No violation on a generalisation of Leggett-Garg inequality and Bell-CHSH inequality with extended probability

Durante décadas, físicos têm tentado resolver um enigma silencioso, mas profundo: como o mundo estranho e nebuloso do muito pequeno se torna o mundo sólido e previsível que vemos todos os dias? No reino dos átomos e elétrons, as coisas não se comportam como os objetos em nossas mesas de cozinha. Uma partícula pode existir em múltiplos estados ao mesmo tempo, e medi-la parece mudar sua realidade. Esse descompasso levou a testes famosos, como a desigualdade Bell-CHSH e a desigualdade Leggett-Garg, que atuam como rigorosos guardiões. Esses testes são projetados para ver se um sistema segue as regras da realidade clássica — onde as coisas têm propriedades definidas quer olhemos para elas ou não — ou se permanecem obstinadamente quânticas. Por muito tempo, a resposta pareceu clara: sistemas quânticos quebram essas regras, provando que não podem ser descritos pela lógica clássica.

No entanto, uma nova perspectiva sugere que o problema pode não estar no sistema quântico em si, mas nas ferramentas matemáticas que usamos para descrevê-lo. A probabilidade tradicional, aquela usada na vida cotidiana e na física padrão, insiste que a chance de um evento acontecer deve ser um número entre zero e um. Ela não pode ser negativa. Mas no mundo quântico, cálculos às vezes exigem números que agem como probabilidades negativas para fazer a matemática funcionar. Uma equipe de pesquisadores da Universidade Naresuan, na Tailândia, propôs uma maneira de construir essa ponte. Eles sugerem substituir as regras estritas da probabilidade clássica por um conceito mais amplo chamado "probabilidade estendida". Essa abordagem permite que esses valores estranhos e negativos existam como uma camada oculta de realidade sob a superfície que observamos. Ao fazer isso, eles reescreveram as regras dos famosos testes, criando novas versões que os sistemas quânticos podem passar sem esforço.

Os pesquisadores começaram analisando a desigualdade Leggett-Garg, um teste que verifica se um sistema único se comporta de forma consistente ao longo do tempo. Na visão clássica, um sistema deve ter um estado definido em cada momento, e medi-lo não deve perturbar esse estado. A mecânica quântica geralmente falha nesse teste porque o ato de medir parece forçar o sistema a um novo estado, violando a ideia de uma realidade preexistente. A equipe da Tailândia pegou as equações para este teste e substituiu a probabilidade padrão pela sua versão estendida. Neste novo arcabouço, a probabilidade de uma sequência de eventos pode incluir valores negativos, que atuam como um amortecedor contra as violações usuais. Quando rodaram simulações usando esta nova matemática, os resultados foram impressionantes. O sistema quântico não quebrou as regras. Em vez disso, ele satisfez uma versão generalizada da desigualdade perfeitamente, independentemente de como as medições fossem configuradas.

Este sucesso levou os autores a repensar o que significa um sistema ser "real". Eles introduziram a ideia de "macrorealismo generalizado". Na visão antiga, um sistema é macrorealista apenas se possuir um estado definido que possamos medir sem perturbá-lo. Na nova visão, um sistema pode ser considerado real mesmo que nunca o meçamos, desde que possua propriedades definidas nesta camada subjacente de probabilidade estendida. Os pesquisadores argumentam que o sistema quântico está sempre em um estado definido, mas nossas ferramentas clássicas são muito rudimentares para vê-lo. A "perturbação" que geralmente culpamos pela violação é, na verdade, apenas uma limitação do uso de um sistema de probabilidade que proíbe números negativos. Ao permitir esses números, o sistema parece ter uma história consistente e não invasiva que simplesmente não conseguíamos acessar antes.

A equipe aplicou a mesma lógica à desigualdade Bell-CHSH, que testa como duas partículas separadas estão conectadas através do espaço. Normalmente, se duas partículas estão emaranhadas, medir uma afeta instantaneamente a outra, violando a ideia clássica de localidade, que diz que o que acontece aqui não pode afetar instantaneamente algo que está longe. Os pesquisadores construíram uma versão generalizada deste teste usando probabilidade estendida. Assim como no teste baseado no tempo, o sistema quântico passou pela nova desigualdade sem qualquer violação. Isso sugere que as partículas podem ser descritas como tendo propriedades independentes e definidas nesta camada estendida, mesmo quando estão distantes. A "ação fantasmagórica à distância" que Einstein tanto detestava pode ser um artefato de tentar forçar o comportamento quântico dentro de uma caixa de probabilidade clássica.

Para dar sentido a isso, os autores baseiam-se em um arcabouço chamado "histórias consistentes", que vê o universo não como uma única linha do tempo, mas como uma coleção de histórias possíveis. Nesta imagem, existem duas camadas de realidade. A camada mais profunda consiste de histórias "não estabilizáveis" (non-settleable), que são as possibilidades quânticas completas e complexas descritas pela probabilidade estendida. Estas são as histórias que não podem ser observadas diretamente. A camada superficial consiste de histórias "estabilizáveis" (settleable), que são os resultados específicos que realmente vemos quando medimos algo. A transição da camada profunda para a camada superficial ocorre através de um processo chamado decoerência, onde a interferência entre diferentes histórias se cancela, deixando para trás as probabilidades limpas e positivas da física clássica. Os pesquisadores propõem que as desigualdades generalizadas funcionam porque estão olhando diretamente para a camada profunda, onde as regras são diferentes, em vez de forçar a camada profunda a fingir que é a camada superficial.

O estudo não afirma ter resolvido o mistério da mecânica quântica inteiramente, nem sugere que possamos agora ver probabilidades negativas em nossa vida cotidiana. Em vez disso, oferece uma demonstração matemática de que, se aceitarmos a probabilidade estendida como uma descrição válida da realidade subjacente, o conflito entre o comportamento quântico e a intuição clássica desaparece. As simulações mostram que os limites das desigualdades são naturalmente estendidos para acomodar o mundo quântico, removendo a necessidade de violações. Isso implica que o sistema quântico não está "quebrando" as leis da realidade; pelo contrário, nossas leis clássicas são apenas um caso especial e limitado de um conjunto mais amplo de regras. O trabalho sugere que o caminho para entender como o mundo quântico se torna o mundo clássico reside não em descartar a mecânica quântica, mas em expandir nossa definição do que uma probabilidade pode ser.

As descobertas permanecem uma proposta teórica apoiada por simulações numéricas, não um experimento físico que tenha sido realizado em laboratório. Os pesquisadores mostraram que a matemática funciona e que as contradições desaparecem quando as regras são alteradas. Eles reconhecem que esta abordagem exige uma mudança na forma como vemos a medição e a realidade, afastando-se da ideia de que a observação cria o resultado. Em vez disso, sugerem que o resultado existe em uma forma mais ampla e complexa antes mesmo de olharmos para ele. Embora a ideia de probabilidade negativa possa parecer contraintuitiva, o artigo argumenta que ela é uma ferramenta necessária para descrever a camada fundamental da natureza. Se esta visão se sustentar, significa que o universo é mais consistente do que pensávamos, e o comportamento estranho das partículas quânticas é simplesmente o reflexo de uma realidade mais profunda e flexível que estamos apenas começando a mapear.