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Pergunte a Ethan: A luz é fundamentalmente uma onda ou uma partícula?

A luz é bem conhecida por exibir propriedades semelhantes a ondas e partículas, como mostrado aqui nesta fotografia de 2015. O que é menos apreciado é que as partículas de matéria também exibem essas propriedades semelhantes a ondas. Mesmo algo tão massivo quanto um ser humano também deve ter propriedades ondulatórias, embora medi-las seja difícil. (FABRIZIO CARBONE/EPFL (2015))

E podemos inventar um experimento para contar, mesmo quando não estamos olhando?

Um dos aspectos mais bizarros da física quântica é que as entidades fundamentais que compõem o Universo, o que conhecemos como os quanta indivisíveis da realidade, se comportam tanto como uma onda quanto como uma partícula. Podemos fazer certos experimentos, como disparar fótons em uma folha de metal, onde eles agem como partículas, interagindo com os elétrons e os expulsando apenas se individualmente tiverem energia suficiente. Outros experimentos, como disparar fótons em pequenos objetos finos – sejam fendas, cabelos, buracos, esferas ou mesmo DVDs – fornecem resultados padronizados que mostram comportamento exclusivamente ondulatório. O que observamos parece depender de quais observações fazemos, o que é no mínimo frustrante. Existe alguma maneira de dizer, fundamentalmente, qual é a natureza de um quanta e se é semelhante a uma onda ou a uma partícula em seu núcleo? É isso que Sandra Marin quer saber, perguntando:

Gostaria de saber se você poderia me ajudar a entender John Wheeler – o experimento da escolha atrasada e escrever um artigo sobre isso.

John Wheeler foi uma das mentes mais brilhantes da física no século 20, responsável por enormes avanços na teoria quântica de campos, Relatividade Geral, buracos negros e até computação quântica. No entanto, a ideia sobre o experimento de escolha atrasada remonta talvez à nossa primeira experiência com a dualidade onda-partícula da física quântica: o experimento da dupla fenda.

O comportamento da luz branca ao passar por um prisma demonstra como a luz de diferentes energias se move em diferentes velocidades através de um meio, mas não através do vácuo. Newton foi o primeiro a explicar a reflexão, a refração, a absorção e a transmissão, bem como a capacidade da luz branca de se dividir em cores diferentes, mas não descreveu corretamente as propriedades das ondas da luz. (UNIVERSIDADE DE IOWA)

A ideia de um experimento de dupla fenda remonta a Christiaan Huygens, um cientista proeminente do século 17 que, em muitos aspectos, era um formidável rival de Isaac Newton. Newton insistiu que a luz era um raio semelhante a partículas - um corpúsculo, em suas palavras - apontando para fenômenos como a refração da luz através de um cristal. Huygens, no entanto, percebeu que havia propriedades da luz que eram muito melhor explicadas com ondas, como interferência e difração.

Se você deixasse cair um objeto em uma poça de água estável e parada, por exemplo, você observaria como ele gerava ondulações que viajavam para fora: ondas. Se você montar uma barreira para bloquear as ondas, mas colocar uma única e fina fenda na barreira, as ondas viajarão por essa fenda, fazendo o mesmo padrão ondulado. Se você colocasse duas dessas fendas juntas, esses padrões ondulados se sobreporiam, com as ondulações se somando em alguns lugares e se cancelando em outros. Agora conhecemos esses fenômenos como interferência construtiva e destrutiva. Huygens demonstrou que era isso que acontecia com as ondas de água e suspeitava fortemente que o mesmo ocorreria com as ondas de luz.

Este diagrama, que remonta ao trabalho de Thomas Young no início dos anos 1800, é uma das imagens mais antigas que demonstram interferência construtiva e destrutiva como decorrentes de fontes de ondas originadas em dois pontos: A e B. Esta é uma configuração fisicamente idêntica a um duplo experimento de fenda, embora se aplique igualmente a ondas de água propagadas através de um tanque. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS SAKURAMBO)

que experimento chave foi finalmente realizada cerca de 100 anos depois por Thomas Young, que conseguiu criar uma luz monocromática o suficiente para realmente testar a ideia. Se você iluminar a luz branca através de uma fenda dupla, ela vem em todos os comprimentos de onda diferentes e, portanto, você não pode detectar interferência construtiva ou destrutiva; todos os diferentes comprimentos de onda se sobrepõem, produzindo uma faixa contínua de luz branca. Mas com a luz monocromática, não só o padrão de interferência emergia, como era diretamente relacionado de forma facilmente calculável ao comprimento de onda da luz escolhida. (Esta experiência é muito mais fácil de fazer com os lasers modernos, que fornecem não apenas luz monocromática, mas coerente.)

Com o tempo, o experimento da fenda dupla ficou mais refinado. Foi demonstrado que funciona para diferentes cores e comprimentos de onda. Funciona no vácuo, bem como na mídia. Funciona para todas as partículas quânticas, incluindo átomos e elétrons, não apenas para fótons. E funciona mesmo se você enviar os fótons um de cada vez. Os fótons não interferem apenas uns nos outros, mas se comportam como se cada fóton individual de alguma forma interferisse consigo mesmo.

A luz de diferentes comprimentos de onda, quando passa por uma fenda dupla, exibe as mesmas propriedades ondulatórias que outras ondas. O padrão de fenda dupla que você vê depende do comprimento de onda da luz, bem como da separação entre as fendas. O padrão maior de picos e mergulhos é devido à largura das próprias fendas individuais. (GRUPO DE SERVIÇOS TÉCNICOS DO DEPARTAMENTO DE FÍSICA DO MIT)

Então, a luz é uma onda, certo? Não tão rápido. Há outra modificação que você pode fazer no experimento da fenda dupla: você pode tentar medir por qual fenda – fenda nº 1 ou fenda nº 2 – os fótons passam. Você os dispara um de cada vez e mede se o primeiro fóton passa pela fenda #2. Você dispara um segundo e mede se ele passou pela fenda nº 1. E você faz isso, exatamente como fez antes, por milhares e milhares de fótons, construindo seu padrão na tela.

Adivinha?

Desta vez, ao contrário de antes, você não obtém mais um padrão de interferência! Em vez de ter regiões alternadas onde muitos fótons se acumulam intercaladas com regiões desprovidas de fótons, você obtém apenas dois pedaços: um pedaço onde os fótons passaram direto pela fenda #1 e outro onde eles passaram direto pela fenda #2. É quase como se o fóton soubesse se você o está observando, comportando-se como uma onda quando você não o faz e uma partícula quando o faz.

Se você medir por qual fenda um elétron passa ao realizar um experimento de fenda dupla um de cada vez, não obterá um padrão de interferência na tela atrás dele. Em vez disso, os elétrons se comportam não como ondas, mas como partículas clássicas. Isso é verdade para elétrons, fótons ou qualquer quanta que você use. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

É aqui que surge a ideia de O experimento de escolha retardada de Wheeler Se o fóton vai se comportar de forma diferente se você vai medir por qual fenda ele passa, então deve haver uma maneira de descobrir o que o próprio fóton está fazendo. Está de alguma forma sentindo o aparato experimental? Ele ajusta seu comportamento dependendo de como o experimento é configurado? Ele passa rapidamente de um estado indeterminado para um determinado, ou permanece indeterminado até que você realmente o meça?

Essas eram as questões em que Wheeler estava pensando há cerca de 40 anos, com o objetivo de projetar um experimento (ou vários experimentos) que interrogasse o fóton sob uma variedade de condições. A chave seria submeter o fóton a uma configuração que o faria decidir, vou agir como uma onda ou uma partícula, e então, antes que o fóton chegue ao detector, crie outra mudança que tentaria forçar que o fóton se comporte de maneira oposta. O objetivo era pegar o fóton em um paradoxo: agindo como uma onda quando deveria estar agindo como uma partícula, ou vice-versa.

Os elétrons exibem propriedades de onda, assim como os fótons, e podem ser usados ​​para construir imagens ou sondar tamanhos de partículas tão bem quanto a luz. Se você mede ou não o padrão de interferência depende inteiramente de sua configuração experimental e do que ocorre no detector. (THIERRY DUGNOLLE)

A motivação para esses experimentos pode não ser óbvia, mas é preciso lembrar que existem muitas interpretações diferentes para a física quântica que se encaixam nos dados da época. Existe uma função de onda quântica real e ela colapsa quando você faz uma medição? Existe um conjunto infinito de resultados possíveis - um conjunto - e a medição apenas permite que você saiba qual caminho o Universo tomou? Existe uma quantidade infinita de Universos paralelos por aí onde todos os resultados ocorrem, e nós apenas ocupamos um desses caminhos?

Ainda não sabemos. Mas o que motivou Wheeler foi a noção de variáveis ​​ocultas. Talvez, a ideia, o Universo seja realmente determinista, mesmo no nível quântico. Talvez além das propriedades que podemos observar, existam propriedades que cada partícula quântica possui que não são observáveis ​​para nós, mas que pré-determinam qual será o resultado de qualquer experimento. Se ao menos conseguíssemos interrogar a natureza da maneira correta, talvez pudéssemos até descobrir quais seriam essas variáveis ​​ocultas.

Foi com essa noção em mente que Wheeler concebeu esses testes: para entender precisamente quando esses fótons fizeram a transição de onda para partícula e vice-versa.

Embora, no nível quântico, a realidade pareça ser instável, indeterminada e inerentemente incerta, muitos acreditaram firmemente que pode haver propriedades que são invisíveis para nós, mas que, no entanto, determinam o que uma realidade objetiva, independente do observador, realmente pode estar. Não encontramos nenhuma evidência para essa afirmação em 2021. (NASA/CXC/M.WEISS)

O que você mede, é claro, depende de qual pergunta você faz, bem como de como você a faz. Se você quer saber, onde está esse quantum de energia, isso é uma medição de posição: uma propriedade inerentemente semelhante a partículas. Alternativamente, você pode perguntar qual é a frequência ou a amplitude desse quantum, e essas são propriedades inerentemente semelhantes a ondas. O que você não pode fazer, porém, é medir uma propriedade semelhante a uma partícula e uma propriedade semelhante a uma onda simultaneamente.

Além disso, a única medida que podemos fazer para um fóton é inerentemente destrutiva para o fóton; detectar um fóton requer uma interação com outro quanta, como um elétron, que então produz um sinal que pode ser registrado em algum tipo de detector. Você pode fazer o experimento que quiser para um único fóton, e repetir o experimento quantas vezes quiser, mas a única informação que você pode registrar é da interação de um fóton com algum tipo de detector: uma tela, um tubo fotomultiplicador, uma porta eletrônica, etc.

Embora Wheeler tenha proposto muitos experimentos para testar isso, meu favorito é um interferômetro que pode ser colocado em duas configurações: aberto e fechado.

Esta imagem ilustra um dos experimentos de escolha retardada de Wheeler. Na versão superior, um fóton é enviado através de um divisor de feixe, onde ele tomará o caminho vermelho ou azul e atingirá um detector ou outro. Na versão inferior, existe um segundo divisor de feixe na extremidade, produzindo um padrão de interferência quando os caminhos são combinados. Atrasar a escolha da configuração não tem efeito sobre o resultado experimental. (PATRICK EDWIN MORAN/ WIKIMEDIA COMMONS)

Um interferômetro funciona enviando dois caminhos de luz em direções diferentes e, em seguida, combinando-os no final, produzindo um padrão de interferência dependente do comprimento do caminho percorrido pelos fótons. Você pode fazer isso com um único fóton, inicialmente passando-o por um divisor de feixe, de modo que 50% da luz segue o caminho azul, acima, enquanto os outros 50% seguem o caminho vermelho. A luz é então refletida nos espelhos, onde:

• você escolhe a configuração aberta (topo, acima) e simplesmente detecta um fóton com caminho vermelho ou um fóton com caminho azul, onde ele age como uma partícula ao atingir os detectores,
• ou você escolhe a configuração fechada (abaixo, abaixo), onde um segundo divisor de feixe recombina a luz, onde ela age como uma onda na tela.

No exemplo aberto, o fóton toma um caminho ou outro, aparecendo apenas em um detector. No exemplo fechado, o fóton deve seguir ambos os caminhos para interferir consigo mesmo. Wheeler percebeu que, se você passasse o fóton pelo primeiro divisor de feixe, você poderia trocar o segundo divisor, abrindo ou fechando como quiser, para tentar pegar o fóton no ato de ser uma onda ou uma partícula .

Trajetórias de uma partícula em uma caixa (também chamada de poço quadrado infinito) na mecânica clássica (A) e na mecânica quântica (B-F). Você pode pensar que a realidade simplesmente existe e existe independentemente do observador, mas se você vê um comportamento semelhante a uma onda ou a uma partícula depende inteiramente de como você faz sua observação. (STEVE BYRNES / SBYRNES321 OF WIKIMEDIA COMMONS)

E, no entanto, não importa como você faça esse experimento, você sempre obtém os mesmos resultados. Se, quando o fóton chega ao local onde deveria estar o segundo divisor, o divisor está lá (fechado), você sempre obtém o padrão de onda. Se o segundo divisor não estiver lá (aberto), você sempre recebe uma partícula chegando em um detector ou outro. Em outras palavras, mesmo que o fóton estivesse destinado a percorrer o caminho azul, originalmente, aparecendo em um detector específico, a inserção do segundo divisor de feixe, mesmo no último instante, sempre devolve o padrão de onda.

Em outras palavras, atrasar sua escolha de como você mede seu sistema quântico, mesmo até o último instante, não importa quanto tempo o quantum (seja um fóton, elétron, átomo ou qualquer outra coisa) esteja viajando em sua jornada. , não tem efeito sobre o resultado experimental. Embora Einstein quisesse definitivamente que tivéssemos uma realidade completamente compreensível, onde tudo o que acontecia obedecesse às nossas noções de causa e efeito sem qualquer retrocausalidade , foi seu grande rival Bohr que acabou acertando nesse ponto. Nas palavras do próprio Bohr:

não pode fazer diferença, no que diz respeito aos efeitos observáveis ​​obtidos por um arranjo experimental definido, se nossos planos para construir ou manusear os instrumentos são fixados de antemão ou se preferimos adiar a conclusão de nosso planejamento até um momento posterior, quando a partícula é já a caminho de um instrumento para outro.

Esta imagem mostra o distante quasar J043947.08+163415.7 observado com o Telescópio Espacial Hubble. O fato de haver várias imagens significa que podemos pegar a luz desses diferentes pontos e combiná-los ou não, observando propriedades quânticas semelhantes a ondas para a luz, se fizermos, e propriedades semelhantes a partículas, se não o fizermos. É assim que a realidade se comporta. (NASA, ESA, X. FAN (UNIVERSIDADE DO ARIZONA))

Mais recentemente, os astrônomos têm usado dados de lentes gravitacionais , onde várias imagens do mesmo objeto chegam depois de viajar muitos milhões ou mesmo bilhões de anos pelo Universo, para demonstrar a mesma coisa. Os fótons que chegam agem como partículas se você não os recombinar em seu detector e agem como ondas se o fizer. Embora alguns deles tenham deixado sua fonte quando a forma de vida mais complexa da Terra era um organismo unicelular, podemos trocar um tipo de detector por outro no último instante, implicando que o fóton sempre foi uma onda ou sempre um partícula para produzir o resultado que vemos.

O que aprendemos ao longo dos anos, com esses experimentos e muitos outros, é que todos os quanta se comportam inerentemente como se fossem ondas e partículas simultaneamente, com sua escolha de como você mede determinando os resultados que você vê. Até onde podemos dizer, não existe uma realidade objetiva e determinista verdadeira que exista independentemente de observadores ou interações. Neste Universo, você realmente precisa observar para descobrir o que obtém.

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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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