É possível que algo seja, ao mesmo tempo, uma partícula discreta ( Werner Heisenberg ) e uma onda contínua ( Erwin Schrödinger )?
Esse mistério central da mecânica quântica foi percebido pela primeira vez por Albert Einstein em seu artigo de 1905 (pelo qual ganhou o Prêmio Nobel), no qual propôs sua "hipótese do quantum de luz".
Ele escreveu em 1905:
De acordo com a hipótese a ser considerada aqui, a energia de um raio de luz que se propaga a partir de uma fonte pontual não é distribuída continuamente por um espaço crescente, mas consiste em um número finito de quanta de energia localizados em pontos do espaço, que se movem sem se dividir e que só podem ser produzidos e absorvidos como unidades inteiras.
Em 1909, Einstein especulou sobre a conexão entre as visões ondulatória e corpuscular:
Trata-se da dualidade onda-partícula quatorze anos antes das ondas de matéria de Louis de Broglie e da equação de onda e mecânica ondulatória de Erwin Schrödinger.Quando se demonstrou que a luz exibe interferência e difração, tornou-se quase certo que ela deveria ser considerada uma onda... Um grande conjunto de fatos mostra inegavelmente que a luz possui certas propriedades fundamentais que são melhor explicadas pela teoria da emissão de Newton do que pela teoria da oscilação. Por essa razão, acredito que a próxima fase no desenvolvimento da física teórica nos trará uma teoria da luz que pode ser considerada uma fusão das teorias da oscilação e da emissão...Mesmo sem aprofundar na teoria, percebe-se que nossa teoria da luz não consegue explicar certas propriedades fundamentais de fenômenos associados à luz. Por que a cor da luz, e não sua intensidade, determina se uma determinada reação fotoquímica ocorre Por que a luz de comprimento de onda curto é geralmente mais eficaz quimicamente do que a luz de comprimento de onda mais longo Por que a velocidade dos raios catódicos produzidos fotoeletricamente é independente da intensidade da luz Por que são necessárias temperaturas mais altas (e, portanto, energias moleculares mais altas) para adicionar um componente de comprimento de onda curto à radiação emitida por um objeto?
A propriedade fundamental da teoria da oscilação que gera essas dificuldades me parece a seguinte: na teoria cinética das moléculas, para cada processo em que participam apenas algumas partículas elementares (por exemplo, colisões moleculares), existe também o processo inverso. Mas esse não é o caso dos processos elementares da radiação.
A visão de Einstein desde 1905 era de que os quanta de luz são emitidos em direções específicas. Não existem ondas esféricas emitidas para fora (exceto ondas de amplitude de probabilidade). Ondas esféricas emitidas para dentro são ainda menos prováveis.De acordo com a nossa teoria predominante, um íon oscilante gera uma onda esférica que se propaga para fora. O processo inverso não existe como um processo elementar. Uma onda esférica convergente é matematicamente possível, sem dúvida; mas aproximar-se da sua realização requer um número vasto de entidades emissoras. O processo elementar de emissão não é invertível. Neste ponto, creio que a nossa teoria da oscilação não é precisa. A teoria da emissão de luz de Newton parece conter mais verdade a este respeito do que a teoria da oscilação, uma vez que, em primeiro lugar, a energia fornecida a uma partícula de luz não é dispersa pelo espaço infinito, mas permanece disponível para um processo elementar de absorção.
Antes do desenvolvimento de qualquer uma dessas teorias em meados da década de 1920, Einstein, em 1916, demonstrou como comportamentos tanto ondulatórios quanto corpusculares são observados em quanta de luz, e que a emissão de luz ocorre em momentos e direções aleatórios. Essa foi a introdução do acaso ontológico ( Zufall ) na física, mais de uma década antes de Heisenberg anunciar que a mecânica quântica é acausal em seu artigo sobre o "princípio da incerteza" de 1927.
Até 1917, Einstein sentia-se praticamente sozinho em sua crença na realidade (ênfase dele) dos quanta de luz:
Já não duvido da realidade dos quanta de radiação, embora ainda esteja bastante isolado nessa convicção.
Em 1916, Einstein havia acabado de derivar seus coeficientes A e B, que descreviam a absorção, a emissão espontânea e (sua recém-prevista) a emissão estimulada da radiação. Em dois artigos, "Emissão e Absorção de Radiação na Teoria Quântica" e "Sobre a Teoria Quântica da Radiação", ele derivou a lei de Planck (para Planck, tratava-se principalmente de um palpite sobre a fórmula), o postulado de Planck E = hν e o segundo postulado de Bohr, E <sub>m </sub> - E <sub> n</sub> = hν . Einstein fez isso explorando a relação óbvia entre a distribuição de Maxwell-Boltzmann das velocidades das partículas de um gás e a distribuição da radiação na lei de Planck.
A semelhança formal entre a curva de distribuição cromática da radiação térmica e a lei de distribuição de velocidades de Maxwell é demasiado notável para ter permanecido oculta por muito tempo. De fato, foi essa semelhança que levou W. Wien, há algum tempo, a uma extensão da fórmula da radiação em seu importante artigo teórico, no qual derivou sua lei do deslocamento... Recentemente, descobri uma dedução da fórmula de Planck intimamente relacionada ao argumento original de Wien e baseada na premissa fundamental da teoria quântica. Essa dedução revela a relação entre a curva de Maxwell e a curva de distribuição cromática e merece atenção não apenas por sua simplicidade, mas principalmente porque parece lançar alguma luz sobre o mecanismo de emissão e absorção de radiação pela matéria, um processo que ainda nos é obscuro.Mas a introdução do pensamento da mecânica estatística de Maxwell-Boltzmann à teoria eletromagnética produziu o que Einstein chamou de "fraqueza na teoria". Ela introduz a realidade de uma probabilidade objetiva irredutível !
Se os quanta de luz são partículas com energia E = hν viajando à velocidade da luz c , então eles deveriam ter um momento p = E/c = hν/c . Quando a luz é absorvida por partículas materiais, esse momento será claramente transferido para a partícula. Mas quando a luz é emitida por um átomo ou molécula, surge um problema.
A molécula recebe um impulso quando absorve ou emite energia ε Por exemplo, consideremos a emissão do ponto de vista da eletrodinâmica clássica. Quando um corpo emite radiação ε, ele sofre um recuo (momento) ε/c se toda a energia da radiação for emitida na mesma direção. Se, no entanto, a emissão for um processo espacialmente simétrico, como uma onda esférica, nenhum recuo ocorre. Essa alternativa também desempenha um papel na teoria quântica da radiação. Quando uma molécula absorve ou emite energia ε na forma de radiação durante a transição entre estados teoricamente possíveis na mecânica quântica, esse processo elementar pode ser visto como totalmente ou parcialmente direcionado no espaço, ou ainda como simétrico (não direcionado). Constatamos que chegamos a uma teoria livre de contradições somente se interpretarmos esses processos elementares como processos totalmente direcionados.
Uma partícula de luz emitida deve transmitir um momento hν/c ao átomo ou molécula, mas a direção desse momento não pode ser prevista! A teoria também não consegue prever o instante em que o quantum de luz será emitido.
Tal aleatoriedade temporal não era desconhecida na física. Quando Ernest Rutherford derivou a lei para o decaimento radioativo de núcleos atômicos instáveis em 1900, ele só pôde fornecer a probabilidade do tempo de decaimento. Einstein percebeu a conexão com a emissão de radiação:
Isso corrobora a teoria de que a lei estatística assumida para a emissão [espontânea] nada mais é do que a lei de Rutherford do decaimento radioativo.Mas a incapacidade de prever tanto o momento quanto a direção das emissões de partículas de luz, disse Einstein em 1917, é "uma fraqueza na teoria..., que deixa o tempo e a direção dos processos elementares ao acaso ( Zufall, ibid. )". É uma fraqueza apenas para Einstein, é claro, porque seu Deus não joga dados.
Einstein percebeu claramente, como nenhum de seus contemporâneos, que, como a emissão espontânea é um processo estatístico, ela não pode ser descrita pela física clássica.
As propriedades dos processos elementares necessárias... tornam quase inevitável a formulação de uma teoria verdadeiramente quantizada da radiação.
A teoria de Planck leva à seguinte conjectura: se for realmente verdade que um ressonador radiativo só pode assumir valores de energia que sejam múltiplos de hν , a suposição óbvia é que a emissão e a absorção de luz ocorrem apenas nessas quantidades de energia. Com base nessa hipótese, a hipótese dos quanta de luz , as questões levantadas acima sobre a emissão e a absorção de luz podem ser respondidas. Até onde sabemos, as consequências quantitativas dessa hipótese dos quanta de luz são confirmadas. Isso suscita a seguinte questão: não seria possível que a fórmula da radiação de Planck estivesse correta, mas que outra derivação pudesse ser encontrada que não se baseasse em uma suposição aparentemente tão monstruosa quanto a teoria de Planck Não seria possível substituir a hipótese dos quanta de luz por outra suposição, com a qual se pudesse fazer justiça aos fenômenos conhecidos Se for necessário modificar os elementos da teoria, não se poderia manter intactas as leis de propagação e alterar apenas as concepções dos processos elementares de emissão e absorção?Para chegar a uma resposta definitiva para essa questão, vamos proceder na direção oposta à de Planck em sua teoria da radiação. Consideremos a fórmula da radiação de Planck como correta e perguntemos se algo sobre a composição da radiação pode ser derivado dela.
Oito anos depois, em seu artigo sobre os coeficientes A e B (probabilidades de transição) para a emissão e absorção de radiação, Einstein levou adiante sua tentativa de compreender a lei de Planck. Ele confirmou que a luz se comporta, às vezes, como ondas e, outras vezes, como partículas de um gás.
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