O experimento da dupla fenda é o mais famoso e provavelmente o mais importante experimento da física quântica: partículas individuais são atiradas em 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 pelos 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. Na TU Wien, os pesquisadores desenvolveram 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 até possível determinar a razão em que o nêutron foi distribuído entre os dois caminhos. Assim, o fenômeno da superposição quântica pode ser comprovado sem precisar recorrer a argumentos estatísticos. Os resultados foram agora publicados na revista Physical Review Research.
O experimento da dupla fenda
“No experimento clássico de fenda dupla, um padrão de interferência é criado atrás da fenda dupla”, explica Stephan Sponar, do Instituto Atômico da TU Wien. “As partículas se movem como uma onda através de ambas as aberturas ao mesmo tempo, e as duas ondas parciais então interferem uma na outra. Em alguns lugares elas se reforçam, em outros lugares elas se cancelam.”
A probabilidade de medir a partícula atrás da dupla fenda 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 ondas não pode ser vista olhando para uma única partícula. Somente quando o experimento é repetido muitas vezes o padrão de onda se torna cada vez mais reconhecível ponto por ponto e partícula por partícula.
“Então, o comportamento de partículas individuais é explicado com base em resultados que só se tornam visíveis através 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.”
Girando o nêutron
Isso foi possível com a ajuda de nêutrons na fonte de nêutrons do ILL em Grenoble: os nêutrons são enviados para um cristal que divide a onda quântica do nêutron em duas ondas parciais, muito semelhantes ao experimento clássico de dupla fenda. As duas ondas de nêutrons parciais 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 aponta em uma direção diferente. Se o spin do nêutron é girado em apenas um dos dois caminhos, é possível determinar depois qual caminho ele tomou. No entanto, o padrão de interferência também desaparece, como consequência da complementaridade na mecânica quântica.
“Por isso, 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 do caminho, essa medição ‘fraca’ é repetida muitas vezes em experimentos convencionais. No entanto, obtém-se apenas uma declaração estatística sobre todo o conjunto de nêutrons e pode dizer pouco sobre cada nêutron individual.”
Invertendo a rotação
A situação é diferente se, após a fusão das duas ondas parciais de nêutrons, outro campo magnético for usado para retornar o spin novamente. Por tentativa e erro, determina-se o ângulo de rotação necessário para retornar o spin do estado sobreposto à direção original. A força dessa rotação é uma medida de quão forte o nêutron estava presente em cada caminho. Se ele tivesse tomado apenas o caminho no qual o spin foi girado, o ângulo de rotação completo seria necessário 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 em um terço em um caminho e em dois terços no outro.
Por meio de cálculos detalhados, a equipe conseguiu mostrar: Aqui, não se detecta apenas um valor médio sobre a totalidade de todos os nêutrons medidos, mas a afirmação se aplica a cada nêutron individual. São necessários muitos nêutrons para determinar o ângulo de rotação ideal, mas assim que isso é definido, a presença de caminho determinada a partir dele se aplica a cada nêutron detectado.
“Nossos resultados de medição apoiam a teoria quântica clássica”, diz Stephan Sponar. “A novidade é que não é preciso recorrer a argumentos estatísticos insatisfatórios: ao medir uma única partícula, nosso experimento mostra que ela deve ter percorrido dois caminhos ao mesmo tempo e quantifica as respectivas proporções de forma inequívoca.” Isso exclui interpretações alternativas da mecânica quântica que tentam explicar o experimento da dupla fenda com partículas localizadas.
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