A dualidade onda partícula

A dualidade onda-partícula é um dos conceitos mais fascinantes e desafiadores da física moderna. Ela afirma que toda matéria pode se comportar como uma onda ou como uma partícula, dependendo da forma como é observada. Neste texto, vamos explicar o que significa essa dualidade, como ela foi descoberta e quais são as implicações dela para a nossa compreensão da realidade.

O que é uma onda e o que é uma partícula?

Antes de entrarmos na dualidade onda-partícula, precisamos entender o que são ondas e partículas, e como elas se diferenciam.

Uma onda é uma perturbação que se propaga no espaço, transportando energia e informação, mas sem o transporte de matéria. As ondas podem ser classificadas em dois tipos: mecânicas e eletromagnéticas. As ondas mecânicas são aquelas que precisam de um meio material para se propagar, como o som ou as ondas do mar. As ondas eletromagnéticas são aquelas que não precisam de um meio material para se propagar, como a luz ou as ondas de rádio.

As principais características das ondas são:

• Comprimento de onda: é a distância entre dois pontos consecutivos da onda que estão na mesma fase, ou seja, na mesma posição e direção de movimento.
• Frequência: é o número de oscilações da onda por unidade de tempo.
• Amplitude: é a altura máxima da onda em relação à sua posição de equilíbrio.
• Velocidade: é a distância percorrida pela onda por unidade de tempo.

As ondas também podem sofrer fenômenos como reflexão, refração, difração e interferência, que alteram a sua direção, intensidade ou forma.

Uma partícula é um objeto material que ocupa uma posição definida no espaço, tem massa e forma definidas, e pode se mover com uma certa velocidade e aceleração. As partículas podem ser classificadas em dois tipos: elementares e compostas. As partículas elementares são aquelas que não podem ser divididas em outras menores, como os elétrons. As partículas compostas são aquelas que são formadas por outras partículas elementares, como os átomos e as moléculas.

As principais características das partículas são:

• Massa: é a quantidade de matéria que a partícula possui.
• Carga: é a propriedade elétrica da partícula, que pode ser positiva, negativa ou neutra.
• Spin: é a propriedade magnética da partícula, que pode ser inteiro ou fracionário.
• Energia: é a capacidade da partícula de realizar trabalho ou gerar calor.
• Momento: é o produto da massa pela velocidade da partícula.

As partículas também podem sofrer fenômenos como colisão, fusão e fissão, que alteram a sua energia, massa ou identidade.

Como surgiu a ideia da dualidade onda-partícula?

A ideia de que a matéria pode ter uma natureza dupla surgiu no início do século XX, quando alguns experimentos mostraram resultados inesperados para o comportamento da luz e das partículas subatômicas.

Um desses experimentos foi o do efeito fotoelétrico, realizado por Heinrich Hertz em 1887. Esse experimento consistia em iluminar uma placa metálica com luz de diferentes frequências e medir a corrente elétrica gerada pela emissão de elétrons da placa. Segundo a teoria clássica da luz, baseada nas equações de Maxwell, qualquer frequência de luz deveria ser capaz de arrancar elétrons do metal, bastando aumentar a intensidade da luz. No entanto, o experimento mostrou que somente a partir de uma certa frequência mínima é que os elétrons eram emitidos, independente da intensidade da luz.

A explicação para esse fenômeno foi dada por Albert Einstein em 1905, usando o conceito de quantum de luz proposto por Max Planck em 1900. Einstein propôs que a luz não era uma onda contínua, mas sim um fluxo de partículas discretas chamadas fótons, cada uma com uma energia proporcional à sua frequência. Assim, para arrancar um elétron do metal era preciso que o fóton tivesse uma energia mínima igual ao trabalho necessário para vencer a força de ligação do elétron com o átomo. Essa energia mínima dependia do tipo de metal usado na placa. Se o fóton tivesse uma energia maior do que a necessária, o elétron sairia com uma energia cinética igual à diferença entre as duas energias.

Esse experimento mostrou que a luz podia se comportar como partícula em determinadas situações, contrariando a teoria clássica da luz como onda.

Outro experimento que evidenciou a dualidade onda-partícula foi o da dupla fenda, realizado por Thomas Young em 1801 com luz e repetido por Clinton Davisson e Lester Germer em 1927 com elétrons. Esse experimento consistia em fazer um feixe de luz ou de elétrons passar por duas fendas estreitas e paralelas em uma barreira opaca e observar o padrão formado na tela atrás da barreira.

Segundo a teoria clássica das partículas, esperava-se que o padrão fosse formado por duas faixas claras correspondentes às duas fendas. No entanto, o experimento mostrou que o padrão era formado por várias faixas claras e escuras alternadas, indicando um fenômeno de interferência típico das ondas. Isso significava que tanto a luz quanto os elétrons podiam se comportar como ondas em determinadas situações, contrariando a teoria clássica das partículas.

Esse experimento mostrou que a matéria podia ter uma natureza ondulatória em determinadas situações.

Como se explica a dualidade onda-partícula?

A explicação teórica para a dualidade onda-partícula foi dada por Louis de Broglie em 1924, quando ele propôs que toda matéria tinha uma onda associada cujo comprimento era inversamente proporcional ao seu momento. Essa hipótese ficou conhecida como hipótese de De Broglie ou relação de De Broglie:

Onde λ é o comprimento de onda da matéria, h é a constante de Planck (o valor exato da constante de Planck: ) e p é o momento da matéria.

Essa relação mostrava que quanto maior fosse a massa ou a velocidade da matéria, menor seria o seu comprimento de onda associado. Isso explicava porque o comportamento ondulatório era mais evidente para as partículas subatômicas do que para os objetos macroscópicos.

De Broglie também sugeriu que as órbitas dos elétrons ao redor do núcleo atômico eram determinadas pelas condições de ressonância das suas ondas associadas. Essa ideia foi usada por Erwin Schrödinger para desenvolver a equação de Schrödinger em 1926, que descrevia matematicamente o comportamento quântico dos elétrons nos átomos.

A equação de Schrödinger permitia calcular a função de onda dos elétrons nos átomos, que representava a probabilidade de encontrar os elétrons em determinadas regiões do espaço chamadas orbitais atômicos. A função de onda também continha informações sobre as propriedades físicas dos elétrons nos átomos.

A interpretação mais aceita para a função de onda foi dada por Max Born em 1926, quando ele afirmou que o módulo ao quadrado da função de onda representava a densidade de probabilidade dos elétrons nos átomos. Essa interpretação ficou conhecida como interpretação probabilística ou estatística da mecânica quântica.

Segundo essa interpretação, não era possível determinar com certeza a posição e o momento dos elétrons nos átomos simultaneamente, mas apenas estimar as suas probabilidades