Experimento da dupla fenda de Young

O primeiro e o quinto experimentos entre os 10 mais da revista Physics World representam diferentes circunstâncias de um mesmo tipo de experimento, isto é, do experimento da dupla fenda de Young.
Sir Isaac Newton (1642-1727) defendia a hipótese de que a luz era constituída de corpúsculos. Os principais fenômenos óticos (reflexão e refração) podiam ser explicados com o uso da teoria corpuscular. Este modelo era combatido por Christiaan Huygens (1629-1695), que defendia a teoria ondulatória. No entanto, a autoridade científica de Newton fez prevalecer sua teoria por mais de um século. Por volta de 1801, uma bela experiência realizada por Thomas Young (1773-1829) resolveu a questão favoravelmente a Huygens. A experiência de Young provou que a luz era uma onda, porque os fenômenos da difração e da interferência, por ele descobertos, eram características exclusivamente ondulatórias. Veremos mais adiante, que a dualidade partícula-onda, proposta por de Broglie, sugeriu a possibilidade de ocorrência desses fenômenos para o caso de partículas.
A minha forma preferida de visualizar o comportamento ondulatório é através de ondas geradas numa cuba de ondas, um dispositivo bastante usado nos laboratórios universitários e em alguns colégios. Ondas circulares são geradas quando a ponta de um bastão toca na água em iguais intervalos de tempo, conforme ilustra a figura ao lado. O detetor pode ser uma rolha de cortiça. A intensidade da onda, ou a energia transferida pela onda, é proporcional à altura alcançada pela rolha. A figura mostra um arranjo com duas fendas. Vejamos o que acontece se a fenda inferior for fechada.

A distribuição de energia que chega no anteparo é dada pela curva vermelha. O formato desta curva varia conforme a largura da fenda, e o comprimento de onda (separação entre os círculos da figura). Se a largura diminuir, a onda "se espalha" ao passar pela fenda. É como se uma nova onda circular fosse "criada" na fenda.

Fechando a fenda superior e abrindo a inferior, a distribuição de energia mantém seu formato, mas desloca-se para a posição em frente à 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 contínua (azul) representa o que se observa. Esta curva não apresenta uma relação simples com as anteriores. Por exemplo, não é simplesmente a soma nem a subtração das curvas anteriores. Diferentemente das curvas anteriores, esta curva obtida com as duas fendas abertas apresenta vários pontos onde a intensidade é nula. Entre estes pontos, a intensidade apresenta valores diferentes. Este foi o surpreendente resultado obtido por Young, quando ele fez este tipo de experiência usando a luz. O fenômeno responsável pelo resultado é denominado interferência, e a curva é usualmente denominada padrão de interferência.
Vejamos o que aconteceria com uma experiência similar realizada com partículas.
Podemos usar balas atiradas contra fendas feitas num anteparo impenetrável. Isto é, as balas só ultrapassam o anteparo através das fendas. O detetor pode ser uma lata com areia. O experimento é realizado assim: o detetor é colocado em determinada posição enquanto a espingarda fica disparando. Ao final de determinado intervalo de tempo, conta-se o número de balas coletadas pelo detetor. A distribuição de balas atingindo diferentes posições é obtida pela repetição desse procedimento, com o detetor sendo colocado nas diversas posições.
Com a fenda inferior bloqueada, a distribuição de balas atingindo o anteparo tem o formato da figura ao lado, centralizada no ponto em frente à fenda superior.

Com a fenda superior bloqueada, a distribuição tem o mesmo formato da anterior, mas passa a ser centralizada no ponto em frente à fenda inferior.

Com ambas as fendas abertas, a distribuição é a soma das anteriores.
Veja que este resultado é completamente diferente daqueles obtidos com ondas de água ou com luz. Isto é, as partículas não apresentam os fenômenos de difração e interferência. Portanto, como se trata de fenômeno exclusivamente ondulatório, Young concluiu que a luz é uma onda (conforme o modelo de Huygens) e não um conjunto de corpúsculos, conforme o modelo de Newton.

Em 1905, para explicar o efeito fotoelétrico Einstein usou uma idéia similar a de Newton, segundo a qual, ao invés de pensarmos na luz como uma onda, deveríamos imaginá-la constituída de corpúsculos, denominados fótons. Com o sucesso da explicação do efeito fotoelétrico, ficou provado que a luz tem um caráter dualístico. Dependendo das circunstâncias, poderia ser vista como onda (apresentando, p.ex. o fenômeno da interferência e da difração), ou como partícula (apresentando o efeito fotoelétrico).
Completando o ciclo da dualidade partícula-onda, Louis de Broglie sugeriu o contrário, isto é, que uma partícula poderia apresentar comportamento ondulatório. De modo análogo ao caso da luz, o caráter ondulatório de uma partícula deveria ser comprovada através de uma experiência de difração ou interferência. O trabalho de de Broglie foi publicado em 1923, e já em 1927, Davisson e Germer realizaram uma experiência na qual se observava a difração de um feixe de elétrons através de um cristal de níquel. Embora esta tenha sido a primeira experiência comprovando o caráter ondulatório de uma partícula, ela não é uma experiência do tipo dupla fenda como a que Young realizou com a luz. Este tipo de experiência só foi realizada com elétrons em 1961, por Claus Jönsson.