Do que é feita a luz? Dualidade partícula-onda explica como a luz se comporta
Tanto na Ciência quanto no Entretenimento ouvimos falar sobre a dualidade partícula-onda mas o que isso significa?
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.