Nesse artigo celebraremos o Ano Internacional da Luz contando uma história sobre o conceito de fóton ao longo do Século XX. Pode-se pensar que o conceito de fóton tornou-se bem estabelecido na física logo após da década de 1930. Contudo, destacaremos que desenvolvimentos teóricos e experimentais culminaram, após a década de 1950, na revisão do conceito canônico de fóton da velha teoria quântica. Na óptica quântica, o fóton não é mais representado pela imagem de partícula individual, mas por uma ferramenta matemática que descreve uma excitação de um estado quântico. Esse artigo dedica-se a revelar os caminhos que levaram a um conceito de fóton mais sofisticado, passando pelo efeito HBT, os estados coerentes de Glauber, e os experimentos que trouxeram à tona a natureza quântica da luz.
Nesse artigo celebraremos o Ano Internacional da Luz contando uma história sobre o conceito de fóton ao longo do Século XX. Pode-se pensar que o conceito de fóton tornou-se bem estabelecido na física logo após da década de 1930. Contudo, destacaremos que desenvolvimentos teóricos e experimentais culminaram, após a década de 1950, na revisão do conceito canônico de fóton da velha teoria quântica. Na óptica quântica, o fóton não é mais representado pela imagem de partícula individual, mas por uma ferramenta matemática que descreve uma excitação de um estado quântico. Esse artigo dedica-se a revelar os caminhos que levaram a um conceito de fóton mais sofisticado, passando pelo efeito HBT, os estados coerentes de Glauber, e os experimentos que trouxeram à tona a natureza quântica da luz.
O fóton, uma partícula sem massa e sem carga, há muito tempo deixa os físicos perplexos devido à sua natureza dupla de onda e partícula. No início do século XX, foi demonstrado que o fóton, assim como outras partículas, exibe simultaneamente comportamentos de onda e de partícula. Este artigo tem como objetivo explorar a interação dos fótons com a matéria e abordar questões relativas à sua relação. Pesquisas experimentais revelam interações significativas entre fótons, especialmente em frequências mais altas, e vários materiais, exemplificadas por fenômenos como os efeitos fotoelétrico e Compton, bem como a produção de pares. Embora esses exemplos sejam peculiares à física quântica e possam parecer distantes da nossa realidade, o estudo baseia-se no trabalho de pesquisadores da Universidade de Brasília (UnB), que utilizaram interações fóton-matéria no tratamento de feridas de pé diabético, ilustrando como o conhecimento quântico pode salvar e melhorar vidas. Essa abordagem interdisciplinar ressalta não apenas a existência dessa relação, mas também a implementação prática da física quântica na sociedade.
O artigo de Bose, aqui traduzido para o português, constitui-se em "um progresso importante", usando as palavras do próprio Einstein, no que se refere ao desenvolvimento de uma teoria quântica da luz. Embora não afirme explicitamente, Bose supõe que os quanta de luz são indistingüíveis. Além disso, admite a hipótese, até então não aceita pela maioria da comunidade física, de que os fótons possuem impulso. Seu artigo inspirou Einstein, logo a seguir, a desenvolver sua teoria quântica do gás ideal. A estatística quântica de partículas de spin inteiro ficou, justamente, conhecida como estatística de Bose-Einstein.
O artigo de Bose, aqui traduzido para o português, constitui-se em "um progresso importante", usando as palavras do próprio Einstein, no que se refere ao desenvolvimento de uma teoria quântica da luz. Embora não afirme explicitamente, Bose supõe que os quanta de luz são indistingüíveis. Além disso, admite a hipótese, até então não aceita pela maioria da comunidade física, de que os fótons possuem impulso. Seu artigo inspirou Einstein, logo a seguir, a desenvolver sua teoria quântica do gás ideal. A estatística quântica de partículas de spin inteiro ficou, justamente, conhecida como estatística de Bose-Einstein.
A natureza da luz sempre intrigou a humanidade. Entre os textos dos antigos gregos que sobreviveram até nossos dias, é frequente menções sobre a luz e sua natureza. O primeiro livro conhecido sobre óptica é atribuído a Euclides no século III a.C. O fenômeno da refração, embora conhecido há milênios, resistiu a uma explicação matemática até a idade moderna. W. Snellius (Snell) foi o primeiro a apresentar a equação correta que relacionasse os ângulos de incidência, refração e velocidades da luz em cada meio em uma refração, mas não publicou seus resultados. A publicação foi feita por René Descartes. Esse resultado é conhecido hoje como lei de Snell-Descartes ou lei da refração. Descartes tratou a luz como partícula em sua dedução. Huygens, no século XVII, também deduziu essa lei, mas tratando a luz como onda. Esses resultados diferiam quanto à velocidade da luz em meios mais refringentes. A medida da velocidade só foi possível no século XIX e corroborou o resultado de Huygens indicando a natureza ondulatória da luz. O interessante é que Einstein, em 1905, explica o efeito fotoelétrico tratando a luz como partícula (quantum de energia). Mas se a luz possui também um comportamento corpuscular, não deveria ser possível obter a lei de Snell-Descartes tratando-a dessa forma? Nesse trabalho, mostraremos que é possível obter essa lei partindo da hipótese corpuscular da luz. Além do forte apelo didático, o trabalho faz uma interessante discussão sobre a história do entendimento atual da ciência sobre a natureza da luz.
Sabe-se que muitas pessoas nao tem interesse por Fisica, pois tem implicacoes na area, como, por exemplo, a dificuldade de entender fenomenos fisicos, no entanto, ao mesmo tempo em que muitos alunos encontram obstaculos no estudo da Fisica, alem do fato de se dar pouca importância ao entendimento Fisico, a matematica continua a receber exagerada valorizacao. O objetivo deste trabalho e apresentar as pessoas que nem tudo relacionado a Fisica e de dificil compreensao, apresentando-as um experimento teorico: O Gato de Schroedinger, que pode as impressionar, misturando uma materia complexa como a Mecânica Quântica, com um exemplo macroscopico, saindo dos repetidos exemplos microscopicos, e tambem pode faze-las se interessarem nao so sobre o experimento teorico, mas sim sobre a Fisica em geral, e ao mesmo tempo comentando, e explanando, conceitos como o Principio da Incerteza de Heisenberg, a Interpretacao de Copenhague, a Dualidade Onda-Particula, entre outros. Como metodologia, usou-se a experiencia teorica, O Gato de Schroedinger, criada pelo fisico austriaco Erwin Schroedinger, um dos mais brilhantes cientistas do seculo XX. Na hipotese de Schroedinger, ele criou uma situacao, que geralmente so acontece no mundo subatomico, no mundo macroscopico. O experimento consiste em colocar um gato dentro de uma caixa e fecha-lo. Junto ao gato, dentro da caixa, e inserido um frasco contendo um gas venenoso, um elemento radioativo emissor de particulas alfa e um dispositivo composto de um martelo e um detector de radiacao. Se o detector registrar a presenca de pelo menos uma particula alfa, o martelo e acionado e quebra o frasco, liberando o gas venenoso e, consequentemente, matando o gato. Entretanto, vamos considerar que a fonte radioativa possa liberar particulas alfa dentro de um intervalo de tempo determinado, e que tambem possa nao liberar essas particulas nesse tempo. Existe cinquenta por cento de chance de que o elemento libere a particula e a outra metade que ele nao libere. Se ele nao liberar a particula, o gato nao morre, mas se o veneno e liberado, o gato morrera, podemos dizer que temos cinquenta por cento de chance de o animal viver e cinquenta por cento do felino morrer. Seguindo o raciocinio de Schroedinger, as duas realidades aconteceriam simultaneamente e o gato estaria vivo e morto ao mesmo tempo ate que a caixa fosse aberta. No entanto, um dos principios da Mecânica Quântica, o Principio da Incerteza de Heisenberg estabelece que nao e possivel fazer uma medida sem interferir nos resultados dessa propria medida. Logo, se abrirmos a caixa para olhar o estado do gato, estaremos interferindo no sistema e alterando seus resultados, ou seja, a presenca de um observador acabaria com dualidade e ele so poderia ver o animal vivo ou morto. Conclui-se que, com a explicacao de facil entendimento, houve uma maior assimilacao dos alunos em questao da Fisica.
No artigo "Einstein y el efecto Compton", publicado neste número de SCIENTIÆ UDIA: , os autores estranham o fato de Einstein não ter declarado mais claramente o quanto esse efeito comprovava definitivamente o carácter corpuscular da radiação. A presente nota crítica pretende fornecer elementos adicionais de apreciação que permitam acompanhar o método de exploração do domínio dos quanta elaborado por Einstein, na ausência de uma teoria adequada, e praticado por ele de 1905 à 1925, evidenciando por esse meio propriedades inéditas e inusuais dos fenômenos quânticos; e também explicitar o alvo que ele queria almejar com sua investigação e entender melhor seu pensamento acerca dos quanta. Três argumentos principais são delineados. (1) O problema dos quanta de luz está estreitamente ligado com aquele das propriedades quânticas da matéria atômica em geral, do qual não pode ser separado. (2) Outro experimento, realizado pouco depois do experimento de Compton, trouxe um elemento adicional, necessário para que se possa atribuir sem nenhuma reticiência uma quantidade de movimento à radiação, isto é, o caráter individual da interação da qual a radiação toma parte. (3) Enfim, os trabalhos de Einstein sobre a estatística quântica, realizados no mesmo período, apontavam na direção da generalização do duplo caráter onda-corpúsculo à radiação, como também à matéria, evidenciando a indiscernibilidade dos estados idênticos e revelando, assim, propriedades fundamentais radicalmente novas que toda teoria quântica futura haveria de incluir.