EXPERIMENTOS DE ESCOLHA RETARDADA

Apresentação em tema: "EXPERIMENTOS DE ESCOLHA RETARDADA"— Transcrição da apresentação:

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

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

3 Introdução Por quê? 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.

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

5 Princípios da Mecânica Quântica
Visões Clássica e Quântica da Física Determinismo Colisão de bolas de bilhar

6 Princípios da Mecânica Quântica
Visões Clássica e Quântica da Física Determinismo Princípio da Incerteza Restrição fundamental na determinação de grandezas complementares

7 Princípios da Mecânica Quântica
Realidade Física Senso comum: afirmações concretas sobre aquilo que não estamos observando. Sabemos o caminho Compatível com a ideia de trajetória Experimento de dupla-fenda: Não sabemos o caminho Incompatível com a ideia de trajetória Não há como dizer que o elétron está numa posição se esta posição não está sendo observada.

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

9 Realização do Experimento

10 Primeira situação Dispara-se um feixe de elétrons e movimenta-se lentamente a máscara. Finalidade Revelar o caráter ondulatório dos elétrons.

11 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.

12 Segunda situação Disparam-se elétrons individuais, mantendo a máscara na posição central. Finalidade Revelar o caráter corpuscular dos elétrons.

13 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.

14 Dualidade Onda-Partícula
Qual o Caminho do Elétron? Aplicativo

15 INFORMAÇÃO DE QUAL-CAMINHO
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

16 Dualidade Onda-Partícula
Interferômetro de Mach-Zehnder

17 Interferômetro de Mach-Zehnder (regime clássico)

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

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

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

21 Basta que haja informação de qual – caminho.
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.

22 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.

23 Comportamento corpuscular?
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?

24 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.

25 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.

26 Experimento de Jacques et al. (2007)
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

27 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.

28 Resultados: Interferência com 94% de visibilidade
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

29 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”.

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

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

32 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.

33 Átomos de quatro níveis
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?

34 Experimento Completo

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

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

37 O presente alterando o passado?
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?

38 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.

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40 FIM