Em nosso mundo clássico cotidiano, o que você vê é o que você obtém. Uma bola é apenas uma bola e, quando lançada no ar, sua trajetória é direta e clara. Mas se essa bola fosse reduzida ao tamanho de um átomo ou menor, o seu comportamento mudaria para uma realidade quântica e difusa. A bola existiria não apenas como uma partícula física, mas também como uma onda de possíveis estados de partícula. E esta dualidade onda-partícula pode dar origem a alguns fenómenos estranhos e sorrateiros.



Uma das perspectivas mais estranhas vem de um experimento mental conhecido como “testador de bomba quântica”. O experimento propõe que uma partícula quântica, como um fóton, poderia atuar como uma espécie de detector de bomba telecinética. Através de suas propriedades tanto como partícula quanto como onda, o fóton poderia, em teoria, sentir a presença de uma bomba sem interagir fisicamente com ela.

O conceito é verificado matematicamente e está alinhado com o que as equações que regem a mecânica quântica permitem. Mas quando se trata de explicar exatamente como uma partícula realizaria tal façanha de farejar bombas, os físicos ficam perplexos. O enigma reside no estado inerentemente instável, intermediário e indefinível de uma partícula quântica. Em outras palavras, os cientistas só precisam confiar que funciona.

Mas os matemáticos do MIT esperam dissipar parte do mistério e, em última análise, estabelecer uma imagem mais concreta da mecânica quântica. Eles agora mostraram que podem recriar um análogo do testador de bomba quântica e gerar o comportamento que o experimento prevê. Eles fizeram isso não em um ambiente quântico exótico, microscópico, mas em uma configuração de mesa aparentemente mundana e clássica.

Em um artigo publicado em 12 de dezembro na Physical Review A , a equipe relata a recriação do testador de bomba quântica em um experimento com um estudo de gotículas saltitantes. A equipe descobriu que a interação da gota com suas próprias ondas é semelhante ao comportamento onda-partícula quântica de um fóton:quando lançada em uma configuração semelhante à proposta no teste da bomba quântica, a gota se comporta exatamente da mesma maneira estatística que é previsto para o fóton. Se realmente houvesse uma bomba na configuração 50% das vezes, a gota, assim como o fóton, a detectaria, sem interagir fisicamente com ela, 25% das vezes.

O facto de as estatísticas em ambas as experiências coincidirem sugere que algo na dinâmica clássica da gota pode estar no cerne do comportamento quântico, de outra forma misterioso, de um fotão. Os pesquisadores veem o estudo como outra ponte entre duas realidades:o mundo clássico observável e o reino quântico mais confuso.

“Aqui temos um sistema clássico que fornece as mesmas estatísticas que surgem no teste da bomba quântica, que é considerada uma das maravilhas do mundo quântico”, diz o autor do estudo, John Bush, professor de matemática aplicada no MIT. "Na verdade, descobrimos que o fenômeno não é tão maravilhoso, afinal. E este é outro exemplo de comportamento quântico que pode ser entendido de uma perspectiva realista local."

O coautor de Bush é o ex-pós-doutorado do MIT Valeri Frumkin.

Fazendo ondas

Para alguns físicos, a mecânica quântica deixa muito à imaginação e não diz o suficiente sobre a dinâmica real da qual supostamente surgem tais fenômenos estranhos. Em 1927, em uma tentativa de cristalizar a mecânica quântica, o físico Louis de Broglie apresentou a teoria da onda piloto - uma ideia ainda controversa que afirma que o comportamento quântico de uma partícula é determinado não por uma onda estatística intangível de estados possíveis, mas por um "piloto" físico. "onda de sua própria criação, que guia a partícula através do espaço.

O conceito foi largamente desconsiderado até 2005, quando o físico Yves Couder descobriu que as ondas quânticas de De Broglie poderiam ser replicadas e estudadas numa experiência clássica baseada em fluidos. A configuração envolve um banho de fluido que vibra sutilmente para cima e para baixo, embora não o suficiente para gerar ondas por si só.

Uma gota milimétrica do mesmo fluido é então distribuída sobre o banho e, à medida que salta da superfície, a gota ressoa com as vibrações do banho, criando o que os físicos conhecem como um campo de onda estacionária que "pilota" ou empurra a gota. junto. O efeito é o de uma gota que parece caminhar ao longo de uma superfície ondulada em padrões que estão de acordo com a teoria da onda piloto de De Broglie.

Nos últimos 13 anos, Bush trabalhou para refinar e ampliar os experimentos de ondas piloto hidrodinâmicas de Couder e usou com sucesso a configuração para observar gotículas exibindo comportamento emergente semelhante ao quântico, incluindo tunelamento quântico, difração de partícula única e trajetórias surreais.

“Acontece que este experimento hidrodinâmico de ondas piloto exibe muitas características de sistemas quânticos que antes eram consideradas impossíveis de entender de uma perspectiva clássica”, diz Bush.

Bombas longe

Em seu novo estudo, ele e Frumkin enfrentaram o testador de bomba quântica. O experimento mental começa com um interferômetro conceitual – essencialmente, dois corredores do mesmo comprimento que se ramificam a partir do mesmo ponto inicial, depois giram e convergem, formando uma configuração semelhante a um losango à medida que os corredores continuam, cada um terminando em um respectivo detector.

De acordo com a mecânica quântica, se um fóton for disparado do ponto inicial do interferômetro, através de um divisor de feixe, a partícula deverá percorrer um dos dois corredores com igual probabilidade. Enquanto isso, a misteriosa “função de onda” do fóton, ou a soma de todos os seus estados possíveis, percorre os dois corredores simultaneamente.

A função de onda interfere de forma que a partícula só apareça em um detector (vamos chamar de D1) e nunca no outro (D2). Portanto, o fóton deve ser detectado em D1 100% do tempo, independentemente do corredor pelo qual ele viajou.

Se houver uma bomba em um dos dois corredores, e um fóton passar por esse corredor, previsivelmente aciona a bomba e a configuração é explodida em pedaços, e nenhum fóton é detectado em nenhum dos detectores. Mas se o fotão viajar pelo corredor sem a bomba, algo estranho acontece:a sua função de onda, ao viajar pelos dois corredores, é interrompida num deles pela bomba.

Como não é bem uma partícula, a onda não detona a bomba. Mas a interferência da onda é alterada de tal forma que a partícula será detectada com igual probabilidade em D1 e D2. Qualquer sinal em D2 significaria, portanto, que um fóton detectou a presença da bomba, sem interagir fisicamente com ela. Se a bomba estiver presente 50% do tempo, então essa estranha detecção de bomba quântica deverá ocorrer 25% do tempo.

No seu novo estudo, Bush e Frumkin criaram uma experiência análoga para ver se este comportamento quântico poderia surgir nas gotículas clássicas. Em um banho de óleo de silício, eles submergiram uma estrutura semelhante aos corredores em forma de losango do experimento mental. Eles então dispensaram cuidadosamente pequenas gotas de óleo na banheira e rastrearam seus caminhos. Eles adicionaram uma estrutura a um lado do losango para imitar um objeto semelhante a uma bomba e observaram como a gota e seus padrões de onda mudaram em resposta.

No final, descobriram que em 25% das vezes uma gota saltava pelo corredor sem a “bomba”, enquanto as suas ondas piloto interagiam com a estrutura da bomba de uma forma que empurrava a gota para longe da bomba. Desta perspectiva, a gota foi capaz de “sentir” o objeto semelhante a uma bomba sem entrar fisicamente em contato com ele.

Embora a gota exibisse um comportamento quântico, a equipe pôde ver claramente que esse comportamento emergiu das ondas da gota, o que ajudou fisicamente a mantê-la longe da bomba. Essa dinâmica, diz a equipe, também pode ajudar a explicar o comportamento misterioso das partículas quânticas.

“Não só as estatísticas são as mesmas, mas também conhecemos a dinâmica, o que era um mistério”, diz Frumkin. "E a inferência é que uma dinâmica análoga pode estar subjacente ao comportamento quântico."

“Este sistema é o único exemplo que conhecemos que não é quântico, mas que partilha algumas fortes propriedades de partículas ondulatórias”, diz o físico teórico Matthieu Labousse, da ESPCI Paris, que não esteve envolvido no estudo. "É muito surpreendente que muitos exemplos considerados peculiares ao mundo quântico possam ser reproduzidos por um sistema tão clássico. Ele permite compreender a barreira entre o que é específico de um sistema quântico e o que não é. Os últimos resultados do grupo no MIT empurra a barreira muito longe."

Mais informações: Valeri Frumkin et al, Misinferência de medição livre de interação de um sistema clássico, Physical Review A (2023). DOI:10.1103/PhysRevA.108.L060201. journals.aps.org/pra/abstract/… PhysRevA.108.L060201. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.13590
Informações do diário: Revisão Física A , arXiv

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.