Testando os limites do Mundo Quântico

“Caminhamos para um amanhã… — que não pode ser conhecido em sua completude — a imagem que dele temos é… incessantemente… corrigida pela experiência.” (K. Jaspers, ‘Panorama das Ideias Contemporâneas’)

Moléculas com mais de 100 átomos, de acordo com atuais experimentos no estudo da transição do mundo quântico para o clássico, podem ser coerentemente sobrepostas”. Isto pode ser mostrado através de ‘experimentos ultrassensíveis’ em interferometria…nos quais um feixe de moléculas… – é repartido por 2 caminhos… – para depois…   se juntar novamente. 

Estas experiências revelam que as moléculas… — ao exibirem comportamento quântico, possuem tanto uma natureza ondulatória quanto ‘material’, ilustrando um dos aspectos mais incomuns da teoria quântica, que…objetos podem existir em uma superposição de estados diferentes.

O experimento de Young da fenda dupla

Esta “não-localidade” é muitas vezes descrita como… – “um único objeto… estando em dois lugares diferentes ao mesmo tempo” – no entanto, esta vaga descrição é sem sentido. Para saber o porquê, considere o experimento de Young da ‘fenda dupla’ (figura abaixo)…

(a) Thomas Young's classic double-slit experiment is the simplest two-path interference device and was used by him in 1801 to establish the wave nature of light. A single slit creates cylindrical wavefronts that then pass through two other slits, positioned very close together, before creating an interference pattern on a projection screen. In 1909 Geoffrey Ingram Taylor used a similar set-up to prove that a weak light source that emits photons one at a time can still create an interference pattern. (b) The Talbot-Lau interferometer can be used to study the interference of atoms and molecules. It has an array of slits, each of which corresponds to the illuminating slit in the Young set-up. The second grating takes on the diffracting role of the double slit, while the third grating is a

(a) O clássico experimento da dupla fenda de Young é o mais simples dispositivo de interferência (de 2 caminhos), e foi usado por ele em 1801 para estabelecer a natureza ondulatória da luz.  (b) O interferômetro Talbot-Lau pode ser utilizado para estudar a interferência de átomos e moléculas. Ele tem uma série de fendas, cada uma das quais corresponde à fenda iluminada na configuração de Young. A 2ª grade assume o papel de difração da fenda dupla, enquanto que a 3ª grade é uma “máscara”. Tem o mesmo espaçamento que o padrão de interferência, e permite que as franjas sejam identificadas. — Este dispositivo também tem sido usado para mostrar que a interferência desaparece, se as moléculas colidem com outras partículas de gás (círculo verde), ou se elas emitem fótons (linha vermelha). Esta é a assinatura da decoerência.

onde, a luz de uma lâmpada passa, inicialmente, por uma única fenda; para, depois, atravessar outras 2 – muito próximas entre si – antes de     se projetar num anteparo. (caso a)

Sendo – as fendas…suficientemente estreitas…e as pequenas ondulações   de luz que emergem…”coerentes, isto é,  com ‘relação de fase bem definida…sobre uma extensa região de espaço/tempo, então um padrão de franjas brilhantes e escuras será produzido na tela, correspondendo   a áreas de ‘interferência’ das ondas,  de forma construtiva…e destrutiva, respectivamente.

Para verificar se a “interferência” ocorreu, precisamos simplesmente fechar uma das 2 fendas… — o que fará com que o padrão desapareça. 

Mas…como Taylor demonstrou pela 1ª vez em 1909, se diluirmos a fonte de luz para apenas 1 fóton… de cada vez, no anteparo, ainda observamos padrão de interferência completo… ao esperarmos o ‘tempo suficiente’.

Sendo assim…o que, neste caso estará exatamente interferindo? – Como precisamos de…pelo menos 2 pequenas ondas para gerar um ‘padrão de interferência’, poderia ser que … um único ‘fóton’ estivesse passando por ambas as fendas, ao mesmo tempo?…

Infelizmente… estas questões são – a princípio – impossíveis de se responder… mesmo porque, não podemos ter ambas…franjas de interferência perfeitas…e total informação, sobre qual caminho seguido pelo fóton; só podemos ter um ou outro. Ou seja, se ambas       as fendas estão abertas obtemos interferência, mas não temos informação sobre qual fenda o fóton passou… – Por outro lado… fechando uma das fendas – para obtermos as informações do caminho… destruímos, completamente, o  ‘padrão de interferência’.

Este é o ‘exemplo clássico’… — daquilo que Niels Bohr                                           denominou…“princípio da complementaridade”.

É importante notar que, se tivermos informações parciais sobre o caminho – ou seja, se pudermos distinguir os caminhos com uma “probabilidade definida” … é possível obter interferência – muito embora … o contraste entre as franjas já não seja assim tão nítido. Assim, não podemos atribuir qualquer realidade à posição do fóton, enquanto este viaja através do ‘interferômetro’ porque não temos nenhuma forma de verificar seu caminho, isto é…sua natureza material, sem afetar o ‘padrão de interferência‘, ou seja, sua natureza ondulatória. – Só sabemos se 1 fóton atinge o detector – e, nesse caso, que   há uma probabilidade bem determinada dele ter passado por qualquer uma das fendas.

Como diz Richard Feynman“Ninguém, jamais foi capaz de definir satisfatoriamente a diferença entre interferência e difração. É somente uma questão de linguagem, e não há diferenças físicas específicas ou importantes entre elas”… – Entretanto, é comum definir-se o fenômeno da ‘difração‘ como devido a um obstáculo; – já ‘interferência‘, refere-se mais a uma interação entre 2 ou mais fenômenos ondulatórios. (Wikipédia…’Difração’)

Interferência x Difração & Decoerência                                                                         “As observações podem parecer estranhas, mas se tornam ainda mais contra-intuitivas quando lidamos com a interferometria de partículas massivas, tais como: moléculas“.

Moléculas poderiam estar… em 2 lugares ao mesmo tempo, e mostrar interferência de ondas? E, o que dizer de objetos ainda maiores, como bolas de futebol?…

A princípio poderiam… – pois qualquer partícula…  pode ser associada a uma ondulação…cujo comprimento de onda, determinado por DeBroglie é  λ=h/mv, onde h é a ‘constante de Planck’…m é a massa da partícula, e v…sua velocidade.

Porém – nesse caso…o comprimento de onda de DeBroglie para algo tão grande como uma bola de futebol – será muito pequeno – tornando a experiência impossível;   já que as franjas ficariam muito juntas.

Embora seja possível observar interferência com objetos menores, tais como elétrons, átomos e moléculas…temos que considerar que estes podem interagir com seu ambiente circundante, ao colidir com outras moléculas…ou por troca de radiação eletromagnética.   O estado do ambiente fica – assim, emaranhado com o objeto quântico… o que significa que informações sobre o seu paradeiro são…rapidamente…espalhadas no meio.

Como resultado, os 2 sistemas ficam correlacionados, mesmo após a interação acontecer. E, ainda que pudéssemos, a princípio, obter esta informação – em considerando que, até hoje, nenhum observador conseguiu – o padrão de interferência desaparece…

Esta perda de coerência – ou decoerência – é uma das razões fundamentais por que objetos macroscópicos – cotidianamente,             nunca apresentem fenômenos quânticos…como interferência.

Por serem tão grandes, interagem fortemente com o ambiente, perdendo sua ‘coerência’ muito rapidamente. Ou seja… a falta de um “comportamento quântico” no mundo macro surge naturalmente, porque – com o aumento de tamanho e complexidade, se torna cada vez mais difícil isolar esses objetos de seu ambiente… Assim, surpreendentemente, é essa natureza quântica da interação com o meio ambiente… – além da informação transferida resultante – que conduz ao comportamento clássico de um objeto quântico.

Muito embora Heisenberg, Einstein, Bohr, e outros fundadores da teoria quântica, tenham se debruçado sobre a questão da possibilidade de destruição do padrão de interferência, ao se conhecer informações do caminho de um objeto quântico – por um longo tempo, esta se tornou uma questão filosófica bastante abstrata.

Só recentemente – avanços experimentais viabilizaram estudos sobre a influência de efeitos externos na interferência de átomos e moléculas.

Estes experimentos não são apenas de fundamental importância para a compreensão do… ‘mundo clássico’  em que vivemos … — eles são úteis também para os “computadores quânticos“…através do princípio da… – ‘superposição quântica‘.

Aliás, o fenômeno da decoerência é considerado o ‘principal obstáculo‘ para se transformar…em realidade prática – o “computador quântico”.

Interferômetros para medir ondas moleculares

Nos últimos anos vários grupos de pesquisa têm conseguido realizar experimentos de interferência com ‘ondas moleculares‘ em uma grande variedade de objetos, desde elétrons…até aglomerados de moléculas. No entanto, não é nada fácil realizar ensaios experimentais de fenda dupla para estudar a interferência de tais partículas.

O problema é que partículas muito massivas possuem comprimentos de onda extremamente reduzidos. As fendas teriam portanto, de ser muito finas, e os feixes muito bem colimados, a fim de se conseguir resultados     na difração de dupla fenda.

Apesar das dificuldades experimentais – em 1991, Olivier Carnal e Jürgen Mlynek, da Universidade de Konstanz/Alemanha, conseguiram observar interferência com átomos, em um experimento de dupla fenda. E nessa mesma época… David Pritchard, do MIT,     e equipe – mostraram que uma maior quantidade de experimentos poderiam ser feitos, com um outro dispositivo — conhecido como… ‘interferômetro de Mach-Zehnder‘.

Neste dispositivo, um feixe de átomos passa através de uma série de ranhuras verticais — onde é dividido em, ao menos     2 ‘frentes coerentes’ de ondas, separadas por, no máximo 17 mícrons.

Ambas as frentes, em seguida, passam por uma 2ª sequência idêntica de fendas…unindo-as novamente.

A interferência cria uma ‘variação periódica’ na densidade de átomos num determinado plano por trás da 2ª grade. Esta variação é então, medida por uma 3ª grade – projetada     de tal forma – que a distância entre as fendas é a mesma que o período de interferência padrão esperado… Ao mover – perpendicularmente – a grade em relação ao feixe, uma “variação constante” na taxa de átomos transmitidos… pode… – então…  ser observada.

Usando deste dispositivo, a equipe de Pritchard obteve, com sucesso, franjas de interferência com ‘átomos de sódio’ – prova inconteste da superposição  de  ‘estados quânticos‘…  em  átomos livres.

Pergunta-se – então, o que aconteceria ao se investigar um único átomo, viajando ao longo de um dos 2 possíveis caminhos, antes da interferência? (… A teoria sugere que isso poderia destruir o ‘padrão de interferência’…)

Em 1995 Pritchard e colaboradores investigaram essa questão, aplicando luz de laser em um feixe de átomos…viajando entre a 1ª e a 2ª grade. – Sempre que eles posicionavam o laser de modo que o caminho dos átomos fosse oticamente delineado por qualquer fóton espalhado para fora do feixe – o “padrão de interferência atômica”…de fato, desaparecia;  exatamente como prevê o ‘princípio da complementaridade de Bohr’. 

Considerando o comprimento de onda do fóton inferior ao dobro da distância entre as frentes de onda atômicas… – ele terá informação suficiente, de qual caminho destruirá o padrão de interferência.

Esta experiência, na Universidade de Viena, prova que objetos tão grandes como moléculas podem interferir. Imagem: Robin Riegler.

Esta experiência, na Universidade de Viena, prova que objetos tão grandes como moléculas podem interferir. Imagem: Robin Riegler.

Decoerência em interferometria molecular

Experimentos em ‘interferência’ de ondas moleculares têm progredido a passos largos nos últimos anos. Mas, quais seriam os limites experimentais, tecnológicos…e físicos da ‘decoerência’ da matéria? Será que Massa, Temperatura e Complexidade das partículas possuem influência sobre sua própria interferência?…

Partículas geometricamente assimétricas, ou com um permanente ‘momento de dipolo elétrico’…interagem tão mais fortemente com o ambiente…  –  a ponto de, mais rapidamente… se tornarem decoerentes?

Perguntas como estas, nos inspiraram a desenvolver experimentos de ‘interferometria molecular’ na Universidade de Innsbruck/Áustria, em 1998…Após nosso grupo se transferir para Viena em 1999…estas pesquisas continuaram em andamento, e nos mostraram que…mesmo moléculas amplas e complexas… podem interferir com o ambiente… – revelando sua “natureza quântica“.

Sendo moléculas normalmente consideradas objetos bem definidos… – que podemos observar até através de microscopia de alta resolução… quais seriam então, os efeitos       que provocam a ‘decoerência da molécula…destruindo o “padrão de franjas?…

– Há pelo menos 2 mecanismos relevantes que tornam isto possível…ao medir a posição de uma molécula… O  envolve colisões com outras partículas… – como ‘moléculas de gás’… – enquanto que o  se refere à radiação térmicaemitida pela molécula.

Molecules that interact with their environment by colliding with other gas molecules or emitting thermal radiation can no longer create interference patterns. They lose their quantum behaviour because information about the molecules is now, in principle, available - even if an observer does not actually extract that information. These graphs show the loss of interference with carbon-70 molecules in a Talbot-Lau interferometer in terms of the

Moléculas que interagem com seu ambiente, ao colidir com outras moléculas de gás, ou emitindo radiação térmica, não podem mais criar padrões de interferência. Elas perdem seu comportamento quântico porque a informação sobre as moléculas está agora, a princípio, disponível – mesmo se um observador, na verdade, não extraia essa informação. Estes gráficos mostram, em um interferômetro Talbot-Lau, a perda de interferência (decoerência) entre moléculas de carbono-70, em termos de ‘visibilidade normatizada(que é a medida de contraste entre as faixas claras e escuras do padrão de interferência).(a) Se o gás é adicionado ao interferômetro, a visibilidade cai exponencialmente, à medida que aumenta a pressão do gás; (b) Se as moléculas são aquecidas por um laser de potência crescente, elas ficam mais quentes, e emitem mais fótons, o que provoca a ‘visibilidade relativa’ cair lentamente, mas de forma não linear…………… – O envolvimento com o meio ambiente é mediado então, pelas moléculas em colisão, e emissão térmica de fótons, respectivamente.

Interferômetro Talbot-Lau

Para descobrir como estes processos podem… – destruindo o ‘padrão de interferência’, levar a um comportamento clássico … adicionamos gás à câmara do “interferômetro Talbot-Lau”, gradualmente… em experimentos utilizando moléculas de carbono-70 (…figura ao lado).

Descobrimos que, ao adicionar gás…o nível de contraste entre as franjas de interferência caía exponencialmente; e que as franjas sumiam – quase por completo… – assim que a pressão alcançasse – exatamente – 10-6 mbar.

Este resultado, quantitativamente, estava em total concordância com a ‘análise teórica’ dos processos de espalhamento.

Embora uma única colisão com uma molécula de gás não possa desviar o massivo ‘fulereno‘  (carbono-70) para fora de seu caminho … — no interferômetro é o bastante para destruir o “padrão de interferência”…já que este carrega consigo informação suficiente…para indicar o caminho que a molécula interferida tomou.

O decaimento exponencial é – portanto… diretamente relacionado à ‘probabilidade’         de colisão.

Cálculos sugerem…que moléculas com massa atômica de até 1 milhão de unidades/mol não sofreriam decoerência por colisão … – em um interferômetro Talbot-Lau…à pressão de 10-10 mbar… (tais pressões – com as tecnologias de vácuo existentes hoje são plenamente viáveis)

A importância da “temperatura interna” na interferometria molecular 

O conceito de ‘temperatura interna’ não é importante para átomos ou elétrons, mas sim para moléculas — que são objetos complexos. Ele descreve a distribuição de energia de seus muitos – vibracionais e rotacionais – graus de liberdade.

Objetos aquecidos emitem fótons térmicos, que são, por sua vez, absorvidos pelo meio ambiente, transferindo ‘momentum’ no processo. Ou seja, a princípio, cada fóton pode transferir informações sobre a posição do objeto emissor, passível de medição. De fato, à medida que a temperatura interna de moléculas do carbono-70 cresce acima de 1000ºK,   o contraste entre as franjas de interferência desapareceram lentamente (figura b-acima).

Desenvolvemos, então, um ‘modelo teórico’ – adaptado da ‘lei de Planck‘ – para explicar estas taxas de decoerência observadas, ao descrever o aumento da emissão de fótons de curto comprimento de onda, com o aumento da temperatura interna da molécula.

Tudo o que é preciso para a molécula destruir suas franjas de interferência é emitir  —  ou sequências de fótons de longo comprimento de onda; ou, um único fóton com comprimento de onda menor do que o dobro da separação entre a divisão das coerentes ondulações moleculares. Esta separação, que é a distância entre 2 grades vizinhas – é de cerca de 1 mícron… – em nossa configuração.

A boa concordância entre o valor esperado…e a taxa de decoerência medida,                       indica que as moléculas de ‘carbono-70‘ emitiram alguns fótons visíveis                    quando foram aquecidas a temperaturas internas acima de 2.500º K.

Este experimento prova 3 conceitos importantes:

a) o fenômeno da decoerência devido à radiação                                                             de calor… pode ser quantitativamente equacionado.

b) confirma o ponto de vista de que decoerência é causado pelo fluxo de informações no ambiente. Eminterferômetros de ondas moleculares’, nos quais apenas se observa o movimento individual do centro de massa, a informação só pode ser mediada por uma transferência de momentum.

c) mostra que a decoerência térmica é relevante – para objetos, verdadeiramente, macroscópicos. (Em futuros experimentos de interferometria com grandes moléculas, agregados ou nanocristais — tais objetos terão de ser substancialmente refrigerados,   para torná-los coerentes… e, para suprimir a emissão de radiação térmica.)

Informação de percurso sem transferência de momentum

Outra maneira de se estudar a decoerência é codificando as informações “percurso” do interferômetro em um sistema externo… – Por exemplo, Serge Haroche…e seus colegas da Ecole Normale Supérieure/Paris, usaram um feixe de átomos de rubídio… no qual um raio laser havia excitado seu elétron externo a um nível muito mais alto de energia, a fim de criar ‘átomos de Rydberg. Contudo a experiência não envolveu o envio destes para diferentes caminhos. Em vez disso verificou-se a evolução interna dos diferentes estados.

Nesteinterferômetro de Ramsey’ (acima) um pulso de radiação de microondas cria uma superposição coerente de um átomo individual de Rydberg, entre seu estado básico     e o excitado. Um 2º campo de microondas localizado ao longo do feixe então recombina diferentes estados, para criar franjas de interferência… – quando o efetivo comprimento padrão for alterado no interferômetro.

A equipe de Haroche foi capaz de extrair informações sobre o estado interno dos átomos pela colocação de um ‘ressonador de microondas entre os 2 pulsos. — Uma vez que a fase do campo de microondas troca quando este interage com um átomo…as informações sobre átomos que atravessam o aparelho tornam-se codificadas no campo ressonador, entrelaçando ‘campo & estado atômico‘ – sem acarretar transferência significativa de momentum.

(Quando a cavidade estava vazia, de tal forma que nenhuma informação de rota pudesse ser depositada, a equipe de Paris viu franjas de interferência atômica…em alto contraste. No entanto, ao ser adicionado ao ressonador um pequenocampo coerentecontendo, em média, 9 fótons, as franjas tornaram-se menos acentuadas. Isso então significava, que a interferência havia sido destruída a nivel mesoscópico, pelo emaranhamento com a fase do campo coerente de fótons.)

Vários outros pesquisadores têm explorado a possibilidade de codificar informações sobre a posição dos ‘estados internos’ da própria partícula interferida. – Em 1987… por exemplo, Helmut Rauch, em Viena, usando um interferômetro de Mach-Zehnder… com neutrons polarizados codificou o caminho das partículas utilizando seus próprios spins. – Gerhard Rempe, do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching/Muniche, por sua vez… recentemente utilizou em interferometria atômica 2 estados fundamentais diferentes de rubídio para determinar sua trajetória.

Ambos os experimentos confirmam a ideia de que a interferência molecular ondulatória desaparece, se os 2 diferentes estados de   posição do objeto interferido…estão correlacionados com estados internos ortogonais“.

O entrelaçamento entre uma partícula quântica e seu ambiente, no entanto, não é a única maneira de destruir interferência… O “ruído“…devido à nossa incapacidade de controlar todos os requisitos experimentais suficientemente bem… também pode ser um problema.

Em particular, técnicos especializados terão que lutar contra o fato de que flutuações aleatórias na diferença de comprimento relativo entre os 2 braços do interferômetro, podem tender a colapsar o “padrão de interferência“. – Além disso…à medida que crescem as moléculas, o comprimento de onda de DeBroglie encolhe…e experimentos         se tornam — cada vez mais — enormemente sensíveis a estes efeitos.

‘No nosso atual interferômetro molecular, o relativo comprimento do braço é estável – para mais que 1 milésimo do diâmetro das moléculas. E, embora as exigências experimentais se tornem cada vez maiores no futuro, estamos otimistas que estas barreiras possam ser gradualmente superadas’.

‘Decoerência’… A fronteira entre quântico e clássico

http://hypescience.com/quase-um-seculo-depois-e-provado-que-einstein-estava-errado/

‘Se é admissível que uma partícula quântica esteja em diferentes lugares ao mesmo tempo… por que, então, todos objetos macroscópicos obedecem à física clássica?’

Desde os primórdios da teoria quântica, cientistas da área têm se esforçado… na tentativa de conciliar – a estranheza de     suas leis…à nossa experiência cotidiana.

As primeiras gerações de físicos quânticos, liderada por Bohr, Heisenberg…  e, Von Neumann…insistiam numa bem definida  separação entre o mundo clássico… – e, os domínios quânticos – embora admitissem que a fronteira não é fixada por leis físicas.

O ponto de vista era que a passagem para o mundo clássico é efetuada…pelo próprio ato da observação, ou seja…  a ideia de que a função de onda “colapsa” para um certo valor, quando acontece observação.

Para evitar o papel, aparentemente decisivo, desempenhado pelo observador, foram apresentadas muitas teorias e interpretações alternativas. Muitas vezes, isso foi feito         ao custo da introdução de quantidades ainda não observadas em mecânica quântica,         as assim chamadas variáveis ocultas (de David Bohm).

Dessa forma, a questão “Quando é que um colapso ocorre?“, é devidamente contornada, sob o argumento de que, todos os objetos macroscópicos – incluindo o aparelho de medição, são governados             pela equação de Schrödinger.

Por outro lado, teoricamente, a decoerência baseia-se firmemente no aspecto convencional da mecânica quântica…  E, apesar de não resolver o problema                     filosófico de compreender a ‘percepção humana em uma realidade particular’,               consegue explicar…a contento, o ‘surgimento do mundo clássico’ – quando um                 objeto perde suas características quânticas. – Nessa situação…o ponto crucial é       reconhecer que nenhum objeto quântico é completamente isolado… – mas sim, incorporado em um ambiente composto de…partículas de gás…fótons… e afins.

O ‘estado ambiental’ é facilmente correlacionado ao objeto quântico – o que faz com que informações sobre o paradeiro do objeto quântico sejam logo disseminadas no ambiente. Assim, a ausência de comportamento quântico no mundo macro é consequência natural do fato de que… – objetos maiores e mais complexos são muito mais difíceis de se isolar.

As características quânticas da interação do ambiente, e sua transferência inevitável de informação, levam à aparência clássica dos objetos quânticos.

Imagem feita por pesquisadores austríacos que mostra a superposição de feixes de luz e evidencia que eles estão entrelaçados. (imagem: Zeilinger et al/ Science)

Imagem feita por pesquisadores austríacos mostra a superposição de feixes de luz, que evidencia seu entrelaçamento. (imagem: Zeilinger et al/ Science)

O fator chave‘… das transições (de fase)

Experimentos com ondas moleculares, mostram que, não há um limite fixo entre os mundos clássico e quântico. Um objeto pode se comportar conforme a “mecânica quântica” em um ambiente experimental,   e do modo clássico — em outros.

O que parece ser … o “fator chave na transição do “comportamento quântico”     ao clássico é a troca de informação entre      o ‘sistema quântico’ e o ‘mundo exterior’.

Esta transição só depende da instalação experimental permitir — ou não — a revelação da informação sobre o sistema quântico. No caso de experimentos de ‘interferência‘, o que importa é ser, a princípio… a informação “qual caminho” disponível ao mundo exterior.

A “interferometria de ondas materiais” deverá ser viabilizada para grandes objetos, tais como proteínas, vírus, e pequenos nanocristais…com massas atômicas de até 106 unidades. – Extrapolando esses resultados para temperaturas mais elevadas … e maiores massas, acreditamos que… – nesses casos – nem colisões… ou decoerência térmica…será empecilho… – Ainda não existe um limite fundamental de ‘interferência quântica’ à vista, contudo… há muito trabalho a ser feito na manipulação de feixes coerentes de partículas supermassivas. – A realização de tais experimentos é um desafio fascinante.

Markus Arndt and Anton Zeilinger – Institute for Experimental Physics, University of Vienna, Austria … Klaus Hornberger – Department of Physics, University of Munich, Germany.  ‘Probing the limits of quantum world’  (Março/2005)

outras fontes:  Gravidade explica fronteira clássico/quântico ## ‘Ionização X Excitação’ ## ‘Emaranhamento quântico na Biologia’ ## ‘Agregado atômico’         ~~~~~~~~~~~~~~~~(textos complementares)~~~~~~~~~~~~~~~~

fisica1O Futuro Quântico

A ‘Física Quântica’ é considerada como uma ‘teoria determinística‘ muito bem fundamentada… possuindo um ‘campo de aplicação’ limitado…como qualquer teoria científica, que fornece previsões experimentais, testadas com excelente precisão… Tanto nela, quanto na física newtoniana… é possível se estabelecer matematicamente… — dentro de seus próprios limites…a evolução temporal das características que determinam um ‘ponto material’. A diferença é que… enquanto na teoria newtoniana o que se estabelece diretamente é o conjunto das características de um ponto material… – na quântica…o que se determina é a probabilidade de um conjunto de atributos a ser encontrado na medição.

A probabilidade vem do fato de se tratar de sistemas estatísticos, não únicos…mas, nem por isso – não determinísticos. Isso porque as partículas quânticas – ou sub-atômicas – têm comprovadamente comportamentos…que parecem ser absolutamente impensáveis.

A teoria quântica atual, afirma que uma partícula pode estar em qualquer lugar, dentre as várias possibilidades…descritas por sua “função de onda”.

Porém, quando tentamos medir essa onda/partícula…ela imediatamente ‘colapsa’… deixando de estar em todo e qualquer lugar…para estar apenas, naquele ‘exato local’     onde a medição está sendo feita; comportando-se desse modo… – ao interagir com o “observador” … como se fosse um ‘objeto clássico’.

Por se comportarem tanto como partículas quanto como ondas… – podem, por exemplo, estar em vários lugares ao mesmo tempo. Como algo assim tão contra-intuitivo pode ser     a base para a construção do nosso ‘mundo clássico’…onde as coisas se comportam como estamos acostumados … é uma questão ainda a ser respondida pela ciência. (texto base) **********************************************************************************

OBSERVANDO DECOERÊNCIA   ‘Efeitos de interferência quântica em elétrons, átomos e pequenas moléculas…já tinham sido observados, mas, até então, nunca em objetos macroscópicos‘.

A temperaturas abaixo d0s 1000º Kelvin, as moléculas de fulereno (C-70) demonstram comportamento quântico … quando passam através de uma ‘fenda dupla‘. No entanto as moléculas tornam-se gradualmente clássicas a temperaturas mais altas, e o padrão de interferência – sinal clássico de “comportamento quântico“…torna-se mais fraco. Markus Arndt e Anton Zeilinger, da Universidade de Viena mostraram que o fenômeno      da decoerência é causado por “emissão térmica” de fótons das moléculas.

Em 1999, o grupo de Viena observou interferência molecular no carbono-60 e carbono-70. Com um diâmetro de cerca de 1 nanômetro – foram, à época, os maiores objetos a mostrar interferência quântica.

(a) o globular carbono-70; (b) a biomolécula tetrafenilporfirina em forma de panqueca (TPP) C44H30N4; e (c) a molécula C60F48 – fulereno fluorado. TPP foi a 1ª biomolécula a mostrar sua natureza ondulatória. C60F48 tem massa atômica de 1632, e detém o recorde atual para a molécula mais massiva e complexa a mostrar interferência.

Desde então, moléculas maiores, tais como tetrafenilporfirina, mostraram propriedades ondulatórias. Esta, com diâmetro de quase 2 nanômetros…se apresenta na clorofila e hemoglobina.

Arndt e colegas, primeiro enviaram um feixe de moléculas de carbono-70 através de um sistema de laser… que as aquecia até cerca de 5000º K.

Enquanto as moléculas esfriavam pela emissão de fótons … foram encaminhadas — através de um interferômetro — com 3 conjuntos de redes de difração… A grade produzia feixes coerentes de moléculas; a criava o padrão de interferência – e a  fotografava este padrão…(As fendas nas grades tinham aproximadamente 500 nanômetros de largura… – e a grade… mil de separação.)

Os físicos descobriram que abaixo de cerca de 1000º Kelvin, um padrão de alta qualidade de “franja de interferência” (…característico do comportamento quântico) era observado. Contudo, estes padrões desapareciam gradualmente…com o aquecimento das moléculas, começando a emitir ‘radiação térmica‘. – Uma vez que estes fótons podem – a princípio, serem detetados, e revelar por qual fenda a molécula passou, o comportamento quântico ondular das moléculas desaparecia.

Looking at decoherence  – Belle Dumé is Science Writer at PhysicsWeb (18/02/2004)     ‘Medindo a discórdia quântica’  ## # ‘Resolvendo o problema da discórdia quântica’    
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Reencarnação quântica: físicos “desmedem” partícula, e ela retorna à vida

onda-particula

[Imagem: Andrew N. Jordan]

As partículas quânticas…ou sub-atômicas, têm, comprovadamente, comportamentos que parecem absolutamente impensáveis.

Assim como podem se comportar como partículas, ou ondas…elas podem – por exemplo – estar em vários lugares… ao mesmo tempo.

Como é que algo assim tão contra-intuitivo pode ser a base para a construção do nosso ‘mundo clássico’ é uma questão ainda a ser respondida pela ciência.

A teoria atualmente aceita, afirma que um objeto quântico pode estar em qualquer lugar dentre as possibilidades descritas por sua função de onda. — Quando alguém tenta medir essa onda/partícula, então ela imediatamente “colapsa“…- deixando de estar em qualquer lugar, para estar apenas, e tão somente, naquele exato local onde a medição foi,   e está sendo feita, comportando-se como se fosse um objeto clássico.

Pois bem, para demonstrar que o mundo quântico pode ser ainda mais estranho, os físicos Andrew Jordan e Alexander Korotkov propuseram, em 2006, que seria possível ‘desmedir’ – desfazer a onda/partícula, fazendo-a voltar ao seu exato estado quântico anterior; como se a medição não tivesse acontecido… e, portanto, a partícula não tivesse sofrido qualquer alteração.

Agora, dois anos depois, efetivamente, uma equipe da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, EUA, conseguiu fazer esse experimento, comprovando a teoria…  — A experiência tem enorme importância na utilização de explicações físicas  –  de forma quase transcendental, sobre o mundo quântico.

fronteira quântico-clássica

A nova teoria sugere que a fronteira entre o mundo quântico, e o mundo clássico não é uma linha muito bem definida…como se pensava até hoje. Em vez disso os dados sugerem que essa fronteira é…na realidade…uma  zona cinzenta…com uma amplitude ainda incerta… — mas cujo tempo a ser percorrida… — é maior que zero.

O pesquisador Nadav Katz explica como foram capazes… – até mesmo de “enfraquecer” a medição de uma partícula quântica…forçando apenas um colapso parcial – algo como um “estado de coma” de uma partícula quântica. – A seguir, alterando certas propriedades da partícula, e refazendo a medição  —  esta retornou ao seu estado quântico… como se nada tivesse acontecido antes — ou seja… — como se a primeira medição não tivesse sido feita.

Esse mecanismo é de extremo interesse para se construir computadores quânticos… o que não é tarefa fácil – pois os ‘bits quânticos’ (qubits) desses ‘computadores futurísticos’ são muito sensíveis, sofrendo interferência de inúmeros fatores do ambiente – colapsando… e perdendo os dados… – E assim portanto, o novo “sistema de reversão” poderá representar uma possibilidade de se construir mecanismos de correção de erros… como explicou Katz:

“Enquanto vários cientistas afirmam que, como a simples medição de uma partícula quântica afeta seu comportamento – de certa forma – criamos a realidade, à medida que interferimos com ela…  Agora, a demonstração de que somos capazes de reverter o colapso da partícula quântica nos diz que, realmente, não podemos assumir que qualquer medição crie a realidade – porque é possível apagar os efeitos da medição… e começar tudo de novo”. ‘texto base’(12/08/2008) p/consulta…‘Teletransporte – moléculas – DNA’

“Metrologia quântica estima limite fundamental de precisão                            ‘Como estimar a dimensão da incerteza em medições na escala quântica                                – e, reduzir essa incerteza…para que as medições sejam mais precisas?’

“A estimativa de parâmetros é um problema antigo na ciência. Para isso, até agora, ninguém sabia como avaliar a influência do ambiente em experimentos quânticos”,         disse o físico Luiz Davidovich, professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Físicos brasileiros desenvolvem método para estimar a precisão de medição em sistemas quânticos.[Imagem: Escher et al./Nature Physics]

Físicos brasileiros desenvolvem método para estimar a precisão de medição em sistemas quânticos.[Imagem: Nature Physics]

Medir fenômenos quânticos com sondas equivale, em outra escala, a avaliar…a profundidade de um poço … com uma onda sonora,  ou usar ‘ultra-som‘ para medir   o ‘diâmetro cerebral’ da criança que… ainda nem nasceu…

Se trata de estimativas indiretas com uma “incerteza intrínseca“.

A grande diferença é que, para essa escala corriqueira do cotidiano, existe uma teoria geral que diz qual a precisão possível de se atingir com medições, e quanto pode ser aumentada, por exemplo, com medições repetidas.

Para fenômenos quânticos também existem formas de se reduzir a incerteza nas medições. É o caso do ‘emaranhamento’, que faz com que certas propriedades sejam compartilhadas entre as sondas de medição, melhorando bastante a sua precisão. Mas isso só funciona em situações ideais, sem interferências ambientais, como efeitos de temperatura. Algo que no mundo real nunca acontece.

Segundo Davidovich, o mais importante da teoria proposta no artigo publicado – é que ela não se limita a estimar a influência do mundo real nas medições. Ela também, pode ajudar a avaliar, em cada situação, como otimizar a precisão – mostrando que… um nº muito alto  de medidas – pode eliminar a desvantagem dos “efeitos quânticos”… – na interferência do ambiente. E, assim conclui o pesquisador da UFRJ:

“Através da transição entre regimes quântico e clássico, estamos chegando mais perto de um equilíbrio adequado, entre a beleza diáfana da mecânica quântica e a ferocidade das imperfeições do mundo real”. ‘texto base’ (2011) ************************************************************************

Compactador ZIP detecta fronteira da física quântica  – abr/2016

atomo

A física quântica tem a reputação de misteriosa… – e, até fantasmagórica, sobretudo depois da confirmação do ‘Efeito do Observador’.

Isso torna ainda mais surpreendente que … uma nova técnica para detetar o comportamento quântico dependa de uma ‘ferramenta familiar’… – um programa do tipo Zip, usado para compactar arquivos – que você deve ter instalado em seu computador.

Como explica o professor Dagomir Kaszlikowski…do Centro de Tecnologias Quânticas da Universidade Nacional de Cingapura… — Nós descobrimos uma nova maneira de ver a troca entre o mundo quântico e o clássico usando apenas um programa de compressão“.

Hou Shun Poh, aluno de Kaszlikowski descobriu que o software de compressão, quando aplicado a dados experimentais…revela quando um sistema cruza a fronteira clássica do nosso Universo convencional, para o quântico — a chamada fronteira clássico-quântica.

Teorema de Bell

Em particular, a técnica deteta a evidência do entrelaçamento quântico entre 2 partículas. Partículas entrelaçadas apresentam um comportamento “coordenado”, de uma forma que não pode ser explicada por sinais trocados entre si, ou propriedades estabelecidas a priori. Este fenômeno já foi comprovado em vários experimentos… mas, a “nova abordagem” faz isso sem uma ‘suposição prévia’ geralmente adotada nas medições…

Os experimentos geralmente são realizados com pares de partículas entrelaçadas, como pares de fótons. Medir uma das partículas de luz, causará resultados que parecem aleatórios… – com uma chance de 50% de que o fóton tenha polarização apontando pra cima ou pra baixo… por exemplo.

Mas, quando o entrelaçamento surge, a medição do 2º fóton do par produzirá um resultado – que será correspondente ao 1º…e, não mais aleatório.

Uma relação chamada “teorema de Bell”  diz que a física quântica permite esta ‘coincidência’, com maior probabilidade do que na “física clássica”…

Mas o teorema é derivado apenas para um par de partículas, enquanto os físicos precisam descobrir as probabilidades estatisticamente, ou seja, medindo muitos pares de partículas.

As situações (para cada par de partículas) são equivalentes…apenas se      são idênticas e independentes de todas as outras… – uma situação dita ‘suposição i.i.d‘… – (independentes… e… identicamente distribuídos).

Teorema ZIP

Usando o programa Zip, no entanto, as medições são realizadas da mesma forma… mas os resultados são analisados de maneira diferente…  –  Em vez de converter os resultados em probabilidades, os dados brutos (na forma de listas de 1s e 0s correspondentes aos valores medidos de cada partícula) alimentam diretamente o programa de compressão de dados… como se fossem os bits de um arquivo comum de computador.

Os algoritmos de compressão – como os do programa Zip – procuram padrões nos dados para detectar repetições e codificá-los de uma forma mais eficiente. Quando aplicados aos dados do experimento… – o algoritmo, efetivamente…deteta as correlações resultantes do ‘entrelaçamento quântico’ … – em uma forma de relação semelhante ao teorema de Bell, baseada na… “diferença de compressão normalizada”… entre os subconjuntos de dados.

funcao-onda-eletron

a função de onda hoje é considerada como uma entidade real da mecânica quântica.

Se o Universo fosse totalmente clássico – o valor gerado pela equação deveria ficar abaixo de zero. Já um comportamento quântico permite valores de até 0,24.

A equipe encontrou um valor superior a zero; (0,0494 ± 0,0076) – provando que o sistema medido cruzou a ‘fronteira clássico-quântica’.

— O valor é menor do que o máximo previsto,     pois a compressão não atinge o limite teórico,       e “estados quânticos” não podem ser gerados, nem detetados perfeitamente.

Ainda não está claro se a nova técnica vai encontrar ‘aplicações práticas’ … mas, os cientistas creem que a “abordagem algorítmica” se enquadra bem no quadro maior sobre como pensar a física – uma vez que eles derivaram a equação…considerando           as ‘correlações’ entre partículas…produzidas por um algoritmo alimentado por um experimento produzido por outra máquina computacional.  ### (‘texto base’) ### 

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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Uma resposta para Testando os limites do Mundo Quântico

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