De acordo com a mecânica quântica, a teoria da física que descreve o zoológico de partículas subatômicas, toda a matéria pode ser descrita como partículas e ondas. Mas isso é verdade?

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A dualidade onda-partícula é a pedra angular da mecânica quântica, que é nossa teoria moderna de como as partículas subatômicas se comportam. A dualidade afirma que todas as partículas (na verdade, todos os objetos) têm uma propriedade de onda associada a elas. Embora a maioria das interpretações padrão da mecânica quântica trate essa propriedade de onda como um truque matemático para calcular a probabilidade de uma partícula estar em um lugar ou outro, algumas interpretações mais radicais elevam a onda a uma entidade real que existe tanto quanto as partículas. Uma dessas interpretações, conhecida como teoria da onda piloto, postula que toda interação no universo pode ser descrita por um único conjunto de equações, se ao menos pudéssemos entendê-las.

AS ONDAS ORIGINAIS

Em 1924, o estudante de doutorado em física, o francês Louis de Broglie propôs que a matéria tem uma propriedade ondulatória. De Broglie foi inspirado pela descoberta da dualidade onda-partícula na luz. Durante séculos, os físicos debateram se a luz era feita de minúsculas partículas ou algum tipo de onda. Em meados de 1800, o debate parecia resolvido com a descoberta de James Clerk Maxwell do campo eletromagnético e sua percepção de que a luz era feita de ondas eletromagnéticas, de acordo com "The History of Quantum Mechanics" (CreateSpace Independent Publishing, 2017).

Mas em 1899, o físico alemão Max Planck estava tentando entender um tipo de radiação conhecida como radiação de corpo negro (o espectro de luz emitido por um objeto aquecido), e a única maneira que ele poderia explicar suas propriedades era se ele permitisse que a luz fosse emitida em pequenos pedaços discretos, ou quanta; o que significa que a luz emitida pode ser descrita como partículas e ondas eletromagnéticas.

Alguns anos depois, Albert Einstein propôs que não é apenas a emissão de luz que é quantizada, mas a própria luz. De acordo com Einstein, a luz é feita de pequenas partículas (eventualmente chamadas de fótons), e quando um monte de fótons se junta, eles agem como uma onda. Essa dualidade onda-partícula, embora radical, poderia explicar uma série de experimentos e observações.

Planck e Einstein propuseram que o comprimento de onda da luz é inversamente proporcional ao seu momento. Portanto, quanto mais momento (energia) um fóton tiver, menor será seu comprimento de onda. De Broglie pegou esse relacionamento simples e teve uma ideia aparentemente maluca. A luz tem momento e energia, e tem uma propriedade de onda. A matéria também tem momento e energia, então talvez também tenha uma propriedade de onda.

Nervoso, o orientador da tese de Broglie enviou a ideia a Einstein, que deu seu selo de aprovação.

ONDAS QUÂNTICAS

Embora o desenvolvimento da mecânica quântica tenha começado com o trabalho de Planck, o progresso estagnou por algumas décadas. A ideia de De Broglie foi o catalisador necessário para trazer a teoria quântica para sua forma moderna. Com a realização da dualidade onda-partícula, físicos como Erwin Schrödinger poderiam desenvolver uma teoria quântica completa que explicasse o comportamento dos elétrons dentro dos átomos, de acordo com o artigo de 1926 de Erwin Schröodinger. 

Mas a questão permaneceu: O que exatamente são ondas de matéria? Schrödinger argumentou que as partículas subatômicas, como os elétrons, estão literalmente espalhadas pelo espaço, mas sua interpretação não concordava com os experimentos que mostravam que os elétrons eram partículas pontuais. Então o físico alemão Max Born propôs uma ideia que eventualmente evoluiria para a chamada interpretação de Copenhague da mecânica quântica: Ondas de matéria são ondas de probabilidade que indicam onde alguém pode encontrar partículas na próxima vez que as procurar. Onde as ondas têm valores altos, há uma forte probabilidade de encontrar uma partícula.

ONDAS PILOTO

A experiência da dupla fenda demonstra que a matéria e a energia podem exibir características tanto de uma onda quanto de uma partícula. Crédito da imagem: grayjay via Shutterstock

De Broglie teve uma ideia diferente. Ele também acreditava que as ondas são reais, mas não substituem as partículas. Em vez disso, ele acreditava que elas existiam ao lado das partículas, propagando-se pelo espaço e dizendo às partículas para onde ir. Ninguém conseguia ver o verdadeiro caminho das trajetórias das partículas, o que significava que as partículas pareciam ser guiadas pela aleatoriedade quântica, mas de Broglie argumentou que não havia aleatoriedade envolvida. Em vez disso: “ondas piloto” sempre sabiam qual trajetória percorrer.

De Broglie acabaria abandonando essa ideia em favor da interpretação das ondas como probabilidades, mas décadas depois o físico americano David Bohm a retomou e a desenvolveu em uma interpretação completa da mecânica quântica. Outros físicos ficaram atraídos pela teoria da onda piloto porque ela resolveu algumas das principais dores de cabeça filosóficas que atormentavam a interpretação de Copenhague. Nessa interpretação, a trajetória de uma partícula existe em alguma vaga superposição quântica que existe em nossa matemática, nós realmente não “sabemos” o que as partículas quânticas realmente fazem, e podemos apenas adivinhar as probabilidades de certos resultados acontecerem.

Em contraste, a teoria da onda piloto tem a vantagem de que tudo na teoria é real e determinado, não há probabilidades aqui. Em vez disso, na teoria da onda piloto (também conhecida como mecânica Bohmiana), a onda associada a cada partícula se move pelo espaço, fazendo o que as ondas fazem naturalmente (refletindo, interferindo, se espalhando e assim por diante). O que parece ser aleatoriedade quântica para um observador é apenas um reflexo do fato de que a verdadeira trajetória da partícula está oculta.

No entanto, essa realidade deve ter um preço. Quando duas partículas interagem, suas ondas piloto interagem e enredam as partículas. O emaranhamento é um processo da mecânica quântica no qual os destinos das partículas subatômicas estão ligados, mesmo através de grandes distâncias, de modo que uma mudança em uma resultará instantaneamente em uma mudança na outra. Isso requer uma única equação de onda para descrever ambas as partículas simultaneamente, e elas devem misteriosamente “saber” o que a outra está fazendo, independentemente de quão distantes elas estejam. Este é um resultado padrão na mecânica quântica e não é muito surpreendente. Mas na teoria da onda piloto, esse emaranhamento se estende às posições das próprias partículas.

Como todas as partículas estão emaranhadas com todas as outras partículas do universo, existe uma única equação de onda que descreve todas as partículas simultaneamente e, de alguma forma, une suas posições. Isso significa que, na teoria da onda piloto, os movimentos dos átomos em seu corpo são afetados pelo comportamento de cada partícula em todo o universo; e existe uma única equação que pode unir tudo no universo.

Embora essa implicação não exclua a teoria da onda piloto, ela torna a proposta difícil de aceitar como uma teoria adequada da física, afinal, como poderíamos afirmar com confiança que isolamos todos os comportamentos dentro de um experimento e entendemos o que está acontecendo? 

Enfatizar as posições das partículas, e não suas velocidades, também dificulta a compatibilidade total da teoria com a relatividade, que diz que posições e velocidades devem ser tratadas em pé de igualdade. Sem essa compatibilidade, é difícil expandir a teoria da onda piloto para todas as variedades de sistemas físicos aos quais a teoria quântica se aplica (como colisores de partículas de alta energia).

Pode haver uma resposta para essas dificuldades um dia, e a teoria das ondas piloto experimentou um interesse crescente nas últimas décadas. Mas até que a questão seja totalmente resolvida, a realidade da dualidade onda-partícula permanece uma questão de predileção.

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Referência:

SUTTER, Paul. Is all matter made up of both particles and waves? Live Science, Nova York, 27, dez. 2022. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/wave-particle-duality>. Acesso em: 28, dez. 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.