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 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 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).
