El experimento de Afshar es una variación del experimento de doble rendija en mecánica cuántica, ideado y llevado a cabo por Shahriar Afshar en 2004. [1] [2] En el experimento, la luz generada por un láser pasa a través de dos agujeros muy próximos entre sí y es reenfocada por una lente de modo que la imagen de cada agujero cae sobre un detector de fotón único separado . Además, se coloca una rejilla de cables finos justo delante de la lente en las franjas oscuras de un patrón de interferencia . [3]
Afshar afirmó que el experimento proporciona información sobre qué camino toma un fotón a través del aparato, al mismo tiempo que permite observar la interferencia entre los caminos. [4] [5] Según Afshar, esto viola el principio de complementariedad de la mecánica cuántica . [3] [6]
El experimento ha sido analizado y repetido por varios investigadores. [7] Existen varias teorías que explican el efecto sin violar la complementariedad. [8] [9] [10] [11] John G. Cramer afirma que el experimento proporciona evidencia de la interpretación transaccional de la mecánica cuántica por sobre otras interpretaciones.
Historia
El trabajo experimental de Shahriar Afshar se realizó inicialmente en el Instituto de Estudios de Masas Inducidas por Radiación (IRIMS) [12] en Boston y luego se reprodujo en la Universidad de Harvard , mientras estaba allí como investigador visitante . [1] Los resultados se presentaron por primera vez en un seminario en Harvard en marzo de 2004. [2] El experimento apareció como artículo de portada en la edición del 24 de julio de 2004 de la revista de divulgación científica New Scientist , avalada por el profesor John G. Cramer de la Universidad de Washington . [1] [13] El artículo de New Scientist generó muchas respuestas, incluidas varias cartas al editor que aparecieron en las ediciones del 7 y 14 de agosto de 2004, argumentando en contra de las conclusiones extraídas por Afshar. [14] Los resultados se publicaron en las actas de una conferencia de SPIE en 2005. [4] Un artículo de seguimiento se publicó en la revista científica Foundations of Physics en enero de 2007 [3] y apareció en New Scientist en febrero de 2007. [15]
Configuración experimental
Fig.1 Experimento sin obstrucción de la rejilla de alambreFig.2 Experimento con rejilla de alambre obstructiva y un orificio cubiertoFig. 3 Experimento con rejilla de alambre y ambos orificios abiertos. Los alambres se encuentran en las franjas oscuras y, por lo tanto, bloquean muy poca luz.
El experimento utiliza una configuración similar a la del experimento de doble rendija . En la variante de Afshar, la luz generada por un láser pasa a través de dos orificios circulares muy espaciados (no rendijas). Después de los orificios dobles, una lente reenfoca la luz de modo que la imagen de cada orificio cae sobre detectores de fotones separados (Fig. 1). Con el orificio 2 cerrado, un fotón que pasa a través del orificio 1 incide sólo en el detector de fotones 1. De manera similar, con el orificio 1 cerrado, un fotón que pasa a través del orificio 2 incide sólo en el detector de fotones 2. Con ambos orificios abiertos, Afshar afirma, citando a Wheeler [16] en apoyo, que el orificio 1 permanece correlacionado con el detector de fotones 1 (y viceversa para el orificio 2 con el detector de fotones 2), y por lo tanto esa información de en qué dirección se conserva cuando ambos orificios están abiertos. [3]
Cuando la luz actúa como una onda, debido a la interferencia cuántica se puede observar que hay regiones que los fotones evitan, llamadas franjas oscuras . Se coloca una rejilla de cables finos justo delante de la lente (Fig. 2) de modo que los cables se encuentren en las franjas oscuras de un patrón de interferencia que se produce mediante la configuración de doble orificio. Si se bloquea uno de los orificios, el patrón de interferencia ya no se formará y la rejilla de cables provoca una difracción apreciable en la luz y bloquea parte de ella para que no sea detectada por el detector de fotones correspondiente. Sin embargo, cuando ambos orificios están abiertos, el efecto de los cables es despreciable, comparable al caso en el que no hay cables colocados delante de la lente (Fig. 3), porque los cables se encuentran en las franjas oscuras de un patrón de interferencia. El efecto no depende de la intensidad de la luz (flujo de fotones).
La interpretación de Afshar
La conclusión de Afshar es que, cuando ambos orificios están abiertos, la luz exhibe un comportamiento ondulatorio al pasar por los cables, ya que la luz pasa por los espacios entre los cables pero evita los cables mismos, pero también exhibe un comportamiento similar al de una partícula después de pasar por la lente, con fotones yendo a un fotodetector correlacionado. Afshar sostiene que este comportamiento contradice el principio de complementariedad en la medida en que muestra características ondulatorias y corpusculares en el mismo experimento para los mismos fotones.
Afshar afirma que existe simultáneamente una alta visibilidad V de interferencia así como una alta distinguibilidad D (que corresponde a la información de la trayectoria), de modo que V 2 + D 2 > 1, y se viola la relación de dualidad onda-partícula . [3]
Recepción
Crítica específica
Varios científicos han publicado críticas a la interpretación de Afshar de sus resultados, algunas de las cuales rechazan las afirmaciones de una violación de la complementariedad, aunque difieren en la forma en que explican cómo la complementariedad se enfrenta al experimento. Por ejemplo, un artículo cuestiona la afirmación principal de Afshar, de que se viola la relación de dualidad Englert-Greenberger . Los investigadores volvieron a realizar el experimento, utilizando un método diferente para medir la visibilidad del patrón de interferencia que el utilizado por Afshar, y no encontraron ninguna violación de la complementariedad, concluyendo que "este resultado demuestra que el experimento puede explicarse perfectamente mediante la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica". [10]
A continuación se presenta una sinopsis de los artículos de varios críticos destacando sus principales argumentos y los desacuerdos que tienen entre ellos:
La crítica de Kastner, publicada en un artículo revisado por pares, procede mediante la creación de un experimento mental y la aplicación de la lógica de Afshar para exponer su defecto. Propone que el experimento de Afshar es equivalente a preparar un electrón en un estado de espín hacia arriba y luego medir su espín lateral. Esto no implica que uno haya descubierto el estado de espín arriba-abajo y el estado de espín lateral de cualquier electrón simultáneamente. Aplicado al experimento de Afshar: "Sin embargo, incluso con la rejilla eliminada, ya que el fotón se prepara en una superposición S , la medición en la pantalla final en t 2 nunca es realmente una medición de 'en qué dirección' (el término tradicionalmente asociado al observable de base de rendija ), porque no puede decirnos 'por qué rendija pasó realmente el fotón'.
Reitzner realizó simulaciones numéricas de la disposición de Afshar, publicadas en un preprint, y obtuvo los mismos resultados que Afshar obtuvo experimentalmente. A partir de esto, sostiene que los fotones exhiben un comportamiento ondulatorio, incluida una alta visibilidad de las franjas pero sin información sobre en qué dirección, hasta el momento en que impactan en el detector: "En otras palabras, la distribución de dos picos es un patrón de interferencia y el fotón se comporta como una onda y no exhibe propiedades de partícula hasta que impacta en la placa. Como resultado, nunca se puede obtener información sobre en qué dirección de esta manera".
Unruh, al igual que Kastner, procede estableciendo un sistema que considera equivalente pero más simple. El tamaño del efecto es mayor, de modo que resulta más fácil ver el fallo en la lógica. En opinión de Unruh, ese fallo consiste en que, en el caso de que exista un obstáculo en la posición de las franjas oscuras, "se extrae la conclusión de que SI la partícula se detectó en el detector 1, ENTONCES debe haber venido de la trayectoria 1. De manera similar, SI se detectó en el detector 2, entonces vino de la trayectoria 2". En otras palabras, acepta la existencia de un patrón de interferencia pero rechaza la existencia de información sobre en qué dirección.
La crítica de Motl, publicada en su blog, se basa en un análisis de la configuración real de Afshar, en lugar de proponer un experimento diferente como el de Unruh y Kastner. A diferencia de Unruh y Kastner, él cree que la información en la dirección correcta siempre existe, pero sostiene que el contraste medido del patrón de interferencia es en realidad muy bajo: "Debido a que esta señal (interrupción) de la segunda imagen del medio es pequeña (equivalentemente, solo afecta a una porción muy pequeña de los fotones), el contraste V también es muy pequeño y tiende a cero para cables infinitamente delgados". También sostiene que el experimento se puede entender con la electrodinámica clásica y no tiene "nada que ver con la mecánica cuántica".
Steuernagel realiza un análisis cuantitativo de los diversos modos transmitidos, refractados y reflejados en una configuración que difiere sólo ligeramente de la de Afshar. Concluye que la relación de dualidad de Englert-Greenberger se cumple estrictamente y, en particular, que la visibilidad de las franjas para cables delgados es pequeña. Al igual que algunos de los otros críticos, enfatiza que inferir un patrón de interferencia no es lo mismo que medirlo: "Finalmente, la mayor debilidad en el análisis dado por Afshar es la inferencia de que debe estar presente un patrón de interferencia".
Andrew Knight, Departamento de Física, Universidad de Nueva York [21]
Sostiene que la afirmación de Afshar de violar la complementariedad es una simple inconsistencia lógica: al configurar el experimento de manera que los fotones sean espacialmente coherentes sobre los dos agujeros, los agujeros son necesariamente indistinguibles por esos fotones. “En otras palabras, Afshar et al. afirman en un aliento haber configurado el experimento de manera que los agujeros A y B sean inherentemente indistinguibles por ciertos fotones [específicamente, fotones que se producen para ser espacialmente coherentes sobre el ancho abarcado por agujeros que, por lo tanto, son incapaces de distinguirlos], y en otro aliento haber distinguido los agujeros A y B con esos mismos fotones”.
Apoyo específico
Los coautores de Afshar, Eduardo Flores y Ernst Knoesel, critican la configuración de Kastner y proponen una configuración experimental alternativa. [22] Al retirar la lente de Afshar y hacer que dos haces se superpongan en un ángulo pequeño, Flores et al. intentaron demostrar que la conservación del momento garantiza la preservación de la información sobre la trayectoria cuando ambos orificios están abiertos. Pero este experimento aún está sujeto a la objeción de Motl de que los dos haces tienen un patrón de difracción submicroscópico creado por la convergencia de los haces antes de las rendijas; el resultado habría sido la medición de qué rendija estaba abierta antes de que se alcanzaran los cables.
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