EXPERIMENTOS DE ESCOLHA RETARDADAMonografia Apresentada junto ao IF-UFRJ como Requisito para Obtenção do Título de Licenciado em Física.

HUGO LEONARDO LEITE LIMA 04-12-2013

Roteiro

IntroduçãoPrincípios da Mecânica QuânticaDualidade Onda-PartículaEscolha RetardadaExperimentosConclusão

Introdução

• 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.

Por quê?

Introdução

Expor os experimentos de escolha retardada didaticamente, para

estudantes de cursos introdutórios de física moderna

ou mecânica quântica.

Objetivo

Dualidade Onda-PartículaExperimento 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-PartículaQual 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-PartículaInterferômetro de Mach-Zehnder

Interferômetro de Mach-Zehnder (regime clássico)

Experimento Ondulatório

Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton)

Não há informação de

qual – caminho

Há interferênci

a

Experimento Corpuscular

Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton)

Há informação de

qual – caminho

Não há interferênci

a

A polarização nos fornece informação

sobre o caminho do fóton

Não há interferênci

a

Interferômetro de Mach-Zehnder com Polarizadores

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 RetardadaEscolha Retardada de Wheeler

•Interferômetro de Mach-Zehnder,

•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.

O que acontece

com o fóton?

Comportamento

corpuscular?

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 interferên

cia

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.

ExperimentosExperimento 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

ExperimentosApagador 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, reestabelecendo-se assim a interferência. Esse experimento foi chamado de “apagador quântico”.

ExperimentosExperimento 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 interferênci

a

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