As partículas e as ondas: O mistério principal da mecânica quântica — Chad Orzel

Vejam a lição completa: http://ed.ted.com/lessons/particles-and-waves-the-central-mystery-of-quantum-mechanics-chad-orzel

Um dos factos mais fantásticos na Física é que tudo no universo, desde a luz até aos eletrões e aos átomos, se comporta como uma partícula e como uma onda ao mesmo tempo. Mas como é que os físicos chegaram a esta incompreensível conclusão? Chad Orzel enumera a série de cientistas que se basearam nas descobertas uns dos outros para chegar a este "mistério principal" da mecânica quântica.

Lição de Chad Orzel, animação de Joana Bartolomeu.

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.