Uma montanha russa de luz

Por Paula Borges Monteiro
Grupo de Estudos em Tópicos de Física – IFSC

Na última semana de dezembro de 2016, foi publicado na revista científica Nature, um trabalho cujo título pode ser traduzido como “Trajetórias exóticas em loop de fótons em interferência de três fendas”. Em outras palavras, partículas de luz que encontram um obstáculo com fendas, podem, através destas, fazer voltas como aquelas que vimos em montanhas russas. Robert W. Boyd e mais 10 pesquisadores dos Estados Unidos da América, México, Canadá e Alemanha demonstraram experimentalmente que, em condições controladas, a luz executa trajetórias diferentes das esperadas. Para podermos entender o experimento que foi realizado com três fendas, vamos voltar um pouco no tempo e considerar primeiramente a mesma situação com apenas duas fendas.

Entre os mais importantes experimentos em Física, podemos destacar o Experimento da Dupla Fenda realizado no início do século XIX pelo britânico Thomas Young. O também chamado Experimento de Young consistia na investigação da forma visualizada em um anteparo (uma tela ou mesmo uma parede) de um feixe de luz (produzido por um apontador laser ou uma “lanterna”) que passava por um obstáculo que continha duas fendas. Na época, discutia-se a natureza da luz, se os fenômenos ópticos seriam explicados por uma teoria corpuscular ou por uma teoria ondulatória. No experimento de Young, se a luz fosse formada por corpúsculos ou partículas (veja a Figura 1-A), a figura originada pelo feixe de luz deveria ter a forma semelhante às fendas, enquanto se a luz se comportasse como uma onda (veja a Figura 1-B), a figura seria diferente e teria interferências entre os dois novos feixes após as fendas (veja a Figura 1-C). Mas o que realmente acontece?

Paula - fig 2

Figura 1: Partículas e ondas atravessando duas fendas. Disponível em: , , Acesso em fevereiro de2017 (Adaptada pela autora).

Voltando ao trabalho dos cientistas atuais, publicado na Nature, eles analisaram a interferência obtida usando um obstáculo com três fendas, com parâmetros controlados. O resultado obtido não correspondeu ao resultado esperado mesmo quando se considerava que o fóton poderia passar pelas três fendas ao mesmo tempo e interagir triplamente com si próprio (veja a Figura 2-B). O resultado obtido pode apenas ser explicado quando se considera que o fóton pode ir por uma fenda, voltar por outra e terminar seu caminho pela terceira (veja Figura 2-A). Ou ainda, passar por uma fenda mas terminar seu caminho como se tivesse passado por outra (veja Figura 2-C) ao mesmo tempo que também passa pelas outras duas.

Paula - fig 3

Figura 3: Trajetórias da luz em obstáculo com três fendas. Disponível em http://www.nature.com/articles/ncomms13987.

Os pesquisadores demonstraram a ocorrência de loops exóticos e explicaram a origem do fenômeno, que pode ser controlado por parâmetros como a polarização do feixe (característica da luz) e a distância entre as fendas. Este trabalho apresenta novas propriedades da propagação luminosa em experimento inspirado naquele realizado há mais de 200 anos. É claro que uma montanha russa de luz é exclusividade de partículas elementares, com massa ou não, mas o fenômeno é tão fascinante para cientistas da área quanto um parque de diversões para crianças.

Para acessar o artigo original, clique aqui.

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