Mais sobre a “ação fantasmagórica à distância” (agora, do NIST)

EurekAlert

Equipe do NIST comprova que a “fantasmagórica ação à distância” é mesmo real

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Krister Shalm, físico do NIST, com a fonte de fótons usados no “experimento de Bell” que dá forte apoio a uma predição chave da mecânica quântica: as “fantasmagóricas ações à distância” realmente existem. Crédito da imagem: Burrus/NIST

 

BOULDER, Colorado. – Einstein estava errado, pelo menos em uma coisa: existem de fato as “fantasmagóricas ações à distância”, conforme comprovado recentemente pelos pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of Standards and Technology = NIST).

Einstein usou esse termo para se referir à mecânica quântica que descreve o curioso comportamento das menores partículas de matéria e da luz. Ele se referia especificamente ao entrelaçamento, a ideia que duas partículas separadas fisicamente podem ter propriedades correlacionadas, com valores incertos até que sejam medidos. Einstein duvidava que isso fosse possível e, até agora, os pesquisadores não tinham sido capazes de comprovar que isso acontecia com confiabilidade quase total.

Tal como descrito em uma artigo publicado online e apresentado para publicação na Physical Review Letters (PRL),* os pesquisadores do NIST e de várias outras instituições criaram pares de partículas de luz idênticas (fótons) e as enviaram a dois locais diferentes para medição. Os pesquisadores demonstraram que os resultados medidos não só tinham correlação entre si, como também — pela eliminação de quaisquer outras opções conhecidas — essas correlações não podem ser causadas pelas condições locais controladas do universo “realístico” onde Einstein pensava que habitamos. A descoberta implica em uma explicação diferente, tal como o entrelaçamento.

Os experimentos do NIST são chamados de experimentos de Bell, assim chamados porque em 1964 o físico irlandês John Bell demonstrou que existem limites para as correlações em medições que podem ser atribuídas às condições locais pré-existentes (ou seja, “realísticas”). Além desses limites, as correlações precisariam ou de sinais mais velozes do que a luz – coisa que os físicos consideram impossível – ou de outro mecanismo, tal como o entrelaçamento quântico.

A equipe de pesquisa alcançou este feito ao fechar simultaneamente todas as três principais lacunas que assolavam todos os testes de Bell anteriores. O fechamento das lacunas se tornou possível com os recentes avanços na tecnologia, inclusive os detectores ultra-rápidos de fótons do NIST que podem detectar com precisão ao menos 90% dos sinais muito fracos e novas ferramentas para escolher aleatoriamente as regulagens dos detectores.

“Não se pode comprovar a mecânica quântica, mas realismo local ou ações ocultas locais são incompatíveis com nosso experimento” declarou Krister Shalm do NIST. “Nossos resultados estão de acordo com as predições da mecânica quântica acerca das ações fantasmagóricas partilhadas por partículas entrelaçadas”.

O artigo do NIST foi apresentado à PRL juntamente com outro artigo da Universidade de Vienna na Áustria que usou um detector de fótons individuais de alta-performance fornecido pelo NIST para a realização de um experimento de Bell que obteve resultados semelhantes.

Os resultados do NIST têm relevância ainda maior do que os recentemente relatados pela Universidade Teconológica Delft da Holanda.

No experimento do NIST, a fonte de fótons e os dois detectores ficaram localizados em três salas diferentes e bem distantes, no mesmo piso de um grande prédio de laboratórios. Os dois detectores ficaram separados por 184 metros entre si e a 126 e 132 metros, respectivamente, da fonte de fótons.

A fonte criou um feixe de fótons por meio de um processo onde um raio laser estimula um tipo especial de cristal. Habiltualmente este processo cria pares de fótons que estão entrelaçados, de modo que a polarização de cada fóton é altamente correlacionada com a do outro fóton do par. A polarização se refere à orientação específica de fóton, tal como horizontal ou vertical (por exemplo, óculos de Sol bloqueiam preferencialmente a luz polarizada na horizontal), em analogia com os dois lados de uma moeda.

Os pares de fótons eram então separados e enviados por cabos de fibra óptica até os detectores separados nas duas salas distantes. Enquanto os fótons estavam em curso, um gerador de números aleatórios escolhia um dos dois ajustes de polarização para cada analisador. Se o fóton concordasse com o ajuste do analisador, ele foi detectado em mais de 90% das vezes.

Na melhor sequência de teste, ambos os detectores identificaram simultaneamente fótons em um total de 6.378 vezes em um período de 30 minutos. Outros resultados (tais como apenas um dos detectores disparar) ocorreram em apenas 5.749 vezes em um total de 12.127 eventos relevantes. Os pesquisadores calcularam que a chance máxima do realismo local produzir esses resultados é de apenas 0,0000000059, ou cerca de 1 em 170 milhões. Este resultado excede o padrão da comunidade da física para um significado de “5 sigma”, necessário para declarar algo como uma descoberta. Os resultados descartam firmemente as teorias de realidade local, sugerindo que a explicação da mecânica quântica do entrelaçamento é, sem dúvida, a explicação correta.

O experimento do NIST fechou as três principais lacunas conforme o seguinte:

Amostragem significativa: graças aos detectores de fótons únicos do NIST, o experimento teve eficiência suficiente para assegurar que os fótons detectados e os resultados das medições fossem representativos dos totais reais. Os detectores, feitos de nano-fios supercondutores, tinham uma eficácia de 90% e a eficácia total do sistema foi de 75%.

Exclusão da comunicação mais rápida que a luz: os dois detectores mediram os fótons de um mesmo par com umas poucas centenas de nanosegundos de diferença, encerrando a medição mais de 40 nanossegundos antes que qualquer comunicação à velocidade da luz pudesse ocorrer entre os detectores. Informações à velocidade da luz levariam 617 nanossegundos para cobrir a distância entre os detectores.

Liberdade de escolha: os ajustes dos detectores eram escolhidos mediante geradores de números aleatórios que funcionavam fora do cone de luz (ou seja, da possível influência) da fonte de fótons e, portanto, ficavam isentos de qualquer manipulação. (Na verade, o experimento demonstrou uma “máquina de violação [do teorema] de Bell” que o NIST planeja eventualmente utilizar para certificar aleatoriedade).

Para se assegurar, além de tudo, que variáveis ocultas, tais como flutuações na rede elétrica, não influenciaram os resultados, os pesquisadores realizaram sequências adicionais de testes misturados com outras fontes de aleatoriedade – dados de filmes populares, shows de TV e os dígitos de Pi. Nada disso modificou os resultados.

O experimento foi realizado no campus do NIST em Boulder, Colorado, onde os pesquisadores construíram um dos detectores de fótons e deram apoio teórico. Os pesquisadores do Jet Propulsion Laboratory (Pasadena, Califórnia) construíram o outro detector. Pesquisadores do quartel-general do NIST em Gaithersburg, Maryland, construíram geradores de números aleatórios e os circuitos a eles relacionados. Pesquisadores da Universidade do Illinois em Urbana-Champaign  e das Universidades Waterloo e de Moncton no Canadá, ajudaram a desenvolver a fonte de fótons e a realizar os experimentos. Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Barcelona, Espanha, desenvolveram outro gerador de números aleatórios.

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Artigo a ser publicado: K. Shalm, E. Meyer-Scott, B.G. Christensen, P. Bierhorst, M.A. Wayne, D.R. Hamel, M.J. Stevens, T. Gerrits, S. Glancy, M.S. Allman, K.J. Coakley, S.D. Dyer, C. Hodge, A.E. Lita, V.B. Verma, J.C. Bienfang, A.L. Migdall, Y. Zhang, W.H. Farr, F. Marsili, M.D. Shaw, J.A. Stern, C. Abellan, W. Amaya, V. Pruneri, T. Jennewein, M.W. Mitchell, P.G. Kwiat, R.P. Mirin, E. Knill e S.W. Nam. A strong loophole-free test of local realism. Enviado para publicação em Physical Review Letters.

Não! Você não pode flagrar um fóton se comportando ao mesmo tempo como onda e partícula.

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Traduzido de: No, You Cannot Catch An Individual Photon Acting Simultaneously As A Pure Particle And Wave

13 de março de 2015 
Por: Ben P. Stein, Diretor do ISNS
 Crédito da Imagem: Fabrizio Carbone, EPFL

Na semana passada, a Internet se acendeu com manchetes dramáticas vindas do mundo da ciência: “Pela Primeira Vez na Física, a Luz é Capturada (agindo como) Partícula e Onda” = notícia da NBC NEWS: In a Physics First, Light is Captured as Both Particle and Wave, “A Luz é Fotografada Como Onda e Partícula Simultaneamente = notícia da SwissInfo: Light Photographed as a Simultaneous Wave and Particle, e “A Dualidade Onda-Partícula da Luz é Imageada Pela Primeira Vaz” = notícia no Wired: Light’s Wave-Particle Duality Imaged For The First Time, só para mencionar algumas.

Estas manchetes soam revolucionárias, surpreendentes e profundas para qualquer um de nós que tenha um conhecimento no mínimo marginal dos conceitos mencionados. A física quântica sugere que todos os objetos existentes no universo tenham uma natureza dupla. Um fóton, a unidade básica da luz, pode se comportar como uma onda semelhante a uma onda d’água, ou como uma partícula do tipo de uma bola de bilhar, dependendo da situação. Quando um fóton atinge um metal, ele age como uma bola de bilhar, esbarrando e expulsando elétrons do metal. Quando ele passa através de uma fenda estreita, ele se espalha como uma onda d’água.

No entanto, até agora pelo menos, só tínhamos observado objetos se comportando de uma forma ou de outra. Mais ou menos do jeito que jamais vemos o Super-Homem e Clark Kent no mesmo lugar ao mesmo tempo. Porém essas manchetes sugerem que os pesquisadores flagraram a luz no ato de ser, ao mesmo tempo, uma partícula e uma onda. Como e de que modo eles viram isto? Quais as implicações que isto teria sobre a natureza dual da matéria em nosso universo?

Tecnicamente, as manchetes não são incorretas. Porém, para mim e outros, elas implicam em algo mais radical do que aquilo que realmente foi observado. Para não me alongar muito, um fóton individual não pode ser observado se comportando simultaneamente como uma partícula e uma onda. Mas, se você juntar um grupo de fótons diferentes, pode observar alguns agindo como partículas e outros como ondas. Muitos dos relatos não deixam esta circunstância clara.

Os pesquisadores que realizaram a experiência, publicada na Nature Communications, estão na mesma frequência desta assertiva.

“Eu também acredito que um monte de pessoas está interpretando de forma exagerada o significado desses dados”, disse em um email o principal autor (do artigo) Fabrizio Carbone do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (EPFL) em Lausanne. Ele realizou o trabalho junto com colaboradores do EPFL, do Trinity College em Hartford, Connecticut, e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Berkeley, California.

Os pesquisadores aprisionaram uma onda em um “nano-fio” superfino, cuja espessura é medida em nanômetros, ou seja, bilhonésimos de metro. É uma onda estacionária, tal como a vibração de uma corda de guitarra, com picos e vales que ficam sempre na mesma posição.

Para ser preciso, não é estritamente uma onda de luz, como sugerem as manchetes. Na verdade é um híbrido de uma onda de luz que dança dentro do fio e uma onda eletronagnética que desliza pela superfície do fio, produzida pelas partículas carregadas que se movem ao longo do fio. Elas ficam como que unificadas na extremidade. Este objeto composto é conhecido como um plasmon poláriton de superfície e você pode ler mais sobre ele na Wikipedia (Nota do tradutor: se você souber inglês…).

Para simplificar as coisas, vamos considerá-lo com sendo apenas uma onda de luz. Para efeitos desta discussão, não interessa se é feita de fótons ou de algum objeto híbrido. Ele age como uma onda.

Porém, quando os pesquisadores dispararam elétrons de encontro ao nano-fio, os elétrons algumas vezes foram acelerados de forma específica, indicando que eles haviam absorvido fótons indiviuais do nano-fio. Como pode a luz se comportar, ao mesmo tempo, como ondas e partículas?

A resposta é que essa luz é feita de mutios fótons diferentes. Cada um deles se comportou de forma diferente. Os pesquisadores observaram que alguns fótons agiram como partículas e outros agiram como ondas. O imageamento desses dois tipos (de comportamento) ao mesmo tempo é o que foi feito pela primeira vez em sua experiência.

Nada que vá forçar a reescrever os livros-texto de física, mas ainda assim muito legal! Os pesquisadores testemunharam um comportamento importante em nano-fios, que pode servir da base para futuros dispositivos ópticos e eletrônicos em nano-escala. Além disso, eles puderam contar quantos fótons estavam nas ondas estudadas e como os elétrons interagiram com eles. Porém, quando um elétron absorvia um dos fótons, eles não podiam precisar de onde o fóton tinha vindo dentro da onda.

Carbone mencionou um  artigo de 2011 da Science que, segundo ele, foi o que chegou mais perto de capturar a natureza dual dde um fóton. Pesquisadores, liderados por Aephraim Steinberg da Universidade de Toronto mediram uma propriedade tipo partícula de fótons individuais — sua posição média — sem destruir os padrões de interferência tipo ondas que eles criavam após (a medição). A publicação Physics World declarou essa experiência a  “Descoberta do Ano de 2011” bem merecidamente. No entanto, nem essa experiência conseguiu determinar as posições exatas dos fótons individuais, na medida em que eles progrediam para criar os padrões de interferência típicos de ondas de faixas claras e escuras em um detector.

E qual é a razão fundamental para esta limitação? É algo inerente à mecânica quântica, conhecida como o Princípio da Incerteza de Heisenberg. Seu nome vem do físico do século XX, Werner Heisenberg, e diz que não se póde medir duas variáveis complementares, tais como posição e momento, com total precisão. Na hora em que se mede uma delas, a precisão com que se poderia medir a outra é sacrificada.

Assim, se medirmos as propriedades tipo partícula do fóton, estaremos sacrificando suas propriedades tipo onda. Zere na posição de um fóton com grande precisão e ele não vai poder participar mais tarde da criação de um padrão de interferência tipo onda.

É possível medir fracamente algumas propriedades tipo onda e tipo partícula de um fóton ao mesmo tempo, segundo Carbone, conqueanto que as incertezas combinadas não violem o Princípio de Incerteza..

Mas, ao fim e ao cabo, talvez essa “dualidade onda-partícula” seja uma forma artificial de explicar o mundo quântico, me explicou Steinberg em um email.

“Embora eu frequentemente seja culpável por isso, eu mesmo, penso que é um pouco de confusão induzida pelo cantochão dos físicos em salmodear sobre comportamentos ‘tipo onda’ e ‘tipo partícula'”, escreve ele. “Nós temos uma grande teoria matemática que nos diz o que os fótons… fazem na verdade. E aí então temos a tendência humana de traçar analogias e dizer: ‘hmmm… neste caso parece com o que eu esperaria de uma onda d’água’ e ‘mas neste outro caso se parece com o que eu esperaria de uma bola de bilhar’. Mas os fótons não são ondas d’água, nem bolas de bilhar”, complementa ele.

“Temos que ser sempre muito cuidadosos para definir exatamente qual pergunta temos em mente”, prossegue Steinberg. “Se duas marolas se cruzarem em um lago e eu enfiar a mão em concha na água, tirar uma mancheia d’água e lhe perguntar ‘de qual marola vieram estas moléculas d’água?’, não há uma resposta”.

“E não há resposta porque a pergunta foi mal enunciada, não porque haja qualquer profundo mistério na física das ondas d’água”, sublinha Steinberg.

“No fim, a mecância quãntica continua a mesma. Quando se faz perguntas claras, cuidadosamente escolhidas e experimentalmente verificáveis, não há paradoxos”, de acordo com Steinberg.

“O que isso nos ensina é que ainda não conseguimos pensar corretamente sobre a mecânica quântica — não que haja qualquer problema com a teoria em si ou no modo como a usamos para fazer predições”.


Ben P. Stein, é o diretor do “Inside Science”, e vem cobrindo a física como um divulgador de ciência e editor desde 1991; siga-o no Tweetwe em @bensteinscience.

Uma gota de determinismo para a física quântica (mas, será mesmo?…)

Gotas causando ondulaçõess. Cortesia Shutterstock

Gotas causando ondulações.

Imagem cortesia de Shutterstock

Uma das coisas mais abracadabrantes para nós leigos é a tal “dualidade onda-partícula“. Um raio de um elétron parece estar em todos os lugares (na verdade não é mesmo “em todos os lugares”; apenas “em qualquer lugar de um determinado volume de espaço-tempo) enquanto ninguém está olhando, se comportando como uma onda (descrita por equações que definem o tal volume definido de espaço-tempo).

Mas basta você observar (entenda-se: “fazer uma medição”) o tal elétron e ele se comporta como um corpúsculo com carga elétrica, momento, momento angular e tal e coisa… Os budistas sustentam que “tudo é ilusão e impermanente”, mas isso já levar as coisas para o lado do misticismo. Além do que, experimente por sua mão em um fio “vivo” e desencapado que os elétrons vão mostrar para você que são bem reais e dolorosos.

No entanto, eu aprendi em meu curso secundário que esta tal dualidade onda-partícula foi uma ideia sugerida pelo físico francês Louis de Broglie e mais tarde, lendo um livro do próprio de Broglie sobre o assunto, ele meio que assume a paternidade deste abracadabra. Só que não é exatamente verdade que de Broglie julgasse que elétrons e outros “bixos” fossem mesmo ora onda, ora partícula. Ele, na verdade, propunha que as partículas andavam à deriva sobre as ondas do campo correspondente (o que implicava na existência de “variáveis ocultas”), algo assim como escolhos à deriva sobre as ondas do mar (é sempre bom lembrar que as ondas do mar são algo bidimensional e as ondas dos campos das forças fundamentais são tri(tetra)dimensionais).

Ao fim de muita discussão, prevaleceu o que se chama de “Interpretação de Copenhagen”, formulada por Niels Bohr e Werner Heisenberg que, em suma, diz que uma partícula é apenas uma probabilidade até que interaja com outra, quando passa por um “colapso da função de onda”. Essa interpretação levou a algumas críticas fortes – a mais conhecida é o “Gato de Schrödinger”, onde o gato está vivo e morto ao mesmo tempo, enquanto não se abrir a caixa – mas uma suposta “prova”, encontrada por John von Neumann, da impossibilidade de existirem “variáveis ocultas”, foi alegremente aceita, sem maiores exames (mais de 30 anos depois, descobriram que von Neumann estava errado, mas azeite, azar, azia…).

Em 1952 o Físico David Bohm ressuscitou a teoria das ondas-piloto, mas a comunidade da física não recebeu muito bem suas propostas. Afinal, a Equação de Schrödinger funciona muito bem e a Mecânica proposta por Bohm pressupõe que o comportamento das partículas é influenciado, ao fim e ao cabo, por todo o universo (o que parece misticismo e, com efeito, foi alegremente recebido por diversos místicos).

A famosa “dupla-fenda”

Experiência da dupla fenda. Imagem de Wikimedia Commons. (por Lookang com agradecimentos a Fu-Kwun Hwang e o autor do Easy Java Simulation = Francisco Esquembre).

Uma famosa “prova” da dualidade onda-partícula é a “dupla fenda“. Um feixe de elétrons é disparado contra uma antepara onde há duas fendas que permitem que alguns elétrons passem e, depois, se choquem contra uma tela sensível. Imediatamente se forma um padrão de interferência, como se ondas se reforçassem ou anulassem mutuamente. Mas, quando se cria um dispositivo para identificar a fenda por onde os elétrons passaram, o padrão de interferência desaparece.

Bom… A “pegadinha” é que se trata de um feixe de elétrons, não de um elétron isolado. A ideia de que “o elétron interfere com ele próprio” é “licença poética”. As ondas dos lugares geométricos, definidos pela equação de onda do elétron é que interferem entre si. Quando se identifica a fenda por onde passa cada elétron, na verdade você está interceptando o feixe e, é óbvio, não há mais “onda” alguma; há partículas.

O mesmo tipo de experimento funciona com fótons (e isso vai causar um probleminha para a novidade descrita a seguir).

Uma gota “quântica”

Agora, pesquisadores em Paris realizaram uma série de experiências fazendo vibrar uma superfície banhada com óleo de silício e descobriram que, em uma frequência particular, uma gotícula começa a saltar pela superfície do óleo. E que a trajetória dessa gotícula é guiada pelo contorno ondulado do banho, gerado pelas ondas causadas pela própria gotícula: uma interação entre onda e partícula muito semelhante àquilo proposto por de Broglie e suas ondas-piloto.

Na interpretação de de Broglie – Bohm, cada elétron passa através de uma única fenda, carregada por uma onda-piloto que – ela sim – passa pelas duas fendas ao mesmo tempo. Tal como uma série de escolhos levados a uma praia pelas ondas do mar que tivessem que, antes de chegar à praia, passar por uma barreira com duas fendas. Cada um dos objetos flutuantes passaria por apenas uma das fendas e iriam se distribuir, depois delas, segundo o padrão de interferência dessas ondas.

Os resultados finais são os mesmos: a Mecânica de Bohm é tão capaz de prever onde cada elétron vai passar como a Mecânica Quântica “Tradicional” (ou seja: não é capaz). A distribuição dos efeitos é sempre uma função estatística.

As gotículas também parecem capazes de reproduzir o “Efeito de Túnel“, formarem “Partículas Compostas“, em órbitas mutuamente estáveis, e exibir comportamentos análogos ao spin quântico e à atração eletromagnética. Quando confinadas a “currais” (áreas circulares cercadas), formam anéis concêntricos muito semelhantes às ondas estacionárias geradas por elétrons confinados em “currais quânticos”.

A coincidência das ondas estacionárias é surpreendente, não é mesmo?

Eu adorei a ideia de poder imaginar as partículas subatômicas como verdadeiras partículas, surfando sobre as ondas do espaço-tempo causadas pelos campos fundamentais.

Só que me dei conta que, no caso do fóton, a própria onda é a “partícula”. E lá se foram pelo ralo todas as lindas analogias…


Fonte: Fluid Tests Hint at Concrete Quantum Reality, Quanta Magazine; também publicado na Wired com o título Have We Been Interpreting Quantum Mechanics Wrong This Whole Time?

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