Os caminhos da luz - O que é dualidade onda-partícula?

O princípio da dualidade onda partícula da velha física quântica afirma que matéria e luz exibem os comportamentos de ondas e partículas, dependendo das circunstâncias do experimento. É um tema complexo, mas entre os mais intrigante na física. Veremos agora um pouco da história da luz e a corda de guerra entre a sua natureza dual. 

Dualidade onda partícula na Luz

Christiaan Huygens vs Isaac Newton. Enquanto Huygens propôs uma teoria ondulatória para a luz, Newton foi de contramão, propondo uma teoria corpuscular. 

Em 1600, Christiaan Huygens e Isaac Newton propuseram teorias para o comportamento da luz concorrente. Huygens propôs uma teoria ondulatória da luz, enquanto Newton uma teoria "corpuscular" (partículas) da luz. A teoria de Huygens teve alguns problemas na observação de harmonização. O prestígio de Newton ajudou dar apoio à sua teoria, por isso há mais de um século a sua teoria era dominante.

Surgiram complicações para a teoria corpuscular da luz. A Difração havia sido observado, por um lado, que tinha dificuldade em explicar adequadamente. experimento fenda dupla de Thomas Young resultou em comportamento ondulatório óbvio e parecia apoiar firmemente a teoria ondulatória da luz sobre a teoria de partículas de Newton.

No experimento de Young, uma luz é projetada em duas fendas e em seguida, projetada novamente em um anteparo. Young A figura mostra diferentes espectros de interferência obtidos variando a distância entre as fendas.

Uma onda geralmente tem que propagar através de um meio de algum tipo. O meio proposto por Huygens tinha sido éter luminífero (ou, na terminologia moderna mais comum, éter ). Quando James Clerk Maxwell quantificado um conjunto de equações (chamado leis de Maxwell ou equações de Maxwell ) para explicar a radiação eletromagnética (incluindo a luz visível), como a propagação de ondas, ele assumiu apenas como um éter como meio de propagação, e suas predições eram consistentes com resultados experimentais.

As famosas equações de Maxwell. Créditos: Felipe Sérvulo

O problema com a teoria das ondas foi a de que a éter nunca tinha sido encontrado. Não só isso, mas as observações astronômicas em aberração estelar por  James Bradley em 1720 tinha indicado éter que teria de ser estacionário em relação a um movimento da Terra. Ao longo de 1800, foram feitas tentativas para detectar o éter ou o seu movimento diretamente, culminando com a famosa experiência de Michelson-Morley . Todos eles não conseguiram realmente detectar o éter, resultando em um enorme debate como o século XX começou. Luz era uma onda ou uma partícula?

Objetivando calcular a velocidade da luz com valores cada vez mais precisos, assim como verificar a existência do éter luminífero cartesiano (ELC) [meio no qual a luz se propaga, segundo a proposta apresentada pelo físico e matemático escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), em 1873 Michelson construiu, em 1881 (American Journal of Sciences 22, p. 120), um interferômetro.

Em 1905 (o ano do milagre), Albert Einstein publicou seu artigo explicando o efeito fotoelétrico, que propôs que a luz viaja em pacotes discretos de energia os quanta. A energia contida dentro de um fóton estava relacionada com a frequência da luz. Esta teoria veio a ser conhecida como a teoria do fóton de luz (embora a palavra fóton não foi inventado até anos mais tarde). Com esse trabalho, mais tarde, em 1921, Einstein ganharia o seu Prêmio Nobel de Física.

Com os fótons, o éter já não era essencial, como meio de propagação, embora ainda deixado o paradoxo ímpar na qual o comportamento de onda foi observado. Ainda mais peculiar foram as variações quantum do experimento da fenda dupla e o efeito Compton que pareceu confirmar a interpretação de partículas.

Animação do experimento da dupla fenda. Créditos: Claus.Wimmer 

No efeito Compton, assim como no experimento da dupla fenda, verificou-se que, ao emitir um fóton na eletrosfera de um certo material, um elétron seria ejetado para fora da eletrosfera, e um fóton seria espalhado pelo efeito da difração, assim como bolas de bilhar em uma mesa de sinuca.

Como todos estes experimentos foram realizados e evidências acumuladas, as implicações rapidamente se tornaram claras e alarmantes:

"A Luz funciona como uma partícula e uma onda, dependendo da forma como o ensaio é conduzido e quando são feitas as observações."

Onda dualidade partícula na Matéria

A questão de saber se tal dualidade também mostrou-se em assunto foi abordado pela ousada hipótese de Broglie, que se estendeu a obra de Einstein para relacionar o comprimento de onda observado na matéria para o seu dinamismo. Os experimentos confirmaram a hipótese em 1927, resultando em um Prêmio Nobel de 1929 para Broglie. 

De Broglie ampliou a ideia da dualidade para a matéria e energia. Créditos. UFPR.

Assim como a luz, parecia que o assunto exibiu ambas as propriedades das ondas e partículas, sob as circunstâncias corretas. Obviamente, objetos maciços apresentam comprimentos de onda muito pequenos, tão pequenos no fato de que é bastante inútil pensar neles de uma forma de onda. Mas para pequenos objetos, o comprimento de onda pode ser observável e significativo, como o atesta o experimento da fenda dupla com elétrons .

Importância da Onda dualidade partícula

A maior importância da dualidade onda partícula é que todo o comportamento de luz e a matéria pode ser explicada através da utilização de uma equação diferencial que representa uma função de onda, geralmente sob a forma da equação de Schrodinger. Esta capacidade de descrever a realidade na forma de ondas é o coração da mecânica quântica.

A interpretação de Copenhague e o Gato de Schrödinger

A interpretação mais comum é que a função de onda representa a probabilidade de encontrar uma dada partícula num dado ponto. Estas equações de probabilidade pode difratar, interferir, e apresentam outras propriedades de onda semelhante, resultando numa função de onda probabilística final que exibe essas propriedades. Partículas acabam distribuídas de acordo com as leis de probabilidade, e, portanto, apresentam as propriedades de onda. Em outras palavras, a probabilidade de uma partícula estar em qualquer localização é uma onda, mas a aparência física real da partícula que não é.

A equação de  Schrödinger é uma das mais elegantes da mecânica quântica. É uma equação diferencial parcial que descreve como o estado quântico de um sistema físico muda com o tempo. Foi formulada no final de 1925, e publicado em 1926, pelo físico austríaco Erwin Schrödinger. A equação de Newton f=m.a é análoga à de  Schrödinger, em termos quânticos.

Enquanto a matemática, embora complicada, faz previsões precisas, o significado físico destas equações são muito mais difíceis de entender. 

A tentativa de explicar o que  "significa realmente" a onda dualidade partícula é um ponto-chave do debate na física quântica. Existem muitas interpretações para tentar explicar isso, mas todas elas estão ligadas pelo mesmo conjunto de equações de onda... e, em última análise, deve explicar as mesmas observações experimentais.

Fonte: About Phyisics, UFRGS