O primeiro e o quinto experimentos entre os 10 mais da revista Physics World representam diferentes circunst�ncias de um mesmo tipo de experimento, isto �, do experimento da dupla fenda de Young.
Sir Isaac Newton (1642-1727) defendia a hip�tese de que a luz era constitu�da de corp�sculos. Os principais fen�menos �ticos (reflex�o e refra��o) podiam ser explicados com o uso da teoria corpuscular. Este modelo era combatido por Christiaan Huygens (1629-1695), que defendia a teoria ondulat�ria. No entanto, a autoridade cient�fica de Newton fez prevalecer sua teoria por mais de um s�culo. Por volta de 1801, uma bela experi�ncia realizada por Thomas Young (1773-1829) resolveu a quest�o favoravelmente a Huygens. A experi�ncia de Young provou que a luz era uma onda, porque os fen�menos da difra��o e da interfer�ncia, por ele descobertos, eram caracter�sticas exclusivamente ondulat�rias. Veremos mais adiante, que a dualidade part�cula-onda, proposta por de Broglie, sugeriu a possibilidade de ocorr�ncia desses fen�menos para o caso de part�culas.
A minha forma preferida de visualizar o comportamento ondulat�rio � atrav�s de ondas geradas numa cuba de ondas, um dispositivo bastante usado nos laborat�rios universit�rios e em alguns col�gios. Ondas circulares s�o geradas quando a ponta de um bast�o toca na �gua em iguais intervalos de tempo, conforme ilustra a figura ao lado. O detetor pode ser uma rolha de corti�a. A intensidade da onda, ou a energia transferida pela onda, � proporcional � altura alcan�ada pela rolha. A figura mostra um arranjo com duas fendas. Vejamos o que acontece se a fenda inferior for fechada. | |
A distribui��o de energia que chega no anteparo � dada pela curva vermelha. O formato desta curva varia conforme a largura da fenda, e o comprimento de onda (separa��o entre os c�rculos da figura). Se a largura diminuir, a onda "se espalha" ao passar pela fenda. � como se uma nova onda circular fosse "criada" na fenda. | |
Fechando a fenda superior e abrindo a inferior, a distribui��o de energia mant�m seu formato, mas desloca-se para a posi��o em frente � fenda inferior. Vejamos o que acontece quando as duas fendas permanecem abertas. | |
As curvas tracejadas (verde e vermelha) representam os resultados anteriores, enquanto a curva cont�nua (azul) representa o que se observa. Esta curva n�o apresenta uma rela��o simples com as anteriores. Por exemplo, n�o � simplesmente a soma nem a subtra��o das curvas anteriores. Diferentemente das curvas anteriores, esta curva obtida com as duas fendas abertas apresenta v�rios pontos onde a intensidade � nula. Entre estes pontos, a intensidade apresenta valores diferentes. Este foi o surpreendente resultado obtido por Young, quando ele fez este tipo de experi�ncia usando a luz. O fen�meno respons�vel pelo resultado � denominado interfer�ncia, e a curva � usualmente denominada padr�o de interfer�ncia. Vejamos o que aconteceria com uma experi�ncia similar realizada com part�culas. | |
Podemos usar balas atiradas contra fendas feitas num anteparo impenetr�vel. Isto �, as balas s� ultrapassam o anteparo atrav�s das fendas. O detetor pode ser uma lata com areia. O experimento � realizado assim: o detetor � colocado em determinada posi��o enquanto a espingarda fica disparando. Ao final de determinado intervalo de tempo, conta-se o n�mero de balas coletadas pelo detetor. A distribui��o de balas atingindo diferentes posi��es � obtida pela repeti��o desse procedimento, com o detetor sendo colocado nas diversas posi��es. | |
Com a fenda inferior bloqueada, a distribui��o de balas atingindo o anteparo tem o formato da figura ao lado, centralizada no ponto em frente � fenda superior. | |
Com a fenda superior bloqueada, a distribui��o tem o mesmo formato da anterior, mas passa a ser centralizada no ponto em frente � fenda inferior. | |
Com ambas as fendas abertas, a distribui��o � a soma das anteriores. Veja que este resultado � completamente diferente daqueles obtidos com ondas de �gua ou com luz. Isto �, as part�culas n�o apresentam os fen�menos de difra��o e interfer�ncia. Portanto, como se trata de fen�meno exclusivamente ondulat�rio, Young concluiu que a luz � uma onda (conforme o modelo de Huygens) e n�o um conjunto de corp�sculos, conforme o modelo de Newton. |
Em 1905, para explicar o efeito fotoel�trico Einstein usou uma id�ia similar a de Newton, segundo a qual, ao inv�s de pensarmos na luz como uma onda, dever�amos imagin�-la constitu�da de corp�sculos, denominados f�tons. Com o sucesso da explica��o do efeito fotoel�trico, ficou provado que a luz tem um car�ter dual�stico. Dependendo das circunst�ncias, poderia ser vista como onda (apresentando, p.ex. o fen�meno da interfer�ncia e da difra��o), ou como part�cula (apresentando o efeito fotoel�trico).
Completando o ciclo da dualidade part�cula-onda, Louis de Broglie sugeriu o contr�rio, isto �, que uma part�cula poderia apresentar comportamento ondulat�rio. De modo an�logo ao caso da luz, o car�ter ondulat�rio de uma part�cula deveria ser comprovada atrav�s de uma experi�ncia de difra��o ou interfer�ncia. O trabalho de de Broglie foi publicado em 1923, e j� em 1927, Davisson e Germer realizaram uma experi�ncia na qual se observava a difra��o de um feixe de el�trons atrav�s de um cristal de n�quel. Embora esta tenha sido a primeira experi�ncia comprovando o car�ter ondulat�rio de uma part�cula, ela n�o � uma experi�ncia do tipo dupla fenda como a que Young realizou com a luz. Este tipo de experi�ncia s� foi realizada com el�trons em 1961, por Claus J�nsson.
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Cr�ditos e agradecimentos
Agradecemos ao Dr. David M. Harrison, do Departamento de F�sica da Univ. de Toronto, a autoriza��o para usar as ilustra��es do seu excelente site The Feynman Double Slit.
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