> Experiência de dupla fenda de Young

Explorar A experiência de Young com fendas. Leia, qual é a distância entre as fendas no experimento de Young, a largura da tira e dois orifícios, as características da luz como ondas, o experimento.

Em seu experimento, Thomas Young mostrou que matéria e energia são capazes de exibir as características de ondas e partículas.

Tarefa de aprendizagem

• Entenda por que o experimento de Jung parece mais plausível do que as expressões de Huygens.

Pontos chave

• As características da onda fazem com que a luz que passa pela fenda interfira nela mesma, formando áreas claras e escuras.
• Se as ondas interferem nas cristas, mas convergem em fase, encontramos interferência construtiva. Se as ondas não coincidem completamente, isso é interferência destrutiva.
• Cada ponto na parede tem uma distância diferente da lacuna. Esses caminhos correspondem a um número diferente de ondas.

Termos

• Interferência destrutiva - as ondas interferem e não correspondem umas às outras.
• Interferência construtiva - as ondas interferem nas cristas, mas estão em fase.

O experimento da fenda dupla mostra que matéria e energia podem se comportar como ondas ou partículas. Em 1628, Christian Huygengs provou que a luz atua como uma onda. Mas algumas pessoas discordaram, especialmente Isaac Newton. Ele acreditava que uma explicação exigiria interferência de cores e efeitos de difração. Até 1801 ninguém acreditava que a luz fosse uma onda até que Thomas Young veio com seu experimento de dupla fenda - o experimento de Young. Ele fez duas fendas verticais muito próximas (a distância aproximada entre as fendas no experimento de Jung pode ser vista no diagrama abaixo) e deixou a luz passar por elas, observando o padrão criado na parede.

A luz passa por duas fendas verticais e é difratada como duas linhas verticais dispostas horizontalmente. Se não fosse por difração e interferência, então a luz simplesmente criaria duas linhas

Dualidade de partículas de onda

Devido às características ondulatórias, a luz passa pelas fendas e colide, formando regiões claras e escuras na parede. É espalhado e absorvido pela parede, adquirindo as características de partículas.

O experimento de Young

Por que o experimento de Jung com duas fendas convenceu a todos? Huygens estava inicialmente certo, mas não conseguiu mostrar suas conclusões na prática. A luz tem comprimentos de onda relativamente curtos, por isso precisa estar em contato com algo pequeno para demonstrar.

O exemplo usa duas fontes de luz coerentes com o mesmo comprimento de onda monocromático (em fase). Ou seja, duas fontes criarão interferência construtiva ou destrutiva.

Interferência construtiva e destrutiva

O ruído construtivo ocorre quando as ondas interferem ao longo das cristas, mas estão em fase. Isso amplificará a onda resultante. Destrutivos interferem entre si completamente e não combinam, o que cancela a onda.

Duas fendas formam duas fontes de ondas coerentes que interferem uma na outra. (a) - A luz é espalhada por cada fenda, devido à sua estreiteza. As ondas se sobrepõem e interferem construtivamente (linhas claras) e destrutivas (áreas escuras). (b) - O padrão de fenda dupla para ondas de água praticamente coincide com ondas de luz. A maior atividade é perceptível em áreas com interferência destrutiva. (c) - Quando a luz atinge a tela, encontramos um padrão semelhante

As amplitudes das ondas se somam. (a) - A interferência construtiva pura é possível se ondas idênticas convergem em fase. (b) - Pura interferência destrutiva - as mesmas ondas não estão exatamente em fase

O padrão criado não será aleatório. Cada slot está localizado a uma certa distância. Todas as ondas partem da mesma fase, mas a distância do ponto na parede até o vão cria um tipo de interferência.

Ninguém no mundo entende a mecânica quântica - esta é a principal coisa que você precisa saber sobre isso. Sim, muitos físicos aprenderam a usar suas leis e até mesmo prever fenômenos usando cálculos quânticos. Mas ainda não está claro por que a presença de um observador determina o destino do sistema e o força a fazer uma escolha em favor de um estado. "Teorias e Práticas" selecionou exemplos de experimentos, cujo resultado é inevitavelmente influenciado pelo observador, e tentou descobrir o que a mecânica quântica fará com tal interferência da consciência na realidade material.

O gato de Shroedinger

Hoje existem muitas interpretações da mecânica quântica, a mais popular das quais continua sendo a de Copenhague. Suas principais disposições foram formuladas na década de 1920 por Niels Bohr e Werner Heisenberg. E o termo central da interpretação de Copenhague foi a função de onda - uma função matemática que contém informações sobre todos os estados possíveis de um sistema quântico no qual reside simultaneamente.

De acordo com a interpretação de Copenhague, apenas a observação pode determinar com precisão o estado do sistema, distingui-lo do resto (a função de onda só ajuda a calcular matematicamente a probabilidade de detectar o sistema em um estado específico). Podemos dizer que após a observação, um sistema quântico se torna clássico: instantaneamente deixa de coexistir em muitos estados ao mesmo tempo em favor de um deles.

Essa abordagem sempre teve oponentes (lembre-se, por exemplo, “Deus não joga dados” de Albert Einstein), mas a precisão dos cálculos e previsões cobrava seu preço. No entanto, nos últimos anos tem havido cada vez menos apoiantes da interpretação de Copenhaga, e não a menor razão para isso é o colapso instantâneo muito misterioso da função de onda durante a medição. O famoso experimento mental de Erwin Schrödinger com o pobre gato foi projetado apenas para mostrar o absurdo desse fenômeno.

Então, lembramos o conteúdo do experimento. Um gato vivo, uma ampola de veneno e algum mecanismo que pode colocar o veneno em ação em um momento aleatório são colocados em uma caixa preta. Por exemplo, um átomo radioativo, cujo decaimento quebrará a ampola. O tempo exato do decaimento do átomo é desconhecido. Apenas a meia-vida é conhecida: o tempo durante o qual o decaimento ocorrerá com uma probabilidade de 50%.

Acontece que, para um observador externo, o gato dentro da caixa existe em dois estados ao mesmo tempo: ou está vivo, se tudo correr bem, ou morto, se ocorreu a decomposição e a ampola quebrou. Ambos os estados são descritos pela função de onda do gato, que muda ao longo do tempo: quanto mais longe, mais provável é que o decaimento radioativo já tenha ocorrido. Mas assim que a caixa é aberta, a função de onda entra em colapso e imediatamente vemos o resultado do experimento do esfolador.

Acontece que até que o observador abra a caixa, o gato se equilibrará para sempre na fronteira entre a vida e a morte, e somente a ação do observador determinará seu destino. Este é o absurdo que Schrödinger apontou.

Difração de elétrons

De acordo com uma pesquisa de importantes físicos realizada pelo The New York Times, o experimento com difração de elétrons, realizado em 1961 por Klaus Jenson, tornou-se um dos mais belos da história da ciência. Qual é a sua essência?

Existe uma fonte que emite um fluxo de elétrons em direção à tela-placa fotográfica. E há um obstáculo no caminho desses elétrons - uma placa de cobre com duas fendas. Que tipo de imagem na tela pode ser esperada se representarmos os elétrons como apenas pequenas bolas carregadas? Duas faixas iluminadas opostas às fendas.

Na realidade, um padrão muito mais complexo de listras pretas e brancas alternadas aparece na tela. O fato é que ao passar pelas fendas, os elétrons começam a se comportar não como partículas, mas como ondas (assim como os fótons, partículas de luz, podem ser simultaneamente ondas). Então essas ondas interagem no espaço, em algum lugar enfraquecendo e em algum lugar se fortalecendo, e como resultado, uma imagem complexa de listras claras e escuras alternadas aparece na tela.

Nesse caso, o resultado do experimento não muda e, se os elétrons passam pela fenda não em um fluxo contínuo, mas um a um, até uma partícula pode ser simultaneamente uma onda. Mesmo um elétron pode passar por duas fendas ao mesmo tempo (e esta é outra das importantes provisões da interpretação de Copenhague da mecânica quântica - objetos podem exibir simultaneamente suas propriedades materiais "usuais" e propriedades de ondas exóticas).

Mas e o observador? Apesar do fato de que com ele a história já complicada se tornou ainda mais complicada. Quando, em tais experimentos, os físicos tentaram consertar com a ajuda de instrumentos por onde o elétron realmente passa, a imagem na tela mudou drasticamente e tornou-se “clássica”: duas áreas iluminadas opostas às fendas e sem listras alternadas.

Os elétrons pareciam não querer mostrar sua natureza ondulatória sob o olhar do observador. Ajustado ao seu desejo instintivo de ver uma imagem simples e compreensível. Místico? Há uma explicação muito mais simples: nenhuma observação do sistema pode ser realizada sem impacto físico sobre ele. Mas voltaremos a isso um pouco mais adiante.

Fulereno aquecido

Experimentos sobre difração de partículas foram realizados não apenas em elétrons, mas também em objetos muito maiores. Por exemplo, os fulerenos são moléculas grandes e fechadas compostas por dezenas de átomos de carbono (por exemplo, um fulereno de sessenta átomos de carbono é muito semelhante em forma a uma bola de futebol: uma esfera oca costurada de cinco e hexágonos).

Recentemente, um grupo da Universidade de Viena, liderado pelo professor Zeilinger, tentou introduzir um elemento de observação em tais experimentos. Para fazer isso, eles irradiaram moléculas de fulereno em movimento com um feixe de laser. Depois disso, aquecidas por uma influência externa, as moléculas começaram a brilhar e assim inevitavelmente revelavam seu lugar no espaço para o observador.

Junto com essa inovação, o comportamento das moléculas também mudou. Antes do início da vigilância total, os fulerenos contornaram com bastante sucesso obstáculos (mostram propriedades de onda) como elétrons do exemplo anterior passando por uma tela opaca. Mas mais tarde, com o advento do observador, os fulerenos se acalmaram e começaram a se comportar como partículas de matéria completamente obedientes à lei.

Dimensão de resfriamento

Uma das leis mais famosas do mundo quântico é o princípio da incerteza de Heisenberg: é impossível determinar simultaneamente a posição e a velocidade de um objeto quântico. Quanto mais precisamente medimos o momento de uma partícula, menos precisamente podemos medir sua posição. Mas a operação das leis quânticas, operando no nível de partículas minúsculas, geralmente é imperceptível em nosso mundo de grandes objetos macro.

Portanto, os experimentos recentes do grupo do professor Schwab dos EUA são ainda mais valiosos, nos quais os efeitos quânticos foram demonstrados não no nível dos mesmos elétrons ou moléculas de fulereno (seu diâmetro característico é de cerca de 1 nm), mas em um objeto um pouco mais tangível - uma pequena tira de alumínio.

Esta faixa foi fixada em ambos os lados para que seu meio ficasse em estado suspenso e pudesse vibrar sob influência externa. Além disso, ao lado da tira havia um dispositivo capaz de registrar sua posição com alta precisão.

Como resultado, os experimentadores descobriram dois efeitos interessantes. Em primeiro lugar, qualquer medição da posição do objeto, a observação da tira não passou sem um traço para ele - após cada medição, a posição da tira mudou. Grosso modo, os experimentadores determinaram as coordenadas da faixa com grande precisão e, assim, de acordo com o princípio de Heisenberg, mudaram sua velocidade e, portanto, a posição subsequente.

Em segundo lugar, o que já é bastante inesperado, algumas medições também levaram ao resfriamento da tira. Acontece que o observador só pode alterar as características físicas dos objetos pela sua presença. Parece absolutamente incrível, mas para crédito dos físicos, digamos que eles não estavam perdidos - agora o grupo do professor Schwab está pensando em como aplicar o efeito descoberto ao resfriamento de circuitos eletrônicos.

Partículas congelantes

Como você sabe, partículas radioativas instáveis ​​decaem no mundo não apenas por causa de experimentos em gatos, mas também por si mesmas. Além disso, cada partícula é caracterizada por um tempo de vida médio, que, ao que parece, pode aumentar sob o olhar de um observador.

Esse efeito quântico foi previsto pela primeira vez na década de 1960, e sua brilhante confirmação experimental apareceu em um artigo publicado em 2006 pelo grupo de prêmios Nobel de física Wolfgang Ketterle, do Massachusetts Institute of Technology.

Neste trabalho, estudamos o decaimento de átomos de rubídio excitados instáveis ​​(decaimento em átomos de rubídio no estado fundamental e fótons). Imediatamente após a preparação do sistema, a excitação dos átomos começou a ser observada - eles foram iluminados por um feixe de laser. Neste caso, a observação foi realizada em dois modos: contínuo (pequenos pulsos de luz são constantemente alimentados no sistema) e pulsado (o sistema é irradiado com pulsos mais potentes de tempos em tempos).

Os resultados obtidos estão em excelente acordo com as previsões teóricas. Os efeitos de luz externa realmente retardam o decaimento das partículas, como se as devolvessem ao seu estado original, longe do estado de decaimento. Nesse caso, a magnitude do efeito para os dois regimes estudados também coincide com as previsões. E a vida máxima dos átomos de rubídio excitados instáveis ​​foi estendida em 30 vezes.

Mecânica quântica e consciência

Elétrons e fulerenos deixam de mostrar suas propriedades ondulatórias, placas de alumínio esfriam e partículas instáveis ​​congelam em seu decaimento: sob o olhar onipotente de um observador, o mundo está mudando. O que não é evidência do envolvimento de nossa mente no trabalho do mundo ao redor? Então, talvez Carl Jung e Wolfgang Pauli (físico austríaco, ganhador do Nobel, um dos pioneiros da mecânica quântica) estivessem certos quando disseram que as leis da física e da consciência deveriam ser consideradas complementares?

Mas, assim, resta apenas um passo para o reconhecimento do dever: todo o mundo ao redor é a essência de nossa mente. Repugnante? (“Você realmente acha que a Lua existe apenas quando você olha para ela?” Einstein comentou sobre os princípios da mecânica quântica). Então vamos tentar novamente nos voltarmos para os físicos. Além disso, nos últimos anos eles estão cada vez menos satisfeitos com a interpretação de Copenhague da mecânica quântica com seu misterioso colapso de uma onda de função, que está sendo substituída por outro termo bastante mundano e confiável - decoerência.

Aqui está a coisa - em todos os experimentos descritos com observação, os experimentadores inevitavelmente influenciaram o sistema. Foi iluminado com um laser, instrumentos de medição foram instalados. E este é um princípio geral e muito importante: você não pode observar um sistema, medir suas propriedades sem interagir com ele. E onde há interação, há uma mudança nas propriedades. Especialmente quando o colosso de objetos quânticos interage com um minúsculo sistema quântico. Assim, a neutralidade eterna e budista do observador é impossível.

Isso é precisamente o que explica o termo "decoerência" - um processo irreversível do ponto de vista de violação das propriedades quânticas de um sistema quando ele interage com outro sistema grande. Durante tal interação, o sistema quântico perde suas características originais e se torna clássico, “obedece” ao grande sistema. Isso explica o paradoxo do gato de Schrödinger: o gato é um sistema tão grande que simplesmente não pode ser isolado do mundo. A própria configuração do experimento mental não é inteiramente correta.

De qualquer forma, comparada à realidade como ato de criação da consciência, a decoerência soa muito mais calma. Talvez até muito calmo. Afinal, com essa abordagem, todo o mundo clássico se torna um grande efeito de decoerência. E de acordo com os autores de um dos livros mais sérios neste campo, afirmações como “não há partículas no mundo” ou “não há tempo em um nível fundamental” também decorrem logicamente de tais abordagens.

Observador criativo ou decoerência onipotente? Você tem que escolher entre dois males. Mas lembre-se - agora os cientistas estão se tornando cada vez mais convencidos de que os efeitos quânticos muito notórios estão subjacentes aos nossos processos de pensamento. Então, onde a observação termina e a realidade começa - cada um de nós tem que escolher.

A essência do experimento é que um feixe de luz é direcionado para uma tela-tela opaca com duas ranhuras paralelas, atrás da qual é instalada outra tela de projeção. A peculiaridade das fendas é que sua largura é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz emitida. Seria lógico supor que os fótons deveriam passar pelas fendas, criando duas faixas paralelas de luz na tela traseira. Mas, em vez disso, a luz viaja em faixas com manchas alternadas de luz e escuridão, o que significa que a luz se comporta como uma onda. Este fenômeno é chamado de "interferência", e foi sua demonstração por Thomas Young que se tornou a prova da validade da teoria ondulatória. Repensar esse experimento poderia unificar a mecânica quântica com outro pilar da física teórica, a teoria geral da relatividade de Einstein, um desafio que ainda permanece sem solução na prática.

Para calcular a probabilidade de um fóton aparecer em um determinado local da tela, os físicos usam um princípio chamado regra de Born. No entanto, não há razão para isso - o experimento sempre segue o mesmo caminho, mas ninguém sabe por quê. Alguns entusiastas tentaram explicar esse fenômeno interpretando a teoria dos "muitos mundos" da mecânica quântica, que assume que todos os estados possíveis de um sistema quântico podem existir em universos paralelos, mas essas tentativas não deram em nada.

Essa circunstância torna possível usar a regra de Born como prova da presença de inconsistências na teoria quântica. Para unificar a mecânica quântica, que opera em estreitas escalas de tempo do universo, e a relatividade geral, que opera em vastas escalas de tempo, uma teoria deve ceder. Se a regra de Born estiver errada, então este será o primeiro passo para o estudo da gravidade quântica. “Se a regra de Born for violada, o axioma fundamental da mecânica quântica também será violado e saberemos onde procurar a resposta para as teorias sobre a gravidade quântica”, diz James Quatch, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Espanha.

Quotch propôs uma nova maneira de testar a regra de Born. Ele veio da ideia do físico Feynman: para calcular a probabilidade de uma partícula aparecer em um determinado ponto da tela, você deve considerar todas as maneiras possíveis pelas quais isso pode acontecer, mesmo que pareçam ridículas. “Mesmo a probabilidade de a partícula atingir a lua e retornar é levada em consideração”, diz Quotch. Praticamente nenhum dos caminhos afetará a localização final do fóton, mas alguns muito incomuns podem eventualmente alterar suas coordenadas. Por exemplo, suponha que temos três caminhos pelos quais uma partícula pode passar pela tela, em vez de dois óbvios (ou seja, em vez de uma fenda ou outra). A regra de Born neste caso permite-nos considerar a interferência que pode surgir entre duas opções óbvias, mas não entre as três.

James mostrou que, dados todos os desvios possíveis, a probabilidade resultante de um fóton atingir o ponto X será diferente do resultado sugerido pela regra de Born. Ele propôs usar um ziguezague errante como terceiro caminho: assim, a partícula passa primeiro pelo buraco esquerdo, depois pelo direito, e só então vai para a tela. Se o terceiro caminho interferir nos dois primeiros, o resultado dos cálculos também será alterado. O trabalho de Quotch gerou muito interesse, e Aninda Sinha, do Instituto Indiano de Ciência em Bangalore - membro da equipe que propôs o uso de formas tortuosas e "não convencionais" para refutar a regra de Born - concorda plenamente. No entanto, o cientista também aponta que há muitas probabilidades desconhecidas para agora poder falar sobre a pureza do experimento. Seja como for, os resultados deste trabalho abrirão as portas para a humanidade para uma compreensão mais profunda da realidade.

De acordo com uma pesquisa de físicos famosos do The New York Times, o experimento de difração de elétrons é um dos estudos mais surpreendentes da história da ciência. Qual é a sua natureza? Existe uma fonte que emite um feixe de elétrons em uma tela fotossensível. E há um obstáculo no caminho desses elétrons, uma placa de cobre com dois slots.

Que imagem podemos esperar na tela se os elétrons são geralmente representados para nós como pequenas bolas carregadas? Duas listras opostas às ranhuras na placa de cobre. Mas, na verdade, um padrão muito mais complexo de listras brancas e pretas alternadas aparece na tela. Isso se deve ao fato de que, ao passar pela fenda, os elétrons começam a se comportar não apenas como partículas, mas também como ondas (fótons ou outras partículas de luz que podem ser uma onda ao mesmo tempo se comportam da mesma maneira).

Essas ondas interagem no espaço, colidindo e reforçando umas às outras e, como resultado, um padrão complexo de faixas claras e escuras alternadas é exibido na tela. Ao mesmo tempo, o resultado desse experimento não muda, mesmo que os elétrons passem um a um - mesmo uma partícula pode ser uma onda e passar por duas fendas ao mesmo tempo. Este postulado foi um dos principais na interpretação de Copenhague da mecânica quântica, quando as partículas podem demonstrar simultaneamente suas propriedades físicas "comuns" e propriedades exóticas como uma onda.

Mas e o observador? É ele quem torna essa história confusa ainda mais confusa. Quando físicos em experimentos como esse tentaram usar instrumentos para determinar por qual fenda um elétron estava realmente passando, a imagem na tela mudou drasticamente e tornou-se “clássica”: com duas seções iluminadas diretamente opostas às fendas, sem listras alternadas.

Os elétrons pareciam relutantes em revelar sua natureza ondulatória ao olhar atento dos espectadores. Parece um mistério envolto em escuridão. Mas há uma explicação mais simples: a observação do sistema não pode ser realizada sem influência física sobre ele. Discutiremos isso mais tarde.

2. Fulerenos aquecidos

Experimentos de difração de partículas foram realizados não apenas com elétrons, mas também com outros objetos muito maiores. Por exemplo, foram usados ​​fulerenos, moléculas grandes e fechadas que consistem em várias dezenas de átomos de carbono. Recentemente, um grupo de cientistas da Universidade de Viena, liderados pelo professor Zeilinger, tentou incluir um elemento de observação nesses experimentos. Para fazer isso, eles irradiaram moléculas de fulereno em movimento com feixes de laser. Então, aquecidas por uma fonte externa, as moléculas começaram a brilhar e inevitavelmente refletir sua presença para o observador.

Junto com essa inovação, o comportamento das moléculas também mudou. Antes de uma observação tão abrangente, os fulerenos evitaram um obstáculo com bastante sucesso (exibindo propriedades de onda), semelhante ao exemplo anterior com elétrons atingindo uma tela. Mas com a presença de um observador, os fulerenos começaram a se comportar como partículas físicas perfeitamente cumpridoras da lei.

3. Medição de resfriamento

Uma das leis mais famosas do mundo da física quântica é que é impossível determinar a velocidade e a posição de um objeto quântico ao mesmo tempo. Quanto mais precisamente medimos o momento de uma partícula, menos precisamente podemos medir sua posição. No entanto, em nosso mundo real macroscópico, a validade das leis quânticas que atuam em partículas minúsculas geralmente passa despercebida.

Experiências recentes do Prof. Schwab dos EUA dão uma contribuição muito valiosa para este campo. Os efeitos quânticos nesses experimentos foram demonstrados não no nível de elétrons ou moléculas de fulereno (que têm um diâmetro aproximado de 1 nm), mas em objetos maiores, uma minúscula fita de alumínio. Esta fita foi fixada em ambos os lados para que seu meio ficasse em estado suspenso e pudesse vibrar sob influência externa. Além disso, um dispositivo capaz de registrar com precisão a posição da fita foi colocado nas proximidades. Como resultado do experimento, várias coisas interessantes foram descobertas. Em primeiro lugar, qualquer medição relacionada à posição do objeto e observação da fita o afetava, após cada medição a posição da fita mudava.

Os experimentadores determinaram as coordenadas da fita com alta precisão e, assim, de acordo com o princípio de Heisenberg, mudaram sua velocidade e, portanto, a posição subsequente. Em segundo lugar, e inesperadamente, algumas medições levaram a um resfriamento da fita. Assim, um observador pode alterar as características físicas dos objetos por sua mera presença.

4. Partículas congeladas

Como você sabe, partículas radioativas instáveis ​​decaem não apenas em experimentos com gatos, mas também por conta própria. Cada partícula tem um tempo de vida médio, que, como se vê, pode aumentar sob o olhar atento de um observador. Esse efeito quântico foi previsto nos anos 60, e sua brilhante prova experimental apareceu em um artigo publicado por um grupo liderado pelo prêmio Nobel de física Wolfgang Ketterle, do Massachusetts Institute of Technology.

Neste trabalho, foi estudado o decaimento de átomos de rubídio excitados instáveis. Imediatamente após a preparação do sistema, os átomos foram excitados usando um feixe de laser. A observação ocorreu em dois modos: contínuo (o sistema foi constantemente exposto a pequenos pulsos de luz) e pulsado (o sistema foi irradiado de tempos em tempos com pulsos mais potentes).

Os resultados obtidos foram totalmente de acordo com as previsões teóricas. Efeitos de luz externa retardam o decaimento das partículas, devolvendo-as ao seu estado original, que está longe do estado de decaimento. A magnitude desse efeito também coincidiu com as previsões. O tempo de vida máximo de átomos de rubídio excitados instáveis ​​aumentou por um fator de 30.

5. Mecânica quântica e consciência

Elétrons e fulerenos deixam de mostrar suas propriedades ondulatórias, placas de alumínio esfriam e partículas instáveis ​​retardam seu decaimento. O olhar atento do observador literalmente muda o mundo. Por que isso não pode ser uma evidência do envolvimento de nossas mentes no trabalho do mundo? Talvez Carl Jung e Wolfgang Pauli (físico austríaco, ganhador do Nobel, pioneiro da mecânica quântica) estivessem certos, afinal, quando disseram que as leis da física e da consciência deveriam ser consideradas complementares uma à outra?

Estamos a um passo de reconhecer que o mundo ao nosso redor é. A ideia é assustadora e tentadora. Vamos tentar voltar aos físicos novamente. Especialmente nos últimos anos, quando cada vez menos pessoas acreditam que a interpretação de Copenhague da mecânica quântica com sua misteriosa função de onda entra em colapso, transformando-se em uma decoerência mais mundana e confiável.

O fato é que em todos esses experimentos com observações, os experimentadores inevitavelmente influenciaram o sistema. Eles o acenderam com um laser e instalaram instrumentos de medição. Eles estavam unidos por um princípio importante: você não pode observar um sistema ou medir suas propriedades sem interagir com ele. Qualquer interação é um processo de modificação de propriedades. Especialmente quando um pequeno sistema quântico é exposto a objetos quânticos colossais. Algum observador budista eternamente neutro é impossível em princípio. E aqui entra em jogo o termo "decoerência", que é irreversível do ponto de vista da termodinâmica: as propriedades quânticas de um sistema mudam ao interagir com outro grande sistema.

Durante essa interação, o sistema quântico perde suas propriedades originais e se torna clássico, como se estivesse "obedecendo" a um grande sistema. Isso também explica o paradoxo do gato de Schrödinger: o gato é um sistema muito grande, então não pode ser isolado do resto do mundo. O próprio projeto deste experimento mental não é inteiramente correto.

De qualquer forma, se assumirmos a realidade do ato de criação pela consciência, a decoerência parece ser uma abordagem muito mais conveniente. Talvez até conveniente demais. Com esta abordagem, todo o mundo clássico torna-se uma grande consequência da decoerência. E, como afirmou o autor de um dos livros mais famosos da área, tal abordagem logicamente leva a declarações como "não há partículas no mundo" ou "não há tempo em um nível fundamental".

Qual é a verdade: no observador-criador ou na decoerência poderosa? Precisamos escolher entre dois males. No entanto, os cientistas estão cada vez mais convencidos de que os efeitos quânticos são uma manifestação de nossos processos mentais. E onde termina a observação e começa a realidade depende de cada um de nós.

De acordo com topinfopost.com

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Experiência de dupla fenda

Experiência de dupla fenda

Considere um experimento de mecânica quântica “arquetípica” no qual um feixe de elétrons, luz ou qualquer outra “ondas de partículas” é direcionado através de duas fendas estreitas para uma tela atrás delas (Figura 6.3).

Arroz. 6.3. Experimente com duas fendas e luz monocromática (Notação na figura: S (Inglês) fonte) - fonte, t (Inglês) topo) - superior [lacuna], b (Inglês) inferior) - inferior [fenda]. - Observação. ed.)

Para maior especificidade, escolhemos leve e concordaremos em chamar um quantum de luz de "fóton" de acordo com a terminologia aceita. A manifestação mais óbvia da luz como um fluxo partículas(fótons) é observado na tela. A luz atinge a tela na forma de porções pontuais discretas de energia, que estão sempre relacionadas à frequência da luz pela fórmula de Planck: E = hv . A energia nunca é transmitida na forma de uma “metade” (ou outra fração) de um fóton. O registro de fótons é um fenômeno de tudo ou nada. Apenas um número inteiro de fótons é sempre observado.

Mas ao passar por duas fendas, os fótons detectam aceno comportamento. Suponha que inicialmente apenas um slot esteja aberto (e o segundo esteja bem fechado). Depois de passar por essa fenda, o feixe de luz "se espalha" (esse fenômeno é chamado de difração e é característico da propagação de ondas). Por enquanto, pode-se aderir ao ponto de vista corpuscular e supor que a expansão do feixe se deve à influência das bordas da fenda, o que faz com que os fótons se desviem de forma aleatória em ambas as direções. Quando a luz que passa pela fenda é de intensidade suficiente (o número de fótons é grande), a iluminação da tela parece uniforme. Mas se a intensidade da luz for reduzida, pode-se afirmar com segurança que a iluminação da tela se dividirá em pontos separados - de acordo com a teoria corpuscular. Pontos brilhantes estão localizados onde fótons individuais atingem a tela. A distribuição aparentemente uniforme da iluminação é um efeito estatístico devido ao grande número de fótons envolvidos no fenômeno (Fig. 6.4).

Arroz. 6.4. Imagem da distribuição de intensidade na tela quando apenas uma fenda está aberta: uma distribuição de pequenos pontos discretos é observada

(Em comparação, uma lâmpada elétrica de 60 watts emite cerca de 100.000.000.000.000.000.000 fótons por segundo!) Ao passar por uma fenda, os fótons são de fato desviados aleatoriamente. Além disso, desvios em diferentes ângulos têm probabilidades diferentes, o que dá origem à distribuição de iluminação observada na tela.

Mas a principal dificuldade para a imagem corpuscular surge quando abrimos a segunda fenda! Suponhamos que a luz seja emitida por uma lâmpada de sódio amarela, o que significa que tem uma cor pura sem impurezas, ou, para usar o termo físico, luz monocromático, ou seja, tem uma frequência específica, ou, na linguagem da imagem corpuscular, todos os fótons têm a mesma energia. O comprimento de onda neste caso é de cerca de 5 x 10 -7 m. Vamos supor que os slots tenham cerca de 0,001 mm de largura e cerca de 0,15 mm de distância, e a tela esteja a cerca de 1 m de distância deles. alta intensidade de luz, a distribuição de iluminância ainda parece uniforme, mas agora tem alguma semelhança ondulações chamado Padrão de interferência - as listras são observadas na tela a aproximadamente 3 mm do centro (Fig. 6.5).

Arroz. 6.5. Padrão de distribuição de intensidade quando ambas as fendas estão abertas: uma distribuição ondulada de pontos discretos é observada

Ao abrir a segunda fenda, esperávamos ver o dobro da iluminação da tela (e isso, de fato, seria verdade se considerarmos completo iluminação da tela). Mas descobriu-se que agora os detalhes quadro a iluminação é completamente diferente daquela que ocorreu com uma fenda aberta. Nos pontos da tela onde a iluminação é máxima, sua intensidade não está em dois, e em quatro vezes mais do que era antes. Em outros pontos, onde a iluminação é mínima, a intensidade cai para zero. Pontos de intensidade zero são talvez o maior mistério do ponto de vista corpuscular. Estes são os pontos que um fóton poderia alcançar com segurança se apenas uma fenda estivesse aberta. Agora, quando abrimos o segundo slot, de repente aconteceu que algo impedido fóton para ir onde poderia ter ido antes. Como pode acontecer que dando o fóton alternativo percurso, estamos de facto impedido sua passagem por qualquer uma das rotas?

Se tomarmos o comprimento de onda de um fóton como o “tamanho” de um fóton, então, na escala de um fóton, a segunda fenda está localizada a uma distância de cerca de 300 “tamanhos de fóton” da primeira (e a largura de cada fenda é de cerca de dois comprimentos de onda de fótons) (Fig. 6.6).

Arroz. 6.6. Fendas "do ponto de vista" do fóton! Pode ser importante para um fóton se a segunda fenda está aberta ou fechada, localizada a uma distância de cerca de 300 "tamanhos de fótons"?

Como um fóton, passando por uma das fendas, “sabe” se a outra fenda está aberta ou fechada? De fato, em princípio, não há limite para a distância que os slots podem ser espaçados para que ocorra o fenômeno de "quenching ou amplificação".

Parece que quando a luz passa por uma ou duas fendas, ela se comporta como aceno , e não como um corpúsculo (partícula)! Tal extinção Interferência destrutiva é uma propriedade bem conhecida das ondas comuns. Se cada uma das duas rotas separadamente pode ser atravessada por uma onda, então quando Ambas rota, pode acontecer que eles se cancelem. Na fig. 6.7 mostra como isso acontece.

Arroz. 6.7. Uma imagem puramente ondulatória nos permite compreender a distribuição de listras claras e escuras na tela (mas não discrição) em termos de interferência de ondas

Quando alguma parte da onda, tendo passado por uma das fendas, encontra uma parte da onda que passou pela outra fenda, elas se reforçam se estiverem "em fase" (ou seja, se duas cristas ou dois vales se encontram ), ou se cancelam se estiverem “fora de fase” (ou seja, a crista de uma parte encontra o vale da outra). No experimento com duas fendas, aparecem pontos brilhantes na tela onde as distâncias às fendas diferem por inteira número de comprimentos de onda para que as cristas encontrem os vales e os vales encontrem os vales, e ocorrem locais escuros onde a diferença entre essas distâncias é igual a metade de um número inteiro de comprimentos de onda para que os sulcos encontrem os vales e os vales encontrem os sulcos.

Não há nada de misterioso no comportamento de uma onda clássica macroscópica comum passando por duas fendas simultaneamente. Uma onda é, em última análise, apenas uma "perturbação" de algum meio contínuo (campo) ou de alguma substância consistindo de miríades de minúsculas partículas pontuais. A perturbação pode passar parcialmente por um slot, parcialmente por outro slot. Mas na imagem corpuscular, a situação é diferente: cada fóton individual se comporta como uma onda por si só! De certa forma, cada partícula passa pelas duas fendas e interfere comigo mesmo ! Pois, se a intensidade total da luz for significativamente reduzida, pode-se garantir que não mais do que um fóton esteja perto das fendas de cada vez. O fenômeno da interferência destrutiva, quando duas rotas alternativas de alguma forma "conseguem" excluir-se mutuamente das possibilidades realizadas, é algo que se aplica a sozinho fóton. Se apenas uma das duas rotas estiver aberta para um fóton, então o fóton poderá seguir por ela. Se outra rota estiver aberta, o fóton poderá seguir a segunda rota em vez da primeira. Mas se na frente do fóton estão abertos Ambas rota, essas duas possibilidades milagrosamente se cancelam, e acontece que o fóton não pode tomar nenhuma das rotas!

Aconselho vivamente o leitor a parar e ponderar o significado deste facto invulgar. A questão não é que a luz se comporte em alguns casos como ondas e em outros como partículas. Cada partícula separadamente ela mesma se comporta como uma onda; e as várias possibilidades alternativas que uma partícula tem antes que possa às vezes se anular completamente!

O fóton realmente se divide em dois e passa parcialmente por uma fenda e parcialmente pela outra? A maioria dos físicos se oporá a tal formulação da questão. Na opinião deles, ambas as rotas abertas na frente da partícula devem contribuir para o resultado final, são apenas adicional modos de movimento, e não se deve pensar que uma partícula deve se dividir em duas para passar pelas fendas. Para confirmar o ponto de vista de que uma partícula não passa parcialmente por uma fenda e parcialmente por outra, podemos considerar uma situação modificada na qual um detector de partículas. Nesse caso, o fóton (ou qualquer outra partícula) sempre aparece como um todo, e não como uma fração do todo: afinal, nosso detector registra um fóton inteiro ou a ausência completa de fótons. No entanto, se o detector estiver perto o suficiente de uma das fendas para que o observador possa discernir, por qual deles o fóton passou, então o padrão de interferência na tela desaparece. Para que a interferência ocorra, aparentemente, deve haver uma "falta de conhecimento" sobre por qual das fendas a partícula "realmente" passou.

Para obter interferência Ambas as alternativas devem contribuir, ora "somando", reforçando-se umas às outras duas vezes mais do que seria de esperar, ora "subtraindo" para misteriosamente reembolsar uns aos outros. De fato, de acordo com as regras da mecânica quântica, algo ainda mais misterioso está acontecendo! É claro que as alternativas podem somar (os pontos mais brilhantes na tela), as alternativas podem subtrair (pontos escuros), mas também podem formar combinações estranhas como:

alternativo MAS + eu x alternativa NO ,

Onde eu - "raiz quadrada de menos um" ( eu = ? -1 ), que já conhecemos no Capítulo 3 (em pontos da tela com intensidades de luz intermediárias). Na verdade qualquer complexo o número pode desempenhar o papel de coeficiente na "combinação de alternativas"!

O leitor já deve ter se lembrado do meu aviso no Capítulo 3 de que os números complexos desempenham "um papel absolutamente fundamental na estrutura da mecânica quântica". Os números complexos não são apenas curiosidades matemáticas. Os físicos foram compelidos a voltar sua atenção para fatos experimentais convincentes e inesperados. Para entender a mecânica quântica, devemos nos familiarizar mais com a linguagem dos pesos complexos. Vamos dar uma olhada nas consequências disso.

III. TROCA ENTRE DUAS DIVISÕES: I (v + m) ON II c Começamos com uma grande troca entre duas divisões. (1.000v + 1.000m.) I - esses valores, que existem nas mãos de seus produtores na forma natural dos meios de produção, são trocados por 2.000 IIc, por valores

ESCOLHA ENTRE DOIS MUNDOS Durante o dia, nossa consciência oscila entre dois mundos, e apenas um deles é uma certa realidade.O primeiro mundo pode ser chamado de objetivo; inclui o que existe ou acontece - mas nada mais do que isso. Por exemplo, eu

III. Troca entre duas divisões: I (v + m) a II c Começamos com uma grande troca entre duas divisões. (1.000v + 1.000m.) I - esses valores, que existem nas mãos de seus produtores na forma natural dos meios de produção, são trocados por 2.000 IIc, por valores