Uma brecha fechada confirma a irrealidade do mundo quântico

Após a descoberta de uma brecha no famoso experimento, que comprovou a ausência de propriedades internas de objetos quânticos, três grupos de experimentadores a fecharam rapidamente. Este episódio encerra a questão das teorias das variáveis ​​ocultas.

O físico teórico John Wheeler já usou a frase "enorme dragão esfumaçado" para descrever uma partícula de luz que voa de uma fonte para um contador de fótons. "A boca do dragão é afiada onde morde o balcão. A cauda do dragão é afiada de onde vem o fóton ”, escreveu Wheeler. Em outras palavras, o fóton tem uma certa realidade no início e no final do caminho. Mas seu estado no meio - o corpo do dragão - está embaçado. "Não temos o direito de falar sobre o que o dragão faz ou como ele se parece no meio".

Wheeler apoiou o ponto de vista de que os fenômenos quânticos elementares não podem ser chamados reais até que façamos uma observação - uma posição filosófica chamada anti-realismo . Ele chegou a fazer um experimento demonstrando que, se você insiste em realismo - no qual objetos quânticos, como fótons, sempre têm certas propriedades internas, que são mais como uma idéia clássica da realidade -, então você precisa aceitar que o futuro pode influenciar para o passado. Por causa do absurdo de voltar no tempo, o experimento de Wheeler defendeu o anti-realismo no nível quântico.

Mas em maio de 2018, Rafael Chavez, com colegas do Instituto Internacional de Física, encontrou uma brecha. Eles mostraram que o experimento Wheeler, sob certas suposições, pode ser explicado usando o modelo clássico, que atribui as propriedades internas ao fóton. Eles forneceram ao dragão um corpo claramente definido, oculto do formalismo matemático da mecânica quântica padrão.


Rafael Chavez

A equipe de Chávez propôs uma modificação do experimento de Wheeler para testar brechas. Três outras equipes com agilidade incomum se apressaram em conduzir um experimento modificado. Seus resultados, publicados em junho, mostraram que os modelos clássicos que promovem o realismo não fornecem uma interpretação significativa dos resultados. A mecânica quântica pode ser estranha, mas continua sendo a explicação mais simples disponível.

Armadilha do dragão

Wheeler apresentou seu experimento em 1983 para enfatizar um dos principais mistérios conceituais da mecânica quântica: dualidade onda-partícula . Objetos quânticos se comportam como partículas ou como ondas, mas não simultaneamente e assim por diante. Dessa propriedade da mecânica quântica, parece que os objetos não têm realidade interna até serem observados. "Os físicos tiveram que suportar o dualismo como uma característica inerente e estranha da teoria quântica por quase cem anos", disse David Kaiser , físico e historiador da ciência no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Essa ideia veio antes de outras características estranhas típicas da teoria quântica, como o princípio da incerteza de Heisenberg e o gato de Schrödinger ".

Esse fenômeno é enfatizado por um caso especial do famoso experimento com duas fendas, chamado interferômetro Mach - Zehnder .

Em um experimento, um fóton é lançado em direção a um espelho translúcido ou a um divisor de feixe. Um fóton com igual probabilidade reflete ou passa através dele - como resultado, em última análise, segue um dos dois caminhos. Nesse caso, ele seguirá o caminho 1 ou 2, e estará no detector D1 ou D2, com igual probabilidade. Um fóton se comporta como um todo invisível, demonstrando sua natureza corpuscular.

Mas há uma nuance. Na interseção dos caminhos 1 e 2, você pode adicionar outro divisor de feixe que muda tudo. Nesse caso, a mecânica quântica diz que um fóton passa por dois caminhos simultaneamente como uma onda. Essas duas ondas convergem juntas em um segundo divisor de feixe. O experimento pode ser configurado para que as ondas sejam combinadas construtivamente - pico a pico, falha em falha - somente se forem em direção ao detector D1. E o caminho para o contador D2 indica interferência destrutiva. Nesta situação, o fóton sempre pode ser encontrado em D1 e nunca em D2. Nesse caso, o fóton demonstra sua natureza ondulatória.


Acima: um fóton como partícula. Cada um dos detectores registra um fóton em 50% dos casos.
No meio: um fóton como uma onda. O fóton registra apenas D1.
Abaixo: seleção pendente. Começamos sem um segundo separador de feixe e o adicionamos no último momento. O fóton, que primeiro se comportou como uma partícula, de repente começa a se comportar como uma onda.
Conclusão: ou a introdução de um segundo divisor de feixe envia um sinal para o fóton no passado ou o fóton não possui propriedades internas.

O gênio de Wheeler se manifestou na pergunta: e se adiarmos a escolha de adicionar um segundo divisor de feixe? Suponha que um fóton entre em um interferômetro quando não houver um divisor de segundo feixe lá. Deve se comportar como uma partícula. Mas você pode adicionar um segundo divisor de feixe no último nanossegundo. A teoria e o experimento demonstram que um fóton, que antes tinha que se comportar como uma partícula, entra no detector D1 ou D2, começa a se comportar como uma onda e só entra no D1. Para fazer isso, ele parece precisar seguir dois caminhos simultaneamente, e não um deles. No sentido clássico, tudo acontece como se um fóton voltasse no tempo e mudasse sua essência de partícula para onda.

Uma maneira de evitar tal retrocausalidade [a influência dos eventos do futuro no passado] é negar que o fóton tenha uma realidade interna e afirmar que o fóton se torna real somente quando medido. Então não temos nada para voltar.

Esse anti-realismo, freqüentemente associado à interpretação de Copenhague da mecânica quântica , recebeu um golpe teórico após a publicação do trabalho de Chávez, pelo menos no contexto desse experimento. Sua equipe decidiu explicar as propriedades contra-intuitivas da mecânica quântica usando um novo conjunto de idéias, a modelagem causal, cuja popularidade cresceu na última década com a assistência do cientista da computação Jude Perle e outros. A modelagem causal determina uma relação causal entre vários elementos de um experimento. Freqüentemente, ao estudar eventos inter-relacionados - vamos chamá-los de A e B - não podemos dizer definitivamente que A é a causa de B ou que B é a causa de A, existe a possibilidade de que a causa de ambos seja o evento imprevisto ou "oculto" B. Nesses casos, a modelagem causal pode ajudar a revelar esse B.

Chávez e seus colegas, Gabriela Lemos e Jacques Pienard , concentraram-se no experimento atrasado de Wheeler, esperando não encontrar um modelo com um processo oculto que daria ao fóton uma realidade interna e explicasse seu comportamento sem nenhuma retrocausalidade. Eles acreditavam que provariam que o experimento com a escolha diferida foi "extremamente contra-intuitivo, no sentido de que nenhum modelo causal pode explicar isso", disse Chávez.


Gabriela Lemos

Mas uma surpresa os esperava. A tarefa foi bastante simples. Eles começaram sugerindo que o fóton, imediatamente após passar pelo primeiro divisor de feixe, tem um estado interno definido por uma "variável oculta". Nesse contexto, uma variável oculta é algo que não está disponível na mecânica quântica padrão, mas que de alguma forma afeta o comportamento de um fóton. O experimentador decidiu então adicionar ou remover um segundo divisor de feixe. A modelagem causal que proíbe a viagem ao passado garante que a escolha do pesquisador não afeta o estado passado do fóton.

Dada uma variável oculta que suporta o realismo, a equipe mostrou que é possível escrever regras que usam o valor da variável e a presença ou ausência de um segundo divisor de feixe para conduzir um fóton a D1 ou D2 de uma maneira que repita as previsões da mecânica quântica. Eles têm uma explicação clássica, causal e realista. Eles encontraram uma nova brecha.

Isso surpreendeu vários físicos, disse Tim Burns , especialista em física teórica quântica da Universidade de Nova York em Xangai. "O que as pessoas não gostaram foi que esse tipo de experimento permite uma explicação clássica que repete perfeitamente os resultados do experimento", disse Burns. "Você pode criar uma teoria com uma variável oculta, sem nenhuma mecânica quântica."

"Foi um passo zero", disse Chávez. O próximo passo é descobrir como modificar o experimento de Wheeler para que seja possível fazer uma distinção entre a teoria clássica das variáveis ​​ocultas e a mecânica quântica.

No experimento modificado, o interferômetro Mach - Zehnder permaneceu inalterado; um segundo divisor de feixe está sempre presente. Em vez disso, o papel dos ajustes experimentais, que o pesquisador pode mudar à vontade, é desempenhado por duas mudanças de fase - uma no início do experimento e a outra no final.

O efeito combinado das duas mudanças de fase altera o comprimento do caminho relativo. Isso muda a imagem da interferência e, com ela, o comportamento assumido de onda ou partícula do fóton. Por exemplo, o valor da primeira mudança de fase pode ser tal que o fóton se comporte como uma partícula dentro do interferômetro, e a segunda mudança pode fazer com que ele se comporte como uma onda. Os pesquisadores precisavam do segundo turno para sintonizar após o primeiro.

Com uma configuração experimental, a equipe de Chávez encontrou uma maneira de distinguir entre o modelo causal clássico e a mecânica quântica. Suponha que a primeira fase de transição possa assumir uma das três variáveis ​​e a segunda de duas. Acontece seis configurações possíveis do experimento. E aqui as previsões do modelo clássico de variáveis ​​ocultas e da mecânica quântica padrão são diferentes. Então os cientistas fizeram uma fórmula. A fórmula recebe em sua entrada as probabilidades calculadas com base no número de vezes que um fóton chega a um detector específico (com base em uma formulação com transições de duas fases). Se a fórmula for zero, o modelo causal clássico é capaz de explicar as estatísticas. Mas se a equação produz um número maior que zero, então, devido a certas restrições impostas a variáveis ​​ocultas, não há explicação clássica dos resultados experimentais.

Chávez se uniu a Fabio Sciarino, especialista em física quântica da Universidade Sapienza de Roma, e seus colegas para testar a desigualdade. Ao mesmo tempo, duas equipes chinesas, uma liderada por Jean-Wei Pan, físico experimental da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hefei, e a segunda liderada por Guang-Kang Guo, da mesma universidade, conduziu seus experimentos.

Cada equipe implementou o esquema de maneira um pouco diferente. O grupo de Guo aderiu a uma opção simples usando um interferômetro real de Mach-Zehnder. "Este experimento, na minha opinião, é o mais próximo da proposta original de Wheeler", disse Howard Wiseman, físico teórico da Griffith University que não participou dos experimentos.

Todas as três equipes mostraram que o resultado do cálculo da fórmula excede zero, com significância estatística irrefutável. Eles excluíram os modelos causais clássicos que poderiam explicar o experimento de Wheeler com uma escolha adiada. A brecha foi fechada. "Nosso experimento salvou o famoso experimento mental de Wheeler", disse Pan.

Essas variáveis ​​ocultas que ainda permanecem

Kaiser ficou impressionado com o trabalho teórico "elegante" de Chávez e os experimentos subsequentes. "O fato de que em cada experimento são encontrados sinais claros de desigualdade é uma evidência convincente de que os modelos" clássicos "de tais sistemas não descrevem realmente o esquema real do trabalho do mundo, enquanto as previsões da mecânica quântica coincidem perfeitamente com os resultados mais recentes" Ele disse.

A fórmula é usada com certas suposições. Uma das maiores - a variável oculta clássica usada no modelo causal, pode assumir um dos dois valores, codificados em um bit de informação. Chávez considera isso razoável, uma vez que um sistema quântico - um fóton - também pode codificar apenas um bit de informação (ele passa por um braço do interferômetro ou por outro). "Será natural afirmar que o modelo de variáveis ​​ocultas também deve ser bidimensional", afirmou Chávez.


David kaiser

Mas uma variável oculta com a capacidade adicional de transportar informações pode restaurar a capacidade do modelo causal de explicar as estatísticas observadas em um experimento modificado com uma escolha atrasada.

Além disso, esses experimentos não refutam a teoria das variáveis ​​ocultas mais popular. A teoria de De Broglie-Bohm , uma alternativa determinística e realista à mecânica quântica padrão, é capaz de explicar um experimento com uma escolha adiada. Segundo essa teoria, as partículas sempre têm um local (que são variáveis ​​ocultas) e, portanto, realidade objetiva, mas ao mesmo tempo são guiadas por uma onda. Portanto, a realidade é onda e corpuscular. Uma onda viaja pelos dois caminhos e uma partícula via um dos dois caminhos. A presença ou ausência de um segundo divisor de feixe afeta a onda que conduz a partícula aos detectores - e esse resultado coincide com a mecânica quântica padrão.

Para Wiseman, o debate sobre o confronto entre a interpretação de Copenhague e a teoria de Broglie-Bohm está longe de ser completo. "Na interpretação de Copenhague, não há circulação estranha de tempo justamente porque não temos o direito de falar sobre o passado de um fóton", escreveu ele em um e-mail. Na interpretação de De Broglie-Bohm, existe uma realidade independente do nosso conhecimento, mas não há problema, já que não há reversão de tempo - mas há uma descrição causal (prospectiva) única. ”

Kaiser, elogiando as tentativas feitas, quer seguir em frente. Em experimentos atuais, a escolha de adicionar ou não uma segunda mudança de fase ou um segundo divisor de feixe foi feita por um gerador de números aleatórios quânticos. Mas neste experimento, a própria mecânica quântica é testada, por causa da qual possui um sabor residual de dependência circular. "Seria bom verificar se os resultados experimentais permanecem consistentes, mesmo com projetos baseados em fontes completamente diferentes de aleatoriedade", disse Kaiser.

Para esse fim, Kaiser e colegas criaram essa fonte de aleatoriedade usando fótons provenientes de quasares distantes, muitos dos quais passaram por mais da metade do universo [observável]. Os fótons foram coletados pelo telescópio de um metro de altura no Observatório de Table Mountain, na Califórnia. Se o comprimento de onda do fóton não exceder um determinado limite, o gerador de números aleatórios fornecerá 0, caso contrário 1. 1. Em princípio, esse bit pode ser usado para selecionar aleatoriamente condições experimentais. Se os resultados continuarem apoiando a afirmação inicial de Wheeler, "isso nos dará mais um motivo para dizer que a dualidade de onda-partícula não pode ser explicada na física clássica", disse Kaiser. - O leque de alternativas conceituais à física quântica diminuiu novamente e já foi encurralado. E é exatamente por isso que estamos nos esforçando. ”

Enquanto isso, o corpo do dragão, que apareceu à vista por algumas semanas, tornou-se novamente esfumaçado e obscuro.

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