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.
Lista
de links interessantes:
Observação
experimental do Efeito Kapitza-Dirac:
Descrevendo
o elétron como uma onda:
Efeito
Kapitza-Dirac
