Fenda extrema confirma: Luz é tanto onda quanto partícula
[Imagem: MIT]
Experimento da dupla fenda
Ao realizar uma versão extrema de um dos experimentos mais famosos da física quântica, cientistas demonstraram, agora com precisão de nível atômico, a natureza dupla, porém evasiva, da luz.
Uma grande curiosidade associada a essa demonstração é que ela confirma que Albert Einstein estava errado sobre esse cenário quântico específico – seu colega Niels Bohr estava com a razão.
O experimento em questão é o experimento da dupla fenda, realizado pela primeira vez em 1801 por Thomas Young (1773-1829) para demonstrar que a luz se comporta como onda. Hoje, com a formulação da mecânica quântica, o experimento da dupla fenda é conhecido por sua demonstração surpreendentemente simples de uma realidade intrigante: A de que a luz existe tanto como partícula quanto como onda. Só que essa dualidade não pode ser observada simultaneamente – observe a luz na forma de partículas e sua natureza ondulatória ficará instantaneamente obscurecida, e vice-versa.
O experimento original envolveu a projeção de um feixe de luz através de duas fendas paralelas em uma tela e observação do padrão que se formava em uma segunda tela mais distante. Seria de se esperar ver dois pontos de luz sobrepostos, o que implicaria que a luz existe como partículas, também conhecidas como fótons. Mas, em vez disso, a luz produz listras brilhantes e escuras alternadas na tela mais distante, um padrão de interferência semelhante ao que ocorre quando duas ondulações em um lago se encontram. Isso indica que a luz se comporta como uma onda. Ainda mais estranho, quando se tenta medir por qual fenda a luz está passando, ela repentinamente se comporta como partícula, e o padrão de interferência desaparece.
Há quase um século, o experimento esteve no centro de um debate entre Albert Einstein e Niels Bohr. Em 1927, Einstein argumentou que um fóton deveria passar por apenas uma das duas fendas e, no processo, gerar uma leve força nessa fenda, como um pássaro farfalhando uma folha ao voar. Ele propôs que seria possível detectar essa força enquanto se observa um padrão de interferência, captando assim a natureza ondulatória e particulada da luz ao mesmo tempo. Em resposta, Bohr aplicou o princípio da incerteza da mecânica quântica e demonstrou que a detecção da trajetória do fóton eliminaria o padrão de interferência.
[Imagem: Russell Knightly/SPL]
Dupla fenda em nível atômico
Desde o famoso debate, inúmeras versões do experimento da dupla fenda têm confirmado a validade da teoria quântica formulada por Bohr.
Agora, Vitaly Fedoseev e seus colegas do MIT, nos EUA, realizaram a versão “definitiva” do experimento da dupla fenda, uma versão que reduz o experimento à sua essência quântica.
A equipe usou átomos individuais como fendas e feixes de luz fracos, de modo que cada átomo espalhasse no máximo um fóton. Ao preparar os átomos em diferentes estados quânticos, foi possível modificar as informações que os átomos obtinham sobre a trajetória dos fótons.
Isso confirmou, no modo mais fundamental já feito até hoje, as previsões da teoria quântica: Quanto mais informações são obtidas sobre a trajetória da luz (sua natureza de partícula), menor é a visibilidade do padrão de interferência. Sempre que um átomo sente o “farfalhar” de um fóton que passa, o padrão de interferência diminui. Ou seja, Einstein estava mesmo errado nessa questão.
“Esses átomos individuais são como as menores fendas que você poderia construir. Einstein e Bohr nunca teriam pensado que isso fosse possível, realizar tal experimento com átomos individuais e fótons individuais. O que fizemos foi um experimento mental definitivo,” disse o professor Wolfgang Ketterle.