Experiência Afshar - Afshar experiment

O experimento Afshar é uma variação do experimento de fenda dupla na mecânica quântica, idealizado e realizado por Shahriar Afshar enquanto estava no Instituto privado de Estudos de Massa Induzida por Radiação (IRIMS) , com sede em Boston . Os resultados foram apresentados em um seminário de Harvard em março de 2004. Afshar afirmou que o experimento fornece informações sobre qual dos dois caminhos um fóton percorre através do aparelho, enquanto simultaneamente permite que a interferência entre os dois caminhos seja observada, ao mostrar que uma grade de fios, colocado nos nós do padrão de interferência, não altera os feixes. Afshar afirmou que o experimento viola o princípio da complementaridade da mecânica quântica , que afirma aproximadamente que os aspectos de partícula e onda de objetos quânticos não podem ser observados ao mesmo tempo, e especificamente a relação de dualidade de Englert-Greenberger . O experimento foi repetido por vários investigadores, mas sua interpretação é controversa e existem várias teorias que explicam o efeito sem violar a complementaridade.

Visão geral

O experimento de Afshar usa uma variante do experimento clássico de dupla fenda de Thomas Young para criar padrões de interferência para investigar a complementaridade . Uma das afirmações de Afshar é que, em seu experimento, é possível verificar se há franjas de interferência de um fluxo de fótons (uma medida da natureza de onda dos fótons) enquanto, ao mesmo tempo, determina a informação de "qual caminho" de cada fóton (a medição da natureza das partículas dos fótons). Em seu experimento, o orifício A é correlacionado ao detector 1 quando o orifício B é fechado, e o orifício B é correlacionado ao detector 2 quando o orifício A é fechado. A alegação de Afshar pela violação do princípio da complementaridade depende crucialmente de sua afirmação de que essas correlações permanecem e, portanto, a informação de qual caminho é preservada, quando os dois furos estão abertos, e cita Wheeler em apoio.

História

O trabalho experimental de Shahriar S. Afshar foi feito inicialmente no Instituto de Estudos de Massa Induzida por Radiação (IRIMS) em Boston em 2001 e depois reproduzido na Universidade de Harvard em 2003, enquanto ele era um pesquisador lá. Os resultados foram apresentados em um seminário de Harvard em março de 2004 e publicados como uma conferência em andamento pela The International Society for Optical Engineering (SPIE). O experimento foi apresentado como matéria de capa na edição de 24 de julho de 2004 da New Scientist . O próprio artigo da New Scientist gerou muitas respostas, incluindo várias cartas ao editor que apareceram nas edições de 7 e 14 de agosto de 2004, argumentando contra as conclusões tiradas por Afshar, com a resposta de John G. Cramer . Afshar apresentou seu trabalho também na reunião da American Physical Society em Los Angeles, no final de março de 2005. Seu artigo revisado por pares foi publicado na Foundations of Physics em janeiro de 2007.

Configuração experimental

Fig.1 Experiência sem obstruir a grade de arame
Fig.2 Experiência com a obstrução da grade de arame e um orifício coberto
Fig.3 Experiência com grade de arame e ambos os furos abertos. Os fios ficam nas franjas escuras e, portanto, bloqueiam muito pouca luz

O experimento usa uma configuração semelhante ao experimento de dupla fenda . Na variante de Afshar, a luz gerada por um laser passa por dois orifícios circulares próximos (não fendas). Após os furos duplos, uma lente reorienta a luz para que a imagem de cada furo de alfinete caia em detectores de fótons separados (Fig. 1). Com o orifício 2 fechado, um fóton que passa pelo orifício 1 colide apenas com o detector de fótons 1. Da mesma forma, com o orifício 1 fechado, um fóton que passa pelo orifício 2 colide apenas com o detector de fótons 2. Com os dois orifícios abertos, Afshar afirma, citando Wheeler em apoio, aquele orifício 1 permanece correlacionado ao Detector de fóton 1 (e vice-versa do orifício 2 ao Detector 2 de fóton) e, portanto, aquela informação de direção é preservada quando ambos os orifícios estão abertos.

Quando a luz atua como onda, por causa da interferência quântica pode-se observar que existem regiões que os fótons evitam, chamadas de franjas escuras . Uma grade de fios finos é colocada logo antes da lente (Fig. 2) para que os fios fiquem nas franjas escuras de um padrão de interferência que é produzido pela configuração de dois orifícios de agulha. Se um dos orifícios for bloqueado, o padrão de interferência não será mais formado e a grade de fios causa difração apreciável na luz e bloqueia parte dela da detecção pelo detector de fótons correspondente. No entanto, quando os dois furos estão abertos, o efeito dos fios é desprezível, comparável ao caso em que não há fios colocados na frente da lente (Fig.3), porque os fios ficam nas franjas escuras de um padrão de interferência . O efeito não depende da intensidade da luz (fluxo de fótons).

Para estabelecer a violação do princípio da complementaridade , Afshar considera o caso em que ambos os furos estão abertos e afirma tanto alta visibilidade V de interferência quanto alta distinguibilidade D (correspondendo à informação de qual caminho), de modo que V 2 + D 2 > 1. Sua afirmação depende muito da informação de qual caminho é preservada quando ambos os furos estão abertos.

Interpretação de Afshar

A conclusão de Afshar é que, quando ambos os furos estão abertos, a luz exibe um comportamento de onda ao passar pelos fios, uma vez que a luz passa pelos espaços entre os fios, mas evita os próprios fios, mas também exibe um comportamento de partícula depois de passar a lente, com os fótons indo para um fotodetector correlacionado. Afshar argumenta que esse comportamento contradiz o princípio da complementaridade na medida em que mostra as características de onda e partícula no mesmo experimento para os mesmos fótons.

Recepção

Crítica específica

Vários cientistas publicaram críticas à interpretação de Afshar de seus resultados, alguns dos quais rejeitam as alegações de uma violação da complementaridade, embora diferindo na maneira como explicam como a complementaridade lida com o experimento. Afshar respondeu a essas críticas em suas palestras acadêmicas, seu blog e outros fóruns. Por exemplo, um artigo contesta a afirmação central de Afshar, de que a relação de dualidade Englert-Greenberger é violada. Os pesquisadores refizeram o experimento, usando um método diferente para medir a visibilidade do padrão de interferência do que o usado por Afshar, e não encontraram violação de complementaridade, concluindo "Este resultado demonstra que o experimento pode ser perfeitamente explicado pela interpretação de Copenhagen de mecânica quântica."

Abaixo está uma sinopse de artigos de vários críticos destacando seus principais argumentos e as divergências que eles têm entre si:

  • Ruth Kastner , Comitê de História e Filosofia da Ciência, Universidade de Maryland, College Park .
    A crítica de Kastner, publicada em um artigo revisado por pares, prossegue estabelecendo um experimento de pensamento e aplicando a lógica de Afshar a ele para expor sua falha. Ela propõe que o experimento de Afshar é equivalente a preparar um elétron em um estado de spin-up e então medir seu spin lateral. Isso não significa que se tenha descoberto o estado de spin para cima e para baixo e o estado de spin lateral de qualquer elétron simultaneamente. Aplicado ao experimento de Afshar: "No entanto, mesmo com a grade removida, uma vez que o fóton é preparado em uma superposição S , a medição na tela final em t 2 nunca é realmente uma medição de 'qual direção' (o termo tradicionalmente associado ao observável com base em fenda ), porque não pode nos dizer 'por qual fenda o fóton realmente passou'.
  • Daniel Reitzner , Centro de Pesquisa de Informação Quântica, Instituto de Física, Academia Eslovaca de Ciências , Bratislava , Eslováquia .
    Reitzner realizou simulações numéricas, publicadas em uma pré-impressão, do arranjo de Afshar e obteve os mesmos resultados que Afshar obteve experimentalmente. A partir disso, ele argumenta que os fótons exibem comportamento de onda, incluindo alta visibilidade de borda, mas nenhuma informação de direção, até o ponto em que atingem o detector: "Em outras palavras, a distribuição de dois picos é um padrão de interferência e o fóton se comporta como um onda e não exibe nenhuma propriedade de partícula até que atinja a placa. Como resultado, uma informação de via nunca pode ser obtida dessa maneira. "
  • WG Unruh , professor de física da University of British Columbia
    Unruh, como Kastner, procede estabelecendo um arranjo que ele considera equivalente, mas mais simples. O tamanho do efeito é maior para que seja mais fácil ver a falha na lógica. Na opinião de Unruh, essa falha é, no caso de existir um obstáculo na posição das franjas escuras, "inferir que SE a partícula foi detectada no detector 1, ENTÃO ela deve ter vindo do caminho 1. Da mesma forma, SE fosse detectado no detector 2, ele veio do caminho 2. " Em outras palavras, ele aceita a existência de um padrão de interferência, mas rejeita a existência de informações de qual direção.
  • Luboš Motl , Ex-Professor Assistente de Física, Universidade de Harvard .
    A crítica de Motl, publicada em seu blog, é baseada em uma análise da configuração real de Afshar, em vez de propor um experimento diferente como Unruh e Kastner. Em contraste com Unruh e Kastner, ele acredita que a informação de qual direção sempre existe, mas argumenta que o contraste medido do padrão de interferência é realmente muito baixo: "Como esse sinal (interrupção) da segunda imagem do meio é pequeno (equivalentemente, afeta apenas uma porção muito pequena dos fótons), o contraste V também é muito pequeno e vai a zero para fios infinitamente finos. " Ele também argumenta que o experimento pode ser entendido com a eletrodinâmica clássica e "não tem nada a ver com a mecânica quântica".
  • Aurelien Drezet , Instituto Néel, Grenoble, França.
    Drezet argumenta que o conceito clássico de um "caminho" leva a muita confusão neste contexto, mas "O verdadeiro problema na interpretação de Afshar vem do fato de que o padrão de interferência não está totalmente registrado". O argumento é semelhante ao de Motl, de que a visibilidade observada das franjas é realmente muito pequena. Outra maneira que ele vê a situação é que os fótons usados ​​para medir as franjas não são os mesmos fótons usados ​​para medir o caminho. A configuração experimental que ele analisa é apenas uma "versão ligeiramente modificada" daquela usada por Afshar.
  • Ole Steuernagel , Escola de Física, Astronomia e Matemática, Universidade de Hertfordshire , Reino Unido.
    Steuernagel faz uma análise quantitativa dos vários modos transmitidos, refratados e refletidos em uma configuração que difere apenas ligeiramente do Afshar. Ele conclui que a relação de dualidade Englert-Greenberger é estritamente satisfeita e, em particular, que a visibilidade da franja para fios finos é pequena. Como alguns dos outros críticos, ele enfatiza que inferir um padrão de interferência não é o mesmo que medi-lo: "Finalmente, a maior fraqueza na análise dada por Afshar é a inferência de que um padrão de interferência deve estar presente."
  • Andrew Knight argumenta que a afirmação de Afshar de violar a complementaridade é uma inconsistência lógica simples: ao configurar o experimento de forma que os fótons sejam espacialmente coerentes nos dois furos, os furos são necessariamente indistinguíveis por esses fótons. “Em outras palavras, Afshar et al. afirmam de uma só vez ter estabelecido o experimento de modo que os furos A e B são inerentemente indistinguíveis por certos fótons [especificamente, fótons que são produzidos para serem espacialmente coerentes ao longo da largura abrangida por furos que são, portanto, incapazes de distingui-los], e em outro fôlego para distinguir os furos de alfinetes A e B com os mesmos fótons. ”

Suporte específico

  • Flores et al. criticar a configuração de Kastner e propor uma configuração experimental alternativa. Ao remover a lente de Afshar e fazer com que dois feixes se sobreponham em um pequeno ângulo, Flores et al. teve como objetivo mostrar que a conservação do momento garante a preservação da informação de qual caminho quando ambos os furos estão abertos. Mas esse experimento ainda está sujeito à objeção de Luboz de que os 2 feixes têm um padrão de difração submicroscópico criado pela convergência dos feixes antes das fendas; o resultado teria sido a medição de qual fenda foi aberta antes que os fios fossem alcançados.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos