Para estudarmos interferência de radiação – seja luz, elétrons ou nêutrons –, podemos utilizar o experimento de dupla fenda que consiste em um arranjo onde a
radiação atravessa uma abertura e, em seguida, dispõe de duas fendas, que pode atravessar para atingir um anteparo. Se ambas as fendas estão abertas, a tela mostrará faixas claras e escuras (a interferência). Se apenas uma das fendas está aberta, não há faixas.
Esse arranjo, embora contenha tudo que é necessário para uma análise qualitativa, apresenta desvantagens para um enunciado quantitativo, pois a “partícula” pode apresentar-se em muitos pontos no plano de observação, tornando complicada a descrição matemática do fenômeno.
Por isso, é mais apropriado o uso de um interferômetro que, de modo geral, é um dispositivo para medir superposição de ondas, interferência, com bastante precisão. Nessas montagens, a luz pode tomar, no mínimo, dois caminhos diferentes e as ondas que chegam por esses dois caminhos são sobrepostas, ocorrendo as interferências – destrutiva ou construtiva.
O arranjo experimental desenvolvido em 1896 pelo físico tcheco Ludwig Mach e pelo físico suíço Ludwig Zehnder, de maneira independente, tem sua estrutura bastante simples, como mostram as figuras. São necessários quatro espelhos, dos quais dois refletem toda a luz incidente sobre eles e dois, denominados “semiespelhos” ou “semirrefletores”, refletem exatamente a metade da luz que incide sobre eles, deixando a outra metade atravessá-los.
Seu funcionamento é bastante simples. Recorramos a Zeilinger (2005) para elucidá-lo (Figura 1):
FIGURA 1– a) Interferômetro real clássico; e b) Representação do MZ, composto por uma fonte, dois semiespelhos e dois espelhos.
Um raio de luz incidindo da direita é em parte refletido por um primeiro espelho semi-refletor, e em parte o atravessa – precisamente de modo que a exata metade da luz toma o caminho superior e a outra metade o caminho inferior. Cada um desses dois raios de luz atinge então um espelho totalmente refletor e é refletido ali. Os dois raios se encontram finalmente no segundo espelho semi-refletor, e aqui sucede a verdadeira superposição das duas ondas. Cada um dos dois raios é dividido agora em duas ondas, do raio que tomou o caminho superior a metade é refletida para a esquerda e a outra metade atravessa para baixo. Do raio que tomou o caminho inferior, a metade atravessa para a esquerda e a outra metade é refletida para baixo. Cada um dos dois raios, que abandonam o interferômetro atrás do segundo espelho semi-refletor, é assim uma superposição de parcelas iguais de ondas, das quais uma veio pelo caminho superior e outra pelo caminho inferior. Dessa maneira, os dois raios trarão cada qual a metade da luz que veio da direita? Até aqui não levamos em conta a interferência. Cada um desses raios consiste, depois do último espelho, em duas semi-ondas que tomaram caminhos diferentes, e interessa agora saber se essas semi-ondas se reforçam ou se extinguem mutuamente. Para responder a essa questão, precisaríamos saber com exatidão o que acontece com as ondas nos espelhos. A propagação das ondas no espaço livre entre os espelhos é, ao contrário, um processo muito simples, e, caso o interferômetro esteja ‘bem ajustado’, como se diz – a expressão se refere ao fato de todos os caminhos de raio terem comprimento igual –, as duas ondas, a superior e a inferior, percorrerem a mesma distância no interior do interferômetro. Portanto, na propagação pelo espaço livre, elas estão submetidas a uma mesma influência. Também podemos esquecer a influência dos dois espelhos que refletem totalmente, pois se trata também de uma influência que as duas ondas sofrem de maneira igual. Porém, no caso dos espelhos semi-refletores, acontece algo mais sutil. Vamos discutir isso de maneira mais meticulosa, pois é de grande importância para a compreensão do interferômetro. Consideremos assim como os raios que saem do último espelho se desenvolvem. O ponto essencial é que a semi-onda que toma o caminho superior dentro do interferômetro atravessa o primeiro espelho semi-refletor, e no segundo, é refletido (o efeito do terceiro espelho totalmente refletor pode ser deixado de lado, como já falamos), e que a semi-onda que toma o caminho inferior é refletida no primeiro espelho e atravessa o segundo espelho semi-refletor. As duas ondas experimentam assim o mesmo destino, só que em seqüência inversa. Ao longo de cada um dos dois caminhos, o raio é refletido em uma vez em um espelho semi-refletor, na outra ele atravessa. Porém, como a seqüência em que isso acontece é indiferente, as duas semi- ondas que saem atrás e que constituem o raio saindo à esquerda, têm de ser exatamente iguais. Ali, onde uma onda encontra uma crista, a outra também tem que encontrar uma crista; ali onde uma onda encontra um vale, a outra também tem de encontrar um vale. As duas ondas se reforçam mutuamente devido à interferência construtiva. [...] Consideremos agora as semi-ondas que concorrem para formar o raio que sai para baixo. Aqui nós vemos que as situações são fundamentalmente distintas. A semi-onda que tomou o caminho superior dentro do interferômetro atravessa duas vezes o espelho semi- refletor. A semi-onda que tomou o caminho inferior é refletida duas vezes. Não há, portanto, razão alguma para as duas semi-ondas serem iguais. De fato, um cálculo exato mostra que as duas semi-ondas estão deslocadas entre si, de sorte que ali onde uma onda encontra uma crista, a outra encontra um vale; e ali onde uma encontra um vale, a outra, por sua vez, encontra uma crista. Se somarmos essas duas ondas, elas se extinguem mutuamente. Ou seja, nenhuma luz sai para baixo. Essa é a interferência destrutiva. Também poderíamos ter derivado esse resultado diretamente do anterior, simplesmente do fato de que obtivemos ali o resultado de toda luz que entra no interferômetro pela direita sair pela esquerda. Uma vez que luz não pode surgir em parte alguma por um passe de mágica, nenhuma luz
pode sair para baixo. Todavia, isso só vale se as duas semi-ondas se extinguem mutuamente. (ZEILINGER, 2005, p. 213-217).
É possível ajustar esse arranjo para se conseguir que apenas um fóton esteja no interior do interferômetro e colocar detectores em sua saída para que possamos investigar a presença do fóton. O ponto que importa é o comportamento de partículas individuais. Para raios de luz, podemos argumentar que a presença ou não de ondas deve-se à interferência construtiva ou à destrutiva das duas semiondas que vieram por caminhos distintos. Isto implica que, para fótons únicos, temos que explicar como interferência destrutiva o fato de nenhum fóton se apresentar na saída inferior. Mas de que tipo de onda se trata? Os fótons são partículas ou são ondas que se podem propagar ao longo de diversos caminhos?