Não! Você não pode flagrar um fóton se comportando ao mesmo tempo como onda e partícula.

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Traduzido de: No, You Cannot Catch An Individual Photon Acting Simultaneously As A Pure Particle And Wave

13 de março de 2015 
Por: Ben P. Stein, Diretor do ISNS
 Crédito da Imagem: Fabrizio Carbone, EPFL

Na semana passada, a Internet se acendeu com manchetes dramáticas vindas do mundo da ciência: “Pela Primeira Vez na Física, a Luz é Capturada (agindo como) Partícula e Onda” = notícia da NBC NEWS: In a Physics First, Light is Captured as Both Particle and Wave, “A Luz é Fotografada Como Onda e Partícula Simultaneamente = notícia da SwissInfo: Light Photographed as a Simultaneous Wave and Particle, e “A Dualidade Onda-Partícula da Luz é Imageada Pela Primeira Vaz” = notícia no Wired: Light’s Wave-Particle Duality Imaged For The First Time, só para mencionar algumas.

Estas manchetes soam revolucionárias, surpreendentes e profundas para qualquer um de nós que tenha um conhecimento no mínimo marginal dos conceitos mencionados. A física quântica sugere que todos os objetos existentes no universo tenham uma natureza dupla. Um fóton, a unidade básica da luz, pode se comportar como uma onda semelhante a uma onda d’água, ou como uma partícula do tipo de uma bola de bilhar, dependendo da situação. Quando um fóton atinge um metal, ele age como uma bola de bilhar, esbarrando e expulsando elétrons do metal. Quando ele passa através de uma fenda estreita, ele se espalha como uma onda d’água.

No entanto, até agora pelo menos, só tínhamos observado objetos se comportando de uma forma ou de outra. Mais ou menos do jeito que jamais vemos o Super-Homem e Clark Kent no mesmo lugar ao mesmo tempo. Porém essas manchetes sugerem que os pesquisadores flagraram a luz no ato de ser, ao mesmo tempo, uma partícula e uma onda. Como e de que modo eles viram isto? Quais as implicações que isto teria sobre a natureza dual da matéria em nosso universo?

Tecnicamente, as manchetes não são incorretas. Porém, para mim e outros, elas implicam em algo mais radical do que aquilo que realmente foi observado. Para não me alongar muito, um fóton individual não pode ser observado se comportando simultaneamente como uma partícula e uma onda. Mas, se você juntar um grupo de fótons diferentes, pode observar alguns agindo como partículas e outros como ondas. Muitos dos relatos não deixam esta circunstância clara.

Os pesquisadores que realizaram a experiência, publicada na Nature Communications, estão na mesma frequência desta assertiva.

“Eu também acredito que um monte de pessoas está interpretando de forma exagerada o significado desses dados”, disse em um email o principal autor (do artigo) Fabrizio Carbone do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça (EPFL) em Lausanne. Ele realizou o trabalho junto com colaboradores do EPFL, do Trinity College em Hartford, Connecticut, e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Berkeley, California.

Os pesquisadores aprisionaram uma onda em um “nano-fio” superfino, cuja espessura é medida em nanômetros, ou seja, bilhonésimos de metro. É uma onda estacionária, tal como a vibração de uma corda de guitarra, com picos e vales que ficam sempre na mesma posição.

Para ser preciso, não é estritamente uma onda de luz, como sugerem as manchetes. Na verdade é um híbrido de uma onda de luz que dança dentro do fio e uma onda eletronagnética que desliza pela superfície do fio, produzida pelas partículas carregadas que se movem ao longo do fio. Elas ficam como que unificadas na extremidade. Este objeto composto é conhecido como um plasmon poláriton de superfície e você pode ler mais sobre ele na Wikipedia (Nota do tradutor: se você souber inglês…).

Para simplificar as coisas, vamos considerá-lo com sendo apenas uma onda de luz. Para efeitos desta discussão, não interessa se é feita de fótons ou de algum objeto híbrido. Ele age como uma onda.

Porém, quando os pesquisadores dispararam elétrons de encontro ao nano-fio, os elétrons algumas vezes foram acelerados de forma específica, indicando que eles haviam absorvido fótons indiviuais do nano-fio. Como pode a luz se comportar, ao mesmo tempo, como ondas e partículas?

A resposta é que essa luz é feita de mutios fótons diferentes. Cada um deles se comportou de forma diferente. Os pesquisadores observaram que alguns fótons agiram como partículas e outros agiram como ondas. O imageamento desses dois tipos (de comportamento) ao mesmo tempo é o que foi feito pela primeira vez em sua experiência.

Nada que vá forçar a reescrever os livros-texto de física, mas ainda assim muito legal! Os pesquisadores testemunharam um comportamento importante em nano-fios, que pode servir da base para futuros dispositivos ópticos e eletrônicos em nano-escala. Além disso, eles puderam contar quantos fótons estavam nas ondas estudadas e como os elétrons interagiram com eles. Porém, quando um elétron absorvia um dos fótons, eles não podiam precisar de onde o fóton tinha vindo dentro da onda.

Carbone mencionou um  artigo de 2011 da Science que, segundo ele, foi o que chegou mais perto de capturar a natureza dual dde um fóton. Pesquisadores, liderados por Aephraim Steinberg da Universidade de Toronto mediram uma propriedade tipo partícula de fótons individuais — sua posição média — sem destruir os padrões de interferência tipo ondas que eles criavam após (a medição). A publicação Physics World declarou essa experiência a  “Descoberta do Ano de 2011” bem merecidamente. No entanto, nem essa experiência conseguiu determinar as posições exatas dos fótons individuais, na medida em que eles progrediam para criar os padrões de interferência típicos de ondas de faixas claras e escuras em um detector.

E qual é a razão fundamental para esta limitação? É algo inerente à mecânica quântica, conhecida como o Princípio da Incerteza de Heisenberg. Seu nome vem do físico do século XX, Werner Heisenberg, e diz que não se póde medir duas variáveis complementares, tais como posição e momento, com total precisão. Na hora em que se mede uma delas, a precisão com que se poderia medir a outra é sacrificada.

Assim, se medirmos as propriedades tipo partícula do fóton, estaremos sacrificando suas propriedades tipo onda. Zere na posição de um fóton com grande precisão e ele não vai poder participar mais tarde da criação de um padrão de interferência tipo onda.

É possível medir fracamente algumas propriedades tipo onda e tipo partícula de um fóton ao mesmo tempo, segundo Carbone, conqueanto que as incertezas combinadas não violem o Princípio de Incerteza..

Mas, ao fim e ao cabo, talvez essa “dualidade onda-partícula” seja uma forma artificial de explicar o mundo quântico, me explicou Steinberg em um email.

“Embora eu frequentemente seja culpável por isso, eu mesmo, penso que é um pouco de confusão induzida pelo cantochão dos físicos em salmodear sobre comportamentos ‘tipo onda’ e ‘tipo partícula'”, escreve ele. “Nós temos uma grande teoria matemática que nos diz o que os fótons… fazem na verdade. E aí então temos a tendência humana de traçar analogias e dizer: ‘hmmm… neste caso parece com o que eu esperaria de uma onda d’água’ e ‘mas neste outro caso se parece com o que eu esperaria de uma bola de bilhar’. Mas os fótons não são ondas d’água, nem bolas de bilhar”, complementa ele.

“Temos que ser sempre muito cuidadosos para definir exatamente qual pergunta temos em mente”, prossegue Steinberg. “Se duas marolas se cruzarem em um lago e eu enfiar a mão em concha na água, tirar uma mancheia d’água e lhe perguntar ‘de qual marola vieram estas moléculas d’água?’, não há uma resposta”.

“E não há resposta porque a pergunta foi mal enunciada, não porque haja qualquer profundo mistério na física das ondas d’água”, sublinha Steinberg.

“No fim, a mecância quãntica continua a mesma. Quando se faz perguntas claras, cuidadosamente escolhidas e experimentalmente verificáveis, não há paradoxos”, de acordo com Steinberg.

“O que isso nos ensina é que ainda não conseguimos pensar corretamente sobre a mecânica quântica — não que haja qualquer problema com a teoria em si ou no modo como a usamos para fazer predições”.


Ben P. Stein, é o diretor do “Inside Science”, e vem cobrindo a física como um divulgador de ciência e editor desde 1991; siga-o no Tweetwe em @bensteinscience.

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