David Bohm e a controvérsia dos Quanta

David Bohm e a controvérsia dos Quanta (digital)

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“Afirmar que as sociedades modernas são fortemente condicionadas pela ciência, tanto pelas suas aquisições conceituais quanto pelos seus procedimentos e aplicações, é hoje um lugar comum. A imagem pública da atividade científica é, contudo, fortemente marcada pela ideia de que esta atividade é isenta de controvérsias, ou que estas, quando existem, têm uma pequena duração e sempre são resolvidas com a afirmação, decorrente em geral dos experimentos, de que um dos contendores é portador da verdade. A história das ciências tem contribuído para evidenciar o quanto ingênua é esta imagem. De fato, as controvérsias são mais inerentes à atividade científica, e mais duradouras, do que usualmente se pensa. Além disso nem sempre os resultados das experiências têm decidido, de modo inequívoco. as controvérsias científicas; uma situação que a filosofia da ciência tem descrito com a ideia de subdeterminação das teorias pelos dados empíricos. A imagem da ciência como um empreendimento no qual as controvérsias jogam um papel secundário se revela, então, mais uma construção tributária das heranças positivista e cientificista que uma representação, ainda que aproximada, da atividade científica. •

O papel das controvérsias na atividade científica é ainda pouco compreendido: O historiador e filósofo da ciência T. S. Kuhn, em sua obra "A estrutura das revoluções científicas", restringiu a existência de controvérsias aos períodos que denominou de 'revoluções científicas', considerando que elas não existem nos períodos de 'ciência normal'. Ora, o exemplo que estudamos apresenta uma singular coexistência entre uma controvérsia profunda e prolongada e um período de intenso desenvolvimento de uma 'ciência normal'. A propósito, deve ser dito que a realização deste estudo reforçou a convicção, a qual compartilhamos com M. Paty, de que a filosofia da ciência deve ser instruída com estudo de casos concretos da história das ciências.

A controvérsia que é nosso objeto de estudo apresenta duas particularidades capazes de fascinar todos aqueles que buscam compreender a natureza do empreendimento científico. Ela envolve uma das duas teorias que revolucionaram a física do século XX, ou seja, a relatividade e a quântica, e ela é ainda inconclusa, o que quer dizer que somos seus contemporâneos. Esta última particularidade pode suscitar a questão de saber se existem condições para se escrever a história de acontecimentos tão recentes. Existem dois argumentos favoráveis a esta questão. O primeiro é que nos restringimos a um período compreendido entre os anos 50 e os 70. Poderíamos delimitar este período, de modo mais preciso, entre 1952, ano da publicação dos trabalhos pioneiros da "interpretação causai" e 1981, ano da publicação dos resultados dos experimentos mais conclusivos referentes às "Desigualdades de Bell", com um ou outro comentário secundário extrapolando esta paleta cronológica; de modo que existem uns bons quinze anos nos separando do período estudado. O segundo argumento é que a disciplina histórica em geral, e não só a história das ciências, vem, já há algum tempo, enfrentando ó desafio metodológico de escrever a chamada história do tempo presente.

^Este estudo examina uma situação singular na história das ciências. Uma grande divergência quanto à interpretação da teoria quântica, convivendo com uma ampla unanimidade quanto ao uso dos formalismos desta teoria, tem constituído, nestes últimos 70 anos, uma controvérsia prolongada. Estes formalismos, que podem ser agrupados em algoritmo de quantização e algoritmo estatístico, são hoje objeto do mais amplo consenso entre os físicos. Este consenso, aliás, só tem se reforçado como decorrência, dos sucessivos e generalizados êxitos da teoria quântica, não só na investigação fundamental sobre as propriedades dos átomos, das moléculas, da interação destes com a radiação eletromagnética, e dos constituintes destes átomos, mas também na investigação aplicada com implicações tecnológicas. O problema da interpretação destes formalismos, bem como a controvérsia sobre esta interpretação, são contemporâneos do surgimento da própria teoria quântica. A interpretação da complementaridade; elaborada por Niels Bohr, que afirmou-se, a partir de 1927, como c a interpretação' da nova teoria, nem sempre contou, porém, com uma adesão da totalidade dos físicos. Nos quase setenta anos decorridos desde então3 o grau de coesão na comunidade científica com referência à interpretação da teoria quântica (TQ)2 sofreu importantes variações. O período de maior adesão à interpretação da complementaridade ocorreu entre 1927 e final dos anos 40, e o de maior dissenso, começou no início da década de 50 prolongando-se até os dias atuais.

O foco da análise estará concentrado em um capítulo desta controvérsia. Este capítulo tem a denominação técnica de 'interpretação das variáveis escondidas , desenvolvida por David Bohm a partir do início dos anos 50. A denominação mais epistemológica, e mais reveladora da natureza do debate, de interpretação causai' foi adotada tanto pelos partidários quanto pelos oponentes desta interpretação. A interpretação causai será estudada em seu próprio desenvolvimento histórico. Serão analisados seu surgimento, sua acolhida na comunidade científica, seus desenvolvimentos e as transformações que ela sofreu. Dois conceitos clássicos — determinismo e localidade — e suas contrapartidas quânticas — descrição probabilista e não localidade — estarão no centro da controvérsia. O cenário da controvérsia inclui regiões sempre presentes em se tratando de história da ciência contemporânea, como Europa e Estados Unidos, e também o Brasil. O período estudado começa no início dos anos 50 indo até o início dos anos 70, não porque a controvérsia tenha se encerrado, mas porque era preciso delimitar este estudo. Os argumentos examinados não serão de natureza exclusivamente científica, pois é evidente a dimensão filosófica da controvérsia. Argumentos mais ideológicos também estiveram presentes, de modo que termos como positivismo, idealismo, materialismo e marxismo, conviveram com temas mais científicos, como consistência de uma teoria física, e equivalência entre teorias científicas.        

A quebra do determinismo próprio da física clássica foi seguramente a principal questão em debate no V Conselho Solvay, 1927, evento que marca o início dos debates sobre a interpretação da TQ. Para a interpretação da complementaridade, elaborada por Niels Bohr o abandono do determinismo era uma consequência inevitável da limitação ao uso dos conceitos clássicos, simbolizada pela introdução do quantum de ação'. Entre os opositores da interpretação da complementaridade, a reivindicação da manutenção do determinismo apareceu articulada com a exigência de imagens nítidas no contínuo espaço-tempo para a representação dos fenômenos quânticos. A posição de H. Lorentz, então presidente do Conselho Solvay, é emblemática desta atitude ainda hoje presente no debate. A exigência de recuperação de uma descrição causai (determinista) dos fenômenos quânticos reapareceu no início dos anos 50 pelas mãos de David Bohm. Ele elaborou uma interpretação da TQ em termos de variáveis escondidas que reproduz os resultados previstos pela TQ não-relativista. Esta concordância de previsões com a própria interpretação da complementaridade induz o debate para as diferenças epistemológicas, concentradas na recuperação do determinismo pela proposta de Bohm. A discussão epistemológica, centrada na questão do determinismo, dominou, então, o cenário dos debates da década de 50, só diminuindo sua intensidade dos anos 60 em diante.

A exigência da localidade, ou da separabilidade - independência dos sistemas quânticos separados no espaço-tempo, mas que interagiram no passado — foi posta com nitidez em 1935, por Einstein. Foi objeto de resposta por Bohr, que conceituou o objeto da teoria quântica, o fenômeno quântico, como a totalidade [wholeness) do sistema quântico e do aparelho de medida necessário ao estudo do sistema. O trabalho de Bohm, que reavivou a reivindicação do determinismo apresentava, tanto quanto a teoria quântica, a propriedade da não-localidade, mas só na década de 60, com os trabalhos de J.S. Bell a questão da localidade ocupou o centro das discussões, colocando na arena dos debates um número bem maior de físicos. Bell demonstrou a existência de previsões físicas distintas entre a teoria quântica e interpretações alternativas, em termos de variáveis escondidas, que preservassem o critério clássico da localidade. Esta diferença de previsões, aliada a um desenvolvimento científico e tecnológico que já permitia levar estas diferenças para o teste dos laboratórios^ desencadeou uma verdadeira bateria de testes das chamadas Desigualdades de Bell. Os testes têm confirmado as previsões da interpretação da complementaridade mas têm tido também o efeito de aguçar a discussão sobre a questão da localidade.

Do ponto de vista histórico, foi a partir do início dos anos 50 e da interpretação proposta por David Bohm, que se consolidou a existência, e o reconhecimento desta pela comunidade científica, de interpretações alternativas à da complementaridade. As primeiras interpretações distintas da complementaridade, por exemplo aquelas propostas entre 1926 e 1927 por Schrõdinger e de Broglie (esta muito semelhante àquela que será desenvolvida por Bohm a partir de 1952), não responderam às críticas então postas e, em geral, foram abandonadas. As críticas de Einstein e Schrõdinger, durante a década de 30, evidenciaram certos paradoxos, ou propriedades, da teoria quântica, mas não se constituíram em interpretações alternativas sistematizadas. Compreende-se, assim, que o historiador Max Jammer tenha denominado de The revival of hidden variables by Bohm' o episódio que será o ponto de partida deste estudo. A partir da década de 50 a comunidade dos físicos aprendeu a coexistir com a controvérsia, institucionalizando-a. Assim, são realizados encontros dedicados especialmente ao tema e revistas, como a Toundations of Physics', foram criadas para dar vazão a este debate.

Certas perguntas, em especial, estiveram no centro das nossas interrogações ao longo deste estudo. A primeira foi saber porque a interpretação causai teve uma acolhida tão desfavorável na comunidade dos físicos dos anos 50 e 60. Quais foram os critérios adotados pelos cientistas para escolher entre proposições rivais, como a interpretação da complementaridade e a interpretação causai? Existem respostas diversas sobre estas questões, como aquelas formuladas por James Cushing e por F. David Peat, e elas serão objeto de nossa análise. Antecipamos aqui a resposta a que chegamos, apresentando a sua argumentação ao longo do livro. Para responder tal questão estivemos atentos tanto às circunstâncias estritamente científicas do debate quanto aos aspectos culturais, no seu sentido mais largo. O resultado da análise nos leva a sustentar que foram de ordem estritamente científica - a saber/a não obtenção, pelos defensores da interpretação causai, de novos resultados, capazes de atrair a atenção da comunidade científica e obter a adesão de uma parte desta - os fatores mais fortes na explicação desta acolhida desfavorável. A pequena adesão da comunidade dos físicos ao programa das variáveis escondidas não levaria necessariamente ao seu abandono, pelos seus defensores. Tanto é assim que de Broglie e Vigier, que junto com Bohm dedicaram-se nos anos 50 à interpretação causai, perseveraram em tal programa. Trabalhamos com a hipótese de que tal atitude não foi compartilhada por David Bohm, e que, ao contrário, sua produção científica sofreu uma inflexão acentuada ao longo dos anos 60. Pretendemos demonstrar a existência desta inflexão, caracterizá-la, e investigar as razões que a motivaram. Nossa análise difere de comentários do próprio David Bohm sobre sua trajetória científica, bem como de afirmações de comentadores de sua obra como Basil Hiley e David Peat.

Ao examinarmos a competição entre a interpretação causai e a interpretação da complementaridade como uma competição entre programas epistemológicos rivais, o que será detalhado no capítulo 2, e à medida que avançávamos na reconstituição histórica daqueles acontecimentos, duas constatações foram emergindo. Razões culturais mais amplas não eram suficientes para dar conta da atitude dos cientistas envolvidos nesta disputa, como será evidenciado ao longo do estudo, e os argumentos estritamente científicos postos no debate revelavam uma densidade mais significativa que a nossa suspeita inicial. Dentre estes últimos argumentos aparecia com ênfase a exigência, por parte dos críticos, e também por parte de cientistas que aderiram a tal programa, da obtenção, pelo programa causai, de novos resultados que diferenciassem este programa da interpretação usual e da teoria quântica. Temos necessidade, então, de precisar melhor o sentido em que usaremos na nossa análise a expressão ‘novos resultados'. Esta expressão terá um significado diversificado, sendo o mais usual deles a eventual obtenção de previsões empíricas distintas daquelas da teoria quântica, em especial naqueles domínios onde o próprio David Bohm assinalava as dificuldades da teoria quântica, como examinaremos no Capítulo 2. Mas tais novos resultados poderiam ser também uma vantagem conceituai ou operatória na resolução de uma dificuldade como as quantidades infinitas que aparecem quando se quantifica a radiação eletromagnética. Podemos pensar ainda em resultados novos como uma eventual vantagem heurística na abordagem de um novo campo de fenômenos como o da diversidade de partículas subatômicas que estavam sendo descobertas no início da década de 50. Não queremos, portanto, reduzir a expressão "novos resultados' a uma previsão empírica inédita, ainda que este tipo de resultado pudesse ser, em princípio, esperado na competição estabelecida entre programas rivais.

Outra questão, à qual será dedicada atenção, é saber como o conceito de não-localidade, que emergiu para o conjunto da comunidade científica, com os trabalhos de J.S. Bell, em meados da década de 60, encontrava-se, de forma implícita, na obra de Bohm; como ele próprio tratou esta questão, e se sua obra contribuiu, e em que medida, para os trabalhos de Bell. A resposta a estas questões é, também, uma contribuição para desvendar a dinâmica da transformação ocorrida na história da controvérsia dos quanta. Da questão do determinismo, central em 1927 e retomada com vigor no início dos 50, para a questão da não-localidade, prenunciada em 1935, mas ocupando o centro das discussões somente a partir do final dos anos 60. Existem observações distintas sobre esta dinâmica, como as de Michel Paty e as de Max Jammer, que serão examinadas. Uma última pergunta a orientar este trabalho foi saber porque tanto Niels Bohr como David Bohm, que formularam interpretações tão distintas, e em períodos históricos e contextos da controvérsia também tão diferentes entre si, chegaram a usar a mesma expressão totalidade (wholeness) para dar conta da especificidade da física dos quanta. As semelhanças e as diferenças no uso da mesma expressão pelos dois físicos serão analisadas e, em uma parte menos histórica e mais especulativa deste trabalho, formularemos algumas sugestões sobre o significado e o destino deste conceito na história da física.

Uma análise histórica e epistemológica da interpretação das variáveis escondidas' tem valor cultural intrínseco, por se tratar de análise de um dos capítulos de uma controvérsia científica tão plena de implicações filosóficas e culturais. Ela pode também, a nosso ver, contribuir na reflexão de todos aqueles cientistas que apresentam hoje um interesse renovado na proposição feita em 1952 por David Bohm. Uma evidência deste interesse é, além dos artigos que vêm sendo publicados em revistas especializadas, o surgimento no léxico da física, de uma nova expressão, a 'mecânica bohmiana' (Bohmian Mechanics). Escapa, contudo, ao escopo de um estudo em história da ciência, o exame concreto de atividades científicas ainda em curso, como os trabalhos que ora estão sendo publicados.

A redação deste livro tomou por base a tese de doutoramento, com o título "A Emergência da Totalidade — David Bohm e a controvérsia dos quanta", elaborada sob a orientação dos Drs. Shozo Motoyama e Michel Paty, defendida na Universidade de São Paulo em junho de 1995. O texto inicial foi enriquecido com resultados de pesquisas realizadas nos arquivos de David Bohm, então na University of Bath, Inglaterra, de Léon Rosenfeld, Aage Bohr e Niels Bohr, no Niels Bohr Archive, em Copenhagen, de Louis de Broglie, na Académie des Siences, em Paris, e nos Archives for the Histoiy of Quantum Physics, produzidos pelo American Institute of Physics, e que tem cópias no La Villette, em Paris. Estas consultas foram possíveis devido a um estágio de pós-doutoramento na Equipe REHSEIS (CNRS, UPR 318), equipe associada à Université Paris VII - Denis Diderot, durante o período acadêmico de 1996/1997. Certos fragmentos deste livro, especialmente do capítulo 3, reproduzem trechos de dois trabalhos escritos conjuntamente com M. Paty e A. L. da Rocha Barros, citados na bibliografia. Muitas foram as pessoas que contribuíram para o desenvolvimento desta pesquisa. Gostaria de agradecer especialmente a M. Paty, cuja orientação extrapolou os limites da tese convertendo-se em colaboração acadêmica, e a um certo número de pessoas com as quais tenho discutido este tema, e que têm lido e criticado partes deste texto, entre as quais estão Amélia Hamburger, Osvaldo Pessoa Jr., Antonio A. Passos Videira, Alberto L. da Rocha Barros, Saulo Carneiro e Olivier Darrigol. Tim Powell, em Bath, Felicity Pors, em Copenhagen, e Denise Hazebrouk, em Paris, foram auxílios inestimáveis na consulta a arquivos e bibliografia. Priscila Arantes revisou a versão final do texto. O apoio emocional e o encorajamento de Angélica^ minha mulher, foi essencial, particularmente nos momentos adversos. Vitor, meu filho, e meus pais. Olival e Antonieta, compreendendo minhas ausências, contribuíram para esta travessia. Agradeço também o apoio das instituições já citadas; do Instituto de Física da UFBa, que liberou-me de encargos didáticos durante parte do período no qual a pesquisa foi realizada; e da CAPES, que me concedeu bolsas de estudo. Sem estes apoios a conclusão deste livro não teria sido possível”

OLIVAL FREIRE JR.

VOLUME 27 – 1999

ISSN: 0103-3147

Primeira Edição, 1999

Índice para catálogo sistemático

1. Mecânica quântica 530.12
2. Física - Filosofia 530.

OBS. Este livro é dedicado à análise de uma singular coexistência entre uma controvérsia prolongada e inconclusa e um desenvolvimento próprio de uma ciência “normal” envolvendo uma das teorias que revolucionaram a física do século XX. O livro examina a natureza do debate quântico dos anos 1950 e 1960, marcado de maneira preponderante pelos trabalhos de David Bohm e, na segunda metade dos anos 60, pelos de J. S. Bell, bem como a mudança na ênfase do determinismo versus indeterminismo para o problema da localidade versus não-localidade.