Uns dos factos mais fantásticos na Física é este:
tudo no universo, desde a luz aos eletrões aos átomos,
comporta-se como uma partícula e como uma onda, ao mesmo tempo.
As outras coisas esquisitas que possam ter ouvido da física quântica,
o gato de Schrödinger, Deus a jogar aos dados, ação assustadora à distância,
tudo isso decorre diretamente do facto
de que tudo tem uma natureza de onda e de partícula, ao mesmo tempo.
Isso pode parecer loucura.
Se olharem à volta, vão ver ondas na água e partículas de rocha,
e não são nada parecidas.
Porque é que pensaríamos combiná-las?
Os físicos não decidiram misturar estas coisas a partir do nada
Pelo contrário, foram levados à dupla natureza do universo
através de um processo de pequenos passos,
encaixando muitos pequenos indícios, como peças num "puzzle".
A primeira pessoa que seriamente sugeriu a dupla natureza da luz
foi Albert Einstein em 1905.
Mas ele estava a agarrar numa ideia anterior de Max Planck.
Planck explicou as cores da luz emitida por objetos quentes,
como o filamento de uma lâmpada,
mas, para o fazer, fez um truque desesperado:
disse que o objeto era formado de osciladores
que só podiam emitir luz em pedaços discretos,
unidades de energia que dependem da frequência da luz.
Planck nunca se satisfez com isso,
mas Einstein agarrou nisso e desenvolveu-o.
Aplicou a ideia de Planck á luz em si, dizendo que a luz,
que todos pensavam que era uma onda, é realmente uma corrente de fotões,
cada um deles com valores discretos de energia.
Einstein chamou-lhe a única coisa realmente revolucionária que fez,
mas explica que a luz, quando incide num metal, pode fazer-lhe perder eletrões.
Até as pessoas que odiavam esta ideia aceitaram que funciona brilhantemente.
A peça seguinte do "puzzle" veio de Ernest Rutherford na Inglaterra.
Em 1909, Ernest Marsden e Hans Geiger, que trabalhavam para Rutherford,
dispararam partículas alfa sobre átomos de ouro
e ficaram surpreendidos ao descobrir que algumas saltavam para trás.
Isso mostrou que a maior parte da massa dos átomos
se concentra num diminuto núcleo.
Na escola aprendemos o desenho animado do átomo,
com os eletrões a orbitar, como um sistema solar em miniatura,
Esse é de Rutherford.
Só há um pequeno problema com o átomo de Rutherford: não funciona.
A física clássica diz-nos que um eletrão
que se move rapidamente num círculo, emite luz,
e nós estamos sempre a usar isso para gerar ondas de rádio e raios X.
O átomo de Rutherford devia emitir raios X em todas as direções por breves instantes
antes de o eletrão se mover em espiral e colidir com o núcleo.
Com Rutherford trabalhava Niels Bohr, um físico teórico dinamarquês
que assinalou que os átomos obviamente existem,
por isso, talvez as leis da física precisassem de mudar.
Bohr propôs que o eletrão em certas órbitas especiais
não emite nenhuma luz.
Os átomos absorvem e emitem luz só quando os eletrões mudam de órbita
e a frequência da luz depende da diferença de energia
na forma como Planck e Einstein expuseram.
Bohr corrige assim o problema de Rutherford
e explica porque é que os átomos só emitem cores muito específicas de luz.
Cada elemento tem a sua órbita especial própria
e assim o seu próprio e único conjunto de frequências.
O modelo de Bohr tem um pequeno problema:
Não há razão para essas órbitas serem especiais
Mas Louis de Broglie, um estudante de doutoramento francês,
voltou a pôr as coisas no seu lugar.
Fez notar que, se a luz, que toda a gente conhecia como uma onda,
se comporta como uma partícula,
talvez o eletrão, que toda a gente conhecia como uma partícula,
se comporta como uma onda.
E se os eletrões são ondas,
é fácil explicar a regra de Bohr para escolher as órbitas especiais.
Depois de termos a ideia de que os eletrões se comportam como ondas,
podemos ir procurá-los.
Ao fim de uns anos, os cientistas nos EUA e no Reino Unido
observaram nos eletrões um comportamento de ondas.
Atualmente, temos uma demonstração incrivelmente clara disto:
disparando eletrões individuais para uma barreira com fendas.
Deteta-se cada eletrão num lugar específico num tempo específico,
como uma partícula.
Mas, se repetirmos a experiência muitas vezes,
todos os eletrões individuais traçam um padrão de listas,
uma coisa característica do comportamento das ondas.
A ideia de que as partículas se comportam como ondas, e vice-versa
é uma das mais raras e mais poderosas na física.
Richard Feynman ficou conhecido por dizer
que isto ilustra o principal mistério da mecânica quântica.
Tudo o resto se baseia nisso,
como peças de um "puzzle" encaixando-se no seu lugar.