EXPERIMENTOS DE ESCOLHA RETARDADA

1. 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

2. Roteiro • Introdução • Princípios da Mecânica Quântica • Dualidade Onda-Partícula • Escolha Retardada • Experimentos • Conclusão

3. 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?

4. Introdução Expor os experimentos de escolha retardada didaticamente, para estudantes de cursos introdutórios de física moderna ou mecânica quântica. Objetivo

5. Dualidade Onda-Partícula Experimento de Young Com Elétrons (Feynman)

6. Realização do Experimento

7. 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.

8. 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.

9. Dualidade Onda-Partícula Qual o Caminho do Elétron? • Aplicativo

10. Para afirmarmos se o elétron se comporta como onda ou como partícula, devemos considerar o experimento realizado.

11. Dualidade Onda-Partícula Interferômetro de Mach-Zehnder

12. Interferômetro de Mach-Zehnder (regime clássico)

13. Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton) Experimento Ondulatório Não há informação de qual – caminho Há interferência

14. Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton) Experimento Corpuscular Há informação de qual – caminho Não há interferência

15. Interferômetro de Mach-Zehnder com Polarizadores A polarização nos fornece informação sobre o caminho do fóton Não há interferência

16. 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.

17. Escolha Retardada Escolha 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.

18. 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?

19. 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.

20. Coloca-se uma tela de detecção, que pode ser removida, na frente de dois telescópios. Interferência Coloca-se a tela 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.

21. 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

22. 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.

23. 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

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

25. Experimentos Experimento de Kim et al. • Apagador Quântico de Escolha Retardada • Uma das versões mais próximas do experimento original de Scully e Drühl

26. Versão Ondulatória Átomos de dois níveis Não é possível saber qual átomo emitiu o fóton γ

27. 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.

28. 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?

29. Experimento Completo

30. Resultados Figura obtida em D0, para detecções do fóton ϕ em D3. Não há interferência

31. Resultados Figura obtida em D0, para detecções do fóton ϕ em D1 ou D2. Interferência reaparece!

32. 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?

33. 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.

35. FIM