O Experimento da Dupla Fenda – Física Quântica

Os mistérios do experimento da Dupla Fenda.

Preparado por: Celso Junior!

Em meados do século 18, o físico, médico e egiptólogo britânico Thomas Young (1773 – 1829) conseguiu refutar umas das afirmações de Isaac Newton. A de que a Luz era composta por “corpúsculos” ( unidades quantificadas – o que hoje se chamaria de partículas subatômicas ).

Para fazer isso ele realizou um experimento muito simples: Usando uma grande caixa fechada, ele inseriu um  visor e duas pequenas fendas por onde a luz do sol deveria entrar. Ao olhar pelo visor ele observaria a luz projetada para dentro da caixa, refletida em uma das paredes internas. Existiriam 2 possibilidades, a luz seria composta ou de uma onda contínua   (como ondas eletromagnéticas de energia ou as ondas em um lago) ou  por unidades discretas (como defendia Newton no seu modelo corpuscular da luz ).

Eis o experimento:

Fig 1Caso a luz fosse composta de pequenas unidades de matéria (partículas), que é o que o desenho acima simula,  ela iria se comportar passando por uma pequena fresta ou por outra, seguindo em linha reta e apresentando o seguinte padrão no fundo da caixa:

Fig 2Caso a luz fosse composta de uma onda, ao invés de partículas, ela se comportaria desta forma:

Fig 3

Como ondas se propagam através de uma frequência e intensidade, quando a crista da onda que estivesse passando pela fenda esquerda entrasse me contato com crista da onda (parte mais alma ou mais intensa) propagada pela fenda da direita, então elas se somariam e formariam uma onda mais forte. Já se a crista de uma onda entrasse em contato com  o vale da outra (parte mais baixa ou menos intensa) então as duas se anulariam.

Pensando assim, se luz fosse onda, então o padrão exibido no fundo da caixa seria o que é chamado de Padrão de Interferência:

Fig 4Este padrão denotaria que a luz era composta de Ondas e não de Partículas e foi exatamente o que o experimento demonstrou, encerrando a dúvida sobre a natureza da Luz, pelo menos por um tempo.

Porém existiam outros fenômenos observados que não condiziam com o fato da luz ser uma onda. O Efeito Fotoelétrico é um deles.

Descoberto por A. E. Becquerel em 1839 e confirmado por Heinrich Hertz em 1887, ele demonstra que um material metálico desloca elétrons (partícula já bem conhecida na época) ao ser exposto a um feixe de luz. O que foi observado era que ao aumentar a intensidade da luz, ao invés de se emitirem elétrons com maior energia cinética (algo esperado pelo fato da luz ser considerada uma onda eletromagnética) na verdade o que aumentava era a quantidade de elétrons movimentados.

Isso implicava que, de alguma forma, a Luz tinha propriedades de onda e também corpusculares, já que a explicação mais plausível era a de que a luz, se fosse composta por partículas, deslocaria mais elétrons do metal porque o que aumentava-se era a quantidade de “unidades” de luz, aumentando assim as chances de elétrons serem colididos e movimentados.

Nasce aí o fóton, com descrito por Einstein em 1905 (O que lhe rendeu o Nobel em Física em 1921).

Com o advento dos estudos aprofundados e descobertas da mecânica quântica e da ciência moderna, resolveu-se tirar a dúvida, de uma vez por todas, sobre a natureza real da Luz, pois mesmo constatando o efeito fotoelétrico, a luz em outras ocasiões também se portava igual a uma onda.

Resolveram então criar uma variação do experimento de Young, usando um raio laser que era interrompido por uma placa com duas finas fendas bem próximas, um experimento Idêntico ao primeiro, porém com um Laser seria possível controlar a quantidade e a intensidade das partículas de Luz (já se admitia que a Luz era composta de partículas, porém tentava-se explicar do porquê da luz ainda se comportar como onda em algumas ocasiões).

Acreditava-se que quando as partículas passavam por uma das fendas, elas deviam colidir com as paredes das fendas, mudando sua trajetória e colidindo com outras partículas de luz, fazendo o padrão de interferência que fazia a luz “parecer” se comportar como onda no experimento. Resolveram então lançar um fóton (partícula de luz) por vez. Acreditava-se assim que as partículas não teriam como colidir umas com as outras, anulando o padrão de interferência e fazendo com que as partículas fizessem uma trajetória retilínea, criando apenas duas ‘bandas’ de luz. Com o tempo, o resultado acumulado e uma placa fotossensível é a imagem abaixo:

Fig 5Isso demonstra que as partículas, mesmo individualmente, criavam um padrão de interferência que não poderia ser explicado por meios habituais. Uma vez que mesmo soltando uma partícula de cada vez, ela ainda tinha um comportamento de “onda”. Foi então que levantou-se a hipótese da posição da partícula estar se comportando como uma nuvem de probabilidades ao invés de uma posição definida no espaço. Schrödinger, em seu modelo do átomo e o princípio de incerteza de Heisenberg, demonstram que é impossível ter-se certeza da posição e velocidade de uma partícula no espaço (fóton ou elétron por exemplo ), apenas sobre a probabilidade dela estar em determinada faixa ao redor do átomo ou não.

O problema é que, mesmo sabendo-se dessa incerteza através dos experimentos, o que de fato ocorria com a partícula individual ao passar pela dupla fenda? Não se saberia ao certo por qual fenda cada partícula passaria ou se ela se chocaria em alguma parte da placa antes de passar, mas isso não seria o suficiente para fazer com que a partícula gerasse um padrão de onda. Estaria então a partícula (sendo probabilidade) sobre-posicionando essas 3 possibilidades ao mesmo tempo e  essa probabilidade interferindo consigo mesma? Isso seria difícil de acreditar porque até então a realidade seria composta de elementos objetivos (matéria, energia, interações físicas) e probabilidade está mais no campo informacional do que na realidade manifestada.

Os físicos ficaram intrigados com essa dúvida e resolveram tirar a prova. Colocaram sensores (células fotossensíveis) próximos das fendas, que iriam medir realmente por qual fenda cada partícula passaria. Não seria possível que uma partícula estivessem em dois lugares ao mesmo espaço-tempo e isso precisaria ser verificado.

Ao realizarem o experimento medindo por qual fenda cada partícula passaria, veja o resultado

Fig 6O padrão de interferência havia desaparecido! Isso era inesperado. O simples fato de medirem por qual fenda cada partícula passaria, para tentar entender o porquê das partículas individuais estarem criando um padrão de onda, causou o colapso do padrão anterior, fazendo com que as partículas se comportassem, dessa vez, como partículas, em uma trajetória, praticamente, retilínea.

Repetiram os mesmos experimentos com elétrons e, novamente, os mesmos comportamentos foram constatados, ou seja, todas as partículas conhecidas apresentam a dualidade onda/partícula e tudo dependia do momento onde a informação sobre sua posição é medida.

Isso implica dizer que se, na experiência, a medição for feita na placa no fundo da caixa, então podemos ter a onda de probabilidades manifestada, logo, através de um padrão de interferência – se medirmos nas fendas, ou seja, se colhermos a informação sobre a partícula no momento onde ela poderia apresentar uma onda de probabilidades, essa onda desaparece e o que temos é a realidade “re-renderizada”, é como se a realidade se adequasse ao momento da obtenção da informação, ou, o momento onde a realidade é observada.

 O que deixou a coisa mais complicada, foi o fato dos físicos não admitirem que a simples obtenção da informação (medir a posição da partícula) anularia a onda de probabilidades, então ocorreu uma busca em tentar entender qual o tipo de interferência OBJETIVA o ato de medir estaria causando. Acreditava-se que os sensores elétricos ou fotoelétricos, de alguma maneira estavam criando alguma interferência nas partículas.

Porém, hoje já se sabe que a questão é muito mais profunda. Outros experimentos foram capazes de ‘embaralhar” a informação já medida, como o Apagador Quântico de Escolha Atrasada, que consegue medir por qual fenda cada partícula passou, mas tira a certeza da medição após ter sido feita, isso faz com que o padrão de disposições dos elétrons ou dos fótons se comporte exatamente como uma onda e o padrão de interferência retorna, ou seja, a onda de probabilidades volta à Realidade, caso a informação da medição seja perdida ou inutilizada.

Resumindo, mesmo quando medimos por qual fenda a partícula passou, se não tivermos como “ler” essa informação (mesmo se essa leitura ocorrer no FUTURO), a partícula não se comporta como unidade corpuscular e torna-se uma nuvem de probabilidades no PRESENTE, gerando um padrão de interferência na tela. Por outro lado, se tivermos certeza (e como ‘ler’ essa informação) sobre a posição da partícula, o padrão de interferência desaparece.

As implicações disso são tamanhas que fizeram com que a física quântica se tornasse mais uma ciência Informacional do que sobre a física objetiva (embora seus resultados sejam mensuráveis no mundo “Real” ), porque constatou-se que tudo (e quando digo tudo eu me refiro a TODA a realidade que podemos observar) é uma questão de como percebemos e medimos a realidade e seus fenômenos e que essa medição (a obtenção da informação) é o que, em última análise, compõe a realidade e não o contrário. Isso abala as fundações de uma realidade objetiva e nos coloca não como espectadores, mas como ELEMENTO FUNDAMENTAL da realidade, ou, nas palavras de Eugene Wigner (Nobel de Física):

“Continuará sendo impressionante, não importa os caminhos que nossos conceitos futuros irão nos levar, que todo o estudo do mundo externo nos leva a conclusão científica que o conteúdo da consciência é a realidade universal definitiva .

E nas de Max Planck (Nobel de Física e considerado Pai da Física Quântica):

“A ciência não pode resolver o mistério derradeiro da natureza porque, em última análise, nós mesmos somos parte do mistério que estamos tentando resolver“.

Para entender melhor, assista ao vídeo de Thomas Campbell onde ele esmiúça bem o experimento da dupla fenda no vídeo (em inglês):

http://www.youtube.com/watch?v=LW6Mq352f0E

Fig 7

Ou este clipe do documentário “Quem somos nós?”

http://www.youtube.com/watch?v=u7VctogNgU4 

 

 

3 ideias sobre “O Experimento da Dupla Fenda – Física Quântica”

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