Medir a realidade realmente afeta o que você observa
O experimento da dupla fenda, centenas de anos depois de ter sido realizado pela primeira vez, ainda mantém o mistério central da física quântica.- Passe uma onda de luz por uma fenda dupla e você verá um padrão de interferência na tela atrás dela, mostrando que a luz é uma onda.
- Esse padrão persiste mesmo se você enviar fótons um de cada vez, mas somente se você não medir por qual fenda eles passam.
- A natureza dual onda/partícula da realidade é demonstrada pelo experimento simples da dupla fenda, mostrando que o ato de observar realmente afeta o resultado.
Quando dividimos a matéria nos menores pedaços possíveis de que ela é feita — na matéria que pode ser dividida ou não mais dividida — essas coisas indivisíveis a que chegamos são conhecidas como partículas fundamentais: os quanta que compõem nosso Universo. Mas é uma história complicada cada vez que fazemos a pergunta: como cada quantum individual se comporta? Eles se comportam como partículas? Ou eles se comportam como ondas?
O fato mais intrigante sobre a mecânica quântica é que a resposta que você obtém depende de como você olha para os quanta individuais que fazem parte do experimento. Se você fizer certas classes de medições e observações, elas se comportarão como partículas; se você fizer outras escolhas, elas se comportarão como ondas. Se e como você observa seu próprio experimento realmente muda o resultado, e o experimento de dupla fenda é a maneira perfeita de mostrar como.
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 decorrente de fontes de onda originadas em dois pontos: A e B. Esta é uma configuração fisicamente idêntica a um duplo experimento de fenda, embora se aplique tão bem a ondas de água propagadas através de um tanque.Há mais de 200 anos, o primeiro experimento de dupla fenda foi realizado por Thomas Young, que investigava se a luz se comportava como uma onda ou como uma partícula. Newton afirmou que deveria ser uma partícula, ou corpúsculo, e foi capaz de explicar uma série de fenômenos com essa ideia. Reflexão, transmissão, refração e quaisquer fenômenos ópticos baseados em raios eram perfeitamente consistentes com a visão de Newton de como a luz deveria se comportar.
Mas outros fenômenos pareciam precisar de ondas para explicá-los: interferência e difração em particular. Quando você passa a luz por uma fenda dupla, ela se comporta da mesma maneira que as ondas de água, produzindo aquele padrão de interferência familiar. Os pontos claros e escuros que apareceram na tela atrás da fenda correspondiam a uma interferência construtiva e destrutiva, indicando que — pelo menos nas circunstâncias certas — a luz se comporta como uma onda.
Se você tem duas fendas muito próximas uma da outra, é lógico que qualquer quantidade individual de energia passará por uma fenda ou pela outra. Como muitos outros, você pode pensar que a razão pela qual a luz produz esse padrão de interferência é porque você tem muitos diferentes quanta de luz - fótons - todos passando pelas várias fendas juntos e interferindo uns nos outros.
Então você pega um conjunto diferente de objetos quânticos, como elétrons, e os dispara na fenda dupla. Claro, você obtém um padrão de interferência, mas agora consegue um ajuste brilhante: você dispara os elétrons um de cada vez através das fendas. Com cada novo elétron, você registra um novo ponto de dados para onde pousou. Depois de milhares e milhares de elétrons, você finalmente vê o padrão que surge. E o que você vê? Interferência.
Os elétrons exibem propriedades de onda, bem como propriedades de partículas, e podem ser usados para construir imagens ou sondar tamanhos de partículas tão bem quanto a luz. Aqui, você pode ver os resultados de um experimento em que os elétrons são disparados um de cada vez através de uma fenda dupla. Uma vez que elétrons suficientes são disparados, o padrão de interferência pode ser visto claramente.De alguma forma, cada elétron deve estar interferindo consigo mesmo, agindo fundamentalmente como uma onda.
Por muitas décadas, os físicos se intrigaram e discutiram sobre o que isso realmente significa. O elétron está passando pelas duas fendas ao mesmo tempo, interferindo em si mesmo de alguma forma? Isso parece contra-intuitivo e fisicamente impossível, mas temos uma maneira de saber se isso é verdade ou não: podemos medi-lo.
Então, montamos o mesmo experimento, mas desta vez, temos um pouco de luz que iluminamos em cada uma das duas fendas. Quando o elétron passa, a luz é levemente perturbada, então podemos “sinalizar” qual das duas fendas ela passou. A cada elétron que passa, recebemos um sinal vindo de uma das duas fendas. Por fim, cada elétron foi contado e sabemos por qual fenda cada um passou. E agora, no final, quando olhamos para a nossa tela, é isso que vemos.
Se você medir por qual fenda um elétron passa ao realizar um experimento de fenda dupla uma de cada vez, não obtém um padrão de interferência na tela atrás dele. Em vez disso, os elétrons se comportam não como ondas, mas como partículas clássicas. Um efeito semelhante também pode ser observado em experimentos de fenda única (esquerda).Esse padrão de interferência? Foi-se. Em vez disso, é substituído por apenas duas pilhas de elétrons: os caminhos que você esperaria que cada elétron tomasse se não houvesse nenhuma interferência.
O que está acontecendo aqui? É como se os elétrons “sabessem” se você os está observando ou não. O próprio ato de observar essa configuração - de perguntar 'Por qual fenda cada elétron passou?' — muda o resultado do experimento.
Se você medir por qual fenda o quantum passa, ele se comporta como se passasse por uma e apenas uma fenda: ele age como uma partícula clássica. Se você não medir por qual fenda o quantum passa, ele se comporta como uma onda, agindo como se tivesse passado pelas duas fendas simultaneamente e produzindo um padrão de interferência.
O que realmente está acontecendo aqui? Para descobrir, temos que realizar mais experimentos.
Ao configurar uma máscara móvel, você pode optar por bloquear uma ou ambas as fendas para o experimento de fenda dupla, vendo quais são os resultados e como eles mudam com o movimento da máscara.Um experimento que você pode configurar é colocar uma máscara móvel na frente de ambas as fendas, enquanto ainda dispara elétrons através delas, um de cada vez. Praticamente, isso agora foi realizado da seguinte forma:
- uma máscara móvel com um buraco começa bloqueando ambas as fendas,
- ele se move para o lado para que a primeira fenda seja então desmascarada,
- continua se movendo para que a segunda fenda também seja desmascarada (junto com a primeira),
- a máscara continua seu movimento até que a primeira fenda seja novamente coberta (mas a segunda ainda é desmascarada),
- e, finalmente, ambas as fendas são cobertas novamente.
Como o padrão muda?
Os resultados do experimento de fenda dupla 'mascarado'. Observe que quando a primeira fenda (P1), a segunda fenda (P2) ou ambas as fendas (P12) estão abertas, o padrão que você vê é muito diferente dependendo se uma ou duas fendas estão disponíveis.Exatamente como você pode esperar:
- você vê um padrão de uma fenda (sem interferência) se apenas uma fenda estiver aberta,
- o padrão de duas fendas (interferência) se ambas as fendas estiverem abertas,
- e um híbrido dos dois nos tempos intermediários.
É como se ambos os caminhos existissem como opções disponíveis simultaneamente, sem restrições, você obteria interferência e comportamento de onda. Mas se você tiver apenas um caminho disponível, ou se um dos caminhos estiver restrito de alguma forma, você não sofrerá interferência e obterá um comportamento semelhante ao de uma partícula.
Então, voltamos a ter as duas fendas na posição “aberta” e iluminamos ambas enquanto você passa os elétrons, um de cada vez, pelas fendas duplas.
Experimentos de fenda dupla realizados com luz produzem padrões de interferência, como fariam com qualquer onda. As propriedades de diferentes cores de luz são devidas aos seus diferentes comprimentos de onda. As faixas claras e escuras estreitamente espaçadas são o efeito da fenda dupla; o padrão escuro e brilhante mais amplamente espaçado é causado pelo efeito de fenda única mais estreito. Se você medir por qual fenda a luz (ou qualquer quantum de onda/partícula) passa, esse padrão de interferência é destruído.Se sua luz for energética (alta energia por fóton) e intensa (um grande número total de fótons), você não obterá nenhum padrão de interferência. 100% de seus elétrons serão medidos nas próprias fendas e você obterá os resultados esperados apenas para partículas clássicas.
Mas se você diminuir a energia por fóton, descobrirá que, quando cai abaixo de um certo limite de energia, não interage com todos os elétrons. Alguns elétrons passarão pelas fendas sem registrar por qual fenda passaram, e você começará a recuperar o padrão de interferência à medida que diminuir sua energia.
A mesma coisa com a intensidade: conforme você diminui, o padrão de “duas pilhas” desaparecerá lentamente, substituído pelo padrão de interferência, enquanto que se você aumentar a intensidade, todos os vestígios de interferência desaparecem.
E então, você tem a brilhante ideia de usar fótons para medir por qual fenda cada elétron passa, mas para destruir essa informação antes de olhar para a tela.
Uma configuração de experimento de borracha quântica, onde duas partículas emaranhadas são separadas e medidas. Nenhuma alteração de uma partícula em seu destino afeta o resultado da outra. Você pode combinar princípios como o apagador quântico com o experimento da fenda dupla e ver o que acontece se você mantiver ou destruir, ou olhar ou não olhar, a informação que você cria medindo o que ocorre nas próprias fendas.Esta última ideia é conhecida como quanto apagar experimento , e produz o resultado fascinante de que, se você destruir suficientemente a informação, mesmo depois de medir por qual fenda as partículas passaram, verá um padrão de interferência na tela.
De alguma forma, a natureza sabe se temos a informação que “marca” a fenda pela qual uma partícula quântica passou. Se a partícula estiver marcada de alguma forma, você não obterá um padrão de interferência ao olhar para a tela; se a partícula não estiver marcada (ou foi medida e depois desmarcada pela destruição de suas informações), você obterá um padrão de interferência.
Nós até tentamos fazer o experimento com partículas quânticas que tiveram seu estado quântico “espremido” para ser mais estreito do que o normal, e elas não apenas exibem essa mesma estranheza quântica , mas o padrão de interferência que sai também é espremido em relação ao padrão de fenda dupla padrão .
Os resultados de estados quânticos não espremidos (à esquerda, rotulados como CSS) versus espremidos (à direita, rotulados como CSS espremidos). Observe as diferenças nos gráficos de densidade de estados e que isso se traduz em um padrão de interferência de fenda dupla fisicamente espremido.É extremamente tentador, à luz de todas essas informações, perguntar o que milhares e milhares de cientistas e estudantes de física perguntaram ao aprender: o que tudo isso significa sobre a natureza da realidade?
Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!Isso significa que a natureza é inerentemente não determinista?
Isso significa que o que mantemos ou destruímos hoje pode afetar os resultados de eventos que já deveriam ser determinados no passado?
Que o observador desempenha um papel fundamental na determinação do que é real?
Uma variedade de interpretações quânticas e suas diferentes atribuições de uma variedade de propriedades. Apesar de suas diferenças, não há experimentos conhecidos que possam distinguir essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas.A resposta, desconcertante, é que não podemos concluir se a natureza é determinística ou não, local ou não local, ou se a função de onda é real. O que o experimento da fenda dupla revela é a descrição mais completa da realidade que você jamais conseguirá. Conhecer os resultados de qualquer experimento que possamos realizar é o máximo que a física pode nos levar. O resto é apenas uma interpretação.
Se sua interpretação da física quântica puder explicar com sucesso o que os experimentos nos revelam, ela é válida; todos os que não podem são inválidos. Todo o resto é estética e, embora as pessoas sejam livres para discutir sobre sua interpretação favorita, nenhuma pode reivindicar ser “real” mais do que qualquer outra. Mas o coração da física quântica pode ser encontrado nesses resultados experimentais. Nós impomos nossas preferências ao Universo por nossa própria conta e risco. O único caminho para a compreensão é ouvir o que o Universo nos diz sobre si mesmo.
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