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A física Chien-Shiung Wu em seu laboratório na Universidade de Columbia em 1978. Crédito: Lynn Gilbert
Em 1949, o físico Chien-Shiung Wu concebeu um experimento que documentava evidências de emaranhamento. Suas descobertas foram escondidas à vista de todos por mais de 70 ano.
Em novembro de 1949, Chien-Shiung Wu e seu aluno de pós-graduação, Irving Shaknov, desceram a um laboratório abaixo do Pupin Hall da Universidade de Columbia. Eles precisavam de antimatéria para um novo experimento, então fizeram o seu próprio, usando uma máquina chamada ciclotron. O ímã multiton da máquina era tão gigantesco que, de acordo com o folclore da universidade, uma década antes, os administradores tiveram que abrir um buraco em uma parede externa e recrutar o time de futebol para manobrar o bloco de ferro para dentro do prédio.
O campo magnético produzido por um ciclotron acelera as partículas a velocidades vertiginosas. No laboratório, Wu e Shaknov o usaram para bombardear uma folha de cobre com deuterons, gerando um isótopo instável, Cu 64, como fonte de pósitrons – a antimatéria. Quando um pósitron e um elétron colidem, eles se aniquilam, liberando dois fótons que se separam em direções opostas. Alguns anos antes, o físico John Wheeler havia previsto que, quando a matéria e a antimatéria se encontrassem, os fótons resultantes seriam polarizados ortogonalmente. Wu e Shaknov estavam procurando provas conclusivas da chamada teoria dos pares de Wheeler.
Eles não foram os primeiros. Uma equipe anterior de experimentalistas tinha uma alta margem de erro, de modo que seus resultados não eram suficientemente confiáveis. Uma segunda equipe voltou com resultados muito baixos para corresponder às previsões de Wheeler. Mas Wu era conhecida por sua extrema precisão e design experimental estratégico. No ano anterior, ela havia provado a teoria de Enrico Fermi sobre o decaimento beta depois de mais de uma década de tentativas de outros.
Wu e Shaknov colocaram o isótopo de cobre em uma minúscula cápsula de oito milímetros de comprimento e esperaram que elétrons e pósitrons colidissem dentro do aparelho. Em seguida, eles rastrearam a radiação de aniquilação resultante nas bordas mais distantes de seu experimento, usando dois tubos fotomultiplicadores, cristais de antraceno e um contador de cintilação como detector de raios gama.
Por fim, eles capturaram significativamente mais dados do que seus predecessores, e o que viram foi surpreendente. Suas evidências sugeriam que pares de fótons de colisões de partículas permaneciam polarizados em ângulos retos entre si - consistentemente - como se estivessem de alguma forma conectados, mesmo à distância. Seu experimento provou a teoria dos pares de Wheeler, e Wu e Shaknov publicaram suas descobertas no dia de ano novo de 1950 em uma carta de uma página para a Physical Review . Mas também se tornou o primeiro experimento a documentar evidências de algo mais estranho: que as propriedades das partículas emaranhadas estão sempre perfeitamente correlacionadas, não importa o quão longe elas se afastem. O emaranhamento é tão estranho que Albert Einstein pensou que provava onde a física quântica estava errada.
Em 2022, o Comitê do Prêmio Nobel homenageou o trabalho experimental sobre emaranhamento de três físicos. John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger produziram evidências cada vez mais convincentes para o fenômeno, melhorando o projeto experimental de seu predecessor. Eles descartaram uma explicação alternativa após a outra até que, finalmente, o emaranhamento foi a única conclusão que restou. Embora o experimento de Wu em 1949 não tenha sido projetado para descartar explicações concorrentes, os historiadores concordam que foi o primeiro a documentar fótons emaranhados. No entanto, Wu, que morreu em 1997, não foi mencionado quando os prêmios de 2022 foram anunciados. Não é a primeira vez que ela é esquecida.
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Arquivo de imigração de Wu de 1936. Crédito: Arquivos Nacionais
Chien-Shiung Wu nasceu no mesmo ano da Nova República da China, em uma pequena cidade na bacia do rio Yangtze. Seu pai, Zhong-Yi Wu, era um intelectual, revolucionário e feminista. Para comemorar o nascimento de sua filha e o fim do governo dinástico, Zhong-Yi deu uma festa na primavera de 1912, onde anunciou o nome de sua filha e seu novo plano de abrir a primeira escola primária da região para meninas. Numa época em que a maioria dos nomes para meninas sugeria uma fragrância delicada ou uma bela flor, o nome de Zhong-Yi para sua filha era traduzido como “herói forte”.
Chien-Shiung cresceu nas contracorrentes do nacionalismo chinês e do Movimento da Nova Cultura, que criticava os valores confucionistas tradicionais. Em 1936, aos 24 anos, tendo atingido o limite do que a China poderia oferecer em treinamento de física, ela embarcou no SS Hoover com destino à Califórnia. Os movimentos políticos clamavam por “ciência e democracia”, junto com uma geração de acadêmicos que poderiam elevar o status da China. Wu estava fora para perseguir um Ph.D. em física. Ela estudaria com pioneiros como Emile Segrè, Ernest Lawrence e J. Robert Oppenheimer.
Na Universidade da Califórnia, em Berkeley, Wu tornou-se um aluno exemplar. Sua pesquisa de dissertação sobre os produtos de fissão do urânio era tão sofisticada e sensível que foi entregue aos militares e embargada até o final da Segunda Guerra Mundial. No entanto, Wu teve problemas para encontrar um emprego após a formatura. Por dois anos ela dependeu de mentores para consultas de pesquisa. Na época, nenhuma das 20 melhores universidades de pesquisa do país tinha uma mulher na faculdade de física.
O preconceito de gênero não era o único obstáculo de Wu. Um ano após sua chegada aos Estados Unidos, a escalada da Segunda Guerra Mundial interrompeu a comunicação com a China e a discriminação contra os imigrantes asiáticos se intensificou, especialmente na Costa Oeste. Em 1940, o controlador interino de Berkeley escreveu ao supervisor de Wu para avisá-lo de que o emprego de Wu seria aprovado apenas temporariamente; menos de um ano depois, ele escreveu novamente: “Regulamentos estabelecidos pelos Regentes” significam que “a Srta. Wu não é elegível para o emprego” e “medidas imediatas devem ser tomadas para demitir este funcionário de sua equipe”. Quando Oppenheimer deixou Berkeley em 1942 para liderar o Projeto Manhattan, ele trouxe muitos de seus alunos; Wu, apesar de sua aclamação, não foi convidada.
Por fim, Wu mudou-se para o leste para um cargo de professor no Smith College. No ano seguinte, ela se tornou a primeira mulher contratada para a faculdade de física da Universidade de Princeton. Não muito tempo depois, o Projeto Manhattan finalmente a recrutou, e ela desempenhou um papel silencioso, conflituoso e crucial no desenvolvimento da bomba atômica. No entanto, Wu navegou por repetidas investigações das autoridades de imigração e ameaças de deportação por anos. Quando ela deixou a China em 1936, Wu esperava ficar fora por pouco tempo. Em 1945, quando o silêncio entre os EUA e a China acabou, a China estava envolvida em uma guerra civil brutal, e os parentes alertaram contra o retorno muito cedo. Em 1949, o ano em que Wu observou evidências do critério de emaranhamento, Mao Zedong havia estabelecido o comunismo na República Popular da China e o macarthismo estava crescendo nos Estados Unidos. tornando a viagem para casa quase impossível. Ela nunca mais viu sua família.
O emaranhamento emerge dos ramos mais rigorosos da matemática e da física, mas ainda tem apelo poético. Abner Shimony, filósofo e físico, chamou isso de “paixão à distância”. O emaranhamento oferece a noção selvagem de que, uma vez que certas partículas ou sistemas interagem, eles não podem mais ser descritos independentemente uns dos outros. O que acontece com um, não importa o quão longe ele possa viajar de seu parceiro emaranhado, afeta instantaneamente o outro, como mostram décadas de evidências agora. As características das partículas emaranhadas são correlacionadas, sem qualquer comunicação aparente, e a qualquer distância. Além do mais, cada membro do par emaranhado parece carecer de um conjunto completo de propriedades definidas até o momento em que um parceiro é medido. Então, instantaneamente, o par emaranhado estará em sincronia – mesmo que as partículas tenham afastado as galáxias. Isto'
Para entender toda a estranheza do emaranhamento, é útil entender que, quando os físicos quânticos começaram a quantificar a posição e o movimento das partículas subatômicas, os minúsculos objetos não podiam ser fixados. Às vezes, as partículas pareciam localizadas e distintas. Em outros momentos, as partículas apresentavam um comportamento amplo e ondulatório, com influência espalhada por grandes regiões do espaço físico em relação ao seu tamanho natural. Às vezes, os experimentalistas do início do século 20 não podiam ter certeza de que as partículas eram objetos tangíveis.
Em 1927, o físico Werner Heisenberg chamou esse problema de “princípio da incerteza”. Ele estudou com o fundador da mecânica quântica, Niels Bohr, e Bohr cunhou o termo “complementaridade” para descrever os estranhos resultados experimentais produzidos pela física quântica. Para Bohr, uma maneira de pensar sobre toda a situação confusa era presumir que certos pares de observações, como a “posição” e o “momentum” de uma partícula, eram complementares entre si; características complementares não podiam ser percebidas ou medidas exatamente no mundo subatômico ao mesmo tempo. Talvez essas características nem existissem até o momento da medição. As coisas ficaram mais estranhas, porém, quando a matemática da mecânica quântica sugeriu que a medição de uma partícula poderia influenciar instantaneamente o estado de outra partícula distante.
Em 1935, Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen tentaram abrir buracos na mecânica quântica, apontando como ela parecia contra-intuitiva. O famoso paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (“EPR”) apontou diretamente para o emaranhamento. EPR sugeriu que deveria haver uma explicação melhor para por que e como uma partícula poderia impactar seu parceiro emaranhado mais rápido que a velocidade da luz. Einstein apelidou ironicamente o fenômeno de “ação assustadora à distância”. Para Einstein e seus coautores, a ação assustadora provou que a teoria quântica ainda estava incompleta.
Como Einstein, o físico David Bohm tinha certeza de que havia uma explicação perfeitamente razoável para o emaranhamento. Talvez ainda não tenhamos conseguido ver, mas a explicação pode não ser tão assustadora, afinal. Isso pode ser atribuído a variáveis ocultas. A física simplesmente tinha mais trabalho a fazer para encontrá-los. Em 1957, Bohm e seu aluno de pós-graduação Yakir Aharonov escreveram sobre como a pesquisa de fótons poderia aproveitar o famoso paradoxo EPR para revelar essas variáveis ocultas. “[T] aqui foi feito um experimento que, como veremos, testa essencialmente esse ponto, mas de uma forma mais indireta”, escreveu Bohm.
Esse experimento, diz Indianara Silva, professora de ciências físicas e história na Universidade Estadual de Feira de Santana, no Brasil, foi o experimento Wu-Shaknov de 1949.
Silva é uma historiadora atenta às histórias perdidas das mulheres na ciência. Quando Wu e Shaknov fizeram a primeira medição precisa da teoria dos pares de Wheeler em 1949, diz Silva, eles se tornaram os primeiros a documentar o emaranhamento entre fótons, inspirando décadas de pesquisas posteriores em fundamentos quânticos. Silva identificou uma série de publicações de outros físicos e historiadores que reconhecem a observação de Wu de fótons emaranhados em 1949. Ela começa com Bohm em 1957 e continua com Zeilinger, um dos laureados com o Nobel de 2022, que escreveu em 1999 que “um experimento anterior de Wu e Shaknov (1950) demonstrou a existência de estados emaranhados separados espacialmente”.
Bohm tinha boas razões para confiar nas descobertas de Wu. Ele era alguns anos mais novo que Wu quando eles eram alunos de pós-graduação em Berkeley. Ambos estudaram com Oppenheimer e trabalharam no prestigioso laboratório de radiação de EO Lawrence. Bohm tinha todos os motivos para saber da reputação estelar de Wu. Ele reconheceu Wu em uma nota de rodapé em seu artigo de 1957.
Silva traça como o trabalho experimental de Wu - em 1949 e mais tarde em 1971 - levou a experimentos de emaranhamento posteriores. As descobertas de Silva foram publicadas no The Oxford Handbook of the History of Quantum Interpretation em 2022. Ela aponta como o artigo de Bohm sobre variáveis ocultas inspirou John Bell, que propôs que o número de coincidências quânticas entre partículas poderia ser previsto e contado. Em 1964, em um jornal obscuro chamado Physics, Physique, Fizika , Bell discutiu o artigo de Bohm de 1957 (que fazia referência ao experimento de Wu) e lançou sua própria nova teoria. Alguns anos depois, em Columbia, um jovem Clauser encontrou o “Teorema de Bell” na biblioteca. A teoria inspirou Clauser a projetar um novo experimento, que ele esperava que pudesse provar que Bell estava certo, mostrando que as variáveis ocultas eram reais.
Curiosamente, a carta de Wu-Shaknov para a Physical Review em 1950 fala sobre a teoria dos pares de Wheeler, mas não fala sobre o emaranhamento. Em 2012, o físico FJ Duarte chamou a teoria dos pares de Wheeler de “a essência do emaranhamento”. Outros físicos e historiadores como Silva também perceberam claramente a conexão. Então, por que Wu não mencionou o emaranhamento quântico em sua carta de 1950?
Wu pode ter hesitado em discutir evidências de emaranhamento porque, ao longo dos anos 1950 e 1960, esse trabalho de fundamentos quânticos foi estigmatizado como ciência lixo. Naquela época, explica David Kaiser, professor de física e história da ciência no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, a ideia de usar um experimento para provar ou refutar teorias sobre física quântica ou para testar variáveis ocultas locais “não era nem um indício”. para a maioria dos físicos. Pesquisadores que exploraram questões sobre emaranhamento muitas vezes disfarçaram suas pesquisas porque a reação negativa poderia impedir uma carreira promissora. Ficamos imaginando se Wu poderia ter feito isso também.
Silva aponta que Wu voltou ao seu experimento de 1949 mais de 20 anos depois para refiná-lo ainda mais. A essa altura, Wu estava muito mais segura profissionalmente e abordou questões sobre mecânica quântica diretamente. Ela favoreceu as interpretações tradicionais de emaranhamento quântico, não a teoria de Bohm. Em 1971, quando projetou uma nova versão do experimento de 1949, Wu escreveu que “deveria certamente silenciar os proponentes das variáveis ocultas”.
Quando Clauser publicou sua proposta de teste do teorema de Bell em 1969, ele teve o cuidado de distinguir o experimento de Wu-Shaknov do seu próprio. Clauser queria provar que as variáveis ocultas eram reais; em vez disso, em 1972, ele refutou a existência de variáveis ocultas e demonstrou o emaranhamento com uma certeza ainda maior. Ele havia contado coincidências, como Bell sugeriu, mas havia muito mais coincidências do que variáveis ocultas poderiam explicar. O trabalho de Clauser levou aos experimentos posteriores de Aspect e Zeilinger, que fecharam brechas remanescentes e apoiaram ainda mais o emaranhamento. Juntos, esses experimentos levaram ao Prêmio Nobel de 2022.
Quando surgiu o artigo de Bohm sobre variáveis ocultas, muita coisa havia mudado na vida de Wu. Ela se casou e se mudou para a Costa Leste. Ela quebrou um teto de vidro em Princeton, teve um filho e se tornou cidadã americana. Ela fazia parte do corpo docente da Universidade de Columbia, embora ainda não fosse professora titular.
Em 1956, o colega de Wu na Columbia, TD Lee, a abordou para pedir conselhos sobre uma questão estranha. Ele e seu parceiro de pesquisa, Chen Ning Yang, se perguntaram se algumas das menores partículas do universo poderiam violar expectativas estabelecidas há muito tempo. Em resposta, Wu apontou Lee para um corpo de pesquisa, e ela descreveu um punhado de possíveis experimentos para abordar as questões que ele colocou.
Yang e Lee estavam longe de ser os candidatos mais prováveis a seguir as sugestões de Wu. Ambos eram teóricos, não experimentalistas como Wu. Em uma história oral com a Simons Foundation meio século depois, Yang confessou que nem ele nem Lee tinham qualquer crença sincera em 1956 de que sua hipótese se sustentaria. Na verdade, os físicos assumiram por décadas que o oposto seria verdadeiro: que a simetria estaria entre os padrões imutáveis e consistentes em muitos blocos de construção do nosso universo. As leis de conservação matemática diziam que, se você executasse a mesma sequência de eventos para frente e para trás no tempo, os eventos permaneceriam simétricos. A hipótese de Yang e Lee, no entanto, sugere que o comportamento das partículas nucleares em decaimento beta pode não parecer o mesmo se você invertesse os eventos em um espelho imaginário.
Como seu pai, Wu estava disposta a questionar o pensamento dominante. Ela suspeitava que o assunto era importante e sabia como abordá-lo. Então ela projetou e liderou um experimento para abordar as ideias de seus colegas. Isso significava cancelar uma viagem à China que seria sua primeira visita ao país desde 1936.
Para realizar o experimento que ela tinha em mente, Wu precisava reduzir a temperatura dos núcleos radioativos de cobalto 60 até que as partículas quase parassem de se mover. Ela queria estudar se as partículas filhas do decaimento nuclear disparavam em um padrão simétrico – como todos os físicos convencionais acreditavam que aconteceriam – ou se os padrões radioativos mostravam uma preferência por um comportamento “destro” ou “canhoto”. Ela contou com a cooperação do National Bureau of Standards (NBS, agora NIST) em Washington, DC, porque, ao contrário de muitos outros laboratórios, eles tinham a tecnologia e o conhecimento para trabalhar em temperaturas próximas do zero absoluto. Durante meses, Wu viajou entre a cidade de Nova York e Washington, supervisionando o trabalho dos alunos de pós-graduação que apoiavam o experimento.
Em janeiro de 1957, em estreita consulta com Yang e Lee, Wu e seus parceiros do NBS fizeram uma descoberta surpreendente. As partículas de decaimento beta eram ligeiramente “canhotas”, não simétricas como toda a física presumia. Assim que foi anunciado, Yang, Lee e Wu, junto com outros experimentalistas que seguiram o trabalho de Wu, se viram em um circuito de conferência nacional, seus nomes e imagens espalharam-se pela imprensa popular. Quando a American Physical Society se reuniu no New York Hotel naquele ano, eles apresentaram suas descobertas no que o New Yorker chamou de “o maior salão ... ocupado por uma multidão tão imensa que alguns de seus membros fizeram de tudo, menos se pendurar nos lustres.”.
Em outubro daquele ano, Yang e Lee se tornaram os dois primeiros sino-americanos da história a ganhar o Prêmio Nobel. Embora as regras do Nobel permitissem até três ganhadores de prêmios por ano, Wu não foi incluído. Dificilmente poderia ser mais adequado que a lei da física que Wu derrubou fosse chamada de princípio da paridade. Como um prisma, o Prêmio Nobel de 1957 separou elementos de identidade como faixas de luz, tornando mais visível o impacto do gênero. No ano seguinte, a Columbia finalmente promoveu Wu ao posto de professor titular.
Em sua palestra do Nobel naquele dezembro, Yang disse ao comitê e aos convidados como o experimento de Wu havia sido crucial, fazendo uma declaração ousada de que os resultados foram devidos à coragem e habilidade da equipe de Wu. Lee viria a implorar ao Comitê do Nobel para reconhecer o trabalho de Wu. Oppenheimer declarou publicamente que Wu deveria ter dividido o prêmio de 1957. Segrè chamou a derrubada da paridade de “provavelmente o maior desenvolvimento da física após a guerra”.
Outros cientistas também criticaram a exclusão de Wu do mais alto reconhecimento de conquistas científicas. Em 1991, Douglas Hofstadter, o autor de Gödel, Escher, Bach , organizou cientistas para escrever cartas ao Comitê Nobel recomendando Wu para o prêmio de física. E em 2018, 1.600 pesquisadores invocaram o nome de Wu em uma carta aberta ao CERN, desafiando o sexismo atual na física. “[T] aqui estão pelo menos quatro mulheres cujo trabalho é relevante para a física de partículas que são amplamente vistas como merecedoras do prêmio Nobel, mas que não o receberam, em alguns casos, mesmo que seus colegas homens o tenham recebido”, diz a carta. O nome de Wu aparece no topo dessa lista.
Depois de derrubar a paridade, Wu se tornou a primeira mulher a receber o Prêmio Comstock da Academia Nacional de Ciências; a primeira mulher presidente da American Physical Society; o primeiro físico a receber o Prêmio Wolf; e a primeira física viva a ter um asteróide nomeado em sua homenagem. Seu trabalho abriu portas para o ensino universitário no Ocidente para mulheres e cientistas de cor. Na China, ela é reverenciada. Em 2021, o Serviço Postal dos EUA lançou um selo Forever com o retrato de Wu. Hoje, o experimento de paridade de Wu é entendido como um passo inicial no caminho para o que se tornaria o Modelo Padrão da física de partículas e aponta para possíveis respostas sobre por que a matéria existe em nosso Universo.
O trabalho inicial de Wu, no entanto, permaneceu na obscuridade. Às vezes, ao examinar uma parte de um sistema, começamos a perceber um elo relacionado à distância. O Prêmio Nobel de 2022 celebrou um conjunto de experimentos conectados que ocorreram a uma grande distância um do outro. Embora Wu não pudesse ter recebido o prêmio postumamente, sua pesquisa inicial está finalmente vindo à tona como uma parte crucial dessa história emaranhada, em grande parte graças a historiadores como Silva. A sociedade pode preferir uma narrativa de herói ou o mito de um gênio solitário, mas um olhar mais atento revela que a ciência extraordinária, como o próprio emaranhamento, depende fundamentalmente da conexão.
Este artigo foi publicado originalmente com o título "A Hidden Variable Behind Entanglement" na Scientific American 328, 4, 42-49 (abril de 2023)
doi:10.1038/scientificamerican0423-42
Por Michelle Frank sobre
Para saber mais, acesse o link abaixo>
Fonte: Cientific American
https://www.scientificamerican.com/article/the-little-known-origin-story-behind-the-2022-nobel-prize-in-physics/
Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas” e "Conhecendo a Energia produzida no Sol".
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
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