experimentos de escolha retardada

EXPERIMENTOS DE ESCOLHA
RETARDADA
Monografia Apresentada junto ao IF-UFRJ como
Requisito para Obtenção do Título de Licenciado em
Física.
HUGO LEONARDO LEITE LIMA
04-12-2013
Roteiro
Introdução
Princípios da Mecânica Quântica
Dualidade Onda-Partícula
Escolha Retardada
Experimentos
Conclusão
Introdução
Por quê?
• Assunto pouco explorado em livros-texto
sobre mecânica quântica;
• Excelente exemplo de como a teoria quântica
contradiz algumas das noções mais
elementares que temos sobre a natureza.
Introdução
Objetivo
Expor os experimentos de escolha
retardada didaticamente, para estudantes
de cursos introdutórios de física moderna
ou mecânica quântica.
Dualidade Onda-Partícula
Experimento de Young Com Elétrons (Feynman)
Realização do Experimento
• Inicialmente não se observa um
padrão de interferência; em seguida ele
se torna cada vez mais nítido e
posteriormente volta a desaparecer.
• A soma da probabilidades com uma
fenda aberta, não é igual a
probabilidade com as duas abertas.
 Cada detecção corresponde a um
único ponto.
 No início, os pontos parecem estar
distribuídos de maneira aleatória, mas
após várias detecções, observamos um
padrão de interferência.
Dualidade Onda-Partícula
Qual o Caminho do Elétron?
 Aplicativo
Para afirmarmos se o elétron se comporta como onda
ou como partícula, devemos considerar o experimento
realizado.
COMPORTAMENTO
INFORMAÇÃO DE
QUAL-CAMINHO
INTERFERÊNCIA
Corpuscular
SIM
NÃO
Ondulatório
NÃO
SIM
Dualidade Onda-Partícula
Interferômetro de Mach-Zehnder
Interferômetro de Mach-Zehnder (regime clássico)
Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton)
Experimento Ondulatório
Não há
informação de
qual – caminho
Há
interferência
Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton)
Experimento Corpuscular
Há informação de
qual – caminho
Não há
interferência
Interferômetro de Mach-Zehnder com Polarizadores
A polarização nos
fornece informação
sobre o caminho do
fóton
Não há
interferência
Interferômetro de Mach-Zehnder com Polarizadores
(regime quântico)
Não é necessário
medir a polarização do
fóton para que a
interferência
desapareça.
Basta que haja
informação de
qual – caminho.
Escolha Retardada
Escolha Retardada de Wheeler
•Interferômetro de MachZehnder,
•Um fóton por vez;
•Possibilidade de colocar ou
retirar o semiespelho
enquanto o fóton está
percorrendo o
interferômetro.
 O nome “escolha retardada” é devido à possibilidade de escolher
colocar/retirar o segundo semiespelho após o fóton ter ultrapassado o
primeiro.
Comportamento
corpuscular?
O que
acontece com
o fóton?
Comportamento
ondulatório?
Em que momento o
fóton decide como
vai se comportar?
Para enfatizar essa situação, Wheeler propôs uma variação do
experimento, desta vez em escala astronômica
 Um fóton gerado num quasar distante, passa por uma galáxia, que está a 1
bilhão de anos-luz da terra.
 Há dois caminhos possíveis para o fóton, de maneira semelhante ao
experimento de dupla fenda.
 Coloca-se uma tela de detecção, que pode ser removida, na frente de dois
telescópios.
Coloca-se
a tela
Interferência
Retira-se
a tela
Não há
interferência
Não importa o caminho que o fóton
escolheu seguir, mesmo que isso tenha
ocorrido há bilhões de anos. O que
imaginamos ter acontecido com o fóton
no passado depende de uma escolha do
observador no presente.
Experimentos
Experimento de Jacques et al. (2007)
 Primeiro a reproduzir de maneira fiel o experimento pensado de Wheeler
 Interferômetro de Mach-Zehnder com polarizadores ortogonais entre si
 Escolha da configuração é feita por um gerador quântico de números
aleatórios (QRNG).
 O experimento é configurado de maneira a não ser possível que
qualquer informação referente à configuração do interferômetro chegue ao
fóton antes que este alcance o primeiro semiespelho (separação
relativística).
 Diferença de fase entre os caminhos é modulada através de um atuador
piezoelétrico (PZT).
 Toda informação é processada após terminadas as detecções.
Resultados:
Eventos de
configuração
fechada (com o
semiespelho)
Interferência
com 94% de
visibilidade
Eventos de
configuração
aberta (sem o
semiespelho)
Não há modulação
associada à
diferença de fase
Experimentos
Apagador Quântico
 Por que não podemos observar simultaneamente em um experimento o
comportamento ondulatório e o corpuscular?
 O comportamento “dual” do fóton se deve ao princípio da incerteza?
 Argumenta-se que esse comportamento guarda uma relação direta com o
ato de medir, o qual provocaria um distúrbio incontrolável no sistema.
 Em 1982, Scully e Drühl propuseram um experimento que evita essa
perturbação incontrolável, utilizando um par de fótons.
 Um dos fótons é detectado em uma tela, enquanto que o outro leva
consigo a informação de qual-caminho, que pode ser apagada, reestabelecendose assim a interferência. Esse experimento foi chamado de “apagador
quântico”.
Experimentos
Experimento de Kim et al.
 Apagador Quântico de Escolha Retardada
 Uma das versões mais próximas do experimento original de Scully e Drühl
Versão Ondulatória
Átomos de dois níveis
Não é possível saber qual
átomo emitiu o fóton γ
Versão Corpuscular
Átomos de três níveis
É possível saber qual
átomo emitiu o fóton γ
O padrão de
interferência desaparece,
sem que seja necessário
efetuar a medida.
Basta que exista
a informação de
qual-caminho.
Apagando a Informação
Átomos de quatro níveis
Só e possível saber obter a
informação de qual caminho através do fóton
ϕ, ou seja, observando de
onde veio o fóton ϕ.
O que acontece se
a informação de
qual – caminho for
obtida após o fóton
γ já ter sido
registrado na tela?
Experimento Completo
Resultados
Figura obtida em D0, para detecções do fóton ϕ em D3.
Não há
interferência
Resultados
Figura obtida em D0, para detecções do fóton ϕ em D1
ou D2.
Interferência
reaparece!
 A escolha retardada, nesse caso, é feita pelo fóton ϕ, quando esse
encontra B1 ou B2.
A distância entre os detectores
D1, D2, D3 e D4 pode ser tal
que, quando o fóton ϕ tiver
sido detectado, o fóton γ já
não exista mais!
O presente alterando o
passado?
Conclusão
 Qual a origem dessa inversão na sequência temporal dos fatos?
As premissas adotadas foram incorretas. Não
podemos afirmar por onde o fóton passou, uma
vez que isso seria pressupor uma medida não feita.
A realidade é criada no momento da observação. Nas palavras de Bohr:
“Nenhum fenômeno elementar é um fenômeno até que seja observado”
 Os experimentos de escolha retardada derrubam tentativas
simplistas de explicar o comportamento de sistemas quânticos a
partir de uma evolução causal no espaço e no tempo.
 Apesar de toda a estranheza causada, os experimentos de escolha
retardada confirmam o que a teoria quântica prevê.
FIM