A dualidade onda-partícula

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Nas postagens anteriores a respeito da natureza da luz, foi visto que os fenômenos de difração e interferência, por exemplo, são explicados considerando-se a luz como uma onda, enquanto que o efeito fotoelétrico exigiu uma interpretação corpuscular. O fato de a luz conter em si propriedades de ondas e corpúsculos (partículas) revela sua natureza dual.

Nesta postagem, explanaremos esse conceito dual. Para tanto, voltaremos a analisar o caso da formação da imagem na câmera escura. Segundo a interpretação dual atual¹, os fótons que se propagam do pinguim até o fundo da câmara “viajariam” como ondas, mas no local de formação das imagens eles agiriam como partículas, formando a imagem fóton por fóton. Analisemos essa interpretação representada na animação a seguir:

Animação 21: Câmara escura 2.

Fonte: Próprio autor.

Na animação, é possível visualizar que em sua trajetória, a luz se comporta como uma onda, e no contato com o fundo da câmera ela se comporta como partícula. Cada ponto que forma a imagem projetada do pinguim representa a atuação de um fóton. Naturalmente não vemos as imagens sendo formadas dessa maneira, já que a velocidade da luz é muito elevada. O efeito empregado na animação é apenas ilustrativo.

Agora voltemos também ao experimento de interferência luminosa² com dupla fenda, dessa vez analisando em termos de fótons. Para isso, observe a animação a seguir:

Animação 22: Interferência por duas fendas 2.

Fonte: Próprio autor.

Diferentemente da animação anterior sobre a câmera escura, esta animação representa um fenômeno que pode ser observado experimentalmente. Nela, a intensidade da luz foi diminuída de forma que apenas um fóton por vez pudesse alcançar as fendas. Quando o anteparto foi exposto à luz por um tempo curto, foi notado apenas alguns pontos luminosos que se referem a atuação de alguns fótons. Ao passo que o anteparo foi permanecendo mais tempo sobre ação da luz, as franjas de interferência foram sendo formadas. Portanto, a animação mostrou que, para uma intensidade luminosa baixa, é possível observar a formação das franjas de interferência fóton por fóton. Além disso, quando uma das fendas foi tampada, o padrão observado correspondeu ao padrão de difração numa única fenda. Isto é embaraçoso, pois indica que o fóton “sabe³” quando e como deve se comportar para formar os padrões vistos.

Dessas animações e explanações, que ilustram as teorias atuais mais aceitas, podemos resumir o comportamento da luz da seguinte maneira: ao longo de sua propagação, a luz se comporta como uma onda, enquanto que na incidência sobre a matéria ela age como partícula. Nesse contexto, a radiação luminosa é composta por fótons, que individualmente possuem ambas propriedades, ondulatórias e corpusculares, mas que se revelam como tais em situações distintas. Os fótons exibem atributos corpusculares quando se examina um experimento de trocas individuais de energia e momento, mas conforme se necessita investigar situações de distribuição espacial da energia, eles evidenciam qualidades ondulatórias.

A atuação da luz sobre a matéria através dos fótons também se verifica no comportamento dos átomos. Os átomos podem absorver ou emitir fótons, revelando as características corpusculares destes últimos. Veja na animação a seguir uma exemplificação desses processos:

Animação 23: Absorção e emissão de fótons.

Fonte: Próprio autor.

Esta animação mostra que um fóton absorvido pelo átomo é capaz de excitá-lo, fazendo com que um de seus elétrons ocupe uma camada atômica superior (salto quântico). Por outro lado, quando o elétron “volta” para uma camada mais próxima ao núcleo, ocorre a emissão de um fóton. O fóton absorvido ou emitido possui energia igual à diferença de energia entre as camadas que ele “se deslocou”. É importante saber que o modelo atômico proposto no vídeo é apenas uma representação que objetiva facilitar o estudo. Os elétrons, atualmente, não são mais compreendidos como simples partículas que giram ao redor do núcleo, como os planetas ao redor do Sol. Deixemos por enquanto a questão da estrutura atômica de lado, pois não faz parte dos nossos objetivos da corrente postagem, e foquemos novamente na natureza da luz.

Para Bohr, as propriedades, ondulatória e corpuscular, são complementares e mutuamente exclusivas, sendo ambas necessárias para a compreensão do todo que é a luz. Dessa maneira, enquanto a luz se comporta como onda, ela não deve ser analisada como partícula, e vice-versa. A representação dessa totalidade foi chamada por ele de complementaridade. Bohr escreveu bastante sobre isso, ao ponto de escolher o símbolo yin-yang⁴ (imagem seguinte) para seu brasão quando foi condecorado cavaleiro por suas contribuições à física⁵.

Figura 15: Yin-yang.

Fonte: Próprio autor.

As descobertas e as novas teorias sobre a luz foram de grande importância para a física do início do século passado e ainda para o nosso. A questão da dualidade pôde ser expandida além dos fenômenos luminosos, sendo usada também no entendimento de outras formas de matéria. A esse respeito, os estudos do físico francês Louis de Broglie foram de grande contribuição, segundo sua teoria, “toda partícula de matéria é dotada, de alguma maneira, de uma onda que a guia enquanto ela está se deslocando” (HEWITT, 2011)⁶.

Desde então, novos esforços para entender a dualidade têm sido feitos, principalmente pelos estudiosos do ramo da física que atualmente denominamos por Física Quântica.

Atividade 8

1) O que você compreendeu por dualidade da luz?

2) Em que situações a luz se comporta como onda? E como partícula?

3) É possível que a luz se comporte de forma simultânea como onda e como partícula?

4) Segundo as informações fornecidas, como entender o fóton?

5) O que é o princípio da complementaridade apresentado por Bohr? Qual a relação desse princípio com o Yin-yang?

6) E agora, qual sua definição para a luz?

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Referências

1 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

2 Clique aqui para entender a interferência a partir da teoria ondulatória.

3 Usamos esta palavra em sentido figurado. Não atribuímos aos fótons um saber consciente.

4 Este símbolo pode ser entendido como a complementaridade entre os opostos.

5 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.

6 HEWITT, P. G. Física Conceitual. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011.