O princípio clássico da menor ação agora existe no reino quântico

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Pesquisadores provaram que uma lei fundamental da física se aplica ao reino quântico.

O princípio da menor ação determina que os objetos (a menos que haja interferência) sempre se movam ao longo da rota que requer a menor quantidade de ação.

Nem todas as regras da física cotidiana se aplicam às partículas quânticas, mas, de acordo com as medições difíceis de fazer de um novo estudo, essa regra certamente se aplica.

A menor distância entre dois pontos é uma linha reta, mas a menor distância nem sempre significa menos trabalho. E se essa distância for uma subida direta ou um terreno difícil? Se você deseja fazer o mínimo de trabalho, uma linha reta nem sempre é sua melhor aposta.

Os humanos podem nem sempre estar procurando o caminho mais fácil. Mas quando se trata de movimentos naturais em sistemas, uma das leis fundamentais da física diz que os objetos sempre percorrerão a rota que requer menos ação. Na física, "ação" tem a ver com coisas como energia, momento, distância e tempo.

Basicamente, sem intervenção externa, os objetos percorrem o caminho de menor resistência e menor mudança. Isso é chamado de princípio da menor ação. Sabemos que isso se aplica ao nosso mundo cotidiano e agora – graças a um novo estudo – sabemos que também se aplica ao mundo quântico.

“O sonho final de um físico é escrever os segredos de todo o universo em um pequeno pedaço de papel e o princípio de menor ação deve estar na lista”, disse Shi-Liang, um dos pesquisadores do projeto, em um artigo para Novo Cientista. "Nossa ambição era 'ver' [o princípio] em um experimento quântico."

Mais fácil falar do que fazer. A equipe de pesquisa da South China Normal University teve que lidar com o fato de que não apenas tudo no reino quântico é pequeno e difícil de ver, mas também os movimentos das partículas quânticas são complicados – realmente complicados. Por um lado, os estados quânticos mudam quando são medidos. E por outro lado, eles só podem ser mapeados usando uma matemática muito complicada.

Para melhor descrever seu comportamento, os cientistas usam uma combinação de duas coisas: uma função de onda e um propagador. As funções de onda descrevem o estado da partícula e os propagadores descrevem como esse estado muda ao longo do movimento de uma partícula em um sistema. O problema é que as funções de onda e os propagadores são puramente matemáticos e, embora sejam ótimos para descrever o comportamento das partículas quânticas, geralmente o fazem usando números imaginários. Números imaginários são bons em matemática, mas são – por definição – impossíveis de medir.

Para contornar esse problema, a equipe usou uma técnica que já havia sido estabelecida alguns anos antes. Nesta técnica, você basicamente salta e filtra partículas individuais de luz quântica chamadas fótons através de um labirinto de espelhos, cristais e lentes. Eventualmente, as partes do comportamento do fóton descritas pelos números imaginários corresponderão às propriedades mensuráveis ​​reais. As partes originalmente descritas por números reais normais também serão mensuráveis, e os pesquisadores podem reconstruir as formas de onda e os propagadores a partir de dados reais medidos.

Depois que o labirinto foi construído, os pesquisadores combinaram essa técnica com uma nova que desenvolveram para evitar principalmente o problema da “mudança de estado quântico quando observado”. Então, eles enviaram fótons individuais através do labirinto e compararam seu comportamento com o comportamento previsto pelo princípio da menor ação e descobriram que a realidade concordava com a teoria – provando que as partículas quânticas de fato seguem o princípio.

“As medições neste experimento são bastante incríveis e não desafiam nossa compreensão atual da física quântica”, disse Jonathan Leach, pesquisador de ciência quântica não envolvido no estudo, em um artigo da New Scientist. "É lindo ver essa teoria tornada realidade em um experimento."

Há muitos lugares onde o mundo quântico e o mundo cotidiano não se misturam. É parte do motivo pelo qual os pesquisadores ainda procuram melhorar o atual Modelo Padrão da física. Mas em seu desejo de evitar a ação tanto quanto possível, o quantum e o cotidiano estão em perfeita sincronia.