What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

A física há muito se divide em dois campos que parecem falar línguas diferentes. De um lado está a mecânica quântica, o livro de regras para o muito pequeno, onde as partículas podem existir em múltiplos estados simultaneamente e onde o ato de observar algo parece mudar o que aquilo é. Do outro lado está a relatividade geral, a teoria da gravidade e do muito grande, onde o espaço e o tempo são flexíveis e onde a posição de um objeto só faz sentido quando comparada a algo mais. Por décadas, os físicos notaram que ambas as teorias dependem fortemente da ideia de "relacionalidade" — a noção de que as propriedades não são fatos absolutos sobre o universo, mas sim relações entre as coisas. No mundo da gravidade, a localização de um objeto é sem sentido sem um ponto de referência, como um relógio ou um marco. No mundo quântico, o estado de uma partícula frequentemente depende de quem a está medindo. No entanto, apesar dessa dependência compartilhada de relações, as duas teorias permaneceram obstinadamente separadas, e não estava claro se suas versões de "relacionalidade" são realmente a mesma coisa ou apenas uma coincidência de vocabulário.

Um novo artigo de Emily Adlam propõe uma unificação ousada: que a natureza relacional da mecânica quântica não é uma peculiaridade estranha e única do mundo subatômico, mas é, na verdade, o exato mesmo fenômeno encontrado na relatividade. A autora sugere que a razão pela qual os estados quânticos parecem mudar dependendo do observador é simplesmente porque eles descrevem propriedades que são inerentemente relativas, tal como a direção ou a posição no espaço. Sob esta ótica, um estado quântico não é uma descrição da realidade absoluta de uma partícula, mas uma descrição de como essa partícula se posiciona em relação a um sistema de referência específico, tal como uma agulha de bússola só tem significado quando comparada ao campo magnético ao seu redor. Se essa ideia se sustentar, poderá dissolver alguns dos mistérios mais profundos da física quântica, particularmente o enigma confuso de como uma realidade única e definida emerge de um mundo de possibilidades.

Para compreender o argumento, deve-se primeiro entender a diferença entre dois tipos de grandezas físicas. Na física, alguns fatos são absolutos e imutáveis, enquanto outros são "parciais". Uma observável parcial é uma quantidade que pode ser medida, mas que só faz sentido quando vinculada a uma referência. Por exemplo, dizer que um carro está se movendo a sessenta milhas por hora é uma observável parcial; isso só é verdade em relação à estrada. A velocidade em si não é uma propriedade fixa do carro isoladamente. Em contraste, uma observável "completa" é um fato pleno e autossuficiente, como a distância entre o carro e uma árvore específica em um momento específico. Na teoria da relatividade, os físicos sabem há muito tempo que só podemos medir observáveis parciais. Não podemos medir uma velocidade absoluta ou uma direção absoluta; podemos apenas medir como as coisas se relacionam com nossas ferramentas de medição.

Adlam pega esse fato estabelecido da relatividade e o aplica ao reino quântico. Ela argumenta que cada estado quântico que já escrevemos ou medimos descreve uma observável parcial. Quando um físico escreve um estado quântico para o spin de uma partícula, ele não está descrevendo uma direção absoluta para a qual o spin aponta no universo. Em vez disso, ele está descrevendo a orientação do spin em relação a um eixo específico, definido pelo aparato de medição. O artigo sugere que o famoso paradoxo do "Amigo de Wigner" — um experimento mental onde dois observadores discordam sobre se uma partícula colapsou em um estado único ou permanece em uma superposição — surge simplesmente porque os dois observadores estão usando eixos de referência diferentes. Um observador está descrevendo a partícula em relação ao seu próprio equipamento de laboratório, enquanto o outro a descreve em relação a um quadro de referência diferente. Não há contradição, argumenta a autora, porque ambos estão simplesmente relatando relações distintas.

O artigo constrói este caso mostrando que os estados quânticos de propriedades variantes de simetria — propriedades que mudam quando você rotaciona ou desloca sua perspectiva — devem sempre ser relativizados. Se você tentar descrever um estado quântico sem um sistema de referência, a descrição torna-se uma mistura desordenada e incoerente que perde toda a informação específica sobre o estado da partícula. No entanto, uma vez que você introduz um sistema de referência, como uma direção específica no espaço definida por um ímã, o estado quântico assume uma forma clara e coerente. A autora utiliza um arcabouço desenvolvido por outros pesquisadores para demonstrar que é matematicamente consistente haver uma situação em que a relação entre dois sistemas é um fato definido e não superposto, enquanto o estado de um sistema em relação ao outro aparece em uma superposição. Isso significa que a "estranheza" da superposição quântica pode não ser uma característica da própria realidade, mas uma característica de como descrevemos as coisas em relação a um ponto de referência.

Esta perspectiva oferece uma nova forma de olhar para o problema da medição, a dificuldade de longa data em explicar por que vemos um resultado quando um sistema quântico parece estar em muitos. Na mecânica quântica padrão, a transição de uma superposição de possibilidades para um resultado único é frequentemente descrita como um "colapso" da função de onda, um processo que é matematicamente abrupto e fisicamente misterioso. Adlam sugere que este colapso não é um evento súbito e mágico, mas uma consequência natural da interação entre uma observável parcial e um sistema de referência. Quando um sistema quântico interage fortemente com um dispositivo de medição, o sistema não é mais apenas uma coleção de propriedades relativas; ele se torna emaranhado com o quadro de referência de uma forma que quebra as regras lineares da evolução quântica. O "colapso" é simplesmente o momento em que a aproximação de tratar o sistema como independente do quadro de referência falha.

O artigo não afirma ter resolvido inteiramente o problema da medição. Ele não fornece uma nova equação que preveja exatamente quando um colapso acontece, nem oferece um modelo completo do mecanismo físico que liga o mundo quântico relativo ao mundo clássico absoluto. Em vez disso, sugere que a solução reside em reconhecer que a mecânica quântica aplica-se apenas a observáveis parciais, enquanto os resultados definidos que vemos são observáveis completos. A autora argumenta que, como só podemos medir observáveis parciais, nunca vimos de fato um estado quântico de uma observável completa. O comportamento estranho da mecânica quântica, incluindo a capacidade de estar em dois lugares ao mesmo tempo, aplica-se apenas às quantidades relativas e variantes de simetria. Os resultados definidos e únicos que experienciamos são os fatos invariantes e completos que emergem quando essas quantidades relativas são atadas a um sistema de referência.

Ao propor que a relacionalidade quântica e a relacionalidade relativística são uma só e a mesma, o artigo une uma lacuna que separou a física por um século. Sugere que o universo não é feito de objetos absolutos e independentes, mas de relações. O estado quântico não é um instantâneo da alma de uma partícula, mas uma descrição de sua postura relativa ao observador. Esta visão não exige que abandonemos a ideia de um mundo real e objetivo; em vez disso, ela reformula esse mundo como uma rede de conexões. O artigo conclui que, embora mais trabalho seja necessário para descrever plenamente como essas conexões se formam e se quebram, o caminho a seguir é parar de procurar por estados quânticos absolutos e começar a compreender a natureza relacional específica das quantidades que realmente podemos medir. Ao fazer isso, o artigo oferece uma explicação silenciosa e lógica para o porquê de o mundo quântico parecer tão estranho: ele é estranho apenas porque estamos tentando descrever coisas relativas como se fossem absolutas.