Física Quântica 20 - Observação de Trajetórias

 Observação de Trajetórias

por Osvaldo Pessoa Jr.

No texto “Interpretando o Experimento da Dupla Fenda”, estudamos um experimento em que o objeto quântico (elétron, luz, ou um átomo) tem à sua disposição dois caminhos possíveis, e no final (após a passagem de milhares desses objetos) aparecem franjas de interferência, típicas de ondas. 

No texto “O Primeiro Debate Einstein-Bohr”, vemos a tentativa de Einstein de descobrir por qual fenda passa o objeto, e como Bohr argumentou convincentemente que se medirmos a trajetória do objeto, as franjas de interferência desaparecem.

Com isso, formulou seu princípio de complementaridade (ou dualidade onda-partícula): para entendermos um experimento quântico, utilizamos ou um quadro ondulatório (que explica as franjas), ou um quadro corpuscular (no qual se pode dizer por qual caminho a partícula rumou ao longo do experimento), mas nunca ambos ao mesmo tempo (ou seja: se tem franja, não tem trajetória, e vice-versa).

Esta discussão foi retomada, na década de 1960, por Richard Feynman.

Ele examinou o experimento da fenda dupla para elétrons, que tinha sido realizado em 1961 pelo alemão Claus Jönsson. Esquematicamente, podemos representar este experimento da seguinte maneira:

Os elétrons são emitidos por um fio aquecido, e podem passar pela fenda A ou B.

Um detector móvel vai registrando quantos elétrons caem em cada região de uma parede, e ao final obtém-se um gráfico de intensidade (eixo x) versus a posição y na parede.

Esse gráfico mostra que há regiões em que incidem muitos elétrons, e regiões em que não incide nenhum elétron: justamente as “franjas de interferência” mencionadas anteriormente.

Feynman então imaginou que se tentasse medir o caminho escolhido por cada elétron. Para isso, imaginou duas pequenas lanternas (fontes de luz), colocadas atrás do anteparo com as fendas, que emitem fótons de luz.

Numa situação idealizada, se o elétron passasse pela fenda A, ele desviaria um fóton para o detector DA (situação análoga ocorreria se o elétron passasse pela fenda B).

Obteríamos, assim, informação da trajetória do elétron. Porém, ao final do experimento (repetido para milhares de elétrons), as franjas de interferência desapareceriam!

O que se obteria seriam duas regiões de incidência de elétrons, uma defronte à fenda A e outra defronte a B, que se somariam, resultando numa mancha clara única, sem a oscilação entre claro e escuro do experimento anterior (sem franjas de interferência).

Segundo Feynman, isso seria semelhante ao que se obteria se balas de revólver fossem atiradas através das fendas: um comportamento típico de partículas indivisíveis.

Por que os elétrons mudam de comportamento de uma situação para a outra? É só porque o cientista escolheu observar sua trajetória?

A resposta é sim, mas percebemos que esta observação mexe no elétron, provoca um distúrbio no elétron. Para observar o elétron passando pela fenda A ou B é preciso “bater” nele com um fóton, e isso altera o seu estado.

Com a fonte de luz desligada, o elétron passeia bucolicamente como uma onda, sem que nada perturbe seu estado onírico.

Quando a fonte é ligada, aparece um monte de fótons batendo em sua cabeça, forçando-o a acordar, a tomar uma decisão sobre qual fenda ele escolheu! E isso acontece quer os detectores DA e DB estejam presentes, quer não.

Esse exemplo mostra, mais uma vez, que uma “observação” na física quântica não é algo distante, que não perturba o objeto, como se estivéssemos olhando através de um binóculo para um lance de futebol.

A observação quântica “sacode” o objeto microscópio e extrai à força as informações dele. Não é de se espantar que a medição da trajetória do elétron cause uma mudança tão grande em seu comportamento.

Uma última questão deve ser mencionada. No fenômeno ondulatório, com franjas de interferência, não se pode dizer que “o elétron rumou ou por A, ou por B, só que nós não sabemos por onde ele passou”?

É possível responder esta questão de maneiras diferentes, conforme a interpretação adotada.

Mas uma resposta simples e básica é dizer que não! No fenômeno ondulatório, o elétron não rumou por uma fenda bem definida, mas sim pelas duas ao mesmo tempo, como faria uma onda clássica.

É como se ele estivesse placidamente imbuído de uma simetria, mas quando alguém interage com ele, para observar sua posição, esta simetria seria “quebrada”.

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