Colunas da Física: Dualidade Onda-Partícula e o Efeito Kapitza-Dirac

Neste texto pretendemos fazer uma revisão histórica sobre o conceito de dualidade onda-partícula e apresentar uma evidência experimental adicional que confirma tal ideia. O experimento confirmou o chamado efeito kapitza-Dirac, em homenagem aos dois físicos que propuseram a hipótese que iremos comentar mais a frente.

Toda discussão sobre a natureza ondulatória ou corpuscular da matéria começou por volta do século XVII, com Newton e Huygens. Newton, talvez por ser muito mais voltado à mecânica, afirmava que a luz possuía uma natureza corpuscular, ou seja, era composta por várias e diminutas partículas. Por outro lado, a hipótese de Huygens dizia que a natureza da luz era de caráter ondulatório. As duas teorias conseguiam explicar satisfatoriamente alguns experimentos com a luz, mas não todos. Enquanto a teoria corpuscular explicava o fenômeno da reflexão da luz, a teoria ondulatória conseguia explicar bem os fenômenos de difração e interferência. Algumas poucas e não muito precisas evidências experimentais, como a interferência (1665) e a polarização (1678), indicavam uma tendência ao caráter ondulatório, muito embora a teoria corpuscular fosse muito forte, em grande parte devido à influência de Newton nos altos escalões da sociedade inglesa.

A balança começou a pender para a teoria ondulatória quando Young realizou experimentos satisfatórios sobre interferência da luz, no começo do século XIX. No conhecido experimento da fenda dupla, Young foi capaz de mostrar que a interferência da luz gerava um padrão de intensidade típico dos padrões visualizados nas ondas na água, reforçando a hipótese ondulatória, Fig.1.

Fig.1: Ilustração do experimento da dupla fenda.

Já no fim do século XIX, Maxwell reuniu as equações relevantes que descreviam os fenômenos elétricos e magnéticos em um conjunto de equações que ficou conhecido como equações de Maxwell. Por meio destas equações e um termo adicional introduzido por ele, foi possível mostrar que a luz é composta por campos elétricos e magnéticos oscilantes em fase, Fig 2. O conjunto de evidências era tão satisfatório que a teoria ondulatória da luz finalmente foi estabelecida como a teoria correta pelos físicos da época.

Fig.2: Ilustração de uma onda eletromagnética.

Ainda no fim do século e começo de 1900, alguns outros experimentos com a luz apontavam que a descrição ondulatória não era satisfatória para explicá-los. Dentre os quais, podem ser mencionados o experimento de emissão do corpo negro e o efeito fotoelétrico. Para explicar satisfatoriamente o efeito fotoelétrico, por exemplo, Einstein precisou recorrer em 1905 à natureza corpuscular da luz e postular que ela era composta por diminutas partículas denominadas fótons. Só assim foi possível explicar a transferência de energia da luz para os elétrons em uma folha fina de metal.

Deste então, ficou estabelecido na comunidade científica que a luz era na realidade ora partícula, ora onda, e que sua natureza era evidenciada dependendo de como observássemos a luz, ou seja, dependendo de como realizamos nosso experimento. A isso foi dado o nome de dualidade onda-partícula para a luz, um dos pontos chaves da estrutura da teoria quântica.

Em 1924, um físico chamado Louis de Broglie, originalmente formado em história, propôs em sua tese de doutorado que não apenas a luz, mas sim todo tipo de matéria possuía a propriedade da dualidade onda-partícula. Ele relacionou uma propriedade de partículas, o momento, com uma propriedade das ondas, o comprimento de onda (lambda), através de sua famosa relação: p = h/lambda, onde h é uma constante conhecida como constante de Planck. A partir desta hipótese, os físicos começaram a buscar meios de verificá-la experimentalmente. Então, no ano de 1927, nos laboratórios Bell, os cientistas Clinton Davisson e Lester Germer incidiram um feixe de elétrons sobre um cristal de níquel. Eles constataram que os elétrons espalhados pela rede cristalina apresentavam o mesmo padrão de interferência verificado para a luz. Este experimento serviu para comprovar a hipótese de de Broglie, pois até então era tido como certo que os elétrons se comportavam como partículas.

Fig.3: Os cientistas Clinton Davisson e Lester Germer.

Após algum tempo, em 1933, dois outros físicos, Paul Dirac e Pyotr Kapitza, propuseram que os elétrons seriam difratados não apenas por uma rede cristalina, mas também por uma luz estacionária. Por questões técnicas, o experimento para comprovar esta hipótese só pôde ser construído após a criação do laser e foi realizado em 2001, sendo ilustrado na Fig. 5. Um feixe de elétrons cruzou um feixe de luz laser. Então, os elétrons espalhados pelo laser foram detectados em um anteparo e o padrão de incidência medido foi exatamente aquele referente ao padrão de interferência da luz. Mais uma vez, porém agora ao contrário, ou seja, por meio de uma partícula (elétrons) difratando em uma onda (não mais átomos fixos em um cristal), a dualidade onda-partícula para qualquer tipo de matéria foi verificada.

Fig.4: Paul Dirac e Pyotr Kapitza.

Fig.5: Aparato experimental para verificar o efeito Kapitza-Dirac. Fonte: Nature- Vol 413 - 13 September 2001.

Hoje, a dualidade onda-partícula é um dos fundamentos da mecânica quântica e pode se construir muitos experimentos com o objetivo de evidenciar suas características. Abaixo segue uma lista de links e textos interessantes, incluído um artigo detalhando o experimento para verificar o efeito Kapitza-Dirac.