experimentos de escolha retardada monografia apresentada junto ao if-ufrj como requisito para...
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EXPERIMENTOS DE ESCOLHA RETARDADAMonografia Apresentada junto ao IF-UFRJ como Requisito para Obtenção do Título de Licenciado em Física.
HUGO LEONARDO LEITE LIMA 04-12-2013
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Roteiro
IntroduçãoPrincípios da Mecânica QuânticaDualidade Onda-PartículaEscolha RetardadaExperimentosConclusão
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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?
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Introdução
Expor os experimentos de escolha retardada didaticamente, para
estudantes de cursos introdutórios de física moderna
ou mecânica quântica.
Objetivo
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Dualidade Onda-PartículaExperimento de Young Com Elétrons (Feynman)
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Realização do Experimento
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• 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.
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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.
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Dualidade Onda-PartículaQual o Caminho do Elétron?
Aplicativo
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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 NÃO SIM
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Dualidade Onda-PartículaInterferômetro de Mach-Zehnder
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Interferômetro de Mach-Zehnder (regime clássico)
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Experimento Ondulatório
Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton)
Não há informação de
qual – caminho
Há interferênci
a
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Experimento Corpuscular
Interferômetro de Mach-Zehnder (fóton a fóton)
Há informação de
qual – caminho
Não há interferênci
a
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A polarização nos fornece informação
sobre o caminho do fóton
Não há interferênci
a
Interferômetro de Mach-Zehnder com Polarizadores
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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.
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Escolha RetardadaEscolha 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.
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O nome “escolha retardada” é devido à possibilidade de escolher colocar/retirar o segundo semiespelho após o fóton ter ultrapassado o primeiro.
O que acontece
com o fóton?
Comportamento
corpuscular?
Comportamento
ondulatório?
Em que momento o fóton decide como vai se comportar?
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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.
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Coloca-se uma tela de detecção, que pode ser removida, na frente de dois telescópios.
Coloca-se a tela
Interferência
Retira-se a tela
Não há interferên
cia
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.
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ExperimentosExperimento 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
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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.
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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
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ExperimentosApagador 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”.
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ExperimentosExperimento de Kim et al.
Apagador Quântico de Escolha Retardada
Uma das versões mais próximas do experimento original de Scully e Drühl
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Versão Ondulatória
Átomos de dois níveis
Não é possível saber qual átomo emitiu o
fóton γ
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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.
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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?
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Experimento Completo
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Resultados
Figura obtida em D0, para detecções do fóton ϕ em D3.
Não há interferênci
a
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Resultados
Figura obtida em D0, para detecções do fóton ϕ em D1 ou D2.
Interferência
reaparece!
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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?
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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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FIM