Átomo no espelho percorre dois caminhos simultaneamente

Experimento demonstra que o átomo na frente do espelho segue simultaneamente duas trajetórias no espaço - uma superposição de caminhos.[Imagem: Tuwien]

A imagem quântica no espelho

Ao se olhar em um espelho, você não terá dificuldade em distinguir entre o que é você mesmo e o que é sua imagem.

E a relação entre você e a imagem é unívoca: mexa-se e a imagem se mexerá; pare e a imagem parará. O inverso nunca acontecerá, ou seja, a imagem jamais afetará o seu próprio movimento.

Mas isto é no muitas vezes entediante mundo clássico - no mundo quântico, as coisas podem ser muito mais surpreendentes.

O simples fato de uma partícula "olhar no espelho" pode ser o suficiente para criar uma crise de identidade e tornar quase impossível a identificação positiva de quem é o sujeito e quem é o reflexo.

Em um feito impressionante, um grupo de físicos alemães e austríacos conseguiu realizar em laboratório o que até hoje era apenas um experimento mental, idealizado por Albert Einstein, e que mostra o quanto a imagem quântica no espelho pode afetar a partícula que se observa.

Seguindo por dois caminhos ao mesmo tempo

Quando um átomo emite luz (ou seja, um fóton) em uma direção particular, ele recua na direção oposta. Se o fóton for medido, fica-se conhecendo também o movimento do átomo.

Os cientistas então colocaram o átomo muito perto de um espelho. Neste caso, há dois caminhos possíveis para qualquer fóton que viaje rumo ao observador: ele pode ser emitido diretamente na direção do observador, ou ele pode viajar na direção oposta, refletir-se no espelho e então chegar ao olho do observador.

Se não houver nenhuma maneira de distinguir entre estes dois cenários - qual caminho o fóton realmente fez - não se consegue determinar o movimento do átomo, ou seja, qual é a rota do seu recuo realizado em razão da emissão do fóton.

Com isto, o átomo se move em uma superposição de dois caminhos - ele estaria seguindo, ao mesmo tempo, os dois caminhos, ou recuando nas duas direções simultaneamente.

"Se a distância entre o átomo e espelho é muito pequena, é fisicamente impossível fazer a distinção entre estes dois caminhos," explica Jiri Tomkovic, da Universidade de Heidelberg.

Observando a interferência gerada na rede óptica, pode-se demonstrar diretamente que o átomo de fato esteve viajando pelos dois caminhos ao mesmo tempo. [Imagem: Tomkovic et al./Nature]

Superposição quântica

A partícula e sua imagem no espelho não poderão mais ser claramente separadas: o átomo estará se movendo na direção do espelho e se afastando do espelho ao mesmo tempo.

Isto pode parecer paradoxal, e é certamente impossível na física clássica, que envolve objetos macroscópicos. Mas, na física quântica, tais superposições são um fenômeno bem conhecido, como no famoso experimento do gato de Schrodinger.

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E os físicos conseguiram comprovar que o átomo estava mesmo seguindo os dois caminhos.

No experimento, os dois estados dinâmicos do átomo - um movimento em direção ao espelho e o outro afastando-se do espelho - foram combinados usando a difração de Bragg de uma rede óptica feita com luz laser.

Observando a interferência gerada na rede óptica, pode-se demonstrar diretamente que o átomo de fato esteve viajando pelos dois caminhos ao mesmo tempo.

Experimento da dupla fenda

Este é um reminiscente do famoso experimento da dupla fenda, no qual uma partícula colide com uma placa com duas fendas e passa pelas duas fendas ao mesmo tempo, devido às suas propriedades quânticas de ser simultaneamente uma partícula e uma onda.

Einstein já havia argumentado que isso só é possível se não houver como determinar qual caminho a partícula realmente escolheu, nem mesmo medições precisas de qualquer pequeno recuo da própria placa com a dupla fenda.

Se houver qualquer possibilidade teórica de se determinar a trajetória da partícula, a superposição quântica colapsa - ela não ocorre, e a partícula viajará sempre no mesmo caminho, como no mundo clássico.

"No nosso caso, os fótons têm um papel semelhante ao da dupla fenda," explica Markus Oberthaler, coautor do estudo. "Se a luz puder em princípio, nos falar qualquer coisa sobre o movimento do átomo, o movimento é inequivocamente determinado. Somente quando esse movimento é fundamentalmente indefinível, o átomo pode estar em um estado de superposição, combinando as duas possibilidades."

E essa indecisão fundamental foi garantida pelo espelho, que absorve momento do fóton.

"O mais fascinante sobre este experimento," escrevem os cientistas em seu artigo, "é a possibilidade de criar um estado de superposição quântica usando apenas um espelho, sem qualquer campo externo."