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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19859 (2022) Citar este artigo

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O artigo analisa um modelo de transmitância óptica de gás ultradiluído, considerando a não localidade das partículas de gás e o efeito quântico do espalhamento de sua função de onda derivado da resolução da equação de Schrödinger para uma partícula livre. A análise não depende de uma forma particular da função de onda, mas assume a realidade da função de onda. Entre outros, mostramos que nuvens de gás de massa conservadas podem se tornar significativamente mais transparentes do que o previsto pelas leis clássicas de transmitância. Esse fenômeno inesperado é possível porque a conservação de massa é governada pela soma de probabilidades, enquanto o produto de probabilidades da cadeia de Markov controla a transmitância. Além disso, derivamos analiticamente o limite superior que a transmitância do sistema fechado pode crescer e demonstramos que uma transmitância de nuvem de gás aberta e ilimitada pode crescer até 100%. Finalmente, mostramos o impacto nas interpretações da mecânica quântica. O modelo é naturalmente aplicável em condições de espaço profundo, onde o ambiente é escasso. Além disso, o modelo responde aos requisitos de matéria escura.

A lei de transmissão exponencial de Beer-Lambert1,2 que descreve a atenuação da luz monocromática pelo meio homogêneo, não muito denso, é bem conhecida há quase três séculos. Apesar de desenvolver modelos de transmitância mais novos e avançados, ele ainda se aplica à espectroscopia quantitativa3, gases rarefeitos e medições astrofísicas. Todos esses modelos dependem de uma suposição de localidade de partícula atenuante. No entanto, um número crescente de experimentos4,5 nos convence de que a teoria subjacente da mecânica quântica não é uma teoria realista local6,7. Há mais uma suposição na maioria dos modelos "clássicos" de transmitância: um detector de luz é um aparato macroscópico. A mecânica quântica é uma das teorias mais fundamentais, por isso é necessário verificar se essas duas suposições limitam o escopo de aplicabilidade dos modelos clássicos de transmitância.

O espalhamento quântico é um efeito que envolve manchas espaciais espontâneas da função de onda \(\Psi\) ao longo do tempo. Isso leva ao espalhamento da densidade de probabilidade \(|\Psi |^2\) de qualquer reação de um objeto físico descrito por tal função. Vem diretamente da solução da equação de Schrödinger de partícula livre8. Assumindo a realidade da função de onda9,10 aplicamos esta solução a cada partícula de gás independentemente durante seu tempo livre entre colisões sucessivas. Propusemos uma espécie de modelo de "gás espalhado". Isso leva, juntamente com a suposição de não localidade, a um novo modelo de transmitância eletromagnética de gases finos. Uma das previsões deste modelo é que a transmitância óptica medida depende, entre outros, i) do tamanho do detector utilizado e ii) da duração do tempo livre médio da partícula. A clássica abordagem "local" para transmitância, por exemplo, a lei de Beer-Lambert, não prevê tais dependências.

Este artigo apresenta uma análise mais profunda do modelo de transmitância de gás espalhado11. Analisamos sistemas abertos e fechados. Mostramos que a transmitância pode aumentar, graças à propagação espontânea de partículas, mesmo no sistema fechado, mas apenas até certo limite. Derivamos analiticamente esse limite. Mostramos que o deslocamento do eixo de medição em relação ao centro de massa da nuvem pode afetar a medição da transmitância. O parâmetro G11 do modelo de transmitância de gás espalhado é analisado mais detalhadamente. Ao final, abordamos brevemente a possibilidade de distinguir as interpretações da mecânica quântica a partir do resultado do modelo.

Existem apenas algumas suposições para o modelo. As partículas de gás são independentes umas das outras e são funções de onda não locais (não necessariamente) do mesmo tipo. O gás não é relativístico, então a equação de Schrödinger se aplica. A distribuição das partículas é homogênea e as funções de onda diferem apenas pela posição. O detector de luz tem um tamanho finito. O paper11 descreve essas suposições em detalhes.