Uma partícula em dois caminhos simultaneamente: Física quântica está certa

Com informações da Universidade de Tecnologia de Viena - 18/11/2022

A versão tradicional do experimento da dupla fenda já foi filmado em tempo real.
[Imagem: Juffmann et al. - 10.1038/nnano.2012.34]

Dois caminhos simultâneos

O experimento da dupla fenda é o mais famoso e provavelmente o mais importante experimento da física quântica: Partículas individuais são atiradas contra uma parede com duas aberturas, atrás das quais um detector mede onde as partículas chegam.

O resultado é que cada partícula individual passa tanto pela abertura esquerda quanto pela direita, mostrando que as partículas não se movem ao longo de um caminho específico, como acontece com os objetos clássicos, mas ao longo de vários caminhos simultaneamente - a explicação para isso é que as partículas também podem se comportar como ondas.

Isso, no entanto, só pode ser comprovado realizando o experimento repetidamente e avaliando os resultados de muitos disparos de partículas e suas respectivas detecções - ou seja, é uma explicação baseada na estatística.

Agora, uma equipe da da Áustria e do Japão conseguiu montar um variante desse experimento que pode corrigir essa falha: Um único nêutron é medido em uma posição específica e, devido à configuração de medição muito sofisticada, essa única medição já prova que a partícula se moveu ao longo de dois caminhos diferentes ao mesmo tempo.

É até mesmo possível determinar a proporção em que o nêutron foi distribuído entre os dois caminhos. Assim, o fenômeno da superposição quântica agora foi comprovado sem precisar recorrer a argumentos estatísticos.

O experimento da dupla fenda

"No experimento clássico da dupla fenda, um padrão de interferência é criado atrás da fenda dupla," explica o professor Stephan Sponar, da Universidade de Tecnologia de Viena, cuja equipe já havia conseguido separar uma partícula de suas propriedades. "As partículas se movem como uma onda através de ambas as aberturas ao mesmo tempo, e as duas ondas parciais então interferem uma na outra. Em alguns lugares elas se reforçam, em outros lugares elas se cancelam."

O resultado é um detector cheio de faixas, que os físicos chamam de "franjas".

A probabilidade de detectar a partícula atrás da dupla fenda em um local muito específico depende desse padrão de interferência: Onde a onda quântica é amplificada, a probabilidade de detectar a partícula é alta; onde a onda quântica é cancelada, a probabilidade é baixa. Assim, esta distribuição de ondas não pode ser vista olhando para uma única partícula; somente quando o experimento é repetido muitas vezes o padrão de onda se torna cada vez mais reconhecível ponto por ponto e partícula por partícula.

"Então, o comportamento de partículas individuais é explicado com base em resultados que só se tornam visíveis através da investigação estatística de muitas partículas," disse Holger Hofmann, da Universidade de Hiroshima, no Japão, que desenvolveu a teoria por trás do novo experimento. "É claro que isso não é inteiramente satisfatório. Nós então consideramos como o fenômeno da interferência bidirecional pode ser comprovado com base na detecção de uma única partícula."

Configuração do novo experimento.
[Imagem: Laurent Thion/ILL]

Girando o nêutron

O novo experimento se tornou possível com a ajuda dos nêutrons: Nêutrons são disparados rumo a um cristal que divide a partícula/onda em duas ondas parciais, muito semelhantes ao que acontece no experimento clássico da dupla fenda. As duas ondas parciais do nêutron se movem ao longo de dois caminhos diferentes e são novamente recombinadas no final. Elas interferem uma com a outra e são então medidas.

Mas há uma novidade, com a exploração de uma outra propriedade do nêutron: Seu spin, o momento angular da partícula. O spin pode ser influenciado por campos magnéticos, que fazem o momento angular do nêutron apontar em uma direção diferente. Se o spin do nêutron for rotacionado em apenas um dos dois caminhos, é possível determinar depois qual caminho ele tomou. No entanto, o padrão de interferência também desaparece, como consequência da complementaridade na mecânica quântica.

"Por isso, nós giramos o spin do nêutron apenas um pouco," explicou Hartmut Lemmel, membro da equipe. "Então o padrão de interferência permanece, porque você só pode obter muito pouca informação sobre o caminho. A fim de ainda obter informações precisas sobre o caminho, essa medição fraca é repetida muitas vezes nos experimentos convencionais. No entanto, obtém-se apenas uma declaração estatística sobre todo o conjunto de nêutrons e se pode dizer pouco sobre cada nêutron individual."

Esquema da detecção simultânea do nêutron em dois caminhos.
[Imagem: Hartmut Lemmel et al. - 10.1103/PhysRevResearch.4.023075]

Invertendo a rotação

A situação é diferente se, depois que as duas ondas parciais de nêutrons se fundiram, outro campo magnético for usado para fazer o o spin girar de volta. Por tentativa e erro, pode-se determinar o ângulo de rotação que é necessário para girar o spin, do seu estado sobreposto para a sua direção original.

A força dessa rotação é uma medida de quão forte o nêutron estava presente em cada um dos caminhos. Se ele tivesse tomado apenas o caminho em que o spin foi girado, seria necessário o ângulo total de rotação para girá-lo de volta. Se ele tivesse tomado apenas o outro caminho, nenhuma rotação reversa seria necessária.

No experimento realizado pela equipe, usando um divisor de feixe assimétrico especial, ficou demonstrado que os nêutrons estavam presentes em um terço em um caminho e em dois terços no outro.

Por meio de cálculos detalhados, a equipe conseguiu mostrar que o experimento não detecta apenas um valor médio sobre a totalidade de todos os nêutrons medidos - o veredito se aplica a cada nêutron individual. São necessários muitos nêutrons para determinar o ângulo de rotação ideal, mas, assim que ele é definido, a presença no caminho determinado a partir dele se aplica a cada nêutron detectado.

"Nossas medições fundamentam a teoria quântica clássica," disse Sponar. "A novidade é que ninguém precisa recorrer a argumentos estatísticos insatisfatórios: Ao medir uma única partícula, nosso experimento mostra que ela deve ter percorrido dois caminhos ao mesmo tempo e quantifica as respectivas proporções de forma inequívoca."

Mas, como sempre acontece na ciência, essa grande melhoria em um dos experimentos mais famosos da física gerou uma nova questão: Por que os nêutrons escolhem um caminho na proporção um terço para dois terços (33/66) e não meio a meio (50/50)?

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