Sciam
Clique e assine Sciam
Notícias

Teste no espaço comprova estranheza quântica da luz

Pesquisadores usam lasers e satélites para replicar clássico experimento da “escolha retardada”

Shutterstock
De vez em quando, os físicos dizem que um feixe de luz viajando pelo espaço é como um “grande dragão de fumaça”. Pode-se saber muito sobre de onde a luz vem (a cauda do dragão) e onde ela é vista (a cabeça do dragão), mas, ainda assim, pouco se sabe sobre a jornada entre uma parte e outra (o misterioso e nebuloso corpo do dragão). À medida em que a luz viaja de sua fonte até o lugar onde ocorre sua detecção, ela pode se comportar como uma partícula ou como uma onda - ou, paradoxalmente, como ambos os estados, ou como nenhum deles. Agora, um experimento utilizando tiros de feixes de lasers mirando em satélites na baixa órbita da Terra confirmou que esse aspecto bizarro da natureza da luz ocorre mesmo a distâncias recordes.

A física quântica, a melhor descrição até agora sobre como todas as partículas conhecidas se comportam, sugere que a realidade é indefinida e incerta nos seus níveis mais básicos. O surreal efeito quântico conhecido como sobreposição, por exemplo, essencialmente permite que elétrons, átomos e outros "blocos" que constituem o universo existam em dois ou mais lugares simultaneamente.

Outro estranho fenômeno quântico é a dualidade onda-partícula. Enquanto Isaac Newton acreditava que a luz era feita por partículas, o cientista Christiaan Huygens, seu contemporâneo holandês, argumentava que ela era constituída por ondas. Eventualmente, pesquisadores os quais realizaram o chamado experimento de dupla fenda demonstraram que ambos estavam certos - os fótons da luz podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas.

O experimento de dupla fenda envolve acender uma única fonte de luz através de duas fendas adjacentes em uma placa opaca, em direção a uma tela de detecção. Se uma das fendas for fechada, a luz que passa pela outra forma uma barra na tela - como se a luz estivesse se comportando como um fluxo de partículas. Contudo, se ambas as fendas forem deixadas abertas, a luz não formará duas barras. Em vez disso, elas geram uma série de faixas brilhantes e escuras na tela, como se as ondas de luz se espalhassem pelas fendas e interferissem umas das outras. As faixas brilhantes indicam onde as ondas de luz se reforçaram, enquanto as faixas escuras mostram onde elas se cancelaram. Notavelmente, esse padrão de interferência se materializará mesmo que os fótons sejam disparados através das fendas um a um.

A forma como a física quântica explica esses resultados confusos é que os instrumentos usados para detectar a luz determinam o seu estado como partícula ou onda. Ao descrever essa situação em 1983, o físico estadunidense Jonathan Wheeler cunhou a agora famosa comparação do “grande dragão esfumaçado”.

Para examinar como a luz “escolhe” se tornar uma partícula ou uma onda quando da sua detecção, Wheeler concebeu o experimento da escolha retardada. Nele, um dispositivo óptico chamado divisor de feixe oferece dois caminhos a um fóton. No final de cada caminho, há um detector. Se o fóton se comporta como uma partícula, ele tem a mesma chance de seguir por qualquer caminho e de ser visto por qualquer detector. Se, em vez disso, o fóton se comporta como uma onda, ele seguirá os dois caminhos simultaneamente e será registrado nos dois detectores.

Quando o experimento utiliza apenas um divisor de feixe, um único fóton seguirá qualquer um dos caminhos e será visto apenas por um detector. Isso sugere que o fóton “escolheu”, ainda no divisor de feixe, se comportar como uma partícula. Contudo, um divisor de feixe também pode agir de maneira reversa para fundir dois fótons em um; se o experimento tiver os caminhos convergindo em um segundo divisor de feixe antes de canalizá-los para um detector, o resultado será o padrão de interferência dos fótons agindo como ondas e reagindo uns aos outros. Isso é válido até mesmo quando o segundo divisor de feixe é introduzido na segundo fenda após a luz ter passado pela primeira - mas ainda não alcançou os detectores.

Cientistas executaram com sucesso ambas as versões desse experimento nas décadas seguintes a sua formulação por Wheeler. Seus resultados fazem sentido se o fóton “retarda” sua tomada de decisão sobre tornar-se uma partícula ou uma onda até ele ser detectado de fato. A explicação alternativa sugeriria que o fóton poderia, de alguma forma, decidir se torna uma partícula caso encontrasse um divisor de feixe, mas depois mudar de decisão e virar uma onda caso encontrasse um segundo divisor de feixe.

Historicamente, todos os experimentos de escolha retardada foram feitos da Terra. Porém, agora cientistas estão conduzindo cada vez mais experimentos quânticos envolvendo tiros de lasers através da vastidão do espaço exterior. O físico quântico Paolo Villoresi, da Universidade de Pádua, na Itália, e seus colegas queria verificar se a natureza dupla da luz ainda era verdadeira nas distâncias entre o solo e satélites na baixa órbita terrestre. “Como disse Galileu - que fez a maior parte do seu trabalho na Universidade Pádua - ‘precisamos provar as leis que conhecemos em novos contextos’”, afirma Villoresi.

Utilizando o Observatório de Laser Variável Matera na Itália, Villoresi e seus colegas fizeram um experimento de escolha retardada de Wheeler ao disparar pulsos de laser verde em direção aos satélites Beacon-C e Starlette, os quais refletiram os fótons de volta para o observatório. Quando estavam mais longe a distância dos satélites para o observatório era de 1,771 quilômetros.

“A distância importa”, explica o astrofísico Brian Koberlein, do Instituto de Tecnologia Rochester em Nova York, que não fez parte dessa pesquisa. “Nos limites de um laboratório, seria possível argumentar que talvez de alguma forma os pesquisadores estejam afetando os resultados. Mas, a grandes distâncias, não há uma forma clara de afetá-los.”

Em vez de fazer os fótons irem por um de dois caminhos separados com comprimentos iguais, os cientistas mediram dois aspectos diferentes de cada fóton - como cada um deles oscilou no espaço e se pegaram um caminho menor ou maior em direção ao detector. Os resultados confirmaram o comportamento quântico curioso em distâncias de dez a cem vezes maiores do que foi mostrado antes, diz Villoresi. As descobertas da equipe apareceram ontem, 25 de outubro, na revista Science Advances.

“Este trabalho confirma que a mecânica quântica é realmente a descrição do ‘grande dragão esfumaçado’”, diz Koberlein. “Pode ser estranha, mas é lógica e matematicamente consistente.”

Além de testar as qualidades quânticas da luz por distâncias sem precedentes, Villoresi observa que experimentos de física quântica conduzidos pelo espaço poderiam ajudar a levar a redes de telecomunicação com base em satélites, protegidas por criptografia quântica quase impenetrável. Ao esclarecer as propriedades fundamentais dos fótons durante experimentos como aqueles feitos neste estudo, “talvez haja aplicações diretas para larguras maiores de banda na comunicação quântica”, diz Villoresi. De fato, talvez algum dia os grandes dragões esfumaçados tragam segredos em suas presas.

Charles Q. Choi
Para assinar a revista Scientific American Brasil e ter acesso a mais conteúdo, visite: http://bit.ly/1N7apWq