Dupla Fenda e o Interferômetro Mach Zehnder

                    
                   
Wichtig ist,dass man nie aufhören fragen
                                    Albert Einstein

Por ser o ano de 2015 o ano internacional de comemoração da Luz como fenômeno fisico e pelo fato de mostrar-se útil e enigmática perante a comunidade científica e para a população em geral, embora várias de suas propriedades já estejam definidas, tais como o efeito fotoelétrico que proporcionou ao senhor Albert Einstein o premio Nobel assim como a velocidade absoluta que é um parâmetro fundamental para os estudos da física e da energia, haja visto que a formula      confirma sua importância no estudo da física. Ainda assim, vários assuntos ainda causam estranheza para os não iniciados, assim, para os que igual a mim e também para os que  tentam iniciar seus estudos sobre seus efeitos e peculiaridades, refiro-me aos fenômenos da chamada Física Moderna. Então, de forma um tanto ousada para dizer o mínimo, resolvi fazer uma  tradução  
(die Übersetzung) do site  
http://homepages.physik.uni-muenchen.de/~milq/kap3/k30p01.html, onde encontra-se o material  abaixo, antes quero deixar claro que a tradução poderá conter erros,  pois estou tentando entender o idioma de forma auto-didátíca com ajuda de materiais pedagogicos da internet e portanto, infelizmente erros serão inevitáveis, também não sei se os titulares do site concordarão com esta apresentação. Mas, de qualquer maneira valerá  a experiência e o conhecimento adquirido e agora compartilhado. 
Para iniciar apresento o experimento de dupla fenda como introdução da postagem.
Na cena abaixo temos o clássico experimento de dupla fenda mostrando que quando ocorre os pontos brancos há a soma das ondas luminosas, fato que ocasiona à chamada interferência construtiva e que portanto, cria as faixas claras, no ponto onde este fato não ocorre temos a interferência destrutiva o que fica evidenciado pelas faixas escuras no anteparo.
                    
             
           

                        
                          


Agora será apresentado o interferômetro Mach-Zehnder material traduzido de forma livre por mim, conforme já mencionado.

 Kapitel 3: Wellen und Teilchen

3.0 Übersicht

In dieser Lektion wird das Verhalten von einzelnen Photonen in einem Interferometer untersucht. Das Licht zeigt dabei im selben Versuch Wellen- und Teilcheneigenschaften. Dies ist ein Beispiel für einen wesentlichen Aspekt der Quantenmechanik: den "Dualismus" von Welle und Teilchen. Wir werden sehen, dass sich das Verhalten von Licht nicht in einem reinen Teilchen- oder einem reinen Wellenmodell erklären lässt.
Ziel dieser Lektion ist es, am Beispiel eines speziellen Experiments, einen ersten Einblick in dieses eigenartige Quantenverhalten zu gewinnen. In einer der folgenden Lektionen (Wahrscheinlichkeitsinterpretation und Wellenfunktion) wird ein tieferes Verständnis dieses merkwürdigen Verhaltens angestrebt. Dort wird sich zeigen, wie das "Rätsel des Dualismus" durch die Bornsche Wahrscheinlichkeitsinterpretation gelöst wird.

                     die Übersetzung - tradução

Capítulo 3      Onda e partícula

 3.0 Resumo

Nesta lição será analisado o comportamento de um fóton isolado em um interferômetro.  A luz revela em si mesma um comportamento onda e propriedades de partícula (Teilcheneigenschaften). Este é um exemplo para um fundamental aspecto da mecânica Quântica: e seu "Dualismo" de onda e partícula. Nós veremos que isto não permite explicar o comportamento da luz em um reino partícula ou em um reino do modelo ondulatório. 

O início desta lição é um exemplo de um experimento especial, para receber uma primeira informação deste peculiar comportamento quântico, nas liçôes seguintes a interpretação da probabilidade (Wahrscheinlichkeitinterpretation) e função de onda (Wellenfunktion) dará uma detalhada explicação para a compreensão desses singulares comportamentos. 

As lições mostrarão como o "mistério do dualismo" pode ser resolvido através da criação da proposta denominada interpretação da probabilidade.  

Falsche Vorstellungen über den Welle-Teilchen-Dualismus

Falsas idéias sobre o dualismo Onda - Partícula

Benutzerinformation

In diesem Kapitel werden mehrere Experimente mithilfe des Simulationsprogramms Interferometer durchgeführt. Laden Sie sich dazu das Programm Interferometer.exe herunter.
Wie lade ich das Simulationsprogramm "Interferometer" herunter?

1. Klicken Sie auf die farbig unterlegte "Interferometer.exe".
2. Speichern Sie diese Datei auf Ihrem Computer.
3. Öffnen Sie das Simulationsprogramm "Interferometer.exe" von dem Speicherort aus.
4. Durch Betätigen des Buttons "Start" öffnen Sie das Simulationsprogramm. Verkleinern Sie dessen Fenster, so dass die Windows-Task-Leiste sichtbar ist. Damit können Sie zwischen dem Lehrtext im Internet und dem Simulationsprogramm "Interferometer" hin und her wechseln. 

Dann kommen wir zu einem der erstaunlichsten Ergebnisse des gesamten Kurses. Es stellt sich die Frage, ob man einem Photon im Interferometer die Eigenschaft "Weg" zuschreiben kann: Darf man sich vorstellen, dass ein bestimmtes Photon auf genau einem von zwei möglichen Wegen zum Schirm gelangt? Im Simulationsprogramm "Interferometer" erhalten wir Ergebnisse, die nur einen Schluss zulassen: Ein Photon besitzt die Eigenschaft "Weg" nicht.
In einem weiteren Experiment zeigt sich, dass sich das Photon aber auch nicht auf die beiden Wege aufteilt. Hier wird zum ersten Mal ein Punkt erreicht, an dem unsere klassischen Vorstellungen zusammenbrechen.
Falls Sie es noch nicht gemacht haben, laden Sie sich bitte jetzt das Kapitel 3 des Lehrtextes als pdf-Datei herunter.

informação ao usuário

                                                           die  Übersetzung - Tradução 

Nestes capítulos realizaremos vários experimentos com ajuda do programa de simulação Interferômetro.  Os senhores(as) farão o download do programa abaixo.

Como eu carrego/faço download do programa de simulação Interferômeter.exe. 

1. O senhor(a) clique sobre Interferômeter.ex colorido do site.  

   senhor(a) armazene este arquivo no seu computador.

   senhor(a) abra o programa de simulação interferômeter.exe do arquivo zipado

   Através do acionamento do botão Start o senhor(a) abra o programa de simulação. Diminua esta janela assim que a barra de tarefas do Windows ficar visível. Com isto, o senhor(a) pode alternar entre o texto na internet e o programa de simulação Interferõmeter de acordo com a necessidade.  

   Então nós chegaremos a algumas surpreendentes conclusões no decorrer de todo o curso. E coloca-se a pergunta, se um fóton pode atingir no interferômetro a propriedade/ caracterísca do caminho único. Pode-se apresentar que um fóton em particular / isolado chega a um anteparo por um caminho definido entre dois possíveis? Em um programa de simulação "Interferômeter" nós obteremos obteremos o resultado de apenas uma solução permitida. Um fotón não tem a caracterísca de caminho único. Em um experimento à frente, mostra-se que o fóton no entanto, também não se divide em dois caminhos. Aqui atingimos pela primeira vez um ponto na qual a nossa apresentação clássica desmorona. 

   Caso os senhores ainda tenho feito convido-os agora por favor ao cápitulo 3 texto de ensino em pdf - dados abaixo

   Kapitel 3 des Lehrtextes als pdf-Date

    3.1 Licht im Interferometer

                

Die Abbildung zeigt den Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers. Fällt das Licht eines Lasers auf einen Strahlteiler (halbdurchlässiger Spiegel), wird es in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Diese Teilstrahlen laufen entlang unterschiedlicher Wege, Weg A und Weg B. Durch zwei Spiegel in den Wegen A und B werden die Anteile des Laserlichts je um 90° umgelenkt und durch einen weiteren Strahlteiler an ihrem Schnittpunkt wieder "gemischt". Auf dem Schirm erhält man ein Interferenzmuster, das klassisch durch die Gangunterschiede, die sich auf den verschiedenen Wegen von der Quelle zum Schirm ergeben, entsteht.
Dieser Versuch kann mithilfe des Simulationsprogramms "Interferometer" durchgeführt werden.
   

Experiment 3.1:

 A ilustração mostra o desenvolvimento de um interferômetro Mach-Zehndler. O interferômetro está dividindo a luz de um laser em um divisor de raio -(Strahlteiler) -, um espelho semitransparente -(halbdurchlässiger) - o raio ficará dividido em duas partes (feixes parciais). Este raio dividido irá por caminhos distintos, a saber caminho A e caminho B. Através de dois espelhos nos caminhos A e B as partes de luz do laser serão guiadas / direcionadas sempre em 90° e através de um outro divisor de raios mais além, em seu ponto de intersecção novamente serão misturados (gemischt).   Sobre o anteparo nós obteremos um padrão de interferência clássico através de caminhos distintos, o padrão surge dos diferentes caminhos da fonte ao anteparo. Este ensaio poderá ajudar a realizar o programa 

de simulação Interferõmetro. Experimento 3.1

 

                 

3.2 Vom Lichtstrahl zu einzelnen Photonen

Stellt man in einem gut abgedunkelten Raum mehrere Graufilter vor einen Laser, wird die Intensität des Lichts so sehr abgeschwächt, dass man mit dem bloßen Auge nichts mehr wahrnimmt. Das Licht ist nunmehr so stark "verdünnt", dass es aus einzelnen Photonen besteht, die nur mithilfe eines CCD-Elements nachgewiesen werden können.

3.2 De um Raio de luz para um fóton isolado

Posicionar em uma sala bem escurecida um filtro com cor cinza bem escura diante de um laser, fará a  intensidade da luz ser bastante atenuada de tal forma que não se perceberá mais com os olhos nús. A luz estará apenas mais intensa -"verdunnt" enfraquecida - que a existente em um fóton isolado, assim se poderá ter a certeza da mesma,apenas com a ajuda dos CCD-Elements ((charged coupled device). 
Experiment 3.2: 

                          

3.3 Interferometrie mit einzelnen Photonen

Mit dem Simulationsprogramm "Interferometer" können wir das vorher betrachtete Interferenzexperiment im Mach-Zehnder-Interferometer nun mit einzelnen Photonen durchführen, indem Sie als Lichtquelle "einzelne Photonen" auswählen.

3.3 Interferômetria com fóton isolado
Com o programa de simulação "Interferômetro" nós podemos antes considerar  o experimento de interferência no Inhterferõmetro Mach-Zehnder e agora implementar com um fóton isolado quando os senhores escolherem a fonte de luz de "Fóton isolado."
                                               
                               
                                
Experiment 3.3: Jedes Photon spricht nur einen einzelnen Detektorbaustein auf dem CCD-Element an. Die Verteilung, die sich nach dem Nachweis von nur wenigen Photonen ergibt, weist scheinbar keinerlei Regelmäßigkeit auf. 

Cada fóton mencionado apenas alguns atingem um particular módulo detector deste elemento CCD Element. A distribuição atesta que apenas somente alguns poucos fótons surgidos mostram não haver nenhuma regra de regularidade.
  
 Was passiert, wenn eine große Anzahl von Photonen nachgewiesen worden ist?
Es bildet sich allmählich das schon in Experiment 3.1 beobachtet Interferenzmuster mit intensivem Laserlicht. Die Animation zeigt den allmählichen Aufbau des Interfernzmusters aus einzelnen Photonen-"Einschlägen".
O que se passa quando uma grande quantidade de fótons for conhecida? 
A imagem se forma gradualmente como já notado no experimento 3.1 com intensa luz de laser. A animação mostra a gradual construção surgida deste padrão de interferência dos fótons distintos / isolados "einschlägen". - (únicos batedores ?)

                                             
Das betrachtete Experiment ist ein Beispiel für den "Dualismus" von Welle und Teilchen für Photonen. Zum einen ist das Verhalten, das eine Wechselwirkung lokalisiert erfolgt und eine zunächst unregelmäßige Verteilung von detektierten Photonen zu sehen ist, typisch für Teilchen. Zum anderen ist das Interferenzmuster, das sich aus einer großen Anzahl von Einzeleinschlägen von Photonen aufbaut, ein charakteristisches Merkmal einer Welle. Dies illustriert noch einmal deutlich: Eine einfache Alternative zwischen Welle und Teilchen gibt es in der Quantenmechanik nicht.
Diese Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Es ist nicht möglich, das physikalische Verhalten von Photonen in einem reinen Teilchen- oder Wellenmodell zu beschreiben. Eine befriedigende Erklärung muss Kennzeichen beider Modelle in sich vereinigen.  O experimento considerado  é um exemplo para o "Dualismo" de onda e partícula para fótons. Este é um dos comportamentos localizados que ocorrem de um resultado de interação / alternância e de uma, antes de tudo distribuição irregular que é vista na detecção dos fótons, tipicamente para partículas. Esta é uma das formas do padrão de interferẽncia, a qual se origina de uma grande quantidade de impactos de fótons isolados que forma o sinal caracterísco de uma onda. Ela ilustra de uma forma clara: Uma simples alternativa entre onda e partícula que não há na mecânica quãntica. Estas conclusões nos ajudam na maneira de compreendermos juntos os resultados. Isto não é possivel descrever fisicamente no comportamento dos fótons em um reino partícula ou no modelo de onda. Uma explicação adequada deve unificar as características de ambos os modelos.

Betrachtet man eine Serie von Experimenten, in denen jeweils nur ein einzelnes Photon nachgewiesen wird und die zeitlich soweit auseinander liegen, dass ein gegenseitiger Einfluss ausgeschlossen werden kann, zeigt sich ein verblüffendes Ergebnis:
Se examinarmos uma série de experimentos nos quais em dados momentos se terá o conhecimento de apenas um fóton isolado, e que em relação ao tempo ficam separados entre sí e que nos quais uma interferência externa poderá ser excluida, revela-nos um espantoso resultado:
 

 
Jedes der Experimente liefert einen einzelnen Fleck, der mit Sicherheit nicht als ein Wellenphänomen oder als ein abgeschwächtes Interferenzbild aufgefasst werden kann. Die Gesamtheit der unabhängigen Experimente liefert jedoch das wellentypische Interferenzmuster.

Cada experimento entrega uma mancha isolada não certamente como um fenômeno de onda ou como poderia ser interpretado como uma imagem de interferência atenuada. A totalidade dos experimentos no entanto, fornecerá o padrão típico de interferência de onda. Neste tipo de experiẽncia ve-se nitídamente que o padrão de interferência
  An diesem Experiment sieht man deutlich, dass das Interferenzmuster nicht auf eine irgendwie geartete Wechselwirkung der Photonen untereinander zurückzuführen ist.
Nessa experiência viu-se nitidamente que o padrão de interferência não é sobre sobre um tipo qualquer de resultado / efeito de mudança entre os fótons é uma reciclagem.

3.4 Kann man einem Photon einen Weg zuschreiben?

Darf man sich vorstellen, dass ein Photon innerhalb des Interferometers lokalisiert werden kann? Oder anders gefragt: Besitzt ein Photon innerhalb des Interferometers die Eigenschaft "Weg"?


Wenn das der Fall wäre, müsste jedes einzelne Photon entweder auf Weg A oder auf Weg B in der Abbildung oben zum Detektor gekommen sein (und zwar nur auf einem der beiden Wege).
Um diese Frage zu klären, benutzen wir den Begriff der dynamischen Eigenschaft, der in der Lektion Präparation eingeführt wurde (siehe auch Zusammenfassung von Kapitel 2).
Pode-se apresentar que um fóton dentro de um interferômetro pode ser localizado?  Ou perguntado de outro modo: Um fóton possui dentro do interferômetro a característica / propriedade "caminho" ?
Quando no caso que caminho faria ou, deveria fazer qualquer fóton isolado para sobre o caminho A ou sobre o caminho B na ilustração acima ter ido para o Detector (e apenas sobre um dos dois caminhos) . Para esclarecer essa pergunta  nós utilizaremos estas condições de características dinâmicas , na  lição de preparação que foi efetuada ( vista  também no resumo do capítulo 2)



Markiert man jedes Photon im Interferometer so, dass eine Entscheidung über den Weg erlaubt ist, kann man der Frage, ob ein Photon die Eigenschaft "Weg" im Interferometer besitzt, auf den Grund gehen. Wir wollen im Folgenden die schon bekannte Eigenschaft der Polarisation benutzen, um eine Markierung an den Photonen anzubringen.
Dazu betrachten wir zunächst einen Vorversuch:   
Se marca cada fóton no interferômetro assim que uma decisão sobre seu caminho é permitida .  Alguém pode perguntar se um fóton tendo  a característica  "caminho " no interferômetro torna isso possível. Nós pretendemos utilizar na sequência a já conhecida característica polarização em torno de uma marcação / sinalização   colocada nesse fóton. A respeito disso, nós examinaremos  primeiramente, uma  pré experiência:                    
Experiment 3.4:

 
Wird das Polarisationsfilter in Weg B waagerecht und das Polarisationsfilter in Weg A senkrecht eingestellt, markiert man mit den Polarisationsfiltern die beiden Wege A und B. Durch Messung der Polarisationsrichtung können wir nun für jedes einzelne Photon entscheiden, ob es Weg A (Polarisationsfilter A) oder Weg B (Polarisationsfilter B) passiert hat. Somit wird hier die Eigenschaft "Weg" durch die Polarisation markiert.  Alguns filtros de polarização posicionados na horizontal no caminho B e filtros de polarização na posição vertical no caminho A. Marca-se com os filtros de polarização ambos os caminhos, no caso, A e B.  Assim, através da leitura de orientação de polarização dos mesmos  nós podemos agora, decidir para cada fóton  isolado, se eles estão  passando pelo caminho A (filtro de polarização A) ou se, pelo caminho B(filtro de polarização B). Desta maneira, fica marcada  aqui a característica caminho por meio de polarização.                                                                               Experiment 3.5:      

  Die in diesem Experiment registrierten Photonen bilden kein Interferenzmuster, sondern eine strukturlose Verteilung. Die Animation zeigt den allmählichen Aufbau dieser Verteilung.
Der Vergleich der Experimente 3.4 und 3.5 führt zu folgendem Ergebnis:   Neste experimento os fótons registrados não formam nenhum padrão de interferência, mas sim, uma estrtura com distribuição aleatória. A animação mostra o desenvolvimento gradual desta distribuição. A composição entre o experimento 3.4 e o 3.5 conduzem para a seguinte conclusão:   
  Na mecânica quântica é possível que em um objeto quântico uma particular e bem definida característica / propriedade clássica (por exemplo "caminho A" ou "caminho B" ) não poderá ser descrito.

In der Quantenmechanik ist es möglich, dass einem Quantenobjekt eine bestimmte, klassisch wohldefinierte Eigenschaft (z. B. "Weg A" oder "Weg B") nicht zugeschrieben werden kann.

Kann man die Weginformation wieder ausradieren?
   
                                             


https://www.youtube.com/watch?v=A9tKncAdlHQ (Double Slit explained)
https://www.youtube.com/watch?v=YoQYnhHQ95U
https://www.youtube.com/watch?v=LW6Mq352f0E