Uma partícula pode seguir dois caminhos simultâneos

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(Foto: Graham Beards)
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O experimento de física quântica mais conhecido e, provavelmente, o mais significativo é o experimento da dupla fenda. As partículas são lançadas contra uma parede com duas aberturas atrás das quais um detector determina de onde elas vêm.

Como resultado, cada partícula se move pelas aberturas esquerda e direita, indicando que elas não se movem em uma única direção como outros objetos, mas sim em várias direções ao mesmo tempo. Isso se deve ao fato de que as partículas também podem se comportar como ondas.

Esta, no entanto, é uma explicação baseada em estatísticas que só podem ser demonstradas repetindo o experimento e analisando os resultados de inúmeros disparos de partículas e suas respectivas detecções.

Uma variação desse experimento que pode corrigir essa falha foi desenvolvida por uma equipe austríaca e japonesa: devido à configuração de medição extremamente complexa, uma única medição de um nêutron em um local específico já demonstra que a partícula se moveu simultaneamente em dois caminhos distintos.

A proporção do nêutron que foi distribuído entre esses dois caminhos pode ser determinada. Esse fenômeno de superposição quântica já foi demonstrado sem o uso de argumentos estatísticos.

“Na exploração de corte duplo, um design de impedância é feito por trás do corte duplo”, faz sentido o professor Stephan Sponar, do Colégio de Inovação de Viena, cujo grupo já havia descoberto como isolar uma molécula de suas propriedades. “Ao mesmo tempo em que as partículas se movem pelas duas aberturas como ondas, as duas ondas parciais se chocam. Elas se complementam em alguns lugares, enquanto em outros se anulam.”

Um detector cheio de bandas é o que os físicos chamam de “franjas”.

Esse padrão de interferência determina a probabilidade de detectar a partícula atrás da fenda dupla em um local específico. Quando a onda quântica é amplificada, a probabilidade de detectar a partícula é maior; A chance de encontrar a onda quântica é menor quando ela é cancelada. Como resultado, uma única partícula não pode revelar essa distribuição de onda; O padrão de onda torna-se mais reconhecível ponto por ponto, partícula por partícula somente depois que o experimento é repetido várias vezes.

De acordo com Holger Hofmann, da Universidade de Hiroshima, no Japão, que apresentou a teoria para este novo experimento, “O comportamento de partículas individuais é explicado com base em resultados que só se tornam visíveis por meio da investigação estatística de muitas partículas. Isso obviamente não é totalmente satisfatório .Consideramos como a detecção de uma única partícula pode demonstrar o fenômeno da interferência bidirecional.”

Usando nêutrons, o novo experimento se tornou possível: Semelhante ao experimento de fenda dupla, nêutrons são disparados contra um cristal, que divide a onda/partícula em duas partes. Depois, eles são medidos depois de interferir um no outro.

A investigação de uma propriedade diferente do nêutron, por outro lado, revela algo novo: seu spin ou o momento angular da partícula. Os campos magnéticos, que deslocam o momento angular do nêutron em uma direção diferente, têm o potencial de alterar o spin. É possível verificar posteriormente qual caminho o nêutron tomou se o spin do nêutron for girado apenas em uma das duas direções. Seja como for, o padrão de obstrução também desaparece, como resultado da complementaridade na mecânica quântica.

Hartmut Lemmel, um membro da equipe, forneceu uma explicação: “Então, giramos um pouco o spin do nêutron.” para que o padrão de interferência não mude. Em experimentos convencionais, essa medição fraca é repetida várias vezes para obter informações precisas sobre o caminho. Por causa disso, você só pode obter muito pouca informação sobre o caminho. Há apenas uma declaração estatística que pode ser feita sobre todo o conjunto de nêutrons, e muito pouco pode ser dito sobre cada nêutron individualmente.”

Se um campo magnético diferente for usado para fazer as ondas parciais de nêutrons voltarem a girar depois de se fundirem, a situação é diferente. O ângulo de rotação necessário de seu estado sobreposto para sua direção original pode ser determinado por tentativa e erro.

A intensidade da presença do nêutron em cada caminho é uma medida da força dessa rotação. Seria necessário todo o ângulo de rotação para girá-lo de volta se tivesse medido apenas naquela direção. Ele não precisaria inverter a rotação se tivesse ido para o outro lado.

Usando um divisor de feixe assimétrico exclusivo, a equipe realizou um experimento que revelou que os nêutrons estavam presentes em um terço dos caminhos e em dois terços do outro.

A equipe conseguiu demonstrar por meio de cálculos detalhados que o experimento não apenas detecta um valor médio em todos os nêutrons medidos, mas também se aplica a cada nêutron individual. , todo nêutron detectado estará no caminho que escolheu.

Sponar afirmou: “Nossas medições apóiam a teoria quântica clássica”. O fato de tais argumentos estatísticos insatisfatórios serem desnecessários é novidade. Nosso experimento quantifica claramente as proporções dos dois caminhos medindo uma única partícula, demonstrando que ela deve ter percorrido ambos simultaneamente.”

Seja como for, como consistentemente é na ciência, essa tremenda melhoria em possivelmente uma das análises mais populares da ciência física trouxe outra questão: por que os nêutrons escolhem caminhos com uma probabilidade de três a dois terços (33/66), em oposição a 50/50?

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