O experimento da dupla fenda é universalmente estranho.

O experimento da dupla fenda é um dos experimentos mais estranhos já realizados. Crédito da imagem: Petrovich9 via Getty Images

O experimento da dupla fenda é um dos experimentos mais famosos da física e definitivamente um dos mais estranhos. Ele demonstra que matéria e energia (como a luz) podem apresentar características de onda e partícula, conhecidas como dualidade onda-partícula da matéria, dependendo do cenário, de acordo com o site de comunicação científica Interesting Engineering.

De acordo com a Universidade de Sussex, o físico americano Richard Feynman se referiu a esse paradoxo como o mistério central da mecânica quântica.

Sabemos que o mundo quântico é estranho, mas o experimento de duas fendas leva as coisas a um nível totalmente novo. O experimento deixou os cientistas perplexos por mais de 200 anos, desde que a primeira versão foi realizada pela primeira vez pelo cientista britânico Thomas Young em 1801.

COMO FUNCIONA O EXPERIMENTO DA DUPLA FENDA?

Christian Huygens foi o primeiro a descrever a luz viajando em ondas, enquanto Isaac Newton pensava que a luz era composta de pequenas partículas de acordo com o Observatório Las Cumbres. Mas quem está certo? O polímata britânico Thomas Young projetou o experimento da dupla fenda para testar essas teorias. 

Para apreciar a natureza verdadeiramente bizarra do experimento da dupla divisão, primeiro precisamos entender como as ondas e as partículas agem ao passar por duas fendas. 

PADRÕES DE INTERFERÊNCIA DE ONDAS

Quando Young realizou pela primeira vez o experimento da dupla divisão em 1801, descobriu que a luz se comportava como uma onda. 

Em primeiro lugar, se fôssemos iluminar uma parede com duas fendas paralelas, e para simplificar, digamos que essa luz tenha apenas um comprimento de onda. 

À medida que a luz passa pelas fendas, cada uma, por sua vez, torna-se quase como uma nova fonte de luz. Do outro lado do divisor, a luz de cada fenda difrata e se sobrepõe à luz da outra fenda, interferindo uma na outra. 

O padrão de interferência produzido a partir de um único comprimento de onda de luz na tela do sensor é evidência de que a luz é uma onda. Thomas Young descobriu isso em 1801, quando realizou pela primeira vez seu experimento de dupla fenda.  Crédito da imagem: Futuro

De acordo com a Stony Brook University, qualquer onda pode criar um padrão de interferência, seja uma onda sonora, uma onda de luz ou ondas em um corpo de água. Quando uma crista de onda atinge uma depressão de onda, elas se cancelam, conhecida como interferência destrutiva, e aparecem como uma faixa escura. Quando uma crista atinge outra crista, elas amplificam uma à outra, conhecida como interferência construtiva, e aparecem como uma faixa brilhante. A combinação de bandas escuras e claras é conhecida como padrão de interferência e pode ser vista na tela do sensor oposta às fendas. 

Esse padrão de interferência era a evidência que Young precisava para determinar que a luz era uma onda e não uma partícula, como Newton havia sugerido. 

Mas essa não é a história toda. A luz é um pouco mais complicada do que isso, e para ver o quão estranho ela realmente é, também precisamos entender qual padrão uma partícula faria em um campo de sensor.

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PADRÕES DE PARTÍCULAS

Se você realizasse o mesmo experimento e lançasse grãos de areia ou outras partículas através das fendas, acabaria com um padrão diferente na tela do sensor. Cada partícula passaria por uma fenda e terminaria em uma linha, aproximadamente no mesmo lugar (com um pouco de dispersão, dependendo do ângulo em que a partícula passasse pela fenda). 

As partículas produzem um padrão muito diferente na tela do sensor em comparação com o padrão de interferência visto das ondas. Aqui, cada partícula passa por uma fenda e termina em uma linha aproximadamente no mesmo lugar. Crédito da imagem: Future

Claramente, ondas e partículas produzem um padrão muito diferente, então deve ser fácil distinguir entre os dois, certo? Bem, é aqui que o experimento da dupla fenda fica um pouco estranho quando tentamos realizar o mesmo experimento, mas com minúsculas partículas de luz chamadas fótons. Entre no reino da mecânica quântica. 

EXPERIÊNCIA DE DUPLA FENDA: MECÂNICA QUÂNTICA

O menor constituinte da luz são partículas subatômicas chamadas fótons. Usando fótons em vez de grãos de areia, podemos realizar o experimento da dupla fenda em escala atômica. 

Se você bloquear uma das fendas, de modo que seja apenas um experimento de uma única fenda, e disparar fótons para a tela do sensor, os fótons aparecerão como pontos de alfinete na tela do sensor, imitando os padrões de partículas produzidos pela areia no exemplo anterior. A partir desta evidência, poderíamos sugerir que os fótons são partículas. 

Se você bloquear uma das fendas e disparar fótons para a tela do sensor, eles aparecerão como pontos pontiagudos imitando um padrão associado a partículas. Crédito da imagem: Future

Agora, é aqui que as coisas começam a ficar estranhas. 

Se você desbloquear a fenda e disparar fótons através de ambas as fendas, começará a ver algo muito semelhante ao padrão de interferência produzido pelas ondas no exemplo da luz. Os fótons parecem ter passado pelo par de fendas agindo como ondas. 

Mas e se você lançar fótons um por um, deixando tempo suficiente entre eles para que eles não tenham chance de interferir um no outro, eles se comportarão como partículas ou ondas? 

Em princípio, os fótons aparecem na tela do sensor de maneira aleatória, mas à medida que você dispara mais e mais, um padrão de interferência começa a surgir. Cada fóton por si só parece estar contribuindo para o comportamento geral de onda que se manifesta como um padrão de interferência na tela, mesmo que eles tenham sido lançados um de cada vez para que nenhuma interferência entre eles fosse possível.

Se você disparar fótons através de ambas as fendas, seja tudo de uma vez ou um por um, eles aparecerão na tela do sensor em um padrão de interferência semelhante a uma onda. Crédito da imagem: Future

É quase como se cada fóton estivesse "consciente" de que existem duas fendas disponíveis. Como? Ele se divide em dois e depois se junta novamente após a fenda e depois atinge o sensor? Para investigar isso, os cientistas montaram um detector que pode dizer por qual fenda o fóton passa. 

Novamente, disparamos fótons um de cada vez nas fendas, como fizemos no exemplo anterior. O detector descobre que cerca de 50% dos fótons passaram pela fenda superior e cerca de 50% pela fenda inferior e confirma que cada fóton passa por uma fenda ou outra. Nada muito incomum nesse ponto. 

Mas quando olhamos para a tela do sensor neste experimento, surge um padrão diferente.

Quando o detector é ligado, os fótons produzem um padrão semelhante a partículas na tela do sensor. Crédito da imagem: Future

Esse padrão corresponde ao que vimos quando disparamos partículas pelas fendas. Parece que o monitoramento dos fótons faz com que eles mudem do padrão de interferência produzido pelas ondas para o produzido pelas partículas. 

Se a detecção de fótons através das fendas está aparentemente afetando o padrão na tela do sensor, o que acontece se deixarmos o detector no lugar, mas o desligarmos? (Não diga aos fótons que não estamos mais os espionando!)

É aqui que as coisas ficam muito, muito estranhas. 

As mesmas fendas, os mesmos fótons, o mesmo detector, apenas desligado. Veremos o mesmo padrão de partículas? 

Não. As partículas novamente criam um padrão de interferência ondulada na tela do sensor. 

Quando o detector é desligado, os fótons criam um padrão de interferência semelhante a uma onda na tela do sensor. Crédito da imagem: Future

Os átomos parecem agir como ondas quando você não os está observando, mas como partículas quando você está. Como? Bem, se você puder responder a isso, um Prêmio Nobel está esperando por você. 

Na década de 1930, os cientistas propuseram que a consciência humana poderia afetar a mecânica quântica. O matemático John Von Neumann postulou isso pela primeira vez em 1932 em seu livro "The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics". Na década de 1960, o físico teórico Eugene Wigner concebeu um experimento mental chamado amigo de Wigner, um paradoxo na física quântica que descreve os estados de duas pessoas, uma conduzindo o experimento e o observador da primeira pessoa, segundo a revista científica Popular Mechanics. A ideia de que a consciência de uma pessoa que realiza o experimento pode afetar o resultado é conhecida como interpretação de Von Neumann-Wigner.

Embora uma explicação espiritual para o comportamento da mecânica quântica ainda seja acreditada por alguns indivíduos, incluindo o autor e defensor da medicina alternativa Deepak Chopra, a maioria da comunidade científica a desconsidera há muito tempo. 

Quanto a uma teoria mais plausível, os cientistas estão estupefatos. 

Além disso, e talvez ainda mais surpreendente, se você configurar o experimento de fenda dupla para detectar por qual fenda o fóton passou depois que o fóton já atingiu a tela do sensor, você ainda acabará com um padrão do tipo partícula na tela do sensor, mesmo que o fóton ainda não tivesse sido detectado quando atingiu a tela. Este resultado sugere que a detecção de um fóton no futuro afeta o padrão produzido pelo fóton na tela do sensor no passado. Esse experimento é conhecido como experimento da borracha quântica e é explicado com mais detalhes neste vídeo informativo do Fermilab.

Ainda não entendemos completamente como funciona exatamente a dualidade onda-partícula da matéria, razão pela qual é considerada um dos maiores mistérios da mecânica quântica. 

HISTÓRIA DO EXPERIMENTO DA DUPLA FENDA

O polímata britânico Thomas Young realizou pela primeira vez o experimento da dupla fenda em 1801. Crédito da imagem: wynnter via Getty Images

A primeira versão do experimento da dupla fenda foi realizada em 1801 pelo polímata britânico Thomas Young, de acordo com a American Physical Society (APS). Seu experimento demonstrou a interferência de ondas de luz e forneceu evidências de que a luz era uma onda, não uma partícula. 

Young também usou dados de seus experimentos para calcular os comprimentos de onda de diferentes cores de luz e chegou muito perto dos valores modernos.

Apesar de seu experimento convincente de que a luz era uma onda, aqueles que não queriam aceitar que Isaac Newton pudesse estar errado sobre algo criticaram Young. (Newton havia proposto a teoria corpuscular, que postulava que a luz era composta de um fluxo de partículas minúsculas que ele chamava de corpúsculos.) 

De acordo com a APS, Young escreveu em resposta a um dos críticos: "Por mais que eu venere o nome de Newton, não sou obrigado a acreditar que ele era infalível".

Desde o desenvolvimento da mecânica quântica, os físicos agora reconhecem que a luz é tanto uma partícula quanto uma onda. 

RECURSOS ADICIONAIS

• Explore o experimento de dupla fenda com mais detalhes com este artigo da Universidade de Cambridge, que inclui imagens de padrões de elétrons em um experimento de dupla fenda. 
• Descubra a verdadeira natureza da luz com o Canon Science Lab. 
• Leia sobre fragmentos de energia que não são ondas ou partículas, mas podem ser os blocos de construção fundamentais do universo, neste artigo da The Conversation. 
• Mergulhe mais fundo no experimento de duas fendas neste artigo publicado na revista Nature.

BIBLIOGRAFIA

• Grangier, Philippe, Gerard Roger e Alain Aspect. "Evidência experimental para um efeito anticorrelação de fótons em um divisor de feixe: Uma nova luz sobre interferências de fóton único." EPL (Europhysics Letters) 1.4 (1986): 173.
• Thorn, JJ, et al. "Observando o comportamento quântico da luz em um laboratório de graduação." American Journal of Physics 72.9 (2004): 1210-1219.
• Ghose, Partha. "O mistério central da mecânica quântica." arXiv preprint arXiv:0906.0898 (2009).
• Aharonov, Yakir, et al. "Finalmente dando sentido ao experimento da dupla fenda." Proceedings of the National Academy of Sciences 114.25 (2017): 6480-6485.
• Peng, Hui. "Observações de experimentos de fenda dupla cruzada." International Journal of Physics 8.2 (2020): 39-41. 

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Referência:

DOBRIJEVIC, Daisy. The double-slit experiment: Is light a wave or a particle? Space, 23, mar. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/double-slit-experiment-light-wave-or-particle>. Acesso em: 23, mar. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.