Na física quântica, até os humanos agem como ondas
A luz é bem conhecida por exibir propriedades semelhantes a ondas e partículas, como mostrado aqui nesta fotografia de 2015. O que é menos apreciado é que as partículas de matéria também exibem essas propriedades semelhantes a ondas. Mesmo algo tão massivo quanto um ser humano também deve ter propriedades ondulatórias, embora medi-las seja difícil. (FABRIZIO CARBONE/EPFL (2015))
A física quântica fica cada vez mais estranha, mesmo que fique mais fascinante.
É uma onda ou é uma partícula? Nunca uma pergunta tão simples teve uma resposta tão complicada como no reino quântico. A resposta, talvez assustadoramente, depende de como você faz a pergunta. Passe um feixe de luz através de duas fendas e ele age como uma onda. Dispare esse mesmo feixe de luz em uma placa condutora de metal e ele age como uma partícula. Sob condições apropriadas, podemos medir o comportamento de onda ou de partícula para fótons – o quantum fundamental da luz – confirmando a natureza dual e muito estranha da realidade.
Essa natureza dupla da realidade não se restringe apenas à luz, mas também se aplica a todas as partículas quânticas: elétrons, prótons, nêutrons e até mesmo coleções significativamente grandes de átomos. De fato, se pudermos defini-lo, podemos quantificar o quão ondulada é uma partícula ou conjunto de partículas. Mesmo um ser humano inteiro, nas condições certas, pode agir como uma onda quântica. (Embora, boa sorte em medir isso.) Aqui está a ciência por trás do que tudo isso significa.
Esta ilustração, da luz passando por um prisma dispersivo e se separando em cores claramente definidas, é o que acontece quando muitos fótons de energia média a alta atingem um cristal. Se atingíssemos esse prisma com um único fóton e o espaço fosse discreto, o cristal só poderia mover um número discreto e finito de passos espaciais, mas apenas um único fóton refletiria ou transmitiria. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO SPIGGET)
O debate sobre se a luz se comporta como uma onda ou uma partícula remonta ao século 17, quando duas figuras titânicas da história da física tomaram lados opostos na questão. Por um lado, Isaac Newton apresentou uma teoria corpuscular da luz, onde ela se comportava da mesma maneira que as partículas: movendo-se em linhas retas (raios) e refratando, refletindo e carregando momento como qualquer outro tipo de material faria. Newton foi capaz de prever muitos fenômenos dessa maneira e pôde explicar como a luz branca era composta de muitas outras cores.
Por outro lado, Christiaan Huygens favoreceu a teoria ondulatória da luz, observando características como interferência e difração, que são inerentemente semelhantes a ondas. O trabalho de Huygens sobre ondas não conseguiu explicar alguns dos fenômenos que a teoria corpuscular de Newton poderia explicar e vice-versa. As coisas começaram a ficar mais interessantes no início de 1800, no entanto, quando novos experimentos começaram a revelar verdadeiramente as maneiras pelas quais a luz era intrinsecamente ondulatória.
As propriedades ondulatórias da luz, originalmente hipotetizadas por Christiaan Huygens, tornaram-se ainda melhor compreendidas graças aos experimentos de duas fendas de Thomas Young, onde os efeitos de interferência construtivos e destrutivos se mostraram dramaticamente. (THOMAS JOVEM, 1801)
Se você pegar um tanque cheio de água e criar ondas nele, e depois montar uma barreira com duas fendas que permitem que as ondas de um lado passem para o outro, notará que as ondulações interferem umas nas outras. Em alguns locais, as ondulações se somarão, criando ondulações de magnitude maior do que uma única onda permitiria. Em outros locais, as ondulações se cancelam, deixando a água perfeitamente plana, mesmo quando as ondulações passam. Essa combinação de um padrão de interferência - com regiões alternadas de interferência construtiva (aditiva) e destrutiva (subtrativa) - é uma marca registrada do comportamento das ondas.
Esse mesmo padrão de onda aparece para a luz, conforme observado pela primeira vez por Thomas Young em uma série de experimentos realizados há mais de 200 anos. Nos anos seguintes, os cientistas começaram a descobrir algumas das propriedades ondulatórias mais contraintuitivas da luz, como um experimento em que a luz monocromática brilha ao redor de uma esfera, criando não apenas um padrão ondulatório do lado de fora da esfera, mas um pico central na no meio da sombra também.
Os resultados de um experimento, exibidos usando luz laser em torno de um objeto esférico, com os dados ópticos reais. Observe a extraordinária validação da teoria ondulatória da previsão da luz de Fresnel: que um ponto central brilhante apareceria na sombra projetada pela esfera, verificando a previsão absurda da teoria ondulatória da luz. A experiência original foi realizada por François Arago. (THOMAS BAUER EM WELLESLEY)
Mais tarde, em 1800, a teoria do eletromagnetismo de Maxwell nos permitiu derivar uma forma de radiação sem carga: uma onda eletromagnética que viaja na velocidade da luz. Por fim, a onda de luz tinha uma base matemática onde era simplesmente uma consequência da eletricidade e do magnetismo, um resultado inevitável de uma teoria autoconsistente. Foi pensando nessas mesmas ondas de luz que Einstein foi capaz de conceber e estabelecer a teoria da relatividade especial. A natureza ondulatória da luz era uma realidade fundamental do Universo.
Mas não era universal. A luz também se comporta como uma partícula quântica de várias maneiras importantes.
- Sua energia é quantizada em pacotes individuais chamados fótons, onde cada fóton contém uma quantidade específica de energia.
- Os fótons acima de uma certa energia podem ionizar os elétrons dos átomos; fótons abaixo dessa energia, não importa qual seja a intensidade dessa luz, não podem.
- E que é possível criar e enviar fótons individuais, um de cada vez, através de qualquer aparato experimental que possamos criar.
Esses desenvolvimentos e realizações, quando sintetizados juntos, levaram à demonstração mais alucinante de estranheza quântica de todas.
Experimentos de fenda dupla realizados com luz produzem padrões de interferência, como fazem para qualquer onda que você possa imaginar. Entende-se que as propriedades de diferentes cores de luz são devidas aos diferentes comprimentos de onda da luz monocromática de várias cores. As cores mais vermelhas têm comprimentos de onda mais longos, energias mais baixas e padrões de interferência mais espalhados; as cores mais azuis têm comprimentos de onda mais curtos, energias mais altas e máximos e mínimos mais próximos no padrão de interferência. (GRUPO DE SERVIÇOS TÉCNICOS (TSG) NO DEPARTAMENTO DE FÍSICA DO MIT)
Se você pegar um fóton e dispará-lo em uma barreira que tenha duas fendas, poderá medir onde esse fóton atinge uma tela a uma distância significativa do outro lado. Se você começar a somar esses fótons, um de cada vez, começará a ver um padrão surgir: um padrão de interferência. O mesmo padrão que surgiu quando tivemos um feixe de luz contínuo – onde presumimos que muitos fótons diferentes estavam interferindo uns nos outros – surge quando disparamos fótons um de cada vez através desse aparato. De alguma forma, os fótons individuais estão interferindo em si mesmos.
Normalmente, as conversas prosseguem em torno desse experimento, falando sobre as várias configurações experimentais que você pode fazer para tentar medir (ou não medir) por qual fenda o fóton passa, destruindo ou mantendo o padrão de interferência no processo. Essa discussão é uma parte vital da exploração da natureza dual dos quanta, pois eles se comportam como ondas e partículas, dependendo de como você interage com eles. Mas podemos fazer outra coisa igualmente fascinante: substituir os fótons do experimento por partículas massivas de matéria.
Os elétrons exibem propriedades de onda tão bem quanto os fótons, e podem ser usados para construir imagens ou sondar tamanhos de partículas tão bem quanto a luz. (E, em alguns casos, eles podem até fazer um trabalho superior.) Essa natureza ondulatória se estende a todas as partículas de matéria, mesmo partículas compostas e, em teoria, macroscópicas. (THIERRY DUGNOLLE)
Seu pensamento inicial pode ser algo como, ok, bem, os fótons podem agir como ondas e partículas, mas isso ocorre porque os fótons são quanta de radiação sem massa. Eles têm um comprimento de onda, o que explica o comportamento de onda, mas também têm uma certa quantidade de energia que carregam, o que explica o comportamento de partícula. E, portanto, você pode esperar que essas partículas de matéria sempre ajam como partículas, já que têm massa, carregam energia e, bem, são literalmente definidas como partículas!
Mas no início da década de 1920, o físico Louis de Broglie teve uma ideia diferente. Para fótons, ele observou, cada quantum tem uma energia e um momento, que estão relacionados à constante de Planck, à velocidade da luz e à frequência e comprimento de onda de cada fóton. Cada quantum de matéria também tem uma energia e um momento, e também experimenta os mesmos valores da constante de Planck e da velocidade da luz. Ao reorganizar os termos exatamente da mesma maneira que eles seriam escritos para fótons, de Broglie foi capaz de definir um comprimento de onda para fótons e partículas de matéria: o comprimento de onda é simplesmente a constante de Planck dividida pelo momento da partícula.
Quando os elétrons são disparados em um alvo, eles se difratam em um ângulo. Medir os momentos dos elétrons nos permite determinar se seu comportamento é semelhante a uma onda ou a uma partícula, e o experimento de Davisson-Germer de 1927 foi a primeira confirmação experimental da teoria da onda de matéria de Broglie. (ROSHAN220195 / WIKIMEDIA COMMONS)
As definições matemáticas são boas, é claro, mas o verdadeiro teste das ideias físicas sempre vem de experimentos e observações: você tem que comparar suas previsões com testes reais do próprio Universo. Em 1927, Clinton Davisson e Lester Germer dispararam elétrons em um alvo que produzia difração para fótons, e o mesmo padrão de difração resultou. Contemporaneamente. George Paget disparou elétrons em finas lâminas de metal, também produzindo padrões de difração. De alguma forma, os próprios elétrons, definitivamente partículas de matéria, também estavam se comportando como ondas.
Experimentos subsequentes revelaram esse comportamento ondulatório para muitas formas diferentes de matéria, incluindo formas que são significativamente mais complicadas do que o elétron pontual. Partículas compostas, como prótons e nêutrons, também exibem esse comportamento ondulatório. Átomos neutros, que podem ser resfriados a temperaturas de nanokelvin, demonstraram comprimentos de onda de Broglie maiores que um mícron: cerca de dez mil vezes maiores que o próprio átomo. Até moléculas com até 2000 átomos demonstraram exibir propriedades semelhantes a ondas.
Em 2019, os cientistas alcançaram uma superposição quântica da maior molécula de todos os tempos: uma com mais de 2.000 átomos individuais e uma massa total de mais de 25.000 unidades de massa atômica. Aqui, a deslocalização das moléculas massivas usadas no experimento é ilustrada. (YAAKOV FEIN, UNIVERSITÄT WIEN)
Na maioria das circunstâncias, o momento de uma partícula típica (ou sistema de partículas) é suficientemente grande para que o comprimento de onda efetivo associado a ela seja muito pequeno para ser medido. Uma partícula de poeira movendo-se a apenas 1 milímetro por segundo tem um comprimento de onda de cerca de 10^-21 metros: cerca de 100 vezes menor do que a menor escala que a humanidade já testou no Grande Colisor de Hádrons.
Para um ser humano adulto movendo-se na mesma velocidade, nosso comprimento de onda é um minúsculo 10^-32 metros, ou apenas algumas centenas de vezes maior que a escala de Planck: a escala de comprimento na qual a física deixa de fazer sentido. No entanto, mesmo com uma enorme massa macroscópica – e cerca de 10²⁸ átomos que compõem um humano adulto – o comprimento de onda quântico associado a um humano totalmente formado é grande o suficiente para ter significado físico. Na verdade, para a maioria das partículas reais, apenas duas coisas determinam seu comprimento de onda:
- sua massa de descanso,
- e quão rápido você está se movendo.
As ondas de matéria, pelo menos em teoria, podem ser usadas para amplificar ou impedir certos sinais, o que pode dar frutos para uma série de aplicações interessantes, incluindo o potencial de tornar certos objetos efetivamente invisíveis. Esta é uma abordagem potencial para um dispositivo de camuflagem da vida real. (G. UHLMANN, U. DE WASHINGTON)
Em geral, isso significa que há duas coisas que você pode fazer para persuadir as partículas de matéria a se comportarem como ondas. Uma é que você pode reduzir a massa das partículas para um valor tão pequeno quanto possível, pois partículas de massa menor terão comprimentos de onda de Broglie maiores e, portanto, comportamentos quânticos de maior escala (e mais fáceis de observar). Mas outra coisa que você pode fazer é reduzir a velocidade das partículas com as quais está lidando. Velocidades mais lentas, que são alcançadas em temperaturas mais baixas, se traduzem em valores menores de momento, o que significa maiores comprimentos de onda de Broglie e, novamente, comportamentos quânticos em maior escala.
Essa propriedade da matéria abre uma nova e fascinante área de tecnologia viável: a óptica atômica. Considerando que a maioria das imagens que conduzimos é estritamente feita com óptica - ou seja, luz - podemos usar feixes atômicos de movimento lento para observar estruturas em nanoescala sem perturbá-las da maneira que os fótons de alta energia fariam. A partir de 2020, existe todo um subcampo da física da matéria condensada dedicado aos átomos ultrafrios e ao estudo e aplicação de seu comportamento ondulatório.
A invenção do microscópio de gás quântico em 2009 permitiu a medição de átomos fermiônicos em uma rede quântica em 2015, o que poderia levar a avanços na supercondutividade e outras aplicações práticas. (L.W. CHEUK ET AL., PHYS. REV. LETT. 114, 193001 (2015))
Existem muitas atividades na ciência que parecem tão esotéricas que a maioria de nós tem dificuldade em imaginar como elas se tornariam úteis. No mundo de hoje, muitos empreendimentos fundamentais – para novos picos nas energias das partículas; para novas profundidades em astrofísica; para novas baixas de temperatura - parecem exercícios puramente intelectuais. E, no entanto, muitos avanços tecnológicos que damos como garantidos hoje foram imprevisíveis por aqueles que lançaram as bases científicas.
Heinrich Hertz, que criou e enviou ondas de rádio pela primeira vez, pensou que estava apenas confirmando a teoria eletromagnética de Maxwell. Einstein nunca imaginou que a relatividade pudesse habilitar os sistemas GPS. Os fundadores da mecânica quântica nunca consideraram avanços na computação ou a invenção do transistor. Mas hoje, estamos absolutamente certos de que quanto mais nos aproximamos do zero absoluto, mais todo o campo da óptica atômica e da nano-óptica avançará. Talvez, algum dia, possamos até medir efeitos quânticos para seres humanos inteiros. Antes de se voluntariar, porém, você pode ficar mais feliz em testar um humano congelado criogenicamente!
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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