No coração da mecânica quântica

Richard Feynman, um dos maiores físicos do século XNUMX, argumentou que a chave para entender a mecânica quântica é o "experimento de dupla fenda". Este experimento conceitualmente simples, realizado hoje, continua a produzir descobertas surpreendentes. Eles mostram quão incompatível com o senso comum é a mecânica quântica, que acabou levando às invenções mais importantes dos últimos cinquenta anos.

Pela primeira vez, ele conduziu um experimento de dupla fenda. Thomas Young (1) na Inglaterra no início do século XIX.

O experimento de Young

O experimento foi usado para mostrar que a luz é de natureza ondulatória e não de natureza corpuscular, como dito anteriormente. Isaac Newton. Young acabou de demonstrar que a luz obedece intervenção - um fenômeno que é o traço mais característico (independentemente do tipo de onda e do meio em que se propaga). Hoje, a mecânica quântica reconcilia essas duas visões logicamente contraditórias.

Lembre-se da essência do experimento da dupla fenda. Como de costume, refiro-me a uma onda na superfície da água que se espalha concentricamente ao redor do local onde a pedrinha foi lançada. 

Uma onda é formada por sucessivas cristas e vales que irradiam do ponto de perturbação, mantendo uma distância constante entre as cristas, que é chamada de comprimento de onda. Uma barreira pode ser colocada no caminho da onda, por exemplo, na forma de uma placa com duas ranhuras estreitas cortadas através das quais a água pode fluir livremente. Jogando uma pedrinha na água, a onda para na divisória - mas não exatamente. Duas novas ondas concêntricas (2) agora se propagam para o outro lado da partição de ambos os slots. Eles se sobrepõem, ou, como dizemos, interferem um no outro, criando um padrão característico na superfície. Nos lugares onde a crista de uma onda encontra a crista de outra, a protuberância da água se intensifica, e onde a depressão encontra o vale, a depressão se aprofunda.

2. Interferência de ondas emergindo de dois slots.

No experimento de Young, a luz de uma única cor emitida por uma fonte pontual passa por um diafragma opaco com duas fendas e atinge a tela atrás delas (hoje preferimos usar luz laser e um CCD). Uma imagem de interferência de uma onda de luz é observada na tela na forma de uma série de listras claras e escuras alternadas (3). Esse resultado reforçou a crença de que a luz era uma onda, antes que descobertas no início de XNUMX mostrassem que a luz também era uma onda. fluxo de fótons são partículas leves que não têm massa de repouso. Mais tarde descobriu-se que o misterioso dualidade onda-partículadescoberto pela primeira vez para a luz também se aplica a outras partículas dotadas de massa. Logo se tornou a base para uma nova descrição da mecânica quântica do mundo.

3. Visão do experimento de Young

As partículas também interferem

Em 1961, Klaus Jonsson, da Universidade de Tübingen, demonstrou a interferência de partículas massivas - elétrons usando um microscópio eletrônico. Dez anos depois, três físicos italianos da Universidade de Bolonha realizaram um experimento semelhante com interferência de um único elétron (usando o chamado biprisma em vez de uma fenda dupla). Eles reduziram a intensidade do feixe de elétrons a um valor tão baixo que os elétrons passaram pelo biprisma um após o outro, um após o outro. Esses elétrons foram registrados em uma tela fluorescente.

Inicialmente, os rastros de elétrons foram distribuídos aleatoriamente pela tela, mas com o tempo formaram uma imagem de interferência distinta das franjas de interferência. Parece impossível que dois elétrons passando sucessivamente pelas fendas em momentos diferentes possam interferir um no outro. Portanto, devemos reconhecer que um elétron interfere consigo mesmo! Mas então o elétron teria que passar pelas duas fendas ao mesmo tempo.

Pode ser tentador olhar para o buraco pelo qual o elétron realmente passou. Mais tarde veremos como fazer tal observação sem perturbar o movimento do elétron. Acontece que, se obtivermos informações sobre o que o elétron recebeu, a interferência ... desaparecerá! A informação do “como” destrói a interferência. Isso significa que a presença de um observador consciente influencia o curso do processo físico?

Antes de falar sobre os resultados ainda mais surpreendentes dos experimentos de dupla fenda, farei uma pequena digressão sobre os tamanhos dos objetos interferentes. A interferência quântica de objetos de massa foi descoberta primeiro para elétrons, depois para partículas com massa crescente: nêutrons, prótons, átomos e, finalmente, para grandes moléculas químicas.

Em 2011, foi quebrado o recorde de tamanho de um objeto, no qual foi demonstrado o fenômeno da interferência quântica. O experimento foi realizado na Universidade de Viena por um estudante de doutorado da época. Sandra Eibenberger e seus associados. Uma molécula orgânica complexa contendo cerca de 5 prótons, 5 mil nêutrons e 5 mil elétrons foi escolhida para o experimento com duas pausas! Em um experimento muito complexo, foi observada a interferência quântica dessa enorme molécula.

Isso confirmou a crença de que As leis da mecânica quântica obedecem não apenas às partículas elementares, mas também a todos os objetos materiais. Só que quanto mais complexo o objeto, mais ele interage com o ambiente, o que viola suas sutis propriedades quânticas e destrói efeitos de interferência..

Emaranhamento quântico e polarização da luz

Os resultados mais surpreendentes dos experimentos da dupla fenda vieram do uso de um método especial de rastreamento do fóton, que não perturbou seu movimento de forma alguma. Este método usa um dos fenômenos quânticos mais estranhos, o chamado entrelaçamento quântico. Esse fenômeno foi percebido nos anos 30 por um dos principais criadores da mecânica quântica, Erwin Schrödinger.

O cético Einstein (veja também 🙂 os chamou de ação fantasmagórica à distância. No entanto, apenas meio século depois o significado desse efeito foi percebido e hoje se tornou um assunto de interesse especial para os físicos.

Do que se trata esse efeito? Se duas partículas que estão próximas uma da outra em algum momento interagem tão fortemente uma com a outra que formam uma espécie de "relação gêmea", então a relação persiste mesmo quando as partículas estão a centenas de quilômetros de distância. Então as partículas se comportam como um único sistema. Isso significa que quando realizamos uma ação em uma partícula, ela afeta imediatamente outra partícula. No entanto, desta forma, não podemos transmitir informações intemporalmente à distância.

Um fóton é uma partícula sem massa - uma parte elementar da luz, que é uma onda eletromagnética. Depois de passar por uma placa do cristal correspondente (chamado de polarizador), a luz se torna linearmente polarizada, ou seja, o vetor do campo elétrico de uma onda eletromagnética oscila em um determinado plano. Por sua vez, ao passar luz linearmente polarizada através de uma placa de certa espessura de outro cristal particular (a chamada placa de quarto de onda), ela pode ser convertida em luz polarizada circularmente, na qual o vetor campo elétrico se move em forma helicoidal ( no sentido horário ou anti-horário) ao longo da direção de propagação da onda. Assim, pode-se falar de fótons polarizados linearmente ou circularmente.

Experiências com fótons emaranhados

4a. Um cristal BBO não linear converte um fóton emitido por um laser de argônio em dois fótons emaranhados com metade da energia e polarização mutuamente perpendicular. Esses fótons se espalham em diferentes direções e são registrados pelos detectores D1 e D2, conectados por um contador de coincidências LK. Um diafragma com duas fendas é colocado no caminho de um dos fótons. Quando ambos os detectores registram a chegada quase simultânea de ambos os fótons, o sinal é armazenado na memória do dispositivo e o detector D2 caminha paralelamente às fendas. O número de fótons dependendo da posição do detector D2, assim registrado, é mostrado na caixa, mostrando os máximos e mínimos, indicando interferência.

Em 2001, um grupo de físicos brasileiros em Belo Horizonte se apresentou sob a orientação de Stephen Walborn experimento incomum. Seus autores usaram as propriedades de um cristal especial (abreviado como BBO), que converte uma certa parte dos fótons emitidos por um laser de argônio em dois fótons com metade da energia. Esses dois fótons estão emaranhados um no outro; quando um deles tem, por exemplo, polarização horizontal, o outro tem polarização vertical. Esses fótons se movem em duas direções diferentes e desempenham papéis diferentes no experimento descrito.

Um dos fótons que vamos nomear controlar, vai diretamente para o detector de fótons D1 (4a). O detector registra sua chegada enviando um sinal elétrico para um dispositivo chamado contador de visitas. LK Um experimento de interferência será realizado no segundo fóton; vamos chamá-lo fóton de sinal. Há uma fenda dupla em seu caminho, seguida por um segundo detector de fótons, D2, um pouco mais distante da fonte de fótons do que o detector D1. Este detector pode saltar em relação ao slot duplo cada vez que recebe um sinal apropriado do contador de visitas. Quando o detector D1 registra um fóton, ele envia um sinal para o contador de coincidências. Se em um momento o detector D2 também registrar um fóton e enviar um sinal ao medidor, então ele reconhecerá que se trata de fótons emaranhados, e esse fato ficará armazenado na memória do dispositivo. Este procedimento exclui o registro de fótons aleatórios que entram no detector.

Os fótons emaranhados persistem por 400 segundos. Após este tempo, o detector D2 é deslocado em 1 mm em relação à posição das fendas, e a contagem dos fótons emaranhados leva mais 400 segundos. Em seguida, o detector é novamente movido em 1 mm e o procedimento é repetido várias vezes. Acontece que a distribuição do número de fótons registrados dessa forma dependendo da posição do detector D2 possui máximos e mínimos característicos correspondentes às franjas claras e escuras e de interferência no experimento de Young (4a).

Descobrimos novamente que fótons únicos que passam pela fenda dupla interferem uns com os outros.

Como assim?

O próximo passo no experimento foi determinar o buraco através do qual um determinado fóton passou sem perturbar seu movimento. Propriedades usadas aqui placa de quarto de onda. Uma placa de quarto de onda foi colocada na frente de cada fenda, uma das quais mudou a polarização linear do fóton incidente para circular no sentido horário e a outra para a polarização circular à esquerda (4b). Verificou-se que o tipo de polarização dos fótons não afetou o número de fótons contados. Agora, determinando a rotação da polarização do fóton após ele ter passado pelas fendas, é possível indicar por qual delas o fóton passou. Saber "em que direção" destrói a interferência.

4b. Ao colocar placas de quarto de onda (retângulos sombreados) na frente das fendas, a informação de "para que lado" pode ser obtida e a imagem de interferência desaparecerá.

4c. A colocação de um polarizador P adequadamente orientado na frente do detector D1 apaga as informações de "para que lado" e restaura a interferência.

Na verdade, após a colocação correta das placas de quarto de onda na frente das fendas, a distribuição de contagens observada anteriormente, indicativa de interferência, desaparece. O mais estranho é que isso acontece sem a participação de um observador consciente que possa fazer as devidas medições! A mera colocação de placas de quarto de onda produz um efeito de cancelamento de interferência.. Então, como o fóton sabe que, depois de inserir as placas, podemos determinar o espaço pelo qual ele passou?

No entanto, este não é o fim da estranheza. Agora podemos restaurar a interferência de fótons de sinal sem afetá-la diretamente. Para isso, no caminho do fóton de controle atingindo o detector D1, coloque um polarizador de tal forma que ele transmita luz com uma polarização que é uma combinação das polarizações de ambos os fótons emaranhados (4c). Isso altera imediatamente a polaridade do fóton de sinal de acordo. Agora não é mais possível determinar com certeza qual é a polarização de um fóton incidente nas fendas e por qual fenda o fóton passou. Neste caso, a interferência é restaurada!

Apagar informações de seleção atrasada

Os experimentos descritos acima foram realizados de forma que o fóton de controle fosse registrado pelo detector D1 antes que o fóton sinal chegasse ao detector D2. O apagamento da informação "de que lado" foi realizado alterando a polarização do fóton de controle antes que o fóton de sinal alcançasse o detector D2. Então pode-se imaginar que o fóton controlador já disse ao seu “gêmeo” o que fazer a seguir: intervir ou não.

Agora modificamos o experimento de forma que o fóton de controle atinja o detector D1 após o fóton sinal ser registrado no detector D2. Para fazer isso, mova o detector D1 para longe da fonte de fótons. O padrão de interferência parece o mesmo de antes. Agora vamos colocar placas de um quarto de onda na frente das fendas para determinar qual caminho o fóton percorreu. O padrão de interferência desaparece. Em seguida, vamos apagar as informações de "para que lado" colocando um polarizador orientado adequadamente na frente do detector D1. O padrão de interferência aparece novamente! No entanto, o apagamento foi feito após o fóton de sinal ter sido registrado pelo detector D2. Como isso é possível? O fóton tinha que estar ciente da mudança de polaridade antes que qualquer informação sobre ele pudesse alcançá-lo.

5. Experimentos com um feixe de laser.

A sequência natural de eventos é invertida aqui; o efeito precede a causa! Esse resultado mina o princípio da causalidade na realidade que nos cerca. Ou talvez o tempo não importe quando se trata de partículas emaranhadas? O emaranhamento quântico viola o princípio da localidade na física clássica, segundo o qual um objeto só pode ser afetado por seu ambiente imediato.

Desde o experimento brasileiro, muitos experimentos semelhantes foram realizados, o que confirma plenamente os resultados aqui apresentados. No final, o leitor gostaria de explicar claramente o mistério desses fenômenos inesperados. Infelizmente, isso não pode ser feito. A lógica da mecânica quântica é diferente da lógica do mundo que vemos todos os dias. Devemos aceitar isso humildemente e nos alegrar com o fato de que as leis da mecânica quântica descrevem com precisão os fenômenos que ocorrem no microcosmo, que são usados ​​utilmente em dispositivos técnicos cada vez mais avançados.