O paradoxo da luz vai além da dualidade onda-partícula
A luz carrega consigo os segredos da realidade de maneiras que não podemos entender completamente.
- A luz é a mais misteriosa de todas as coisas que sabemos existir.
- A luz não é matéria; é onda e partícula - e é a coisa mais rápida do Universo.
- Estamos apenas começando a entender os segredos da luz.
Este é o terceiro de uma série de artigos que exploram o nascimento da física quântica.
A luz é um paradoxo. Está associado à sabedoria e ao conhecimento, ao divino. O Iluminismo propôs a luz da razão como caminho orientador para a verdade. Evoluímos para identificar padrões visuais com grande precisão – para distinguir a folhagem do tigre ou as sombras de um guerreiro inimigo. Muitas culturas identificam o sol como uma entidade divina, provedora de luz e calor. Sem a luz do sol, afinal, não estaríamos aqui.
No entanto, a natureza da luz é um mistério. Claro, aprendemos muito sobre a luz e suas propriedades. A física quântica tem sido essencial nesse caminho, mudando a forma como descrevemos a luz. mas a luz é estranhas . Não podemos tocá-lo da mesma forma que tocamos o ar ou a água. É uma coisa que não é uma coisa, ou pelo menos não é feita do material que associamos às coisas.
Se viajássemos de volta ao século 17 º século, poderíamos seguir Isaac Newton discordâncias com Christiaan Huygens sobre a natureza da luz. Newton afirmaria que a luz é feita de átomos minúsculos e indivisíveis, enquanto Huygens contestaria que a luz é uma onda que se propaga em um meio que permeia todo o espaço: o éter. Ambos estavam certos e ambos estavam errados. Se a luz é feita de partículas, que partículas são essas? E se for uma onda se propagando pelo espaço, o que é esse estranho éter?
Magia de luz
Agora sabemos que podemos pensar na luz de ambas as maneiras - como uma partícula e como uma onda. Mas durante os 19 º No século XX, a teoria das partículas da luz foi praticamente esquecida, porque a teoria ondulatória foi tão bem-sucedida, e algo não poderia ser duas coisas. No início de 1800, Thomas Young, que também ajudou a decifrar a Pedra de Roseta, realizou belos experimentos mostrando como a luz difratou ao passar por pequenas fendas, assim como as ondas de água costumavam fazer. A luz passaria pela fenda e as ondas interfeririam umas nas outras, criando franjas claras e escuras. Os átomos não podiam fazer isso.
Mas então, o que era o éter? Todos os grandes físicos do século 19 º século, incluindo James Clerk Maxwell, que desenvolveu a bela teoria do eletromagnetismo, acreditava que o éter estava lá, mesmo que nos escapasse. Afinal, nenhuma onda decente poderia se propagar no espaço vazio. Mas esse éter era bastante bizarro. Era perfeitamente transparente, então podíamos ver estrelas distantes. Não tinha massa, então não criaria atrito e interferiria nas órbitas planetárias. No entanto, era muito rígido, para permitir a propagação das ondas de luz ultrarrápidas. Muito mágico, certo? Maxwell havia mostrado que, se uma carga elétrica oscilasse para cima e para baixo, geraria uma onda eletromagnética. Estes eram os campos elétrico e magnético amarrados juntos, um inicializando o outro enquanto viajavam pelo espaço. E o mais surpreendente, essa onda eletromagnética se propagaria na velocidade da luz, 186.282 milhas por segundo. Você pisca os olhos e a luz dá sete voltas e meia ao redor da Terra.
Maxwell concluiu que a luz é uma onda eletromagnética. A distância entre duas cristas consecutivas é um comprimento de onda. A luz vermelha tem um comprimento de onda maior do que a luz violeta. Mas a velocidade de qualquer cor no espaço vazio é sempre a mesma. Por que é cerca de 186.000 milhas por segundo? Ninguém sabe. A velocidade da luz é uma das constantes da natureza, números que medimos e que descrevem como as coisas se comportam.
Firme como uma onda, duro como uma bala
Uma crise começou em 1887, quando Albert Michelson e Edward Morley realizaram um experimento para demonstrar a existência do éter. Eles não podiam provar nada. Seu experimento falhou em mostrar que a luz se propagava em um éter. Foi um caos. Físicos teóricos apresentaram ideias estranhas, dizendo que o experimento falhou porque o aparelho encolheu na direção do movimento. Qualquer coisa era melhor do que aceitar que a luz realmente pode viajar no espaço vazio.
E então veio Albert Einstein. Em 1905, o oficial de patentes de 26 anos escreveu dois artigos que mudaram completamente a maneira como imaginamos a luz e toda a realidade. (Não muito ruim.) Vamos começar com o segundo artigo, sobre a teoria especial da relatividade.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada toda quinta-feiraEinstein mostrou que, se considerarmos a velocidade da luz como a velocidade mais rápida da natureza, e assumirmos que essa velocidade é sempre a mesma, mesmo que a fonte de luz esteja se movendo, então dois observadores se movendo um em relação ao outro a uma velocidade constante e fazendo uma observação precisa corrigir suas medidas de distância e tempo ao comparar seus resultados. Assim, se um estiver em um trem em movimento enquanto o outro estiver parado em uma estação, os intervalos de tempo das medições que fizerem do mesmo fenômeno serão diferentes. Einstein forneceu uma maneira para os dois compararem seus resultados de uma forma que permite que eles concordem entre si. As correções mostraram que a luz pode e deve se propagar no espaço vazio. Não precisava de éter.
O outro artigo de Einstein explicava o chamado efeito fotoelétrico, medido em laboratório no século 19. º século, mas permaneceu um mistério total. O que acontece se a luz incide sobre uma placa de metal? Depende da luz. Não em quão brilhante é, mas em sua cor - ou, mais apropriadamente, em seu comprimento de onda. Luz amarela ou vermelha não faz nada. Mas acenda uma luz azul ou violeta na placa, e a placa realmente adquire uma carga elétrica. (daí o termo fotoelétrico .) Como a luz poderia eletrificar um pedaço de metal? A teoria ondulatória da luz de Maxwell, tão boa em tantas coisas, não poderia explicar isso.
O jovem Einstein, ousado e visionário, apresentou uma ideia ultrajante. A luz pode ser uma onda, com certeza. Mas também pode ser feito de partículas. Dependendo da circunstância, ou do tipo de experimento, uma ou outra descrição prevalece. Para o efeito fotoelétrico, poderíamos imaginar pequenas “balas” de luz atingindo os elétrons na placa de metal e chutando-os como bolas de bilhar voando de uma mesa. Tendo perdido elétrons, o metal agora mantém uma carga positiva excedente. É simples assim. Einstein até forneceu uma fórmula para a energia dos elétrons voadores e a comparou à energia das balas de luz recebidas, ou fótons. A energia para os fótons é E = hc/L, onde c é a velocidade da luz, L seu comprimento de onda e h é a constante de Planck. A fórmula nos diz que comprimentos de onda menores significam mais energia – mais impulso para os fótons.
Einstein ganhou o prêmio Nobel por essa ideia. Ele essencialmente sugeriu o que hoje chamamos de dualidade onda-partícula da luz, mostrando que a luz pode ser partícula e onda e se manifestará de maneira diferente dependendo da circunstância. Os fótons - nossas balas de luz - são os quanta de luz, os menores pacotes de luz possíveis. Assim, Einstein trouxe a física quântica para a teoria da luz, mostrando que ambos os comportamentos são possíveis.
Imagino que Newton e Huygens estejam sorrindo no céu. Estes são os fótons que Bohr usou em seu modelo do átomo, que discutimos Semana Anterior . A luz é partícula e onda, e é a coisa mais rápida do cosmos. Ele carrega consigo os segredos da realidade de maneiras que não podemos entender completamente. Mas entender sua dualidade foi um passo importante para nossas mentes perplexas.
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