Não apenas luz: tudo é uma onda, inclusive você
Um conceito conhecido como 'dualidade onda-partícula' se aplica à luz. Mas também se aplica a toda a matéria – incluindo você.
- A física quântica redefiniu nossa compreensão da matéria.
- Na década de 1920, a dualidade onda-partícula da luz foi estendida para incluir todos os objetos materiais, desde os elétrons até você.
- Experimentos de ponta agora exploram como as macromoléculas biológicas podem se comportar tanto como partícula quanto como onda.
Em 1905, Albert Einstein, de 26 anos, propôs algo bastante ultrajante: que a luz poderia ser onda ou partícula . Essa ideia é tão estranha quanto parece. Como algo pode ser duas coisas tão diferentes? Uma partícula é pequena e confinada a um espaço minúsculo, enquanto uma onda é algo que se espalha. As partículas se chocam e se espalham. Ondas refratam e difratam. Eles se somam ou se anulam em superposições. São comportamentos muito diferentes.
Escondido na tradução
O problema com essa dualidade onda-partícula é que a linguagem tem problemas para acomodar ambos os comportamentos vindos do mesmo objeto. Afinal, a linguagem é construída de nossas experiências e emoções, das coisas que vemos e sentimos. Não vemos ou sentimos fótons diretamente. Investigamos sua natureza com configurações experimentais, coletando informações por meio de monitores, contadores e similares.
O comportamento dual dos fótons surge como uma resposta à forma como montamos nosso experimento. Se tivermos luz passando por fendas estreitas, ela irá difratar como uma onda. Se colidir com elétrons, ele se espalhará como uma partícula. Então, de certa forma, é nosso experimento, a pergunta que estamos fazendo, que determina a natureza física da luz. Isso introduz um novo elemento na física: a interação do observador com o observado. Em interpretações mais extremas, quase poderíamos dizer que a intenção do experimentador determina a natureza física do que está sendo observado – que a mente determina a realidade física. Isso está realmente lá fora, mas o que podemos dizer com certeza é que a luz responde à pergunta que estamos fazendo de maneiras diferentes. Em certo sentido, a luz é onda e partícula, e não é nenhuma das duas.
Isso nos leva a O modelo atômico de Bohr , que discutimos algumas semanas atrás. Seu modelo fixa os elétrons que orbitam o núcleo atômico em órbitas específicas. O elétron só pode estar em uma dessas órbitas, como se fosse colocado em um trilho de trem. Ele pode pular entre as órbitas, mas não pode estar entre elas. Como isso funciona, exatamente? Para Bohr, era uma questão em aberto. A resposta veio de uma façanha notável da intuição física e desencadeou uma revolução em nossa compreensão do mundo.
A natureza ondulatória de uma bola de beisebol
Em 1924, Louis de Broglie, um historiador que se tornou físico, mostrou de forma bastante espetacular que as órbitas escalonadas do elétron no modelo atômico de Bohr são facilmente compreendidas se o elétron for retratado como consistindo de ondas estacionárias ao redor do núcleo. São ondas muito parecidas com as que vemos quando sacudimos uma corda que está presa na outra ponta. No caso da corda, o padrão de onda estacionária surge devido à interferência construtiva e destrutiva entre as ondas que vão e voltam ao longo da corda. Para o elétron, as ondas estacionárias aparecem pelo mesmo motivo, mas agora a onda do elétron se fecha sobre si mesma como um ouroboros, a mítica serpente que engole a própria cauda. Quando balançamos nossa corda com mais vigor, o padrão de ondas estacionárias exibe mais picos. Um elétron em órbitas mais altas corresponde a uma onda estacionária com mais picos.
Com o apoio entusiástico de Einstein, de Broglie ampliou corajosamente a noção da dualidade onda-partícula da luz para os elétrons e, por extensão, para todos os objetos materiais em movimento. Não apenas a luz, mas qualquer tipo de matéria estava associada às ondas.
De Broglie ofereceu uma fórmula conhecida como comprimento de onda de Broglie para calcular o comprimento de onda de qualquer matéria com massa m movendo-se em velocidade dentro . Ele associou o comprimento de onda λ a m e dentro — e assim ao momento p = mv — de acordo com a relação λ = h/p , Onde h é constante de Planck . A fórmula pode ser refinada para objetos que se movem perto da velocidade da luz.
Como exemplo, uma bola de beisebol movendo-se a 70 km por hora tem um comprimento de onda de Broglie associado de cerca de 22 bilionésimos de trilionésimo de trilionésimo de centímetro (ou 2,2 x 10 -32 cm). Claramente, não há muita coisa ondulando ali, e temos razão em imaginar a bola de beisebol como um objeto sólido. Em contraste, um elétron se movendo a um décimo da velocidade da luz tem um comprimento de onda de cerca de metade do tamanho de um átomo de hidrogênio (mais precisamente, metade do tamanho da distância mais provável entre um núcleo atômico e um elétron em seu estado de energia mais baixo). .
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feiraEmbora a natureza ondulatória de uma bola de beisebol em movimento seja irrelevante para entender seu comportamento, a natureza ondulatória do elétron é essencial para entender seu comportamento nos átomos. O ponto crucial, porém, é que tudo ondula. Um elétron, uma bola de beisebol e você.
biologia quântica
A notável ideia de De Broglie foi confirmada em inúmeras experiências. Nas aulas de física da faculdade, demonstramos como os elétrons que passam por um cristal difratam como ondas, com superposições criando pontos escuros e brilhantes devido à interferência destrutiva e construtiva. Anton Zeilinger, que dividiu o prêmio Nobel de física este ano , defendeu difração cada vez maior objetos, do C em forma de bola de futebol 60 molécula (com 60 átomos de carbono) para macromoléculas biológicas .
A questão é como a vida sob tal experimento de difração se comportaria no nível quântico. A biologia quântica é uma nova fronteira, onde a dualidade onda-partícula desempenha um papel fundamental no comportamento dos seres vivos. A vida pode sobreviver à superposição quântica? A física quântica pode nos dizer algo sobre a natureza da vida?
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