Fenda dupla de Young (versão completa)

A mecânica quântica constitui-se de forma muito peculiar, nela as partículas são descritas como ondas, mas não ondas convencionais (clássicas). No ano de 1801, o físico britânico Thomas Young realizou o experimento da fenda dupla (conhecido também como fenda dupla de Young), considerado um dos mais importantes da ciência. Tal experimento baseava-se em um emissor de luz, uma placa com duas fendas e uma “parede”, onde era possível visualizar o padrão formado pela luz. Ao passar pelas duas fendas, a luz sofre um fenômeno chamado de difração, e, em cada fenda, a luz começa a se espalhar de modo como se as fendas fossem agora novos pontos de emissão de luz. Com a propagação das ondas, partes dessas se encontram e se juntam, amplificando e/ou cancelando suas amplitudes, isso é chamado de interferência de ondas. A interferência ocorre tanto em ondas mecânicas (que precisam de um meio para se propagar, como as sonoras) quanto em ondas eletromagnéticas (que propagam-se no vácuo). Com a interferência, é possível observar a formação de um padrão muito característico na parede, com locais onde há intensidade luminosa e locais onde há ausência ou pouca luz (sombra ou penumbra). Por ser um fenômeno exclusivamente ondulatório, Thomas Young pensava ter dominado um debate que vinha de tempos atrás.

Em meados do século XVIII, constituiu-se um debate sobre qual natureza a luz possuia, ondulatória ou corpuscular (de partícula). Isaac Newton defendia que a luz era composta por partículas e foi um pioneiro no que veio a se chamar a “teoria corpuscular da luz”. Todavia, com a realização de Young, a situação tornou-se perversa. Em 1905, Einstein publicou seus artigos sobre o efeito fotoelétrico. Neles, o físico alemão sustenta a ideia da luz ser composta por partículas-denominadas fótons- o que trazia, portanto, a visão de Newton novamente a tona.

Mais de um século depois, com a inserção do novo campo da ciência, a mecânica quântica, o experimento de Thomas Young foi repetido, contudo, com uma alteração fundamental envolvida. O experimento, em sua versão recente, utilizava um emissor de partículas (como elétrons) ao invés da luz (como na versão original). Pense em um elétron como uma bola de basquete com tinta fresca, que precisa passar por uma das fendas para que possa atingir e marcar a parede. Ao se lançarem várias bolas, é razoável se esperar que uma parcela passe pela fenda da direita e/ou pela da esquerda, atingindo, assim, a parede. Com essa situação, podemos imaginar que um padrão de duas faixas (marcados pelas bolas pintadas) se forme na parede, aproximadamente duas retas na direção das fendas. Essa é a visão “clássica” do que se esperaria que acontecesse com os elétrons sendo disparados, todavia a situação mostrou-se totalmente diferente. Na parede, foi formado o mesmo padrão de marcas do experimento feito com luz, o que indica que as partículas estariam se comportando como ondas, passando pelo processo de interferência. Como isso poderia acontecer? Partículas massivas se comportando como ondas? É factual, dentro de nossas compreensões da mecânica ondulatória (clássica), que ondas não carregam matéria (massa), mas, sim, energia. Como que um comportamento tão contraditório poderia se dar? Isso perturbou os cientistas de todo o mundo. Era como se o elétron atravessasse as duas fendas, interferisse consigo mesmo e atingisse a parede, formando o padrão ondulatório mencionado. A isso se deu o nome de dualidade onda-partícula.

Para tentarem obter alguma explicação, os físicos introduziram no experimento da fenda dupla (com partículas) um aparato capaz de detectar por qual fenda o elétron de fato passava. Novamente a ciência surpreendeu a todos. Com a presença do medidor, os elétrons passaram a se comportar como partículas “normais” (da mesma forma que o exemplo das bolas de basquete), marcando na parede duas faixas, aproximadamente alinhadas com as fendas. Ao retirar-se o aparato, o comportamento ondulatório era retomado. Ao se forçar a obtenção de um um valor (formalmente chamado de autovalor ou “eigenvalue”) como a posição, o elétron fornece este de forma aleatória (tal aleatoriedade será explicada com detalhes em futuros artigos, visando a explicação da chamada “função de onda”), perdendo, momentaneamente, seu comportamento ondulatório. Em outras palavras e de forma grosseira, ao tratarmos uma “Partícula quântica” como uma partícula, ela se comportará como tal.

A fim de verificar se o resultado era o mesmo para outros tipos de partículas, foram realizados testes com átomos inteiros, e o resultado foi o mesmo comportamento dos elétrons. O princípio da incerteza de Heisenberg (o qual ganhará muito destaque em futuros artigos) é facilmente visualizado na adaptação do experimento de Thomas Young.

O experimento da fenda dupla é basicamente o “pai” da mecânica quântica e é a origem de grandes mistérios até hoje não resolvidos, como a interpretação da função de onda. Diversos cientistas aventuraram-se na tentativa de encontrar uma explicação para o comportamento probabilístico com suas ideias. As interpretações que ganham destaque são as de Hugh Everett (com a “interpretação de muitos mundos” envolvendo uma espécie de multiverso, a de Max Bohm (com sua “teoria da onda piloto” e a mais palpável e adotada, a de Heisenberg e Bohr (interpretação de Copenhaguen). Existem ainda outros experimentos relacionados à mecânica quântica que são ainda mais “bizarros” como o da “borracha quântica”.

A primeira foto ilustra o experimento da fenda dupla realizado com elétrons, enquanto a segunda foto demonstra o fenômeno de interferência/superposição de ondas

Material de referência: "O universo quântico" (Brian Cox e Jeff Forshaw)