Nossa noção de realidade é construída em experiências cotidianas. Mas a dualidade onda-partícula é tão estranha que somos forçados a reexaminar nossas concepções comuns.

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A dualidade onda-partícula refere-se à propriedade fundamental da matéria onde, em um momento ela aparece como uma onda, e ainda em outro momento ela age como uma partícula.

Para entender a dualidade onda-partícula, vale a pena observar as diferenças entre partículas e ondas.

bolas de gude em mármore de pedra. Crédito da imagem: Tim Davis

Todos nós estamos familiarizados com as partículas, sejam elas mármores, grãos de areia, sal em um saleiro, átomos, elétrons e assim por diante.

As propriedades das partículas podem ser demonstradas com uma bola de gude. O mármore é um pedaço esférico de vidro localizado em algum ponto do espaço. Se agitarmos a bola de gude com o dedo, transmitimos energia a ela, essa é a energia cinética, e a bola de gude em movimento leva essa energia com ela. Um punhado de bolinhas de gude atiradas ao ar desaba para baixo, cada bolinha transmite sua energia onde atinge o chão.

Ondulações em uma piscina natural. Crédito da imagem: Tim Davis

Em contraste, as ondas se espalham. Exemplos de ondas são os grandes rolos em mar aberto, ondulações em um lago, ondas sonoras e ondas de luz.

Se em um momento a onda é localizada, algum tempo depois ela terá se espalhado por uma grande região, como as ondulações quando jogamos uma pedra em um lago. A onda carrega consigo a energia relacionada ao seu movimento. Ao contrário da partícula, a energia é distribuída no espaço porque a onda se espalha.

Por que as ondas são tão diferentes das partículas

Partículas em colisão irão ricochetear umas nas outras, mas as ondas em colisão passam umas pelas outras e emergem inalteradas. Mas a sobreposição de ondas pode interferir, onde uma vala se sobrepõe a uma crista, a onda pode desaparecer completamente.

O padrão de interferência de um incidente de onda em dois orifícios em uma tela. Os furos podem ser vistos perto da parte inferior da imagem. As ondas acima da tela mostram regiões de interferência destrutiva, onde as cristas das ondas se sobrepõem aos vales e se cancelam, e regiões de interferência construtiva, onde as cristas das ondas se sobrepõem às cristas e se reforçam. Crédito da imagem: Tim Davis

Isso pode ser visto quando partes de uma onda passam por orifícios espaçados em uma tela. As ondas se espalham em todas as direções e interferem, levando a regiões no espaço onde a onda desaparece e regiões onde ela se torna mais forte.

A imagem à esquerda mostra um exemplo do experimento de dupla fenda inventado pelo polímata inglês Thomas Young. Este fenômeno é denominado difração.

Em contraste, uma bola de gude lançada na tela ou quica ou vai direto para um dos buracos. Do outro lado da tela, a bola de gude será encontrada viajando em uma das duas direções, dependendo do orifício que passou.

Acene um adeus às ondas

O fenômeno da difração é uma propriedade bem conhecida das ondas de luz. Mas no início do 20^o século, um problema foi encontrado com as teorias de ondas de luz emitidas por objetos quentes, como brasas em um fogo ou a luz do sol.

Radiação de corpo negro de brasas em um incêndio. Crédito da imagem: Tim Davis com agradecimentos a Holly

Essa luz é chamada de radiação de corpo negro. Essas teorias sempre preveriam energia infinita para a luz emitida além da extremidade azul do espectro - a catástrofe ultravioleta.

A resposta foi presumir que a energia das ondas de luz não era contínua, mas vinha em quantidades fixas, como se fosse composta de um grande número de partículas, como nosso punhado de bolinhas de gude. Então surgiu a noção de que as ondas de luz agem como partículas, essas partículas são chamadas de fótons.

Se a luz, que pensávamos ser como uma onda, também se comporta como uma partícula, será que objetos como elétrons e átomos, que são parecidos com partículas, podem se comportar como ondas?

Para explicar a estrutura e o comportamento dos átomos, considerou-se necessário assumir que as partículas têm propriedades ondulatórias. Se isso for verdade, uma partícula deve se difratar através de um par de orifícios espaçados próximos, como uma onda.

Difração de elétrons e átomos

Experimentos provaram que as partículas atômicas agem exatamente como ondas. Quando disparamos elétrons em um lado de uma tela com dois orifícios próximos e medimos a distribuição dos elétrons no outro lado, não vemos dois picos, um para cada orifício, mas um padrão de difração completo, como se estivéssemos usando ondas.

Este é outro exemplo do experimento de fenda de Young que mostramos acima, mas desta vez usando ondas de elétrons. Essas noções formam a base da teoria quântica, talvez a teoria mais bem-sucedida que os cientistas já desenvolveram.

A coisa bizarra sobre o experimento de difração é que a onda de elétrons não deposita energia em toda a superfície do detector, como você poderia esperar com uma onda quebrando na costa.

A energia do elétron é depositada em um ponto, como se fosse uma partícula. Assim, enquanto o elétron se propaga através do espaço como uma onda, ele interage em um ponto como uma partícula. Isso é conhecido como dualidade onda-partícula.

Ela se move em ondas misteriosas

Se o elétron ou fóton se propaga como uma onda, mas deposita sua energia em um ponto, o que acontece com o resto da onda?

Ele desaparece, de todo o espaço, para nunca mais ser visto! De alguma forma, aquelas partes da onda distantes do ponto de interação sabem que a energia se perdeu e desaparece, instantaneamente.

Crédito da imagem: Tim Davis

Se isso acontecesse com as ondas do mar, um dos surfistas da onda receberia toda a energia e nesse momento a onda do mar desapareceria, em toda a extensão da praia. Um surfista dropando ao longo da superfície da água e o resto estaria sentado em uma calmaria na superfície.

É o que acontece com fótons, elétrons e até ondas atômicas. Naturalmente, esse enigma perturbou muitos cientistas, inclusive Einstein. Geralmente é varrido para baixo do tapete e referido como "o colapso da função de onda" na medição.

Certa incerteza

Conforme a onda se propaga, onde está a partícula? Bem, não sabemos com certeza. Ela está localizada em algum lugar na região do espaço com uma dimensão semelhante à distribuição dos comprimentos de onda que definem suas ondas. Isso é conhecido como princípio da incerteza de Heisenberg.

Para partículas comuns do dia a dia, como bolas de gude, sal e areia, seus comprimentos de onda são tão pequenos que sua localização pode ser medida com precisão. Para átomos e elétrons, isso se torna menos claro.

No experimento de difração, o comprimento de onda do elétron é grande, então a localização do elétron é muito incerta. O elétron realmente viaja por ambas as fendas ao mesmo tempo, como uma onda. Em termos de partículas, torna-se impossível imaginarmos realmente isso, porque entra em conflito com a experiência cotidiana.

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Einstein se preocupou com a localização real da partícula e concluiu que faltava informação na teoria quântica. Em um célebre artigo sobre variáveis ocultas, Einstein e seus colegas Nathan Rosen e Boris Podolsky derivaram duas alternativas: ou a teoria quântica estava errada ou o problema residia em nossa noção da própria realidade.

Uma série de experimentos precisos e inteligentes provou que a teoria quântica estava correta e que nossa noção de realidade está errada (veja a desigualdade de Bell e o paradoxo de Einstein, Rosen e Podolsky).

Comportamento fantasmagórico

Mas este não é o fim da história. Os experimentos que refutaram nossas noções de realidade envolveram duas partículas ligadas entre si como uma única onda. As medições em uma partícula afetam as propriedades físicas da outra partícula, mesmo que elas possam estar distantes. Isso é conhecido como “ação fantasmagórica à distância” e é uma consequência do emaranhamento quântico.

É um conceito muito sutil, mas está formando a base dos computadores quânticos e da criptografia quântica!

Então, o que há de errado com a realidade?

Nesse ponto, todo o problema fica muito difícil de entender. Mas não fique muito preocupado com isso. Como disse Richard Feynman, ganhador do Prêmio Nobel e homem verdadeiramente brilhante: “Acho que posso dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica.”

A maioria das pessoas que trabalham nesta área simplesmente se acostumam com o conceito e segue com suas vidas, ou tornam- se filósofos.

E quanto à realidade?

Acho que o Professor Feynman tem a última palavra sobre isso também: “... o paradoxo é apenas um conflito entre a realidade e seu sentimento do que a realidade deveria ser.”

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Referência:

DAVIS, Tim. Explainer: what is wave-particle duality. The Conversation, 27, jul. 2012. Disponível em: <https://theconversation.com/explainer-what-is-wave-particle-duality-7414>. Acesso em: 21, ago. 2021.

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.