Experiência da dupla fenda

7 de maio, 2015 às 19:02 | Postado em Mecânica quântica, Ondas eletromagnéticas, Óptica

Experiencias de projeção de fotons contra um anteparo com dupla fenda atras do qual existe uma superficie fotossensivel, mostram um comportamento ondulatorio (padrão de interferencia) quando um detector de fotons está desligado, e um comportamento corpuscular (duas linhas distintas)quando o detector está ligado, para observar por qual das fendas o foton estaria passando, o que parece incompreensivel. Pergunta: que tipo de detector seria usado numa experiência deste tipo sem que ele, por sua atuação na experiência, pudesse ser tomado como causa palpável deste comportamento surprendente ?. Solicito a gentilza de informar via e-mail se uma resposta for publicada no site. Obrigado.

O experimento de dupla-fenda (ou experimento de Young) é um dos mais importantes resultados empíricos na história da Física. Quando, no início do século 19, Thomas Young mostrou que havia fenômeno de interferência neste experimento ele indicou que a luz consistia de ondas. Este fato foi crucial para a aceitação da teoria ondulatória da luz, pois durante os séculos 17 e 18 a teoria vigente para a luz era a teoria corpuscular proposta por Newton. Já no inicio do século 20, as descobertas dos efeitos Compton (deu o Nobel a Arthur H. Compton em 1927) e  fotoelétrico (Nobel a Einstein em 1921 pela sua explicação do fenômeno) mostrou que sob diferentes condições a luz pode comportar-se como se fosse composta de partículas discretas. Estes resultados aparentemente contraditórios tornou necessário levar-se em conta a natureza quântica da luz.

A pergunta se refere a colocação de detectores nas fendas, de maneira que se poderia detectar em qual delas um fóton atravessa e então a figura de interferência desapareceria do aparato final.  Estes são os chamados experimentos “which-way”, os quais foram encarados como experimentos de pensamento (gedanken) até o final dos anos 1970. Na interpretação de Copenhague da Mecânica Quântica (MQ), pelo principio da complementaridade não se pode observar a partícula passando por uma das duas fendas sem destruir o efeito de interferência: você teria que escolher entre a partícula e a onda e, no próprio ato da medição, a onda colapsaria, em uma espécie de interferência inexorável do observador sobre a partícula. Pelo Princípio da Incerteza de Heisenberg, não é possível medir simultaneamente  com precisão arbitrária a posição (qual fenda serviu de caminho) e o momento (expresso no padrão de interferência) de uma partícula quântica.

Análises do tipo “which-way” feitas nos anos 1980 [1,2], demostraram que a interferência podia não ser destruída completamente. Ou seja, medidas que perturbam fracamente as partículas durante o seu trânsito influenciariam a figura de interferência em um grau pequeno (se mediria uma figura de interferência degradada). Ainda neste tópico, nos anos 2000 [3] demonstrou-se que o comportamento ondulatório pode ser restaurado se são feitas medidas após a passagem das partículas pela fenda usando inicialmente um experimento do tipo “which-way”  (este fenômeno é denominado borracha ou apagador quântico ou quantum eraser, em inglês).  Neste caso, a informação de qual fenda a partícula cruzou é “apagada” e a figura de interferência típica no anteparo reaparece.

Mais recentemente, em 2012 [4], um experimento identificou a trajetória que cada partícula tinha tomado sem ter qualquer efeito na figura de interferência gerado pelas partículas. O experimento foi capaz de recompor, por uma técnica que os físicos chamam de medição fraca, a trajetória média dos fótons sem interferir com eles. Este experimento fez uso do fenômeno de medida fraca (weak measurement) em mecânica quântica. A ideia básica da medida fraca é que a interação (ou distúrbio) entre o aparato de medida e o sistema ou partícula  observado é tão fraco que a função de onda não colapsa e continua inalterada. Ou seja, uma medida fraca é aquela onde o acoplamento entre o aparato de medida e o observável a ser medido é tão pequeno que a incerteza numa única medida é grande comparada com o autovalor do observável.  Usualmente, este tipo de medida é conduzido em duas partes, usando o método de pós-seleção. O ponto chave é ter um estado inicial bem definido e também um estado final desejado. Primeiro, mede-se fracamente e então uma segunda medida é feita (uma medida forte, usual em MQ), na qual é aplicada uma pós-seleção. Apesar que este tipo de medida pareça estar em desacordo com  alguns aspectos básicos da teoria quântica, o formalismo teórico subjacente está sustentado dentro dos limites da MQ e não contradiz nenhum conceito fundamental. A ideia de medidas fracas e valores fracos foi desenvolvida inicialmente por Yakir Aharonov, David Albert e Lev Vaidman em publicação científica no ano 1988 [5].

Vide também Abrangência do comportamento ondulatório da matéria

[1] P. Mittelstaedt; A. Prieur; R. Schieder (1987). “Unsharp particle-wave duality in a photon split-beam experiment”. Foundations of Physics 17 (9): 891–903.

[2] D.M. Greenberger and A. Yasin (1988), “Simultaneous wave and particle knowledge in a neutron interferometer”, Physics Letters A 128, 391–4 (1988).

[3] Hillmer, R.; Kwiat, P. (2007). “A do-it-yourself quantum eraser” (PDF). Scientific American Magazine 296 (5): 90–95.

[4] Ralf Menzela, Dirk Puhlmann, Axel Heuer and Wolfgang P. Schleich (2012). “Wave-particle dualism and complementarity unraveled by a different mode”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America: PNAS June 12, 2012 vol. 109 no. 24 9314-9319.

[5] Yakir Aharonov, David Z. Albert, and Lev Vaidman (1988). “How the result of a measurement of a component of the spin of a spin-1/2 particle can turn out to be 100”. Physical Review Letters 60 (14): 1351–1354.

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