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O experimento da dupla fenda e "um mistério" da mecânica quântica
Richard Feynman disse que a experiência da dupla fenda contém o "único mistério" da mecânica quântica.
Vou usar apenas este experimento, que foi projetado para conter todo o mistério da mecânica quântica, para confrontá-los com os paradoxos, mistérios e peculiaridades da natureza em sua totalidade. Qualquer outra situação na mecânica quântica, como se vê, sempre pode ser explicada dizendo: 'Vocês se lembram do caso do experimento com os dois buracos É a mesma coisa'. Mostraremos que o (único) mistério da mecânica quântica é como meras "probabilidades" podem controlar causalmente (estatisticamente) as posições das partículas materiais — como informações imateriais podem afetar o mundo material. Isso permanece um profundo mistério metafísico . O experimento da dupla fenda foi, até recentemente, em grande parte um experimento mental, visto que é difícil construir uma demonstração barata, mas suas previsões foram verificadas de diversas maneiras desde a década de 1960, principalmente com elétrons. Recentemente, CCDs extremamente sensíveis, usados em fotografia, foram utilizados para coletar eventos de fóton único, estabelecendo experimentalmente tudo o que Albert Einstein imaginou, simplesmente pensando sobre o assunto, já em 1905.
A luz no ponto amarelo desaparece lentamente à medida que a segunda fenda se abre! Adicionar luz faz com que parte da luz desapareça! O experimento da dupla fenda demonstra melhor do que qualquer outro experimento que uma função de onda quântica ψ é uma amplitude de probabilidade que pode interferir consigo mesma , produzindo locais onde a probabilidade de |ψ| ² (o quadrado do valor absoluto da amplitude de probabilidade complexa) de encontrar uma partícula quântica é, na verdade, zero. Talvez o aspecto mais contraintuitivo do experimento da dupla fenda seja quando observamos primeiro o padrão de luz na tela com apenas uma fenda aberta, e depois abrimos a segunda fenda — admitindo mais luz no experimento — e notamos que alguns pontos na tela onde havia luz visível através de uma fenda agora escureceram! E isso acontece mesmo quando admitimos apenas uma partícula de luz por vez. Como Feynman perguntou, pode essa única partícula saber que duas fendas estão abertas? As ondas de luz são frequentemente comparadas às ondas na água, assim como as ondas de probabilidade quântica, mas esta última comparação é um erro grave. Ondas na água e ondas de luz (assim como ondas sonoras) contêm algo substancial como matéria ou energia. Mas as ondas quânticas são apenas informação abstrata — possibilidades matemáticas. Como nos diz Paul Dirac , as funções de onda quânticas não são substâncias.
Desenho de Young de 1802 sobre interferência de ondas;
Ondas na água em um lago; Dr. Quantum e o experimento da dupla fenda Acredita-se que o experimento da dupla fenda demonstre o famoso "colapso" da função de onda ou "redução" do pacote de ondas, o que revela um elemento probabilístico inerente à mecânica quântica, irremediavelmente ontológico e nada semelhante à indeterminação epistemológica (ignorância humana) da física estatística clássica. Veremos adiante que a ideia da onda de luz "colapsando" instantaneamente para se tornar uma partícula foi concebida pela primeira vez por Einstein em 1905. Trata-se de um equívoco, ainda amplamente difundido. Note que a amplitude de probabilidade ψ é pura informação . Não é matéria nem energia. Quando uma função de onda "colapsa" ou "atravessa ambas as fendas" neste experimento deslumbrante, nada material ou energético está viajando mais rápido que a velocidade da luz ou atravessando ambas as fendas. Argumentamos que a partícula de matéria ou energia sempre passa por apenas uma fenda, embora a popular interpretação de Copenhague da física afirme que não podemos conhecer a trajetória da partícula, que uma trajetória sequer existe até que façamos uma medição, que a partícula pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo, e outros absurdos semelhantes que incomodavam profundamente Einstein , que almejava uma "realidade objetiva" independente dos observadores humanos. ( A "teoria da onda piloto" de David Bohm concorda que uma partícula objetivamente real viaja por uma fenda, guiada por sua onda piloto, que viaja por ambas.) Um grande número de panpsiquistas , alguns filósofos e alguns cientistas acreditam que a mente de um observador consciente é necessária para causar o colapso da função de onda . Algo semelhante ocorre nos experimentos mentais de Einstein-Podolsky-Rosen , onde a medição de uma componente de spin específica de uma partícula significa que a outra partícula agora possui o valor exatamente oposto da sua mesma componente de spin, para conservar o spin total em zero. Nada físico (matéria ou energia) é transmitido para a outra partícula "emaranhada". A ideia de que um fragmento imaterial de informação é "teletransportado" para a outra partícula também é equivocada. Os spins antiparalelos são criados simultaneamente, em um referencial especial. Não há violação da relatividade. Mostraremos que é a conservação do momento angular ou do spin que torna o estado da segunda partícula coerentemente emaranhada determinado, independentemente da distância que ela possa estar após a medição. No experimento de dupla fenda, assim como no experimento de três polarizadores de Dirac , o caso crítico a ser considerado é o de apenas um fóton ou elétron por vez no experimento. Ao analisar uma partícula por vez (seja um fóton ou um elétron), o objeto quântico é erroneamente descrito como interferindo consigo mesmo, quando a interferência nunca é observada em um único evento. A interferência só se manifesta nas estatísticas de um grande número de experimentos. Mesmo no caso de uma única fenda, franjas de interferência são visíveis quando um grande número de partículas está presente, embora isso raramente seja descrito no contexto do mistério quântico de duas fendas . É a relação fundamental entre uma partícula e a onda associada que controla a localização provável de uma partícula que levanta a questão da "realidade local", inicialmente observada em 1905 e descrita em 1909 por Albert Einstein . Trinta anos depois, o artigo de EPR e as descobertas de Erwin Schrödinger sobre a função de onda de duas partículas emaranhadas convenceram os físicos de que havia um problema profundo. Foi somente trinta anos depois, em 1964, que John Stewart Bell idealizou um teste experimental capaz de confirmar ou refutar a mecânica quântica. Ironicamente, o objetivo do "teorema" de Bell era invalidar os aspectos não intuitivos da mecânica quântica e restaurar a esperança de Einstein em uma visão mais determinística de uma "realidade objetiva" no nível microscópico da física quântica, ou talvez até mesmo abaixo dele. Quase na mesma época, em suas famosas Palestras de Física no Caltech e nas Palestras Messenger em Cornell, Richard Feynman descreveu o experimento da dupla fenda como uma demonstração do que ele afirmava ser o "único mistério" da mecânica quântica. Podemos, portanto, iniciar a discussão sobre o experimento da dupla fenda com um trecho da sexta palestra de Feynman no Messenger, intitulada "Probabilidade e Incerteza". Disponibilizamos o vídeo e o texto completos da palestra nesta página , e uma versão que começa com a provocativa afirmação de Feynman de que "ninguém entende a mecânica quântica" abaixo.
Como, pergunta Feynman, uma única partícula pode passar por ambas as fendas Nossa resposta (e a de David Bohm ) é que cada partícula passa por uma fenda, conservando matéria e energia. A partícula sempre passa por uma única fenda. Uma partícula não pode estar dividida e em dois lugares ao mesmo tempo. É a função de onda que interfere consigo mesma. E a partícula altamente localizada não pode ser identificada com a onda amplamente distribuída no espaço. A função de onda ψ é determinada resolvendo-se a equação de Schrödinger, dadas as condições de contorno do aparelho de medição (o recipiente). Veremos que o que passa por ambas as fendas é apenas informação imaterial — a função de onda de amplitude de probabilidade ψ(t) — se resolvermos a equação de Schrödinger dependente do tempo. A função de onda imaterial exerce uma influência causal sobre as partículas, uma influência que podemos justificadamente chamar de "misteriosa". Isso resulta em estatísticas de muitos experimentos concordando com as previsões da mecânica quântica, com precisão crescente à medida que aumentamos o número de experimentos idênticos. É essa "influência", e não uma "força" comum, que constitui o "único mistério" de Feynman na mecânica quântica. Vamos analisar primeiro o caso de uma fenda única. Preparamos uma fenda com tamanho aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz para observar os efeitos da difração de Fraunhofer com maior clareza. Ondas paralelas provenientes de uma fonte distante incidem sobre a fenda por baixo. O diagrama mostra que a onda proveniente da borda esquerda da fenda interfere com a onda proveniente da borda direita. Se a largura da fenda for d e o comprimento de onda do fóton for λ, em um ângulo α ≈ λ/2d haverá interferência destrutiva. Em um ângulo α ≈ λ/ d , há interferência construtiva (que se manifesta como a dispersão de padrões de raios nas ondas interferentes na ilustração). A interferência construtiva leve leva à formação dos picos no padrão de interferência.
A altura da função ou curva na parte superior do diagrama é proporcional ao número de fótons que incidem sobre a tela. Inicialmente, eles são pixels individuais em um CCD ou grãos em uma placa fotográfica, mas com o tempo e com um número muito grande de fótons, eles aparecem como gradientes contínuos de luz na faixa abaixo (representamos essa intensidade como a altura da função).
E agora, o que acontece se adicionarmos uma segunda fenda Talvez devêssemos começar mostrando o que acontece se realizarmos o experimento com a primeira fenda aberta por um tempo e, em seguida, com a segunda fenda aberta pelo mesmo período. Nesse caso, a altura da curva de intensidade é a soma das curvas para cada fenda individual.
Mas essa não é a curva de intensidade que obtemos quando as duas fendas estão abertas simultaneamente! Em vez disso, vemos muitas novas franjas de interferência com ângulos de largura muito menores, α ≈ λ/ D , onde D agora é a distância entre as duas fendas. Observe que o envelope geral da curva é semelhante ao de uma grande fenda de largura D. E observe também muito mais ramificações de interferência construtiva nas ondas sobrepostas.
Lembrando que a interferência de dupla fenda aparece mesmo que apenas uma partícula por vez incida sobre as duas fendas, entendemos por que muitos dizem que a partícula interfere consigo mesma. Mas é a função de onda, e somente ela, que interfere consigo mesma. Independentemente da fenda pela qual a partícula passe, é a amplitude de probabilidade ψ, cujo módulo ao quadrado |ψ| ², nos dá a probabilidade de encontrar uma partícula em algum lugar, o padrão de interferência. Ele é o que é porque as duas fendas estão abertas .
Este é o mistério metafísico mais profundo da mecânica quântica. Como uma onda de probabilidade abstrata pode influenciar as trajetórias das partículas a ponto de causar interferência quando um grande número de partículas é coletado?
Por que padrões de interferência aparecem quando ambas as fendas estão abertas, mesmo quando as partículas passam por apenas uma fenda, embora não possamos saber qual fenda, senão perderíamos a interferência?
Agora vamos diminuir a velocidade de abertura e fechamento da fenda da direita para que possamos ver mais de perto o que está acontecendo.
Colapso da função de onda
Mas como interpretamos a noção de "colapso" da função de onda Nos instantes imediatamente anteriores à detecção de uma partícula no CCD ou na placa fotográfica, existe uma probabilidade finita e não nula de que o fóton possa ser detectado em qualquer ponto onde o módulo (conjugado complexo ao quadrado) da função de onda de amplitude de probabilidade tenha um valor diferente de zero. Se nosso experimento fosse fisicamente muito grande (e de fato é grande em comparação com a escala atômica), podemos dizer que a probabilidade finita de detectar ( potencialmente medir) a partícula na posição x1 na tela "colapsa" (vai a zero) e reaparece como parte da probabilidade unitária (certeza) de que a partícula esteja em x2 , onde é de fato medida. Como o colapso a zero da probabilidade em x1 é instantâneo com a medição em x2 , os críticos da teoria quântica gostam de dizer que algo viajou mais rápido que a velocidade da luz. Isso fica mais claro nos aspectos de não-localidade e emaranhamento do experimento de Einstein-Podolsky-Rosen . Mas a soma de todas as probabilidades de medição em qualquer ponto da tela não é uma grandeza física; é apenas informação imaterial que "colapsa" para um ponto. Eis o que acontece com a função de onda da amplitude de probabilidade (as ondas azuis) quando a partícula é detectada na tela (seja uma placa fotográfica ou um CCD) na segunda franja de interferência à direita (ponto vermelho). A probabilidade simplesmente desaparece instantaneamente.
Animação do colapso de uma função de onda - clique para reiniciar
Aqui está outra versão desta animação.
História
A primeira sugestão de duas direções possíveis através de uma fenda, uma das quais desaparece ("colapsa") quando a outra se concretiza (implicando uma misteriosa correlação "não local" entre as direções), foi feita por Albert Einstein na Conferência Solvay de 1927 sobre "Elétrons e Fótons". Niels Bohr recordou a ocasião com uma descrição um tanto confusa. Eis sua lembrança de 1949:
Na discussão geral em Como , todos sentimos falta da presença de Einstein, mas logo depois, em outubro de 1927, tive a oportunidade de encontrá-lo em Bruxelas, na Quinta Conferência de Física do Instituto Solvay, que foi dedicada ao tema "Elétrons e Fótons". Embora Bohr pareça ter ignorado completamente a ideia de Einstein, Werner Heisenberg ao menos conseguiu explicá-la bem. Em suas palestras de 1930 na Universidade de Chicago, Heisenberg apresentou uma crítica tanto à teoria das partículas quanto à teoria das ondas, incluindo um novo exemplo de não-localidade que Einstein aparentemente havia desenvolvido desde 1927. Essa crítica inclui a preocupação de Einstein com a "ação à distância", que poderia violar seu princípio da relatividade, e antecipa o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen . Heisenberg escreveu: Em relação a essas considerações, podemos considerar outro experimento idealizado (devido a Einstein). Imaginemos um fóton representado por um pacote de ondas construído a partir de ondas de Maxwell. Ele terá, portanto, uma certa extensão espacial e também uma certa faixa de frequência. Por reflexão em um espelho semitransparente, é possível decompô-lo em duas partes: um pacote refletido e um pacote transmitido. Existe, então, uma probabilidade definida de encontrar o fóton em uma ou na outra parte do pacote de ondas dividido. Após um tempo suficiente, as duas partes estarão separadas por qualquer distância desejada; agora, se um experimento resultar que o fóton está, digamos, na parte refletida do pacote, a probabilidade de encontrar o fóton na outra parte do pacote torna-se imediatamente zero. O experimento na posição do pacote refletido exerce, portanto, uma espécie de ação (redução do pacote de ondas) no ponto distante ocupado pelo pacote transmitido, e observa-se que essa ação se propaga com uma velocidade maior que a da luz. No entanto, também é óbvio que esse tipo de ação jamais poderá ser utilizado para a transmissão de sinais, de modo a não entrar em conflito com os postulados da teoria da relatividade. Claramente, o "tipo de ação (redução do pacote de ondas)" descrito por Heisenberg é a mesma influência "misteriosa" que a função de onda exerce sobre os locais onde a partícula será encontrada estatisticamente em um grande número de experimentos, incluindo o nosso "mistério" canônico, o experimento da dupla fenda. Além da informação estatística contida na função de onda, a mecânica quântica nos fornece apenas informações vagas e incertas sobre qualquer partícula individual. Essa é a verdadeira origem do princípio da incerteza de Heisenberg . É por isso que Einstein descreve corretamente a mecânica quântica como "incompleta". A mecânica quântica não prova que a partícula de fato não possui posição em cada instante e que sua trajetória conserva seu momento, spin e outras propriedades. Na visão de Einstein sobre a "realidade objetiva", a partícula possui essas propriedades, mesmo que a mecânica quântica nos impeça de conhecê-las - sem uma medição que destrua suas capacidades de interferência ou as "decoere". Outras animações do experimento da dupla fenda
Nenhuma dessas animações, vistas milhões de vezes, consegue explicar por que uma partícula que entra por uma fenda quando ambas estão abertas exibe as propriedades de ondas características de duas fendas abertas. Continua sendo o "único mistério" da mecânica quântica de Feynman.
Estúdios Digitais da PBS
Veritasium
Veritasium
Animação de Dualidade Onda-Partícula
Um ponto positivo desta animação é que ela inicialmente mostra apenas partículas sendo disparadas contra as fendas. Isso é importante historicamente porque Isaac Newton acreditava que a luz era um fluxo de partículas viajando ao longo de um raio de luz. Ele resolveu muitos problemas de óptica rastreando raios de luz através de lentes. Mas, sem uma explicação verbal clara, é difícil de acompanhar. Este pesquisador mostra o padrão de interferência que aparece quando apenas uma fenda está aberta (como animado acima). Muitos dizem erroneamente que não há interferência quando apenas uma fenda está aberta.
A versão de Fresnel-Arago do experimento de dupla fenda
Analisamos a versão da Hamamatsu Photonics do experimento de dupla fenda de Fresnel-Arago . Neste experimento, polarizadores são posicionados a +45 e -45 graus sobre as fendas esquerda e direita. Vejamos como a função de onda explica os diferentes resultados com um terceiro polarizador (analisador) intermediário entre as fendas e a tela, em orientação vertical ou horizontal. Como explica Paul Dirac , um polarizador de 45 graus produz fótons em uma combinação linear (ou superposição) de estados verticais |v> e horizontais [h>].
| d > = ( 1/√2) | v > + ( 1/√2) | h >
Assim, os fótons que passam pela fenda esquerda ou direita são 50% verticais e 50% horizontais. Observe, porém, que os fótons verticais que passam por ambas as fendas estão em fase (apontando para cima), enquanto os fótons horizontais que passam pela fenda da direita (+45 apontando para a direita |→>) estão fora de fase com aqueles que passam pela fenda da esquerda (-45 apontando para a esquerda |←>). Assim, quando o polarizador intermediário (analisador) está na vertical, ele permite a passagem de fótons que estão em fase | ↑> |↑> e estes interferem construtivamente, como explicam os diagramas de Hamamatsu. Fótons polarizados horizontalmente são absorvidos. A franja central é brilhante.
Quando o polarizador intermediário está na horizontal, os fótons polarizados verticalmente são absorvidos, os fótons que passam diretamente pelas fendas à esquerda e à direita estão em oposição de fase, |←> e |→>, e, portanto, interferem destrutivamente, |←> |→>. A franja central fica escura. Quando o ângulo dos fótons que passam pelas fendas é para a esquerda ou para a direita, o percurso da luz em uma das fendas é mais longo e a diferença de fase se torna zero nas franjas brilhantes em ambos os lados do centro escuro.
As ondas (ou funções de onda) nos informam sobre as probabilidades de encontrar fótons, e os ângulos em que eles saem das fendas determinam suas fases relativas. Para Professores
Para Pesquisadores
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