Os físicos do MIT confirmam que, como o Superman, a luz tem duas identidades impossíveis de ver de uma só vez.
Os físicos do MIT realizaram uma versão idealizada de um dos experimentos mais famosos da física quântica. Suas descobertas demonstram, com precisão no nível atômico, a natureza dupla, porém evasiva, da luz. Eles também confirmam que Albert Einstein estava errado sobre esse cenário quântico específico.
O experimento em questão é o Experiência de fenda duplaque foi realizado pela primeira vez em 1801 pelo estudioso britânico Thomas Younger para mostrar como a luz se comporta como uma onda. Hoje, com a formulação da mecânica quântica, o experimento de fenda dupla é agora conhecida por sua demonstração surpreendentemente simples de uma realidade ricando na cabeça: essa luz existe como uma partícula e uma onda. Estranho ainda, essa dualidade não pode ser observada simultaneamente. Ver a luz na forma de partículas obscurece instantaneamente sua natureza de onda e vice-versa.
O experimento authentic envolveu brilhando um feixe de luz através de duas fendas paralelas em uma tela e observando o padrão que se formou em uma segunda tela distante. Pode -se esperar ver dois pontos de luz sobrepostos, o que implicaria que a luz existe como partículas, também conhecidas como fótons, como bolas de painel que seguem um caminho direto. Mas, em vez disso, a luz produz listras brilhantes e escuras alternadas na tela, em um padrão de interferência semelhante ao que acontece quando duas ondulações em um lago se encontram. Isso sugere que a luz se comporta como uma onda. Mesmo mais estranho, quando se tenta medir o que a luz está viajando, a luz se comporta repentinamente como partículas e o padrão de interferência desaparece.
O experimento de fenda dupla é ensinada hoje na maioria das aulas de física do ensino médio como uma maneira simples de ilustrar o princípio basic da mecânica quântica: que todos os objetos físicos, incluindo luz, são simultaneamente partículas e ondas.
Há quase um século, o experimento estava no centro de um debate amigável entre os físicos Albert Einstein e Niels Bohr. Em 1927, Einstein argumentou que uma partícula de fótons deveria passar por apenas uma das duas fendas e, no processo, gerar uma leve força nessa fenda, como um pássaro farfalhando de uma folha enquanto voa. Ele propôs que se pudesse detectar essa força e, ao mesmo tempo, observar um padrão de interferência, capturando assim a natureza de partícula e onda da luz ao mesmo tempo. Em resposta, Bohr aplicou o princípio da incerteza mecânica quântica e mostrou que a detecção do caminho do fóton lavaria o padrão de interferência.
Desde então, os cientistas realizaram várias versões do experimento de fenda dupla e, em vários graus, confirmaram a validade da teoria quântica formulada por Bohr. Agora, os físicos do MIT realizaram a versão mais “idealizada” do experimento de fenda dupla até o momento. A versão deles retira o experimento para seus itens essenciais quânticos. Eles usaram átomos individuais como fendas e usavam vigas fracas de luz, para que cada átomo se espalhasse em um fóton. Ao preparar os átomos em diferentes estados quânticos, eles foram capazes de modificar quais informações os átomos obtiveram sobre o caminho dos fótons. Os pesquisadores confirmaram assim as previsões da teoria quântica: quanto mais informações foram obtidas sobre o caminho (ou seja, a natureza das partículas) da luz, menor a visibilidade do padrão de interferência.
Eles demonstraram o que Einstein errou. Sempre que um átomo é “enferrujado” por um fóton que passa, a interferência da onda diminui.
“Einstein e Bohr nunca teriam pensado que isso é possível, para realizar esse experimento com átomos únicos e fótons únicos”, diz Wolfgang Ketterleo professor de física de John D. MacArthur e líder da equipe do MIT. “O que fizemos é um experimento de Gedanken idealizado.”
Seus resultados aparecer no diário Cartas de revisão física. Os co-autores do MIT de Ketterle incluem o primeiro autor Vitaly Fedoseev, Hanzhen Lin, Yu-Kun Lu, Yoo Kyung Lee e Jiahao Lyu, que são afiliados ao Departamento de Física do MIT, o Laboratório de Pesquisa de Eletrônicae o MIT-Harvard Middle for Ultracold.
Confinamento frio
O grupo de Ketterle em experimentos com MIT com átomos e moléculas que eles superolam a temperaturas emblem acima do zero absoluto e organizam em configurações que limitam com a luz do laser. Dentro dessas nuvens ultracold, cuidadosamente sintonizadas, os fenômenos exóticos que ocorrem apenas na escala quântica e de átomos únicos podem emergir.
Em um experimento recente, a equipe estava investigando uma pergunta aparentemente não relacionada, estudando como a dispersão da luz pode revelar as propriedades dos materiais construídos a partir de átomos ultracold.
“Percebemos que podemos quantificar o grau em que esse processo de dispersão é como uma partícula ou uma onda, e percebemos rapidamente que podemos aplicar esse novo método para realizar esse famoso experimento de uma maneira muito idealizada”, diz Fedoseev.
Em seu novo estudo, a equipe trabalhou com mais de 10.000 átomos, que eles esfriaram para as temperaturas da microkelvin. Eles usaram uma variedade de vigas a laser para organizar os átomos congelados em uma configuração de treliça de cristal e espaçada uniformemente. Nesse arranjo, cada átomo está longe o suficiente de qualquer outro átomo que cada um possa efetivamente ser considerado um átomo único, isolado e idêntico. E 10.000 desses átomos podem produzir um sinal que é mais facilmente detectado, em comparação com um único átomo ou dois.
O grupo argumentou que, com esse arranjo, eles poderiam brilhar um feixe fraco de luz através dos átomos e observar como um único fóton se espalha por dois átomos adjacentes, como uma onda ou partícula. Isso seria semelhante à maneira como, no experimento authentic de fenda dupla, a luz passa por duas fendas.
“O que fizemos pode ser considerado uma nova variante para o experimento de fenda dupla”, diz Ketterle. “Esses átomos únicos são como as pequenas fendas que você pode construir.”
Ajuste fuzz
Trabalhar no nível dos fótons únicos exigia repetir o experimento muitas vezes e usar um detector ultrassom para registrar o padrão de luz espalhado pelos átomos. A partir da intensidade da luz detectada, os pesquisadores poderiam inferir diretamente se a luz se comportava como uma partícula ou uma onda.
Eles estavam particularmente interessados na situação em que metade dos fótons que eles enviaram se comportaram como ondas e meio se comportaram como partículas. Eles conseguiram isso usando um método para ajustar a probabilidade de que um fóton apareça como uma onda versus uma partícula, ajustando a “imprecisão” de um átomo ou a certeza de sua localização. Em seu experimento, cada um dos 10.000 átomos é mantido no lugar pela luz do laser que pode ser ajustada para apertar ou afrouxar o aperto da luz. Quanto mais frouxamente é mantido um átomo, mais confuso ou mais “espacialmente extenso”, parece. O átomo mais confuso enferruja mais facilmente e registra o caminho do fóton. Portanto, ao ajustar a fuzzinha de um átomo, os pesquisadores podem aumentar a probabilidade de um fóton exibir um comportamento semelhante a partículas. Suas observações estavam de acordo com a descrição teórica.
Se afasta
Em seu experimento, o grupo testou a idéia de Einstein sobre como detectar o caminho do fóton. Conceitualmente, se cada fenda fosse cortada em uma folha de papel extremamente fina que foi suspensa no ar por uma mola, um fóton que passa por uma fenda deve agitar a mola correspondente por um certo grau que seria um sinal da natureza de partículas do fóton. Nas realizações anteriores do experimento de fenda dupla, os físicos incorporaram um ingrediente tão parecido com a mola, e a primavera desempenhou um papel importante na descrição da natureza dupla do fóton.
Mas Ketterle e seus colegas foram capazes de realizar o experimento sem as fontes proverbiais. A nuvem de átomos da equipe é inicialmente mantida no native pela Laser Mild, semelhante à concepção de Einstein de uma fenda suspensa por uma mola. Os pesquisadores argumentaram que, se eles acabassem com a “primavera” e observem exatamente o mesmo fenômeno, isso mostraria que a primavera não tem efeito na dualidade de onda/partícula de um fóton.
Isso também foi o que eles encontraram. Durante várias corridas, eles desligaram o laser em forma de mola, segurando os átomos no lugar e depois rapidamente fizeram uma medição em um milionésimo de segundo, antes que os átomos se tornassem mais confusos e eventualmente caíram devido à gravidade. Nesta pequena quantidade de tempo, os átomos estavam efetivamente flutuando no espaço livre. Nesse cenário livre da primavera, a equipe observou o mesmo fenômeno: a natureza de onda e partículas de um fóton não pôde ser observada simultaneamente.
“Em muitas descrições, as fontes desempenham um papel importante. Mas mostramos, não, as nascentes não importam aqui; o que importa é apenas a difusão dos átomos”, diz Fedoseev. “Portanto, é preciso usar uma descrição mais profunda, que usa correlações quânticas entre fótons e átomos”.
Os pesquisadores observam que o ano de 2025 foi declarado pelas Nações Unidas como o ano internacional de ciência e tecnologia quântica, comemorando a formulação da mecânica quântica há 100 anos. A discussão entre Bohr e Einstein sobre o experimento de fenda dupla ocorreu apenas dois anos depois.
“É uma coincidência maravilhosa que pudéssemos ajudar a esclarecer essa controvérsia histórica no mesmo ano em que celebramos a física quântica”, diz o co-autor Lee.
Este trabalho foi apoiado, em parte, pela Nationwide Science Basis, pelo Departamento de Defesa dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
