Partículas e ondas: O mistério central da mecânica quântica - Chad Orzel

Assista à aula completa: http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel

Um dos fatos mais surpreendentes da física é que tudo no universo, da luz aos elétrons, aos átomos, comporta-se ao mesmo tempo como uma partícula e uma onda. Mas como os físicos chegaram a esta estonteante conclusão? Chad Orzel relembra a série de cientistas que aprimoraram as descobertas uns dos outros para chegar ao ‘mistério central’ da mecânica quântica.

Aula de Chad Orzel, animação de Joana Bartolomeu.

Um dos fatos mais surpreendentes
da física é este:

tudo no universo,
da luz aos elétrons, aos átomos,

comporta-se como uma partícula
e uma onda ao mesmo tempo.

Todas as coisas esquisitas que
você ouviu falar da física quântica,

o gato de Schrodinger,
Deus jogando dados,

a ação misteriosa à distância,

tudo isso decorre diretamente do fato

de que tudo possui ao mesmo tempo
a natureza de partícula e de onda.

Isso pode até parecer loucura.

Mas se você olhar ao redor,
verá ondas na água e partículas de rocha,

e elas parecem totalmente diferentes.

Então como podemos
querer combiná-las?

Os físicos não decidiram simplesmente
juntar esses conceitos a partir do nada.

Em vez disso, eles deduziram
a natureza dual do universo

por um processo de pequenas etapas,

encaixando muitas pequenas evidências,
como as peças de um quebra-cabeça.

A primeira pessoa que sugeriu seriamente
a natureza dupla da luz

foi Albert Einstein, em 1905,

mas ele aproveitou
uma ideia anterior de Max Planck.

Planck explicou as cores da luz
emitida por objetos quentes,

como o filamento
de uma lâmpada incandescente.

Mas para fazê-lo, precisou
usar um artifício ousado:

ele afirmou que o objeto era
constituído de osciladores

que podiam emitir luz
apenas em pedaços discretos,

unidades de energia que dependem
da frequência da luz.

Planck nunca ficou satisfeito com isto,
mas Einstein levou a ideia adiante.

Ele aplicou a ideia de Planck na luz,
dizendo que a luz,

que todos sabiam ser uma onda,
é na verdade uma corrente de fótons,

cada qual com
uma quantidade discreta de energia.

Einstein disse que isso foi a única coisa
realmente revolucionária que ele fez,

mas isso explica
como a luz arranca elétrons

de uma superfície metálica, ao atingi-la.

Até as pessoas que odiavam esta ideia
admitiram que ela funciona brilhantemente.

Outra peça do quebra-cabeça foi fornecida
por Ernest Rutherford, na Inglaterra.

Em 1909, Ernest Marsden e Hans Geiger,
trabalhando para Rutherford,

bombardearam partículas alfa
contra átomos de ouro

e ficaram surpresos ao constatar que
algumas partículas batiam e voltavam.

Isto mostra que
quase toda a massa do átomo

está concentrada em um núcleo minúsculo.

O desenho do átomo ensinado na escola,

com órbitas eletrônicas parecidas com
um sistema solar em miniatura,

foi criado com as ideias de Rutherford.

Mas o modelo de Rutherford
tem um problema: ele não funciona.

A física clássica diz que em um elétron,

quando viajando em círculos,
deve emitir luz.

Isso é usado a todo instante
para gerar ondas de rádio e raios-X.

O átomo de Ruterford espalharia raios-X
por um breve instante,

até os elétrons caírem em espiral
para dentro do núcleo.

Mas Niels Bohr, físico teórico dinamarquês,
que trabalhava com Rutherford,

salientou que os átomos existem,
obviamente,

e que talvez as leis da física
tivessem que ser mudadas.

Bohr propôs que,
em certas órbitas especiais,

um elétron não emite luz.

Átomos absorvem e emitem luz
apenas quando elétrons mudam de órbita.

A frequência da luz depende da
diferença de energia entre as órbitas,

como Planck e Einstein haviam sugerido.

O átomo de Bohr corrige
o problema de Rutherford

e explica por que os átomos emitem
somente cores de luz muito específicas.

Cada elemento tem suas órbitas especiais

e, assim, seu conjunto único
de frequências.

O modelo de Bohr tem um pequeno problema:

não há razão para que
as órbitas sejam especiais.

Mas Louis de Brolie,
um doutorando francês,

colocou as coisas no lugar.

Ele destacou que se a luz,
que todos sabiam ser uma onda,

se comportasse como uma partícula,

talvez o elétron,
que todos sabiam ser uma partícula,

se comportasse como uma onda.

E se elétrons são ondas,

é fácil explicar por que a regra de Bohr
escolhe órbitas especiais.

Aceitando a ideia de que elétrons
comportam-se como ondas,

você pode tentar procurá-las.

E alguns anos depois,
cientistas dos EUA e do Reino Unido

observaram o comportamento
ondulatório dos elétrons.

Hoje, temos uma forma
de demonstrar isso claramente:

disparando elétrons
contra uma barreira com fendas.

Cada elétron é detectado em um local
e momento específicos,

como uma partícula.

Mas se você repetir o experimento
várias vezes,

o traçado de todos os elétrons individuais
será um padrão de listras,

característico do comportamento de onda.

A ideia de que partículas comportam-se
como ondas e vice-versa

é uma das mais estranhas
e poderosas da física.

Richard Feyneman disse
em uma declaração famosa

que isso ilustra o mistério central
da mecânica quântica.

Todo o resto decorre disso,

como as peças de um quebra-cabeça
se encaixando.