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astronomia
 
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Dualidade onda-corpúsculo

Como apreender a dualidade
onda-partícula?

 Tradução automática  Tradução automática Actualização 16 de junho de 2022

O mundo do extremamente pequeno (mundo de partículas como o elétron, o fóton, o próton, o átomo, etc.) não é acessível por nossos órgãos de percepção, incluindo o cérebro.
Nenhuma imagem, nenhuma interpretação pode representar o real do mundo quântico, mesmo as palavras de nossa linguagem são aproximadas para descrever fenômenos quânticos.
Tudo o que pode ser dito e mostrado sobre essa realidade é falso, mas mesmo assim vou tentar dar uma ideia desse conceito fundamental da física quântica que é a dualidade onda-partícula (este termo agora está obsoleto porque teríamos que falar sobre campos).
Em mecânica quântica, parece que uma partícula é tanto um corpúsculo quanto uma onda, essa não é a única estranheza, mas as outras (superposição quântica, emaranhamento quântico ou mesmo não- localidade) derivam deste.
O que esta afirmação nos diz é que qualquer partícula elementar pode ser vista como um corpo sólido concreto, mas também como uma onda que é um conceito abstrato, há uma paradoxo.
O estado de uma partícula descreve todos os aspectos desta partícula, ou seja, o conjunto de conhecimentos (velocidade, momento angular, posição, energia, etc.), que podemos obter sobre a partícula se fizermos medições experimentais sobre ela.
Então, vamos ver o que o famoso experiência chamada experiência da dupla fenda de Young nos diz.
O vídeo ao lado descreve essa experiência de uma forma moderna.

 

1 - Quando enviamos corpúsculos (sólidos) em uma parede com duas fendas, cada corpúsculo passa por uma ou outra fenda, salta em todas as direções e pontos de impacto marcam a tela um pouco onde, atrás das fendas.
2 - Quando uma onda é enviada nesta mesma parede, a onda passa pelas duas fendas e a passagem pelas fendas cria duas pequenas ondas que serão sobrepostas, em alguns lugares elas se somam e em outros se separam. de interferência aparecem na tela.
3 - Quando você envia um objeto quântico, ele passa pelas duas fendas, interfere como uma onda, mas quando atinge a tela, de repente se reduz a um ponto, mais ou menos onde as duas pequenas ondas se somam . Após um grande número de testes, os impactos aparecem como com corpúsculos e franjas de interferência como com ondas.
4 - Mas se adicionarmos um observador para saber por qual fenda a partícula passa, a onda agora se reduz a um corpúsculo ao nível das fendas e só passa por uma fenda de cada vez. Em seguida, medimos na tela pontos de impacto e não de interferência.
O observador modificou a experiência com sua presença!
Se queremos determinar o estado de um sistema quântico, devemos observá-lo, mas essa observação tem o efeito de destruir o estado em questão.

 

O vídeo de ciência popular no site Tudo é quântico é uma interpretação moderna da dualidade onda-partícula.

Como interpretar esta experiência?

    

A escala da física quântica é tão pequena que é impossível ver um objeto quântico como vemos uma onda ou um balão na praia.
Por exemplo, o tamanho de um átomo de hidrogênio é 53 pm (53 x 10-12 metro), podemos alinhar 10 milhões de átomos em um milímetro.
Portanto, ver para um físico não é ver, mas medir ou detectar algo com base nas ferramentas que ele construiu.
O experimento de Young nos mostra que quando medimos um objeto quântico ele muda sua natureza. Às vezes é um corpúsculo, às vezes é uma onda e, além disso, depende do aparelho de medição ou do observador.
O que o experimento da fenda de Young também nos diz é que, quando o objeto quântico está livre de qualquer ambiente, ele aparece como uma onda. Mas se o ambiente (tela, parede, observador ou mesmo moléculas de ar) o força a interagir, o objeto, ou melhor, sua energia é subitamente reduzido a um ponto e assume a aparência de um corpúsculo.
Notamos na tela que a frente de onda não é reduzida em nenhum lugar, é reduzida onde a onda é intensa, ou seja, nas cristas ou nos vales. Em outras palavras, a probabilidade de redução é maior na parte superior e inferior da onda do que nas encostas. É ainda zero onde as ondas estão em oposição de fase. O mais surpreendente é que em um grande número de medições, se enviarmos as partículas uma a uma, ao final, apesar da redução do pacote de ondas, obtemos franjas de interferência.

 

Uma explicação foi proposta em 1927 por Max Born (1882 − 1970).
A partícula é uma onda de probabilidade.
Essa terrível definição mostra a dificuldade que encontramos quando queremos falar sobre objetos quânticos.
Em termos mais simples, é a amplitude de uma onda em uma determinada posição que prediz a probabilidade de que a partícula esteja nessa posição. Uma amplitude alta não significa que é onde a partícula está, mas é onde é mais provável que ela seja encontrada (depois que o pacote de onda é reduzido).
Em resumo :
Na mecânica quântica, não podemos saber se a partícula está em um local específico do espaço, mas qual é a probabilidade de que ela esteja lá.
Ela só terá uma posição se tiver que interagir com o ambiente, antes ela não tem posição, ela está em toda parte e sua natureza é ondulatória. Exatamente como um fóton emitido por uma estrela. Embora tenha viajado livremente por milhões de anos, como uma onda, ela morrerá ao atingir sua retina, com a qual interagirá.
As equações da mecânica quântica se tornam surpreendentemente precisas quando você aceita que elas são probabilidades.
Toda a matéria que compõe o universo (estrelas, planetas, você, eu) é composta de átomos e partículas subatômicas governadas pela probabilidade, não pela certeza.

 Átomos de ferro vistos por um microscópio de corrente de tunelamento

Imagem: Nesta imagem de cerca de 5 milionésimos de milímetro podemos contar 48 átomos de ferro que se comportam como ondas.
Na realidade, não vemos os átomos, mas a representação pictórica no visível que o olho pode interpretar, a partir da medição de correntes elétricas muito pequenas que passam pela ponta de um microscópio de tunelamento de varredura movendo-se sobre os átomos.
© IBM Almaden Visualization Lab

A experiência da dupla fenda de Thomas Young (1773-1829) data de 1821. É um experimento de física que consiste em fazer com que dois feixes de luz de uma mesma fonte interfiram.
Este experimento feito com fótons já foi realizado com todas as partículas. Com elétrons na década de 1920, com nêutrons na década de 1950, com átomos na década de 1980 e com moléculas na década de 1990.
Todas as partículas microscópicas apresentam aspectos quânticos e são suscetíveis a interferências como no experimento de Young.
A mecânica quântica descreve os fenômenos físicos fundamentais que se aplicam em escala atômica e subatômica. Ela foi desenvolvida no início do século XX por uma dúzia de físicos cujo Planck, Einstein, Heisenberg, Bohr, de Broglie, Schrödinger, Feynman para resolver vários problemas, tais como radiação de corpo negro, o efeito fotoelétrico, ou existência de linhas espectrais. A mecânica quântica se mostrou tão frutífera que resolveu o mistério da estrutura do átomo. Ele também descreve o comportamento das partículas elementares e é a base da física moderna. Uma interferência é uma superposição de dois fenômenos vibratórios de frequências vizinhas.
A interferência é a combinação de duas ondas que podem interagir (ondas de luz, ondas eletromagnéticas, ondas sonoras, etc.).
Como ondas, ondas se dividem e combinam.
Quando uma onda cruza dois slots, ela primeiro se divide em duas, então as duas ondas resultantes se encontram e, em seguida, as cristas e os vales se combinam. Duas cristas que se encontram formam uma crista maior, duas calhas que se encontram formam uma calha maior e, quando uma crista e uma calha se encontram, elas se cancelam. As cristas e vales criam uma sucessão de bandas, isso é chamado de padrão de interferência.

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