Medir é o ato de extrair informação sobre algo. Pesar algo numa balança é uma medição. Tocar em algo e sentir uma força de resposta também é uma medição.
Esse é um conceito mais profundo do que parece. No fundo, toda informação que conhecemos sobre o mundo foi medida de alguma forma. Só conhecemos o que conseguimos medir. Medir é conhecer.
Estamos medindo o tempo todo
Todos os conceitos que temos: “objeto,” “partícula,” “coisa” são apenas palavras para padrões que encontramos em medições. Aliás, ver é uma medição: estamos medindo os fótons que entram nos nossos olhos!
Normalmente, com objetos físicos como bolas, estamos sempre medindo. Estamos tocando neles, ou fótons estão tocando neles e atingindo nossos olhos. Quando não estamos medindo, geralmente alguma outra coisa está. Moléculas de ar batem neles e reagem.
Quando nada está medindo
No entanto, há algumas coisas, como os elétrons, que são pequenas o suficiente para evitar a medição constante. Por isso, no início do século XX, cientistas começaram a fazer uma pergunta estranha: objetos pequenos como os elétrons têm propriedades definidas (como a posição) quando NÃO estão sendo medidos?
A resposta foi, surpreendentemente, não. Por isso, os físicos inventaram a mecânica quântica como uma forma de descrever as propriedades de um objeto quando nada está medindo. Entre medições, os elétrons não têm uma posição única e definida. Eles existem como uma mistura de possibilidades. O ato de medir é o que força o objeto a se comprometer com uma resposta definida.
Um exemplo simples: o spin do elétron
Para ilustrar esse conceito, vou mostrá-lo em um sistema quântico bem simples e controlável: o spin do elétron. É claro que existem muitas propriedades quânticas no mundo: a posição do elétron, sua velocidade, o comprimento de onda da luz. Mas todas elas são muito complexas, e é fácil se perder, porque cada uma tem infinitos resultados de medição possíveis. Por exemplo, podemos medir a posição de um elétron e descobrir que ele está no seu dedo, no seu laptop ou em qualquer lugar entre os dois.
Em contraste, o spin do elétron é o que chamamos de estado binário: quando o medimos, ele só pode estar para cima ou para baixo, nunca no meio. Isso foi descoberto no lendário experimento de Stern-Gerlach de 1922. Por isso vamos trabalhar com ele. Deixa os conceitos bem mais simples.
Abaixo está um único elétron em seu estado de spin. Você pode fazer duas coisas com ele: disparar um laser para movê-lo entre “para cima” e “para baixo,” ou medi-lo e ler o resultado.
Segure o laser para mover o elétron continuamente entre “para cima” e “para baixo.” A probabilidade de cada resultado é determinada exatamente por quanto tempo você segurou o laser, mesmo que o resultado da medição ainda seja aleatório. O estado intermediário é bem conhecido. Ele só não é mensurável até que você meça.
Superposição
Superposição é o nome dessa mistura de possibilidades que existe entre medições.
Antes de medirmos, um elétron pode estar “quase todo para cima,” ou “metade para cima e metade para baixo,” de uma forma que não tem nada a ver com nossa ignorância. Não é que ainda não saibamos qual é o spin. É que ainda não há um único spin. A medição é o que cria um.
Uma imagem útil é uma moeda girando. No meio do giro, a moeda não é cara nem coroa. Ela é uma combinação física e real das duas, e o momento em que sua mão a pressiona é o momento em que ela se torna uma ou outra. A superposição quântica é parecida, exceto que o “giro” é o estado natural de um elétron sempre que nada está em contato com ele.
É isso que dá vantagem aos computadores quânticos. Um bit comum escolhe 0 ou 1. Um qubit pode sustentar uma superposição de 0 e 1, com pesos específicos para cada um. Rode muitos qubits juntos e eles exploram muitas combinações ao mesmo tempo.