Acreditava-se que a luz fosse uma onda flutuando no espaço-tempo, como uma ondulação em um lago, até 1905, quando Einstein mostrou que ela também se comportava como uma partícula. Esta foi uma revelação surpreendente.
Einstein havia finalmente resolvido um curioso problema de física de como a luz incidente em um metal lançava elétrons para fora de sua superfície. Ele percebeu que isso só seria possível se a luz não se comportasse como uma onda, mas como pedras rígidas, ou pacotes discretos de fótons , como ele os chamava. A partícula de luz eliminaria os elétrons da mesma maneira que uma bola tacadeira faz uma bola de 8 bolas. Apesar de descrever algo tão incompreensível quanto a viagem no tempo, Einstein ganhou o Prêmio Nobel por essa descoberta – por explicar o efeito fotoelétrico.
A vida dual da luz perplexa os físicos desde que Einstein fez sua descoberta. (Crédito da foto: Pexels)
Com essa descoberta, Einstein provocou o que agora é chamado de Dualidade Onda-Partícula. A luz leva uma vida dual – ela existe como uma onda quando a luminância de uma vela flui em torno de um objeto que obstrui seu caminho, mas também existe como uma partícula quando disparada do bico de um LASER. No entanto, é apenas a luz que é dotada dessa personalidade inconstante? Por que a natureza incentivaria tal assimetria? Ou a matéria também existe em ondulações? Estas foram as questões levantadas por Louis de Broglie em seu Ph.D. tese em 1924. O que ele concluiu? Sim, a matéria também se comporta como ondas.
The Double Slit Experiment
A tese de De Broglie revolucionou a física moderna. A dualidade da matéria inspirou a criação de um ramo inteiramente novo da física atômica moderna chamado mecânica das ondas, um campo esotérico que forma as próprias raízes da mecânica quântica. Isso significa que também podemos fluir em torno de objetos como a prata, o antagonista viscoso com a fisionomia de um prêmio da academia no Exterminador 2 ? Tecnicamente sim. Considere o experimento engenhoso que provou a hipótese de Broglie.
Davisson e Garner realizaram um experimento de referência mostrando que quando elétrons são disparados em direção a duas fendas, o padrão gerado em uma tela fluorescente colocada na frente deles replica um padrão de interferência. Um padrão de interferência é as ondas que o frio é para o gelo. Um padrão de interferência é basicamente a identidade das ondas. Quando a luz monocromática (luz de um único comprimento de onda) passa por duas fendas, algumas ondas se combinam, enquanto as outras se anulam para formar um longo padrão alternativo de bandas claras e escuras em uma tela à frente.
(Crédito da foto: NekoJaNekoJa ~ commonswiki / Wikimedia Commons)
No entanto, se você tivesse que enviar várias bolas de tênis através das duas fendas, cada bola de tênis simplesmente passaria por elas, formando na tela apenas duas bandas de bolas de tênis. Isso é o que você esperaria intuitivamente de partículas, como elétrons. No entanto, este não é o caso. Davisson e Garner mostraram que quando você envia elétrons através das duas fendas, eles iluminam a tela com não apenas dois, mas um longo padrão alternado de bandas de elétrons claras e escuras!
Hipótese de Louis De Broglie
Imagine o choque dos experimentadores. Isso é altamente contra-intuitivo, mas é verdade. Experiências subsequentes provaram consistentemente a alegação absurda de de Broglie. A matéria, estranhamente, realmente possui um comprimento de onda. De Broglie descobriu que este comprimento de onda ‘λ’ é a razão entre h / p, onde ‘h’ é a constante de Planck, que tem um valor de 
Ele chegou a esta relação igualando as energias dos dois sistemas assimétricos que ele acreditava serem realmente simétrica: energia da luz pc ea energia discreto de um único fóton hf. Agora, c = f λ,que dá a relação: p λ = h ou λ = h / p.
Agora, porque a hipótese é verdadeira para um elétron, também é verdade para qualquer coisa que os elétrons componham – que é basicamente tudo. Vamos considerar um basquete laranja. A razão pela qual uma bola de basquete não oscila e flui em torno de objetos é que o comprimento de onda associado a ela é infinitesimal. Conecte os valores e veja por si mesmo. Não importa quão grande seja ou quão rápido se mova, não pode compensar a quantidade no numerador. O comprimento de onda de uma bola de basquete mede na escala de
O cálculo do comprimento de onda de de Broglie associado a um basquete de 1kg.
O experimento de dupla fenda só pode ser realizado se o comprimento de onda da onda for comparável à largura das fendas. Se você fosse replicar o resultado de Davisson e Garner em uma bola de basquete, você precisaria de fendas que tivessem uma largura de 
Essencialmente, uma bola de basquete possui um comprimento de onda, mas pequena demais para ser percebida. Não apenas uma bola de basquete, mas também você, eu e tudo em todo o Universo exibe uma dualidade onda-partícula. A natureza é, afinal, simétrica.
O Mistério Que É Mecânica Quântica
No começo, eu, como todo mundo, fiquei perplexo. Todos esses anos de estudo haviam cimentado minha interpretação de partículas de um elétron. Como é possível que os elétrons rígidos fluam ao redor das fendas e desenhem um padrão de interferência? Eles se separam antes de entrarem e se aglutinarem depois que saem? O universo faz mesmo sentido?
Os céticos especularam que o padrão era resultado do clamor de elétrons que atravessavam as fendas. Para testar isso, os experimentadores conduziram o experimento transmitindo os elétrons pelas fendas, um de cada vez, como um rastro de formigas obedientes. No entanto, para o seu maior assombro, o padrão ainda surgiu!
Sua descoberta descaradamente desmente nossa percepção de rigidez. Tudo bem, vou deixar minhas visões vestigiais, mas como devo imaginar ondulações de elétrons? Essa contradição, essa incapacidade de compreender uma onda de elétrons no sentido tradicional das ondas, nos perturba profundamente. Felizmente, pode-se encontrar descanso (ou delírio) no fato de que essas ondas não são as ondulações tradicionais que encontramos em uma lagoa, mas sim ondas “probabilísticas”. Enquanto alguém pode localizar a pedra que causa uma ondulação, o mesmo não pode ser dito sobre um elétron.
Para uma onda probabilística, a pedra não pode ser localizada, pois sua localização é incerta. Não se pode dizer explicitamente que é “aqui” ou “lá”. O que se pode dizer é que a pedra é mais ‘provável’ para ser encontrada aqui ou ali. De certa forma, é “em todos os lugares”, sua localização é “distribuída”. No entanto – e é por isso que acrescentei o descanso com delírio – essa noção de ondas probabilísticas implica que o elétron passa através das duas fendas ao mesmo tempo!
O que se pode dizer é que a pedra é mais ‘provável’ para ser encontrada aqui ou ali. De certa forma, é “em todos os lugares”, sua localização é “distribuída”.
Os físicos eram implacáveis. Eles queriam ver essa ‘distribuição’ com seus próprios olhos. Eles plantaram detectores escrupulosos que vigiariam um elétron ao passar pela fenda. O que eles observaram os entorpeceu. Agora que eles observaram cada e todo elétron de passagem, a imagem na tela assumiu o padrão previsto de uma partícula ou bola de tênis! O padrão resultante simplesmente compreendia duas bandas verticais repletas de elétrons. Neste ponto, todos levantaram as mãos em desamparo e provavelmente exclamaram: “Já tivemos o suficiente”.
O que aconteceu foi que o simples ato de observação alterou irreversivelmente a natureza dos elétrons. Dois conceitos explicam esse comportamento absurdo, dois conceitos que a cultura não científica tão prontamente identifica com os mistérios do mundo quântico: o princípio da incerteza de Heisenberg e o infeliz gato de Schrodinger .
Analisar a natureza dual dos elétrons é como ouvir uma música: quando você está ansioso para apreciar a letra (localização), você perde a noção do belo piano, da guitarra suave e dos bongos periódicos, as melodias essenciais (momentum) que constituem o seu som. melodia. Considerando que, quando você está determinado a apreciar as músicas, você perde a noção das letras sinceras. Não podemos emprestar nossos dispositivos a um único aspecto; devemos alcançar um compromisso adequado para apreciar a música como um todo.
Nos experimentos sem esses delicados detectores, estamos muito incertos sobre a localização exata do elétron e altamente certos sobre sua energia e, portanto, o momento. No reino da mecânica quântica, o momento é igualado à distribuição ou comprimentos de onda ou ondas, enquanto a localização é igualada à exatidão ou às partículas. O conhecimento do momento, portanto, faz com que um elétron se comporte como uma onda. Considerando que, nos experimentos com os detectores, estamos muito certos sobre a localização do elétron e incertos sobre seu momento. Esse ato de observação força-o a se comportar como uma partícula. As mudanças em sua natureza são, como mencionado, irreversíveis. O gato está morto e vivo até você abrir a caixa para ver por si mesmo. Assustador.
Em suma, em conjunto, o elétron é uma partícula e uma onda até medirmos suas características definidoras – momento ou localização. Uma vez que qualquer um deles é medido, sua natureza é decidida permanentemente.
De Broglie ganhou o Prêmio Nobel por sua profunda descoberta, cujas implicações mais tarde se tornaram centrais para os enredos da ficção científica. No mundo real, a descoberta de de Broglie é uma grave ameaça à lei de Moore, segundo a qual os transistores implantados em um substrato semicondutor devem dobrar a cada ano. Atualmente, na faixa dos nanômetros, os fios acabariam se tornando comparáveis ao tamanho dos elétrons, permitindo que os efeitos quânticos intrínsecos estragassem sua operação. Os engenheiros se perguntam quão pequenos devem ser os fios antes que os elétrons fluam ao redor do aparelho, como fazem nas fendas ao redor.
No entanto, a natureza das ondas dos elétrons também abriu o caminho para o desenvolvimento de microscópios eletrônicos. Esses microscópios não iluminam amostras com luz, mas sim elétrons. As ondas de elétrons são então ampliadas por imãs poderosos, assim como as ondas de luz são ampliadas por lentes. Eles podem atingir uma ampliação de até 10.000.000 vezes. Isso permitiu que microbiologistas e químicos estudassem moléculas com detalhes impressionantes. Mais uma vez, nossa interpretação tradicional das ondas é confusa, no entanto, como afirma Neil deGrasse Tyson: “O Universo não tem a obrigação de fazer sentido para você”.
