A Natureza da Luz: Explorando A Dualidade Entre Partícula & Onda

∆

Do que é feita a luz? Essa é uma pergunta que começou a ser feita séculos atrás onde físicos começaram a pesquisar sobre a natureza da luz. Uma das descobertas mais importantes foi quando experimentos mostraram que a luz tinha uma velocidade constante independente da velocidade ou direção do observador. Isso foi um divisor de águas para que Albert Einstein desse mais um passo na compreensão da luz.

Talvez uma das descobertas que chamou a atenção dos físicos foi que a luz poderia se comportar de duas maneiras: como uma onda ou como uma partícula. As duas forma conseguiriam descrever propriedades da luz dependendo do experimento usado ou ás vezes apenas uma das duas. Esse fenômeno ficou chamado de dualidade partícula-onda.

A dualidade partícula-onda não se resume apenas à luz e outras componentes dentro da Mecânica Quântica possuem comportamento semelhante. Esse feito já foi observado no elétron, nêutron e em quase toda partícula descrita dentro do Modelo Padrão. E como isso levou ao prêmio Nobel de Albert Einstein

.

Mecânica Quântica

A área da Física que estuda o mundo atômico é chamada de Mecânica Quântica. A área chama muita atenção por possuir conceitos complicados e que não se encaixam no mundo macroscópico que vivemos. Um deles é a própria dualidade partícula-onda assim como efeito como a incerteza de Heisenberg que diz que não podemos saber o momento e posição da partícula ao mesmo tempo.

Alguns conceitos da Mecânica Quântica como o Gato de Schrödinger é muito usado em filmes e séries. Outro conceito que também chama atenção é a dualidade partícula-onda que explica o comportamento de componentes do Modelo Padrão. O Modelo Padrão engloba toda as partículas e interações da natureza, exceto a gravitacional.

.

Efeito Fotoelétrico

O principal fenômeno que deve ser compreendido para explicar a dualidade partícula-onda é o efeito fotoelétrico. O efeito foi explicado por Albert Einstein em 1905 sendo o trabalho pelo qual ele levou o Prêmio Nobel de Física de 1921. O físico explicou o efeito ao descrever a luz como partículas chamadas fótons que possui energia relacionada com o comprimento de onda.

Quando a luz é emitida em uma superfície metálica, os fótons podem colidir com os elétrons e transferir sua energia. Caso a energia do fóton for alta o suficiente para fazer com que o elétron escape da superfície metálica, o elétron será emitido. Essa é uma descrição que utiliza a luz e os elétrons como partículas que podem colidir.

De Broglie

Em 1924, o físico Louis De Broglie propôs em sua tese de doutorado que todas as partículas apresentavam uma dualidade partícula-onda. Essas partículas apresentavam propriedades de onda e propriedades de partículas, apesar de serem conhecidas como partículas apenas. De Broglie apresentou uma relação que conectava as duas propriedades.

Segundo De Broglie, o comprimento de onda associado à uma partícula é igual à constante de Planck dividida pelo momento da partícula. Quando menor o momento da partícula, maior é o comprimento de onda associado à ela. Isso é uma das evidências do porque objetos do mundo macroscópico não observados como onda.

.

Experimento fenda dupla

O experimento da fenda dupla foi outro marco importante para descrever a natureza dual das partículas subatômicas. A ideia do experimento é relativamente simples: feixe de luz é jogado em duas fendas atingindo uma tela que está localizada atrás das fendas. O interessante é que um padrão de interferência é observado na tela mostrando como as partículas se comportaram como ondas.

.

.

Esse experimento foi testado com fótons e com elétrons. O curioso é que ao usar instrumentos para observar qual elétron passa por qual fenda, o padrão de interferência não é mais observado. As partículas voltam a ter propriedade de partículas por causa da influência presente durante a observação.

.

Dualidade partícula-onda na Ciência

A dualidade partícula-onda é essencial para explicar fenômenos como o emaranhamento quântico e outras propriedades dentro da Mecânica Quântica. Chama atenção por ser algo que foge da compreensão do nosso mundo clássico onde algo não pode ser duas coisas ao mesmo tempo.

A dualidade onda-partícula passou a ser questionada quando os resultados experimentais de Heinrich Hertz referentes ao efeito fotoelétrico entraram em contradição direta com aquilo que era esperado para o comportamento da luz, de acordo com a teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell.

Segundo a teoria vigente da época, qualquer frequência de luz deveria ser capaz de ejetar elétrons de uma folha metálica, entretanto, os resultados de Hertz mostraram que era somente a partir de certas frequências que se detectava tal emissão.

A explicação para o efeito fotoelétrico foi feita por Albert Einstein, em 1905. Einstein mostrou que a luz comportava-se de forma quantizada, ou seja, distribuía-se em pequenos “pacotes” de energia que arrancavam elétrons do metal se, e somente se, esses pacotes tivessem um nível de energia que pudesse ser absorvido pelos átomos do metal. A ideia de que a luz podia ser quantizada não era uma novidade, anos antes essa ideia havia sido aplicada à radiação térmica pelo físico alemão Max Planck, que explicara o fenômeno da emissão de corpo negro.

.

.

Em 1923, Louis De Broglie sugeriu que as partículas também fossem capazes de se comportar como ondas. A hipótese de De Broglie, como ficou conhecida, sugeriu a existência de “ondas de partículas”, com isso, era esperado que elétrons, prótons e outras partículas subatômicas pudessem apresentar efeitos até então exclusivamente ondulatórios, como refração (mudança de velocidade das ondas), difração (capacidade das ondas de contornar obstáculos) etc.

A hipóteste de De Broglie foi confirmada, em 1928, pelo experimento de Davisson-Germer, que consistia em promover a difração de elétrons. Para que isso fosse feito, um feixe catódico era direcionado a um alvo de níquel que podia ser rotacionado, de modo a alterar o ângulo em que o feixe de elétrons incidia sobre o plano de átomos de níquel.

Os resultados mostraram picos de intensidade para as partículas que eram refletidas sobre certos ângulos, indicando a existência de um padrão de interferências construtivas e destrutivas para a reflexão dos elétrons. A conclusão do experimento foi a de que os elétrons podem ser difratados e produzir interferência, assim como faziam as ondas eletromagnéticas.

A figura a seguir ilustra a situação em que os elétrons são difratados: de acordo com a distância percorrida por cada elétron, um padrão de intensidades formava-se, assim como acontece para uma onda difratada por uma fenda dupla.

. 

.

Explicação da dualidade onda-partícula

A explicação para a dualidade onda-partícula surgiu com o avanço da mecânica quântica. Atualmente, sabe-se que todos os sistemas quânticos são regidos por um mecanismo conhecido como princípio da incerteza de Heisenberg. Segundo esse princípio, as partículas são como um “campo de matéria”, uma vez que não é possível determinar com absoluta certeza a posição de uma partícula quântica.

A partir do desenvolvimento da equação de Schroedinger, passamos a entender que todas as partículas são completamente caracterizadas por uma função de onda, que nada mais é do que uma expressão matemática que carrega consigo toda a informação que pode ser extraída daquela partícula.

Antes de observarmos um sistema quântico, suas informações são indeterminadas, depois de observadas, é possível localizá-las e medi-las, nesse caso, dizemos que sua função de onda sofreu um colapso, apresentando-se em um de seus possíveis estados. Em outras palavras, o que determina se uma entidade quântica é uma onda ou uma partícula é o próprio ato da observação, pois é possível que se realize um experimento e se observe um comportamento corpuscular e um outro experimento revele um comportamento ondulatório – tudo graças às probabilidades da física quântica.