• Começa Com Um Estrondo

Observar o universo realmente muda o resultado, e este experimento mostra como

O padrão de onda para elétrons passando por uma fenda dupla, um de cada vez. Se você medir por qual fenda o elétron passa, você destrói o padrão de interferência quântica mostrado aqui. No entanto, o comportamento de onda permanece enquanto os elétrons têm um comprimento de onda de Broglie menor que o tamanho da fenda pela qual estão passando. (DR. TONOMURA E BELSAZAR DA WIKIMEDIA COMMONS)

O experimento da dupla fenda, todos esses anos depois, ainda guarda o mistério-chave no coração da física quântica.

Quando dividimos a matéria nos menores pedaços possíveis de que ela é feita – nas coisas que podem ser divididas ou não mais divididas – essas coisas indivisíveis a que chegamos são conhecidas como quanta. 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 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)

Mais de 200 anos atrás, o primeiro experimento de dupla fenda foi realizado por Thomas Young, que estava investigando se a luz se comportava como uma onda ou uma partícula. Newton afirmou que deveria ser uma partícula, ou corpúsculo, e foi capaz de explicar vários 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 da água, produzindo aquele padrão de interferência familiar. Os pontos claros e escuros que apareceram na tela atrás da fenda correspondiam a interferências construtivas e destrutivas, indicando que – pelo menos sob as circunstâncias certas – a luz se comporta como uma onda.

Se você tem duas fendas muito próximas uma da outra, é lógico que qualquer quantum individual de energia passará por uma ou outra fenda. Como muitos outros, você pode pensar que a razão pela qual a luz produz esse padrão de interferência é porque você tem muitos quanta diferentes 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 você apresenta um ajuste brilhante: você dispara os elétrons um de cada vez através das fendas. Com cada novo elétron, você grava um novo ponto de dados para onde ele 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. (THIERRY DUGNOLLE / DOMÍNIO PÚBLICO)

De alguma forma, cada elétron deve estar interferindo em si mesmo, agindo fundamentalmente como uma onda.

Por muitas décadas, os físicos ficaram intrigados e argumentaram sobre o que isso significa que realmente deve estar acontecendo. 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 brilha em cada uma das duas fendas. Quando o elétron passa, a luz é levemente perturbada, então podemos sinalizar por qual das duas fendas ele passou. Com 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 nossa tela, é isso que vemos.

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. (WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD)

Esse padrão de interferência? Foi-se. Em vez disso, ele é substituído por apenas duas pilhas de elétrons: os caminhos que você esperaria que cada elétron seguisse se não houvesse interferência.

O que está acontecendo aqui? É como se os elétrons soubessem se você os está observando ou não. O próprio ato de observar essa configuração – de perguntar por qual fenda cada elétron passou? — altera 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: age como uma partícula clássica. Se você não medir por qual fenda o quantum passa, ele se comporta como uma onda, agindo como se passasse 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. (R. BACH ET AL., NOVA REVISTA DE FÍSICA, VOLUME 15, MARÇO DE 2013)

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,
• ele 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 esteja desmascarada),
• e finalmente ambas as fendas são cobertas novamente.

Como o padrão muda?

Os resultados do experimento “mascarado” da dupla fenda. 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. (R. BACH ET AL., NOVA REVISTA DE FÍSICA, VOLUME 15, MARÇO DE 2013)

Exatamente como você poderia esperar:

• você vê um padrão de uma fenda (não interferente) 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 estivessem como opções disponíveis simultaneamente, sem restrições, você obtém interferência e comportamento semelhante a uma onda. Mas se você tiver apenas um caminho disponível, ou se qualquer caminho for restrito de alguma forma, você não terá interferência e terá um comportamento semelhante a partículas.

Então, voltamos a ter ambas as fendas na posição aberta e a iluminar ambas à medida que você passa os elétrons, um de cada vez, pelas fendas duplas.

Um experimento de laser de mesa é uma consequência moderna da tecnologia que permitiu provar o absurdo: que a luz não se comportava como uma partícula. (CAU, ROHWER ET AL.)

Se sua luz for tanto energética (alta energia por fóton) quanto intensa (um grande número de fótons totais), você não obterá um 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 eles passaram, e você começará a recuperar o padrão de interferência à medida que diminui sua energia.

A mesma coisa com a intensidade: à medida que você abaixa, o padrão de duas pilhas desaparece lentamente, substituído pelo padrão de interferência, enquanto se você aumenta a intensidade, todos os traços de interferência desaparecem.

E então, você tem a brilhante ideia de usar fótons para medir por qual fenda cada elétron passa, mas 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 a borracha quântica 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. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS PATRICK EDWIN MORAN)

Esta última ideia é conhecida como experimento de borracha quântica , e produz o resultado fascinante de que, se você destruir a informação suficientemente, 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 passagem de uma partícula quântica. 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 serem mais estreitos que o normal, e eles não apenas exibir 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 (L, rotulados CSS) versus comprimidos (R, rotulados CSS comprimidos). observe as diferenças nos gráficos de densidade de estados e que isso se traduz em um padrão de interferência de fenda dupla fisicamente espremido. (H. LE JEANNIC ET AL., PHYS. REV. LETT. 120, 073603 (2018))

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?

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 diferenciar essas várias interpretações umas das outras, embora certas interpretações, como aquelas com variáveis ​​ocultas locais, reais e determinísticas, possam ser descartadas. (PÁGINA DA WIKIPEDIA EM INGLÊS SOBRE INTERPRETAÇÕES DA MECÂNICA QUÂNTICA)

A resposta, desconcertante, é que não podemos concluir se a natureza é determinista ou não, local ou não local, ou se a função de onda é real. O que o experimento da dupla fenda revela é a descrição mais completa da realidade que você jamais terá. Conhecer os resultados de qualquer experimento que possamos realizar é o mais longe 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 conta e risco. O único caminho para a compreensão é ouvir o que o Universo nos diz sobre si mesmo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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