Na física clássica, podemos descrever alguns fenômenos como partículas — pequenas “bolinhas” pontuais que seguem trajetórias bem definidas —, enquanto outros são melhor descritos como ondas — oscilações periódicas que se propagam pelo espaço. No mundo quântico, entretanto, um mesmo objeto pode se comportar como partícula ou como onda, dependendo de como realizamos um experimento. Essa propriedade é a chamada dualidade onda-partícula, proposta por Louis de Broglie.
Em 1924, o físico francês de origem nobre Louis de Broglie (1892-1987) apresentou em sua tese de doutorado o conceito de dualidade onda-partícula. Inspirado pela hipótese de Albert Einstein, segundo a qual as ondas eletromagnéticas da luz seriam compostas de partículas, De Broglie foi além, sugerindo que todas as partículas, como os prótons e os elétrons, também deveriam exibir propriedades ondulatórias, propondo uma equação matemática que associa a cada partícula um comprimento de onda.
Dois anos depois, em 1926, a dualidade onda-partícula foi incorporada à teoria moderna da mecânica quântica por Erwin Schrödinger. Em 1927, o comportamento ondulatório dos elétrons foi confirmado experimentalmente pelos físicos norte-americanos Clinton Davisson (1881-1958) e Lester Germer (1896-1971). Nesses experimentos, os elétrons atravessam a rede de átomos de um cristal, produzindo padrões de difração típicos de ondas. Pela confirmação de sua hipótese, De Broglie recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1929.
Nos anos seguintes, De Broglie continuou a se dedicar à mecânica quântica e também ganhou reconhecimento por seus textos de divulgação científica. Em 1949, foi o primeiro cientista de renome a propor a criação de um laboratório internacional de física. Sua proposta contribuiu para a fundação, em 1954, da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN).
Em geral, o comportamento de um objeto quântico depende de seu comprimento de onda, que por sua vez depende de sua massa ou energia. A radiação eletromagnética, por exemplo, é feita de partículas sem massa que viajam à velocidade da luz: os fótons. Quando a energia dos fótons é muito alta, como no caso dos raios ultravioleta e raios X, seu comprimento de onda é muito curto, fazendo com que os fótons se comportem mais como partículas do que como ondas. O contrário acontece quando a energia dos fótons é mais baixa e seu comprimento de onda aumenta, como acontece com a luz visível e infravermelha: prevalecem suas propriedades de onda.
Por conta de seu comprimento de onda muito pequeno, os elétrons se comportam geralmente como partículas, embora apresentem comportamentos ondulatórios em certos experimentos, como o da fenda dupla. Quando orbitam os núcleos atômicos, os elétrons também se comportam como ondas estacionárias.
Em 1925, o físico alemão Werner Heisenberg (1901-1976), em conjunto com Max Born e Pascual Jordan, apresentou a primeira formulação completa da mecânica quântica moderna. Usando matrizes para descrever as transições entre os estados quânticos e outras grandezas físicas, a teoria se tornou conhecida como mecânica matricial. No mesmo ano, a nova teoria se provou correta, com Wolfgang Pauli a utilizando para calcular detalhes do espectro do átomo de hidrogênio. No ano seguinte, Erwin Schrödinger demonstrou que a mecânica matricial era matematicamente equivalente a sua teoria ondulatória da mecânica quântica.
Em 1927, Heisenberg formulou o princípio da incerteza, segundo o qual certas propriedades de uma partícula, como sua posição e velocidade, não podem ser conhecidas simultaneamente com precisão arbitrária.
Heisenberg também participou do desenvolvimento da principal interpretação da mecânica quântica, a chamada interpretação de Copenhagen, introduzindo o conceito de colapso da função de onda. Por suas contribuições fundamentais, recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1932.
Durante a Segunda Guerra Mundial, Heisenberg colaborou com o programa nuclear da Alemanha nazista. Após a guerra, trabalhou para reconstruir a ciência na Alemanha Ocidental, além de participar da criação da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN).
Em 1927, Werner Heisenberg demonstrou o chamado princípio da incerteza. Ele descobriu que a mecânica quântica não permite conhecer, ao mesmo tempo, certas combinações de observáveis com 100% de certeza, como, por exemplo, a posição e a velocidade de um elétron. Quanto melhor as medidas sobre um elétron determinam a sua localização, mais incerto se torna o conhecimento sobre a sua velocidade. E o contrário também é verdadeiro: quanto mais precisamente medimos sua velocidade, mais indefinida fica sua posição.
O princípio da incerteza pode ser explicado pela dualidade onda-partícula. Quanto mais precisamente medimos a posição de uma partícula, mais bem localizada no espaço fica a sua onda associada. Isso, porém, torna seu comprimento de onda, e portanto sua velocidade, indefinida. Já se conhecemos bem a velocidade da partícula, sua onda se espalha no espaço, e não conseguimos determinar sua posição exata.
O mesmo vale para outros pares de grandezas, como a energia e o tempo. Quanto mais aumentarmos a precisão com que conhecemos o valor da energia de um processo físico, menos sabemos sobre o intervalo de tempo em que esse processo ocorreu, e vice-versa.
Essas limitações não podem ser removidas com instrumentos de medição mais precisos. Elas são características fundamentais da natureza quântica.
Reportagem: Igor Zolnerkevic (ICTP-SAIFR);
Revisão: Ana Luiza Serio (ICTP-SAIFR), Larissa Takeda (ICTP-SAIFR);
Consultoria Científica: Gustavo Wiederhecker (UNICAMP), Marcelo Terra Cunha (UNICAMP);
Edição: Victoria Barel (ICTP-SAIFR).
