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

Tradutor: Rudys Calderin Revisora: Margarida Ferreira

One of the most amazing facts in physics is this:

Uns dos factos mais fantásticos na Física é este:

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

tudo no universo, desde a luz aos eletrões aos átomos,

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

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

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

As outras coisas esquisitas que possam ter ouvido da física quântica,

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

o gato de Schrödinger, Deus a jogar aos dados, ação assustadora à distância,

all of it follows directly from the fact

tudo isso decorre diretamente do facto

that everything has both particle and wave nature.

de que tudo tem uma natureza de onda e de partícula, ao mesmo tempo.

This might sound crazy.

Isso pode parecer loucura.

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

Se olharem à volta, vão ver ondas na água e partículas de rocha,

and they're nothing alike.

e não são nada parecidas.

So why would you think to combine them?

Porque é que pensaríamos combiná-las?

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

Os físicos não decidiram misturar estas coisas a partir do nada

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

Pelo contrário, foram levados à dupla natureza do universo

through a process of small steps,

através de um processo de pequenos passos,

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

encaixando muitos pequenos indícios, como peças num "puzzle".

The first person to seriously suggest the dual nature of light

A primeira pessoa que seriamente sugeriu a dupla natureza da luz

was Albert Einstein in 1905,

foi Albert Einstein em 1905.

Mas ele estava a agarrar numa 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,

but to do it, he needed a desperate trick:

mas, para o fazer, fez um truque desesperado:

he said the object was made up of oscillators

disse que o objeto era formado de osciladores

that could only emit light in discrete chunks,

que só podiam emitir luz 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 se satisfez com isso,

mas Einstein agarrou nisso e desenvolveu-o.

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

Aplicou a ideia de Planck á luz em si, dizendo que a luz,

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

que todos pensavam que era uma onda, é realmente uma corrente de fotões,

each with a discrete amount of energy.

cada um deles com valores discretos de energia.

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

Einstein chamou-lhe a única coisa realmente revolucionária que fez,

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

mas explica que a luz, quando incide num metal, pode fazer-lhe perder eletrões.

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

Até as pessoas que odiavam esta ideia aceitaram que funciona brilhantemente.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

A peça seguinte do "puzzle" veio de Ernest Rutherford na Inglaterra.

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

Em 1909, Ernest Marsden e Hans Geiger, que trabalhavam para Rutherford,

shot alpha particles at gold atoms

dispararam partículas alfa sobre átomos de ouro

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

e ficaram surpreendidos ao descobrir que algumas saltavam para trás.

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

Isso mostrou que a maior parte da massa dos átomos

se concentra num diminuto núcleo.

The cartoon atom you learn in grade school,

Na escola aprendemos o desenho animado do átomo,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

com os eletrões a orbitar, como um sistema solar em miniatura,

that's Rutherford's.

Esse é de Rutherford.

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

Só há um pequeno problema com o átomo de Rutherford: não funciona.

Classical physics tells us that an electron

A física clássica diz-nos que um eletrão

whipping around in a circle emits light,

que se move rapidamente num círculo, emite luz,

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

e nós estamos sempre a usar isso para gerar ondas de rádio e raios X.

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

O átomo de Rutherford devia emitir raios X em todas as direções por breves instantes

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

antes de o eletrão se mover em espiral e colidir com o núcleo.

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

Com Rutherford trabalhava Niels Bohr, um físico teórico dinamarquês

pointed out that atoms obviously exist,

que assinalou que os átomos obviamente existem,

so maybe the rules of physics needed to change.

por isso, talvez as leis da física precisassem de mudar.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

Bohr propôs que o eletrão em certas órbitas especiais

doesn't emit any light at all.

não emite nenhuma luz.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

Os átomos absorvem e emitem luz só quando os eletrões mudam de órbita

and the frequency of the light depends on the energy difference

e a frequência da luz depende da diferença de energia

in just the way Planck and Einstein introduced.

na forma como Planck e Einstein expuseram.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

Bohr corrige assim o problema de Rutherford

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

e explica porque é que os átomos só emitem cores muito específicas de luz.

Each element has its own special orbits,

Cada elemento tem a sua órbita especial própria

and thus its own unique set of frequencies.

e assim o seu próprio e único conjunto 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 essas órbitas serem especiais

But Louis de Broglie, a French PhD student,

Mas Louis de Broglie, um estudante de doutoramento francês,

brought everything full circle.

voltou a pôr as coisas no seu lugar.

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

Fez notar que, se a luz, que toda a gente conhecia como uma onda,

behaves like a particle,

se comporta como uma partícula,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

talvez o eletrão, que toda a gente conhecia como uma partícula,

behaves like a wave.

se comporta como uma onda.

And if electrons are waves,

E se os eletrões são ondas,

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

é fácil explicar a regra de Bohr para escolher as órbitas especiais.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

Depois de termos a ideia de que os eletrões se comportam como ondas,

you can go look for it.

podemos ir procurá-los.

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

Ao fim de uns anos, os cientistas nos EUA e no Reino Unido

had observed wave behavior from electrons.

observaram nos eletrões um comportamento de ondas.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

Atualmente, temos uma demonstração incrivelmente clara disto:

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

disparando eletrões individuais para uma barreira com fendas.

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

Deteta-se cada eletrão num lugar específico num tempo específico,

like a particle.

como uma partícula.

But when you repeat the experiment many times,

Mas, se repetirmos a experiência muitas vezes,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

todos os eletrões individuais traçam um padrão de listas,

characteristic of wave behavior.

uma coisa característica do comportamento das ondas.

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

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

is one of the strangest and most powerful in physics.

é uma das mais raras e mais poderosas na física.

Richard Feynman famously said

Richard Feynman ficou conhecido por dizer

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

que isto ilustra o principal mistério da mecânica quântica.

Everything else follows from this,

Tudo o resto se baseia nisso,

like pieces of a puzzle falling into place.

como peças de um "puzzle" encaixando-se no seu lugar.