Entre Ondas e Partículas: O Mistério da Dualidade

Descrição da imagem: Nesta imagem de aproximadamente 5 milionésimos de milímetro (5×10⁻⁹ m) é possível contar 48 átomos de ferro que se comportam como ondas. Estes não são átomos, mas uma representação imaginada no domínio visível para que o cérebro possa interpretá-la. Esta imagem foi criada graças à medição de correntes elétricas muito pequenas que passam pela ponta de um Microscópio de Efeito Túnel que se desloca sobre os átomos. Fonte da imagem: IBM Almaden Visualization Lab

Onda e Corpúsculo: O Enigma Que Mudou a Física

O mundo das partículas como o elétron, o fóton, o próton, o átomo, não é acessível pelos nossos órgãos de percepção, incluindo o cérebro. Nenhuma imagem, nenhuma interpretação pode representar a realidade do mundo quântico, mesmo as palavras do nosso idioma são aproximadas para descrever os fenômenos quânticos.

Tudo o que se pode dizer e mostrar dessa realidade é falso, mas ainda assim vou tentar dar-lhe uma ideia desse conceito fundamental da física quântica que é a "dualidade onda-corpúsculo", embora esse termo esteja hoje obsoleto porque deveríamos falar de campos.

Na mecânica quântica, muitas vezes ouvimos que uma partícula é ao mesmo tempo um corpúsculo e uma onda. Na realidade, não é nem um corpúsculo nem uma onda, mas uma superposição de todos os estados da partícula.

A definição técnica diz o seguinte: Uma partícula quântica é uma entidade fundamental que representa uma quantização de energia e informação localizada no espaço-tempo, regida pelos princípios da superposição, emaranhamento e indeterminismo, e descrita matematicamente por uma função de estado (vetor de estado) em um espaço de Hilbert.

Em outras palavras, uma partícula quântica que não é nem um corpúsculo nem uma onda pode ser definida como uma excitação quantizada de um campo fundamental descrita pela mecânica quântica e pelas teorias dos campos quânticos.

Descrição Moderna do Experimento Conhecido como as Fendas de Young.

Descrição do vídeo: Interpretação moderna da dualidade onda-corpúsculo do site Tout est quantique.

• Quando enviamos corpúsculos (sólidos) sobre uma parede com duas fendas, cada corpúsculo passa por uma ou outra fenda, ricocheteia em todas as direções e os pontos de impacto marcam o ecrã de forma bastante aleatória atrás das fendas.
• Quando enviamos uma onda sobre a mesma parede, a onda passa pelas duas fendas e a passagem pelas fendas cria duas pequenas ondas que se superporão; em alguns lugares somam-se e noutros anulam-se, aparecendo franjas de interferência no ecrã.
• Quando enviamos um objeto quântico, ele passa pelas duas fendas, interfere como uma onda, mas quando toca no ecrã, reduz-se subitamente a um ponto, mais precisamente onde as duas pequenas ondas se somam. Após um grande número de tentativas, aparecem tanto impactos como com corpúsculos como franjas de interferência como com ondas.
• Mas se adicionarmos um observador para saber por qual fenda a partícula passa, a onda reduz-se agora a um corpúsculo ao nível das fendas e passa apenas por uma fenda de cada vez. Medimos então pontos de impacto no ecrã e não interferências.

N.B.: Como interpretar este experimento? Se quisermos determinar o estado de um sistema quântico, temos de o observar, mas esta observação tem o efeito de destruir o estado em questão.

Quando a Matéria Dança: A Dualidade Onda-Corpúsculo Decifrada

A escala da física quântica é tão pequena que é impossível ver um objeto quântico como vemos uma onda ou um balão na praia. O tamanho de um átomo de hidrogênio é de 53 pm (53 x 10^-12 metros), podemos alinhar 10 milhões de átomos num milímetro.

O experimento de Young mostra-nos que quando medimos um objeto quântico, ele muda de natureza. Às vezes é um corpúsculo, às vezes é uma onda e, além disso, depende do dispositivo de medição ou do observador.

O que o experimento das fendas de Young também nos diz é que quando o objeto quântico está livre de qualquer ambiente, ele apresenta-se como uma onda. Mas se o ambiente (ecrã, parede, observador ou até moléculas de ar) o obrigar a interagir, o objeto ou, melhor, a sua energia reduz-se subitamente a um ponto e assume a aparência de um corpúsculo.

Reparamos no ecrã que a frente de onda não se reduz em qualquer lugar, reduz-se onde a onda é intensa, ou seja, nas cristas ou nos vales. Em outras palavras, a probabilidade de redução é maior no topo e na base da onda do que nas encostas. É mesmo nula no local onde as ondas estão em oposição de fase.

Se enviarmos as partículas uma a uma, o mais surpreendente é que sobre um grande número de medições, no final, apesar da redução do pacote de ondas, obtemos franjas de interferência.

Foi proposta uma explicação em 1927 por Max Born (1882 - 1970). A partícula é uma Onda de Probabilidade. Esta definição terrível mostra a dificuldade que encontramos quando queremos falar de objetos quânticos.

Em termos mais simples, é a amplitude de uma onda numa posição dada que prediz a probabilidade de a partícula se encontrar nessa posição. Uma amplitude elevada não significa que é aí que a partícula se encontra, mas é aí que temos mais probabilidades de a encontrar (após a redução do pacote de ondas).

Em Resumo

Na mecânica quântica, não podemos saber se a partícula se encontra num local preciso do espaço, mas qual é a probabilidade de lá se encontrar. Só terá uma posição se tiver de interagir com o ambiente; antes disso, não tem posição, está em todo o lado e a sua natureza é ondulatória. Exatamente como um fóton emitido por uma estrela. Enquanto viajou livremente durante milhões de anos como uma onda, morrerá ao atingir a sua retina com a qual interagirá.

As equações da mecânica quântica revelam-se surpreendentemente precisas desde que aceitemos que se trata de probabilidade. Toda a matéria que constitui o universo (estrelas, planetas, árvores, você, etc.) é feita de átomos e partículas subatómicas governadas pela probabilidade e não pela certeza.