sexta-feira, 9 de novembro de 2012

Variações à experiência da escolha retardada

Veja minha primeira abordagem sobre a experiencia da escolha retardada aqui, para uma melhor compreensão do texto que se segue. 



Extrato do livro O Tecido do Cosmo – O espaço, o tempo e a textura da realidade, de Brian Greene, editora Companhia das Letras (pode ser encontrado, em parte no Google Books).

Começamos com o experimento da figura 7.1a, modificado com a redução da frequência do laser, que passa a disparar um fóton de cada vez, como na figura 7.1b, e também com a colocação de um novo detector de fótons próximo ao divisor de feixes.


Se o novo detector estiver desligado (veja figura 7.2b), estaremos de volta à configuração original do experimento e os fótons gerarão um padrão de interferência na tela fotográfica. Mas se o novo detector estiver ligado (figura 7.2a), ele nos mostrará o caminho seguido por cada fóton: se ele detectar um fóton, então é porque o fóton tomou aquele caminho; se ele não detectar um fóton, então é porque o fóton tomou o outro caminho. Essa “informação de escolha”, como é chamada, obriga o fóton a agir como partícula e, portanto, o padrão de interferência ondulatório já não é gerado.


Agora, vamos mudar as coisas à la Wheeler, deslocando o novo detector de fótons mais para longe em um dos caminhos. Em princípio, os caminhos podem ser tão longos quanto se queira, de modo que o novo detector pode estar a uma distância considerável do divisor de feixes. Também aqui, se o novo detector de fótons estiver desligado, estaremos na situação normal e os fótons comporão um padrão de interferência na tela. Se ele estiver ligado, fornecerá informações de escolha, o que impedirá a existência do padrão de interferência.

A nova estranheza provém do fato de que o recebimento da informação de escolha ocorre muito depois de que o fóton tenha tido que “decidir”, no divisor de feixes, se atuará como onda e viajará pelos dois caminhos ou se atuará como partícula e viajará apenas por um deles. Quando o fóton passa pelo divisor de feixes, ele não pode “saber” se o novo detector estará ligado ou desligado – na verdade, o experimento pode ser realizado de maneira que o interruptor do detector só seja acionado depois que o fóton tenha passado pelo divisor de feixes. Para estar preparada para a possibilidade de que o detector esteja desligado, a onda quântica do fóton deve dividir-se e viajar por ambos os caminhos, de modo que um amálgama dos dois possa gerar o padrão de interferência observado. Mas, se acontecer que o novo detector esteja ligado – ainda que depois que o fóton já tenha deixado o divisor de feixes -, isso poderia causar uma crise de identidade para o fóton: ao passar pelo divisor de feixes, ele já se teria comprometido com o caráter ondulatório viajando pelos dois caminhos, mas agora, algum tempo depois de ter feito essa escolha, ele “percebe” que precisa passar a ser uma partícula, que viaja por um único caminho.

De algum modo, contudo, o fóton acerta sempre. Toda vez que o detector está ligado – mesmo que o ato de liga-lo ocorra bem depois de determinado fóton ter passado pelo divisor de feixes -, o fóton atua inteiramente como partícula. Ele será encontrado apenas em um dos caminhos para a tela (se colocássemos detectores de fótons mais abaixo, nas trajetórias, cada fóton emitido pelo laser seria detectado por um detector ou pelo outro, mas nunca pelos dois); os dados resultantes não mostram o padrão de interferência. Toda vez que o novo detector está desligado – mesmo que a decisão seja tomada depois que cada fóton tenha passado pelo divisor de feixes -, os fótons atuam inteiramente como ondas, produzindo o famoso padrão de interferência que indica que eles viajaram por ambas as trajetórias. É como se ajustassem o seu comportamento no passado de acordo com a escolha futura, segundo esteja o detector ligado ou desligado. É como se tivessem uma “premonição” da situação experimental que encontrariam mais adiante e já atuariam de acordo com ela. É como se uma história coerente e definida se tornasse manifesta apenas depois de que o futuro ao qual ela leva estivesse totalmente estabelecido. (...)

[Neste ponto, o autor mostra que a luz de um quasar, emitida e bilhões de anos, pode ser dividida de forma a, potencialmente, percorrer dois caminhos e chegar a Terra, no qual um detector pode identificar qual dos caminhos foi “adotado” pelo fóton: uma versão cósmica do experimento aqui descrito].

A mecânica quântica não nega que o passado tenha acontecido, e acontecido por completo. A tensão surge simplesmente porque o conceito quântico de passado é diferente do conceito de passado de acordo com a intuição clássica. A nossa criação clássica nos faz desejar dizer que determinado fóton fez isto ou aquilo. Mas no mundo quântico, no nosso mundo, esse raciocínio impõe ao fóton uma realidade demasiado restrita. Como vimos, na mecânica quântica a norma é uma realidade indeterminada, difusa, híbrida, que consiste em múltiplos ramos e que só se cristaliza em uma realidade mais familiar e definida quando se faz uma observação adequada. Não é que o fóton tenha decidido bilhões de anos atrás contornar a galáxia por um lado ou pelo outro. Durante esses bilhões de anos ele se manteve dentro da norma quântica – um híbrido de todas as possibilidades. (...)

Uma observação feita hoje, portanto, ajuda a completar a história que relatamos, de um processo que teve início ontem, ou no dia anterior, ou talvez há 1 bilhão de anos. Uma observação feita hoje pode delinear os detalhes que podemos e devemos incluir no nosso relato do passado.


  O Passado Apagado

É essencial ressaltar que, nesses experimentos, o passado não é de modo algum alterado pelas ações de hoje, e nenhuma modificação que façamos no experimento pode alcançar esse fim. Isso leva à seguinte pergunta: se não se pode modificar algo que já aconteceu, pode-se fazer a coisa mais próxima a isso – apagar o impacto desse fato sobre o presente? Em determinado grau, por vezes essa fantasia pode ser realizada. (...) Só quando um evento do passado parece impedir definitivamente a ocorrência de um evento futuro (assim como defesa do pênalti impede a vitória do time adversário), poderíamos pensar em que algo errado teria acontecido. O apagador quântico, originalmente concebido em 1982 por Marlan Scully e Kai Drühl, sugere esse tipo de estranheza na mecânica quântica.
(...)


 O Passado Conformado

Este experimento, o apagador quântico de escolha retardada, também foi proposto por Scully e Drühl. Ele tem início com o experimento do divisor de feixes da figura 7.1, modificado pela inserção de dois conversores-descendentes, um em cada caminho. Os conversores-descendentes são instrumentos que tomam um fóton como entrada e produzem dois fótons como resultado, cada qual com a metade da energia (convertida e reduzida) do original. Um dos dois fótons (denominado fóton-sinal) é orientado para tomar o caminho que o fóton original teria percorrido em direção à tela do detector. O outro fóton produzido pelo conversor-descendente (denominado fóton-complementar) é enviado em uma direção totalmente diferente, como na figura 7.5a. Cada vez que o experimento é realizado, podemos determinar qual o caminho tomado pelo fóton-sinal em direção à tela observando qual dos conversores-descendentes emite o parceiro espectador. Neste caso, mais uma vez a capacidade de compilar as informações de escolha a respeito dos fótons-sinais – ainda que totalmente indireta, uma vez que não estamos interagindo com nenhum fóton-sinal – tem o efeito de prevenir a formação de um padrão de interferência.

Agora vamos à parte estranha. E se manipularmos o experimento para que se torne impossível determinar de qual conversor descendente determinado fóton-complementar surge? Ou seja: e se apagarmos a informação de escolha que os fótons-complementares contêm? Acontece algo assombroso: ainda que não tenhamos feito nada diretamente com os fótons-sinais, ao apagarmos as informações de escolha contidas nos parceiros espectadores podemos recuperar o padrão de interferência a partir dos fótons-sinais. Vamos ver como isso funciona, porque é verdadeiramente fantástico.

Observe a figura 7.5b, que reúne todas as ideias essenciais, mas não se deixe intimidar. É mais simples do que parece e vamos avançar com passos seguros. A configuração que aparece na figura 7.5b difere da que aparece na figura 7.5a quanto ao modo de detectar os fótons-espectadores depois da emissão. Na figura 7.5a, a detecção é imediata, de forma que podemos determinar instantaneamente qual conversor-descendente os produziu – ou seja, qual o caminho tomado por determinado fóton-sinal. No novo experimento, cada fóton-complementar é enviado a um labirinto, que compromete nossa capacidade de fazer essa determinação. Imagine, por exemplo, que um fóton-complementar é emitido pelo conversor-descendente que tem a etiqueta “L”. Em vez de entrar imediatamente em um detector (como na figura 7.5a), esse fóton é enviado a um divisor de feixes (com a etiqueta “a”) e tem, portanto, 50% de possibilidade de seguir em frente pelo caminho “B”. Se ele seguir pelo caminho “A”, entrará em um detector de fóton (etiqueta “1”) e sua chegada será devidamente registrada. Mas se o fóton-complementar seguir pelo caminho “B”, estará sujeito a mais andanças. Ele se dirigirá a outro divisor de feixes (etiqueta “c”) e terá, portanto, 50% de possibilidade de seguir em frente pelo caminho “E” para o detector “2” e 50% de possibilidade de seguir em frente pelo caminho “F” para o detector “3”. Agora- mantenha-se atento porque tudo isto vai fazer sentido – este mesmo raciocínio, quando aplicado a um fóton-complementar emitido pelo outro conversor-descendente, com a etiqueta “R”, nos indica que se o fóton-complementar seguir pelo caminho “D”, ele será registrado pelo detector “4”, mas se seguir pelo caminho “C”, será detectado ou pelo detector “3” ou pelo detector “2”, dependendo do caminho que tomar depois de passar pelo divisor de feixes “b”.


Por que acrescentamos todas essas complicações? Note que se um fóton-complementar for detectado pelo detector “1”, ficamos sabendo que o fóton-sinal correspondente tomou o caminho da esquerda, uma vez que um fóton-complementar que tenha sido emitido pelo conversor-descendente “R” não tem como chegar a este detector. Do mesmo modo, se um fóton-complementar for detectado pelo detector “4”, ficamos sabendo que o fóton-sinal correspondente tomou o caminho da direita. Mas se um fóton-complementar acabar no detector “2”, não teremos nenhuma ideia quanto ao caminho tomado pelo seu aprceiro-sinal, pois há possibilidades iguais de que ele tenha sido emitido pelo conversor-descendente “L! e seguir o caminho B-E, ou de que tenha sido emitido pelo conversor-descendente “R” e tomado o caminho C-E. Do mesmo modo, se um fóton-complementar for detectado pelo detector “3”, ele poderá ter sido emitido pelo conversor-descendente “L” e viajado pelo caminho B-F, ou pelo conversor-descendente “R” e viajado pelo caminho C-F. Assim, para os fótons-sinais cujos fótons-complementares foram detectados pelos detectores “1” ou “4”, teremos informações de escolha, mas para aqueles cujos fótons-complementares forem detectados pelos detectores “2” ou “3”, as informações de escolha são apagadas.

Este apagamento de algumas das informações de escolha – embora não tenhamos feito nada diretamente com os fótons-sinais – significa a recuperação dos efeitos da interferência? Sim senhor – mas apenas para os fótons-complementares chegam aos detectores “2” ou “3”. (...) Porém não haveria nenhum padrão de interferência se nos concentrássemos apenas nos fótons-sinais cujos parceiros complementares chegaram aos detectores “1” ou “4” (...).

Esses resultados – confirmados em experimentos – são extraordinários: ao incluirmos os conversores-descendentes que têm o potencial de propiciar informações de escolha, perdemos o padrão de interferência, como na figura 7.5a. (...) eliminando cuidadosamente as informações de escolha potenciais, trazidas por alguns dos fótons-complementares, podemos induzir a formação de um padrão de interferência que indica que alguns dos fótons tomaram, na verdade, ambos os caminhos.

Note também o que talvez seja o resultado mais espantoso de todos: os três divisores de feixes e os quatro detectores de fótons-complementares que foram acrescentados podem estar no outro lado do laboratório, ou mesmo no outro lado do universo, uma vez que nada na nossa discussão depende de que eles recebam determinado fóton-complementar antes ou depois de que o fóton-sinal que é seu parceiro atinja a tela. Imagine, então, que esses instrumentos estão bem longe, a dez anos-luz de distância (...) o que esta discussão mostra com vigor é que a história que contamos para explicar os dados dos fótons-sinais depende significativamente de medições feitas dez anos depois do momento em que esses dados foram reunidos.