Entenda como pesquisadores do MIT mostraram que Einstein estava errado sobre a luz

Estudar a luz é um dos principais pilares da Física que possibilitou o nascimento das áreas Eletromagnetismo, Relatividade e Mecânica Quântica. Isso aconteceu porque a luz sempre intrigou os físicos e intriga até hoje. Um dos pontos principais é por ela ter a velocidade limite máxima do Universo e outro ponto é seu comportamento dual. A luz pode se manifestar como onda ou como partícula através dos fótons.

O famoso experimento da dupla fenda, realizado por Thomas Young no início do século XIX, teve como resultado entender as propriedades da luz. O experimento consistiu em fazer a luz passar por duas fendas paralelas. Se a luz se comportasse apenas como partícula, esperava-se ver duas faixas iluminadas na tela. No entanto, Young encontrou um padrão de interferência que é observado em ondas. Até com fótons individuais, o mesmo padrão apareceu, mostrando que cada fóton se comporta como onda até ser medido.

Em julho deste ano, pesquisadores do MIT realizaram uma versão moderna do experimento de dupla fenda. Eles usaram fendas atômicas para testar algumas propriedades da luz e até algumas hipóteses como as que foram propostas por Einstein. O grupo encontrou mais provas de que a luz realmente possui uma natureza dual e que é impossível observar os dois comportamentos de uma só vez. Com isso, os pesquisadores descartaram parte das críticas de Einstein a essa natureza probabilística da teoria.

Dualidade da Luz

Quando dizemos que a luz possui uma natureza dual, queremos dizer que a luz pode se comportar tanto como onda quanto como partícula. O comportamento que você observa depende do tipo de experimento que está sendo realizado. Um exemplo é o experimento da dupla fenda realizado por Thomas Young que encontrou que a luz pode sofrer difração, interferência e refração.

Quase um século mais tarde, o físico Albert Einstein mostrou que a luz também tem um comportamento de partícula. Isso é confirmado pelo fenômeno conhecido como efeito fotoelétrico pelo qual Einstein ganhou seu prêmio Nobel. Nesse fenômeno, os fótons são jogados em uma superfície metálica e transferem energia quantizada aos elétrons. Essa observação mostra que a luz tem uma natureza como partícula também.

Experimento da Dupla Fenda

O experimento da dupla fenda foi realizado pela primeira vez por Thomas Young no ano de 1801. A ideia do experimento é relativamente simples: fazer a luz passar por duas fendas paralelas muito próximas e projetar o resultado em uma tela. Caso a luz se comportasse apenas por partículas, era esperado que apenas duas faixas fossem observadas na tela. Isso significa que a luz teria passado por uma fenda ou pela outra.

No entanto, Young acabou observando várias franjas claras e escuras que é um padrão típico de onda. Esse resultado acabou mostrando que a luz tem natureza ondulatória. O experimento foi repetido diversas vezes, inclusive com elétrons, átomos e até moléculas, sempre revelando o mesmo padrão de interferência. Esses resultados confirmaram que não apenas a luz, mas toda a matéria, apresenta comportamento dual de onda e partícula.

Opinião de Einstein

No entanto, com a incerteza presente dentro da Mecânica Quântica, a luz só pode ser observada como partícula ou como onda, nunca os dois de forma simultânea. Já Einstein acreditava que seria possível observar ambos simultaneamente. Para ele, a Física deveria descrever a realidade de forma determinista e não depender apenas de probabilidades e incertezas. Ele acreditava que a Mecânica Quântica era incompleta e que deveriam existir variáveis ocultas capazes de explicar de forma precisa.

Um de seus amigos, o físico Niels Bohr, em contrapartida, defendia que era impossível observar onda e partícula ao mesmo tempo. Segundo Bohr, um experimento só poderia revelar uma das naturezas da luz e isso dependia do arranjo experimental. Um exemplo é que medir a posição evidenciaria o aspecto de partícula, enquanto medir interferência mostraria o aspecto ondulatório. Para ele, a tentativa de observar ambos simultaneamente era inviável, pois a própria medição altera o sistema quântico.

Experimento do MIT

Pesquisadores do MIT realizaram uma nova versão do experimento da dupla fenda usando mais de 10 mil átomos resfriados e organizados em uma grade. Nessa configuração, cada átomo funciona como uma “fenda” isolada, permitindo que fosse possível observar como fótons individuais se espalhavam. Ajustando o grau da incerteza da posição dos átomos, eles conseguiram controlar a probabilidade de o fóton se comportar como luz ou como onda.

O experimento confirmou que não é possível observar simultaneamente ambos comportamentos, como Einstein acreditava. O grupo também testou a proposta de Einstein de que seria possível detectar o caminho de um fóton usando fendas presas a molas, que vibrariam quando o fóton passasse. Com os átomos sendo equivalentes à molas, os pesquisadores encontraram que quanto mais sabemos sobre a posição, menor era o padrão ondulatório e vice versa.

Referência da notícia

Famous double-slit experiment holds up when stripped to its quantum essentials