Física Quântica 48 - Experimento de Resultado Nulo

 

Experimento de Resultado Nulo

por Osvaldo Pessoa Jr. 

Um tipo de experimento bastante interessante e simples que pode ocorrer na Física Quântica é uma medição que fornece informação sem absorção de energia pelo detector.

Consideremos o experimento de Stern-Gerlach, que vimos no texto 6, "Onde está o Átomo de Prata?", que pode fornecer dois resultados possíveis: detecção "em cima", no caminho A, ou detecção "em baixo", no caminho B. Suponha agora que o detector do caminho de baixo é removido, como na figura abaixo.

Sabendo que um único átomo adentrou o imã de Stern-Gerlach, pode acontecer que nada seja detectado no detector do caminho A.

Neste caso, supondo que o detector é 100% eficiente, inferimos que o átomo está localizado no caminho B.

Isso corresponde a uma medição, houve uma redução do estado inicial superposto (A+B, antes da detecção) para o estado B, e "adquiriu-se informação", no sentido de que a partir deste resultado podemos fazer previsões mais precisas no futuro (ou seja, sabemos o que acontecerá se um medidor for colocado mais adiante no caminho B).

No entanto, não houve transferência de nenhum quantum de energia para o aparelho de medição, ou seja, o detector não disparou e nem se produziu um registro macroscópico no aparelho.

Tal situação é conhecida como "medição de resultado nulo" ou "de resultado negativo".

O aspecto peculiar deste tipo de medição foi apontado pela primeira vez pelo alemão Mauritius Renninger, em 1960, para criticar a interpretação ortodoxa da Física Quântica, que afirma que toda medição provoca um distúrbio no objeto quântico, como é comumente exemplificado pelo princípio de incerteza.

Na figura acima, porém, vemos que a onda quântica está inicialmente espalhada entre os dois caminhos, e há um contato entre a parte da onda correspondente à posição A e o detector, logo antes do colapso da onda para o estado B.

Assim, numa interpretação realista ondulatória, há uma interação entre o objeto quântico e o aparelho de medição, apesar de não haver transferência de um quantum.

Esta crítica de Renninger pressupõe uma interpretação corpuscular do objeto quântico. Isso é consistente com a interpretação da complementaridade, que caracteriza este experimento como um fenômeno corpuscular (pois há uma trajetória bem definida).

Neste caso, portanto, não teria havido interação entre a partícula e o detector. Werner Heisenberg, porém, sentiu-se incomodado com a crítica de seu compatriota Renninger.

Ele argumentou que em tal experimento era preciso levar em conta a "totalidade" do fenômeno, de maneira semelhante a que Bohr responderá a EPR ("O Paradoxo de EPR".

Ou seja, neste caso Heisenberg estava negando uma interpretação puramente corpuscular. (Renninger, na verdade, tinha uma visão dualista realista, como Willy de Baere salientou em um artigo de 2005, disponível na internet.)

Em 1966, o experimento de resultado nulo foi usado pelo brasileiro Klaus Tausk para criticar uma teoria da medição quântica formulada por Daneri, Loinger e Prosperi, e divulgada por Leon Rosenfeld.

Este último afirmou que a teoria dos três italianos mostrava que a amplificação seria necessária para a redução (colapso) do estado quântico.

Tausk argumentou corretamente que o experimento de resultado nulo mostrava que pode haver colapso sem amplificação.

Os italianos se defendem argumentando (conforme mencionamos acima para a interpretação ondulatória) que há interação da onda quântica com o aparelho, mesmo sem resultar em um disparo do aparelho.

Em 1981, o grande físico Robert Dicke examinou em detalhes outro exemplo de experimento de resultado nulo, envolvendo um átomo dentro de uma caixa que está dividida em dois compartimentos.

O estado inicial do sistema é uma superposição de estados bem localizados em cada um dos compartimentos.

Irradia-se o compartimento esquerdo com fótons; se nenhum espalhamento for observado, ocorre um colapso do estado de posição do átomo para o compartimento da direita, sem haver detecção de fótons.

Um fato paradoxal aqui é que este estado final (átomo mais fóton) pode ter mais energia do que o estado inicial!

Dicke mostrou, contudo, que este aumento é compensado pela diminuição de energia que ocorre quando o fóton é espalhado, de forma que a energia média é conservada.

Outro ponto importante salientado por Dicke envolve um esclarecimento da afirmação de Renninger de que "nenhuma interação" ocorreria em um experimento de resultado nulo:

"Mostra-se em teoria de perturbação da mais baixa ordem que esta redução da probabilidade de que o átomo se encontre no lado esquerdo da caixa está associada a um processo de espalhamento de segunda ordem. [...]

O processo de espalhamento de segunda ordem é um no qual um fóton é primeiro absorvido pelo átomo e depois emitido de volta no pacote de onda, deixando o campo de fótons no estado original. [...]

A ausência de um fóton espalhado não implica que uma 'interação' entre o pacote de onda do fóton e o átomo não tenha ocorrido, pois o processo de espalhamento de segunda ordem pode ser considerado uma 'interação'." (Foundations of Physics 16, 1986, pp. 109-10.) O experimento de resultado nulo está presente em vários contextos dos fundamentos da física quântica, como no efeito Zenão quântico e no "efeito prateleira óptica" (Porrati & Putterman, Physical Review A, 1987, p. 929-32).

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