Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

Partículas e ondas: O mistério central da mecânica quântica - Chad Orzel

Tradutor: Ruy Lopes Pereira Revisor: Romane Ferreira

One of the most amazing facts in physics is this:

Um dos fatos mais surpreendentes da física é este:

tudo no universo, da luz aos elétrons, aos átomos,

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

comporta-se como uma partícula e uma onda ao mesmo tempo.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Todas as coisas esquisitas que você ouviu falar da física quântica,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

o gato de Schrodinger, Deus jogando dados,

a ação misteriosa à distância,

all of it follows directly from the fact

tudo isso decorre diretamente do fato

that everything has both particle and wave nature.

de que tudo possui ao mesmo tempo a natureza de partícula e de onda.

Isso pode até parecer loucura.

This might sound crazy.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

Mas se você olhar ao redor, verá ondas na água e partículas de rocha,

e elas parecem totalmente diferentes.

and they're nothing alike.

So why would you think to combine them?

Então como podemos querer combiná-las?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

Os físicos não decidiram simplesmente juntar esses conceitos a partir do nada.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

Em vez disso, eles deduziram a natureza dual do universo

through a process of small steps,

por um processo de pequenas etapas,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

encaixando muitas pequenas evidências, como as peças de um quebra-cabeça.

A primeira pessoa que sugeriu seriamente a natureza dupla da luz

The first person to seriously suggest the dual nature of light

was Albert Einstein in 1905,

foi Albert Einstein, em 1905,

mas ele aproveitou uma ideia anterior de Max Planck.

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

Planck explicou as cores da luz emitida por objetos quentes,

like the filament in a light bulb,

como o filamento de uma lâmpada incandescente.

but to do it, he needed a desperate trick:

Mas para fazê-lo, precisou usar um artifício ousado:

he said the object was made up of oscillators

ele afirmou que o objeto era constituído de osciladores

that could only emit light in discrete chunks,

que podiam emitir luz apenas em pedaços discretos,

units of energy that depend on the frequency of the light.

unidades de energia que dependem da frequência da luz.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

Planck nunca ficou satisfeito com isto, mas Einstein levou a ideia adiante.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

Ele aplicou a ideia de Planck na luz, dizendo que a luz,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

que todos sabiam ser uma onda, é na verdade uma corrente de fótons,

each with a discrete amount of energy.

cada qual com uma quantidade discreta de energia.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

Einstein disse que isso foi a única coisa realmente revolucionária que ele fez,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

mas isso explica como a luz arranca elétrons

de uma superfície metálica, ao atingi-la.

Até as pessoas que odiavam esta ideia admitiram que ela funciona brilhantemente.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

Outra peça do quebra-cabeça foi fornecida por Ernest Rutherford, na Inglaterra.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

Em 1909, Ernest Marsden e Hans Geiger, trabalhando para Rutherford,

shot alpha particles at gold atoms

bombardearam partículas alfa contra átomos de ouro

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

e ficaram surpresos ao constatar que algumas partículas batiam e voltavam.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

Isto mostra que quase toda a massa do átomo

está concentrada em um núcleo minúsculo.

O desenho do átomo ensinado na escola,

The cartoon atom you learn in grade school,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

com órbitas eletrônicas parecidas com um sistema solar em miniatura,

that's Rutherford's.

foi criado com as ideias de Rutherford.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

Mas o modelo de Rutherford tem um problema: ele não funciona.

Classical physics tells us that an electron

A física clássica diz que em um elétron,

whipping around in a circle emits light,

quando viajando em círculos, deve emitir luz.

Isso é usado a todo instante para gerar ondas de rádio e raios-X.

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

O átomo de Ruterford espalharia raios-X por um breve instante,

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

até os elétrons caírem em espiral para dentro do núcleo.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

Mas Niels Bohr, físico teórico dinamarquês, que trabalhava com Rutherford,

pointed out that atoms obviously exist,

salientou que os átomos existem, obviamente,

so maybe the rules of physics needed to change.

e que talvez as leis da física tivessem que ser mudadas.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr propôs que, em certas órbitas especiais,

doesn't emit any light at all.

um elétron não emite luz.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Átomos absorvem e emitem luz apenas quando elétrons mudam de órbita.

and the frequency of the light depends on the energy difference

A frequência da luz depende da diferença de energia entre as órbitas,

in just the way Planck and Einstein introduced.

como Planck e Einstein haviam sugerido.

O átomo de Bohr corrige o problema de Rutherford

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

e explica por que os átomos emitem somente cores de luz muito específicas.

Cada elemento tem suas órbitas especiais

Each element has its own special orbits,

and thus its own unique set of frequencies.

e, assim, seu conjunto único de frequências.

The Bohr model has one tiny problem:

O modelo de Bohr tem um pequeno problema:

there's no reason for those orbits to be special.

não há razão para que as órbitas sejam especiais.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Mas Louis de Brolie, um doutorando francês,

brought everything full circle.

colocou as coisas no lugar.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

Ele destacou que se a luz, que todos sabiam ser uma onda,

behaves like a particle,

se comportasse como uma partícula,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

talvez o elétron, que todos sabiam ser uma partícula,

behaves like a wave.

se comportasse como uma onda.

And if electrons are waves,

E se elétrons são ondas,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

é fácil explicar por que a regra de Bohr escolhe órbitas especiais.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Aceitando a ideia de que elétrons comportam-se como ondas,

you can go look for it.

você pode tentar procurá-las.

E alguns anos depois, cientistas dos EUA e do Reino Unido

And within a few years, scientists in the US and UK

had observed wave behavior from electrons.

observaram o comportamento ondulatório dos elétrons.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Hoje, temos uma forma de demonstrar isso claramente:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

disparando elétrons contra uma barreira com fendas.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

Cada elétron é detectado em um local e momento específicos,

like a particle.

como uma partícula.

Mas se você repetir o experimento várias vezes,

But when you repeat the experiment many times,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

o traçado de todos os elétrons individuais será um padrão de listras,

characteristic of wave behavior.

característico do comportamento de onda.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

A ideia de que partículas comportam-se como ondas e vice-versa

is one of the strangest and most powerful in physics.

é uma das mais estranhas e poderosas da física.

Richard Feynman famously said

Richard Feyneman disse em uma declaração famosa

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

que isso ilustra o mistério central da mecânica quântica.

Everything else follows from this,

Todo o resto decorre disso,

como as peças de um quebra-cabeça se encaixando.

like pieces of a puzzle falling into place.