#106 A física quântica está certa uma partícula em dois caminhos simultâneos 19/11/22

O experimento da dupla fenda é o mais famoso e provavelmente o mais importante experimento da física quântica: partículas individuais são lançadas contra uma parede com duas aberturas, atrás das quais um detector mede onde as partículas chegam. Isso mostra que as partículas não se movem ao longo de um caminho muito específico, como é conhecido dos objetos clássicos, mas ao longo de vários caminhos simultaneamente: cada partícula individual passa pela abertura esquerda e direita.

Normalmente, no entanto, isso só pode ser comprovado realizando o experimento repetidamente e avaliando os resultados de muitas detecções de partículas no final. Uma equipe da Áustria e do Japão, conseguiram desenvolver uma nova variante de um experimento de interferência bidirecional que pode corrigir essa falha: um único nêutron é medido em uma posição específica - e devido à configuração de medição sofisticada, essa medição única já prova que a partícula se moveu ao longo de dois caminhos diferentes ao mesmo tempo. É ainda possível determinar a proporção em que o nêutron foi distribuído entre os dois caminhos. Assim, o fenômeno da superposição quântica pode ser comprovado sem a necessidade de recorrer a argumentos estatísticos. Os resultados foram publicados na revista "Physical Review Research".

"No experimento clássico de fenda dupla, um padrão de interferência é criado atrás da fenda dupla", explica Stephan Sponar, do Instituto Atômico da Universidade tecnológica de Viena. "As partículas se movem como uma onda através de ambas as aberturas ao mesmo tempo, e as duas ondas parciais interferem uma na outra. Em alguns lugares elas se reforçam, em outros lugares elas se anulam."

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

"Portanto, o comportamento de partículas individuais é explicado com base em resultados que só se tornam visíveis por meio da investigação estatística de muitas partículas", diz Holger Hofmann, da Universidade de Hiroshima, que desenvolveu a teoria por trás do experimento. "É claro que isso não é totalmente satisfatório. Portanto, consideramos como o fenômeno da interferência bidirecional pode ser comprovado com base na detecção de uma única partícula."

Isso foi possível com a ajuda de nêutrons na fonte de nêutrons de ILL em Grenoble: os nêutrons são enviados para um cristal que divide a onda quântica do nêutron em duas ondas parciais, muito semelhante ao experimento clássico de dupla fenda. As duas ondas parciais de nêutrons se movem ao longo de dois caminhos diferentes e são recombinadas novamente. Eles interferem e são então medidos.

Além disso, porém, outra propriedade do nêutron é explorada: seu spin - o momento angular da partícula. Pode ser influenciado por campos magnéticos, o momento angular do nêutron então aponta em uma direção diferente. Se o spin do nêutron for girado em apenas um dos dois caminhos, é possível determinar posteriormente qual caminho ele percorreu. No entanto, o padrão de interferência também desaparece, como consequência da complementaridade na mecânica quântica. "Portanto, giramos um pouco o spin do nêutron", explica Hartmut Lemmel, o primeiro autor da publicação atual. "Então o padrão de interferência permanece, porque você só pode obter muito pouca informação sobre o caminho. Para ainda obter informações precisas sobre o caminho, esta "fraca" medição é repetida muitas vezes em experimentos convencionais. No entanto, obtém-se apenas uma declaração estatística sobre todo o conjunto de nêutrons e pode-se dizer pouco sobre cada nêutron individual."

A situação é diferente se, após a fusão das duas ondas parciais de nêutrons, outro campo magnético for usado para inverter o spin novamente. Por tentativa e erro, determina-se o ângulo de rotação necessário para transformar o giro do estado sobreposto de volta à direção original. A força dessa rotação é uma medida de quão fortemente o nêutron estava presente em cada caminho. Se tivesse percorrido apenas o caminho em que o spin foi girado, seria necessário o ângulo total de rotação para girá-lo de volta. Se tivesse tomado apenas o outro caminho, nenhuma rotação reversa seria necessária. No experimento realizado com um divisor de feixe assimétrico especial, foi demonstrado que os nêutrons estavam presentes a um terço em um caminho e a dois terços no outro.