Onda ou partícula? Experimento testa natureza dos objetos quânticos.

A teoria da mecânica quântica afirma que a luz é feita de pequenos pacotes de energia chamados de fótons. Dependendo das condições do experimento, observamos os fótons se comportar como se fossem ondas, e outras vezes como se fossem partículas. Mas o que é um fóton realmente? É possível afirmar algo sobre a natureza de um fóton antes que ele seja observado? Em um artigo na revista Physical Review Letters, os físicos Rafael Chaves, Gabriela Lemos e Jacques Pienaar, todos pesquisadores do Instituto Internacional de Física (IIF) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, em Natal, propuseram um experimento que esclareceu um pouco desse mistério.

O experimento foi realizado por duas equipes de pesquisadores na China e outra na Itália. As três equipes divulgaram seus resultados em junho, chegando às mesmas conclusões. Por um lado, os resultados são consistentes com a hipótese mais aceita pelos físicos, de que é impossível afirmar qualquer coisa a respeito da natureza dos fótons antes desses objetos quânticos serem medidos. Os resultados sugerem que um fóton não é nem uma onda, nem uma partícula. Sua real natureza é algo completamente diferente.

O experimento proposto pela equipe do IIF é uma modificação do chamado experimento da escolha atrasada, concebido em 1979 pelo físico norte-americano John Wheeler (1911-2008), justamente para testar a realidade quântica, como explicam Lemos e Pienaar no vídeo.

O experimento usa um conjunto de espelhos perfeitos e semi-refletores. Primeiro, um fóton incide sobre um aparelho chamado de divisor de feixes (BS1 na figura acima). É um espelho semi-refletor, que em 50% das vezes reflete os fótons incidentes e nas 50% das vezes restantes deixa os fótons atravessarem sem desviá-los.

Assim, o fóton pode tomar dois caminhos possíveis. Refletido, toma o caminho b, encontra um espelho perfeito e atinge o detector de fótons d. Mas se atravessar BS1, percorre o caminho c e atinge o detector e. Nesse caso, o fóton parece se comportar como uma partícula: existe chance igual do fóton ser detectado em d ou e.

O fóton se comporta como uma onda, porém, se além do divisor de feixes BS1, os experimentadores colocarem no cruzamentos dos caminhos b e c, um segundo divisor de feixes, BS2. Nesse caso, as chances do fóton ser detectado em d ou e variam. As probabilidades de detecção variam com o tamanho relativo dos caminhos c e b e o ajuste do modulador de fase no caminho c (triângulo amarelo na figura). Nesse caso, o fóton age como se fosse uma onda. Ao incidir em BS1, a onda se divide em duas, que depois interferem uma com a outra em BS2. A interferência das ondas em BS2 determina a probabilidade do fóton ser detectado em d ou e.

Wheeler imaginou então o que aconteceria se o experimentador escolhesse colocar ou não o divisor BS2 apenas depois do fóton já ter incidido em BS1. O experimento já foi realizado várias vezes e verificou que a escolha atrasada não influencia o resultado. Sem o divisor BS2, o fóton age como partícula. Com o divisor BS2, o fóton age como uma onda. Mas como isso seria possível? Como o fóton poderia “saber” se deve se comportar como partícula ou como onda ao passar por BS1?

“A primeira possibilidade é que a decisão do experimentador sobre a medição no futuro refletisse no comportamento do fóton no passado”, explica Lemos. Essa possibilidade implicaria no absurdo de eventos no futuro poderem influenciar eventos no passado.

“A segunda explicação é que o fóton não tem propriedades bem definidas até que seja medido” diz Pienaar. Essa é a explicação mais aceita pelos físicos, a chamada interpretação de Copenhagen da mecânica quântica, defendida pelo dinamarquês Niels Bohr (1885-1985). Wheeler foi um aluno de Bohr e costumava afirmar que “nenhum fenômeno é real até ser um fenômeno observado”.

Inspirados por discussões com Romeu Rossi Junior, físico da Universidade Federal de Viçosa, Chaves, Lemos e Pienaar decidiram verificar se não haveria uma explicação alternativa para o experimento da escolha atrasada. “Surpreendentemente, descobrimos que há sim um modelo clássico estatístico causal para explicar os resultados”, diz Lemos.

O modelo matemático de causa e efeito descoberto pelos físicos do IIF é difícil de visualizar, pois não utiliza os conceitos de onda ou partícula. É um conjunto de regras abstratas que assumem que o comportamento do fóton é controlado por uma variável que só pode assumir dois valores ou estados possíveis. O valor dessa variável “oculta” é sensível à presença do divisor BS2 apenas no momento em que este é colocado no experimento, modificando o comportamento do fóton, fazendo com que as previsões do modelo sejam idênticas às da teoria da mecânica quântica convencional. “Desta forma, o experimento de Wheeler não seria um bom experimento para diferenciar um fenômeno quântico de um fenômeno clássico”, explica Lemos.

Os pesquisadores então propuseram uma pequena modificação no experimento da escolha atrasada. Inserindo moduladores de fase adicionais no circuito do experimento, os experimentadores poderiam criar situações em laboratório em que as previsões do modelo clássico de dois estados seriam diferentes das previsões da mecânica quântica. Os resultados das três realizações do experimento rejeitaram o modelo clássico e confirmaram as previsões da mecânica quântica.

Financiada pelo CNPq, MEC e MCTIC, a pesquisa foi destaque em artigo da Quanta, revista de divulgação científica da Simons Foundation, sendo republicado pela revista Wired.