinger é um experimento mental de 1935 que ilustra o paradoxo de aplicar as leis da Mecânica Quântica a sistemas macroscópicos. No experimento, um gato em uma caixa pode estar vivo e morto ao mesmo tempo até que uma medição defina seu estado.

Erwin Schrödinger foi um físico austríaco, laureado com o Prêmio Nobel de Física em 1933, que criou esse paradoxo para criticar interpretações equivocadas da Mecânica Quântica no início do século XX.

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Resumo sobre gato de Schrödinger

• Gato de Schrödinger é um experimento mental criado em 1935 por Erwin Schrödinger para exemplificar possíveis erros ao usar as leis da Mecânica Quântica (probabilística) em objetos da Física Clássica (determinística).
• O experimento hipotético apresenta um gato simultaneamente "vivo e morto" até que a caixa seja aberta, evidenciando o absurdo de extrapolar as leis quânticas para sistemas macroscópicos.
• O objetivo é demonstrar os erros ao aplicar indevidamente conceitos da Mecânica Quântica a objetos do cotidiano, como gatos, que obedecem às leis da Física Clássica.
• Erwin Schrödinger é reconhecido pela equação que leva seu nome, essencial para descrever partículas subatômicas, e por seus trabalhos que lhe renderam o Nobel de Física em 1933.

Teoria do gato de Schrödinger

O experimento mental conhecido como "O gato de Schrödinger" foi idealizado pelo físico Erwin Schrödinger em um artigo de 1935, intitulado O Estado Atual da Mecânica Quântica. Nesse artigo, Schrödinger apresenta uma situação paradoxal para ilustrar como se podem gerar cenários absurdos ao aplicar incorretamente as Leis Da Física Quântica (a Física de sistemas microscópicos) no domínio da Física Clássica (a Física de sistemas macroscópicos).

A Mecânica Quântica, que surgiu no início do século XX, descreve a Física em escalas muito pequenas, como átomos e moléculas. Ela é uma teoria probabilística, ou seja, permite calcular apenas a probabilidade de ocorrência de certos eventos físicos. Para os seres humanos, que vivenciam o mundo em escalas macroscópicas, a Física Quântica apresenta fenômenos estranhos, como o tunelamento quântico e o princípio da incerteza de Heisenberg.

Por outro lado, a Física Clássica — que abrange teorias como a mecânica newtoniana, o eletromagnetismo e a termodinâmica — trata de fenômenos em escalas macroscópicas, mais familiares ao nosso cotidiano. Diferente da Mecânica Quântica, ela é uma teoria determinística; ou seja, dado um evento físico, se os parâmetros iniciais forem conhecidos, é possível prever com precisão seu comportamento futuro por meio de cálculos analíticos.

Experimento do gato de Schrödinger

O experimento mental ocorre da seguinte forma: um gato é colocado dentro de uma câmara de aço junto com um contador Geiger (detector de radiação) e uma pequena quantidade de uma substância radioativa. Essa substância tem 50% de probabilidade de decair e 50% de não decair ao longo de uma hora.

Caso a substância decaia, o contador Geiger será ativado, acionando um mecanismo que libera um martelo para quebrar um pequeno frasco contendo ácido cianídrico. Se o frasco for quebrado, o gás tóxico será liberado, e o gato morrerá. No entanto, se a substância não decair, o frasco permanecerá intacto, e o gato continuará vivo.

Explicação sobre a teoria do gato de Schrödinger

O elemento mais fundamental da Mecânica Quântica é a função de onda, que descreve o estado de uma partícula subatômica. Tomemos como exemplo o elétron, uma partícula com carga elétrica negativa que compõe os átomos. O elétron possui uma propriedade quântica chamada spin, que apresenta características matemáticas semelhantes às de uma rotação, embora não deva ser confundido com um giro literal. O spin do elétron pode assumir dois valores: up (para cima) ou down (para baixo).

Antes de medirmos o spin de um elétron, sua função de onda encontra-se em um estado de superposição quântica, ou seja, é como se o elétron estivesse simultaneamente nos estados up e down. Somente no momento da medição ocorre o chamado colapso da função de onda, no qual o spin assume definitivamente um único valor, seja up ou down.

Com o conceito de superposição quântica em mente, podemos compreender o experimento mental idealizado por Schrödinger. Se aplicarmos a mesma ideia ao gato dentro da caixa, ele também estará em um estado de superposição quântica, simultaneamente vivo e morto. Apenas ao abrir a caixa (realizar a medição) o estado do gato colapsa para uma das possibilidades: vivo ou morto.

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Qual a motivação para o experimento de Schrödinger?

O experimento mental de Schrödinger foi concebido para demonstrar à comunidade científica o absurdo de certas interpretações equivocadas da Mecânica Quântica que estavam emergindo na época. É crucial ressaltar que o "gato de Schrödinger" não serve como uma explicação de como funciona a Mecânica Quântica, mas sim como um exemplo de como interpretações incorretas podem surgir ao tentar aplicar as leis da Física Quântica, válidas para sistemas microscópicos, a sistemas macroscópicos.

Ou seja, um gato dentro de uma caixa não pode estar em um estado de superposição quântica de "vivo e morto", como ocorre com o spin do elétron. Embora a Mecânica Quântica obedeça ao princípio da correspondência — que garante a recuperação dos resultados da Mecânica Clássica em um limite adequado —, o caminho inverso não é válido: a Mecânica Clássica não pode descrever fenômenos quânticos.

Portanto, objetos macroscópicos, como gatos, não obedecem às leis da Mecânica Quântica. Eles estarão em apenas um dos estados possíveis — vivo ou morto. Idealmente, vivos!

Quem foi Erwin Schrödinger?

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger, nascido em Viena, Áustria, em 12 de agosto de 1887, foi um dos principais físicos teóricos do século XX e um dos fundadores da Mecânica Quântica. Ele é amplamente reconhecido por desenvolver a equação de Schrödinger, uma das mais importantes da Física Moderna. Essa equação descreve a dinâmica de partículas subatômicas não relativísticas, ou seja, partículas extremamente pequenas que se movem a velocidades muito inferiores à velocidade da luz.

Os trabalhos relacionados à equação de Schrödinger lhe renderam o Prêmio Nobel de Física em 1933, prêmio que ele compartilhou com o físico britânico Paul Dirac, outro grande nome da Física teórica da época. Além de suas contribuições fundamentais à Mecânica Quântica, Schrödinger também se interessou pelo estudo de organismos biológicos, explorando como os princípios físicos poderiam ser aplicados à vida.

Schrödinger faleceu aos 73 anos, em 4 de janeiro de 1961, vítima de tuberculose. Sua obra e legado continuam a influenciar a ciência até hoje.

Fontes:

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.

GRIFFITHS, David. Mecânica Quântica. 2 ed. Editora Pearson, 2011.

SCHRÖDINGER, Erwin. The Present Status of Quantum Mechanics. Die Naturwissenschaften 1935. Volume 23, Issue 48.