Dualidade Onda-Partícula / Dúvida sobre o interferômetro de Mach-Zehnder

7 de março, 2018 às 10:57 | Postado em Mecânica quântica

Oi, me chamo Dimitri tenho 17 anos e  tenho uma dúvida sobre o experimento do Interferômetro de Mach-Zehnder. Já era do conhecimento dos pesquisadores que a probabilidade de que o fóton provenha dos caminhos de função de onda |ΨA e |ΨB é a mesma. Porém, não achei em nenhum lugar o que levou os cientistas a colocar outro espelho semirrefletor entre os detectores (D1;D2), ou seja, qual o motivo deles terem colocado outro espelho? É claro que foi aí que descobriram que não seria possível descobrir qual caminho o fóton tomaria para chegar ao seu destino, entretanto não entendo o motivo. Obrigado, Dimitri.

Esquema do Interferômetro de Mach-Zenhnder

Figura 1: Acima: elementos do Interferômetro de Mach-Zehnder e sua correspondência na representação pictórica tridimensional. Abaixo: esquema do interferômetro, mostrando os elementos e os braços A (vermelho) e B (azul). O interferômetro possui duas entradas possíveis I e II. A fonte é colocada na entrada I. Há também duas saídas possíveis, nas quais podem ser posicionados anteparos (como na figura) ou detectores (apenas no regime quântico). Os padrões clássico e quântico obtidos quando os divisores de feixe são balanceados (coeficientes de reflexão e transmissão iguais a 1/2) estão mostrados – a linha vertical que passa pelo centro de cada anteparo permite visualizar que os padrões de interferência nos anteparos 1 e 2 são invertidos um em relação ao outro.

O primeiro divisor de feixe (BS1) serve para colocar o fóton em um estado de superposição (pois há duas possibilidades para a interação do fóton com ele: ser transmitido e refletido com a mesma probabilidade, como disseste na tua pergunta).

Esta é mesma função do segundo divisor de feixe (BS2), colocado entre os detectores (ou anteparos).
Já os espelhos (M1 e M2) servem para mudar a “direção do caminho” do fóton.

Basicamente, para explicar a dualidade onda-partícula, de uma forma mais simples, podemos nos valer de duas noções: se podemos inferir qual “caminho” associar ao fóton, temos um comportamento de partícula; se não sabemos por qual braço (A ou B) “passou” o fóton, temos comportamento de onda (ou seja, vemos padrão de interferência nos anteparos).

Para o caso de um fóton emitido por vez pela fonte, depois de um certo tempo, teremos a formação do padrão de interferência, na 1ª figura, pois com os dois divisores de feixe colocados no interferômetro não é possível inferir se um fóton que atingiu o anteparo 1 “seguiu o caminho” A ou B, pois ao interagir com o segundo divisor de feixe ele tem chance de ser tanto transmitido como refletido por ele. Observe na figura 1 (diagrama à esquerda) que o anteparo 1 pode ser atingido por fótons que “seguem os dois caminhos”, o mesmo valendo para o anteparo 2. Essa superposição é feita pelo segundo divisor de feixe.

Neste caso, com os dois divisores de feixe, como não podemos inferir o “caminho do fóton”, temos padrão de interferência (comportamento de onda).

Quando retiramos o segundo divisor de feixe do interferômetro, conseguimos saber que o fóton que atingiu o anteparo 1 veio do caminho B e o que atingiu o anteparo 2, veio pelo caminho A.

Neste caso, temos, então, comportamento de partícula (sem padrão de interferência nos anteparos), conforme mostra a figura 2:

Resumindo, o interferômetro de Mach-Zehnder ilustra o fenômeno da dualidade onda-partícula para o fóton. No arranjo completo (com os dois divisores de feixe), observamos que seu comportamento é de onda (vemos um padrão de interferência), pois não temos como saber o “caminho” do fóton. Ao retirarmos o segundo divisor de feixe, podemos conhecer o “caminho” do fóton, o que provoca a destruição do padrão de interferência, ou seja, visualizamos seu comportamento corpuscular.

Para saber mais, sugiro:
OSTERMANN, F.; PRADO, S.; RICCI, T. Desenvolvimento de um software para o ensino de fundamentos de Física Quântica. (http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol7/Num1/). Revista Física na Escola, v. 07, p. 22-25, 2006.

Outras postagens sobre Mecânica Quântica: Mecânica quântica