A dualidade onda partícula é o conceito da mecânica quântica de que cada partícula ou entidade quântica pode ser descrita como uma partícula ou uma onda. Expressa a incapacidade dos conceitos clássicos de "partícula" ou "onda" para descrever completamente o comportamento de objetos em escala quântica. Como Albert Einstein escreveu: miniaturadaimagem|Reunião de Cientistas
“Parece que às vezes devemos usar uma teoria e às vezes a outra, enquanto às vezes podemos usar qualquer uma delas. Estamos diante de um novo tipo de dificuldade. Temos duas imagens contraditórias da realidade; separadamente, nenhum deles explica totalmente os fenômenos da luz, mas juntos eles o fazem.”
Através do trabalho de Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr, Erwin Schrödinger e muitos outros, a teoria científica atual sustenta que todas as partículas exibem uma natureza ondulatória e vice-versa. Este fenômeno foi verificado não apenas para partículas elementares, mas também para partículas compostas como átomos e até moléculas. Para partículas macroscópicas, por causa de seus comprimentos de onda extremamente curtos, as propriedades das ondas geralmente não podem ser detectadas.
Embora o uso da dualidade onda-partícula tenha funcionado bem na física, o significado ou interpretação não foi satisfatoriamente resolvido; ver interpretações da mecânica quântica.
Bohr considerou o "paradoxo da dualidade" como um fato fundamental ou metafísico da natureza. Um determinado tipo de objeto quântico exibirá às vezes o caráter de onda, às vezes de partícula, em configurações físicas respectivamente diferentes. Ele viu essa dualidade como um aspecto do conceito de complementaridade. Bohr considerou a renúncia à relação causa-efeito, ou complementaridade, da imagem espaço-tempo, como essencial para a explicação da mecânica quântica.
Werner Heisenberg considerou a questão mais a fundo. Ele viu a dualidade como presente para todas as entidades quânticas, mas não exatamente na descrição usual da mecânica quântica considerada por Bohr. Ele viu isso no que é chamado de segunda quantização, que gera um conceito inteiramente novo de campos que existem no espaço-tempo comum, a causalidade ainda sendo visualizável. Os valores clássicos de campo (por exemplo, as forças de campo elétrico e magnético de Maxwell) são substituídos por um tipo inteiramente novo de valor de campo, conforme considerado na teoria quântica de campos. Invertendo o raciocínio, a mecânica quântica comum pode ser deduzida como uma consequência especializada da teoria quântica de campos.
História Teoria clássica Demócrito (século 5 aC) argumentou que todas as coisas no universo, incluindo a luz, são compostas de subcomponentes indivisíveis. Euclides (4º–3º século aC) dá tratados sobre a propagação da luz, afirma o princípio da trajetória mais curta da luz, incluindo múltiplas reflexões em espelhos, incluindo esféricos, enquanto Plutarco (1º–2º século dC) descreve múltiplas reflexões em espelhos esféricos discutindo a criação de imagens maiores ou menores, reais ou imaginárias, inclusive no caso de quiralidade das imagens. No início do século 11, o cientista árabe Ibn al-Haytham escreveu o primeiro livro abrangente de óptica descrevendo reflexão, refração e a operação de uma lente pinhole através de raios de luz que viajam do ponto de emissão para o olho. Ele afirmou que esses raios eram compostos de partículas de luz. Em 1630, René Descartes popularizou a descrição de ondas opostas em seu tratado sobre a luz, The World, mostrando que o comportamento da luz poderia ser recriado pela modelagem de distúrbios ondulatórios em um meio universal, ou seja, éter luminífero. Começando em 1670 e progredindo ao longo de três décadas, Isaac Newton desenvolveu e defendeu sua teoria corpuscular, argumentando que as linhas perfeitamente retas de reflexão demonstravam a natureza das partículas da luz, apenas partículas poderiam viajar em tais linhas retas. Ele explicou a refração postulando que as partículas de luz aceleravam lateralmente ao entrar em um meio mais denso. Na mesma época, os contemporâneos de Newton, Robert Hooke e Christiaan Huygens, e mais tarde Augustin-Jean Fresnel, refinaram matematicamente o ponto de vista da onda, mostrando que se a luz viajasse em diferentes velocidades em diferentes meios, a refração poderia ser facilmente explicada como a propagação dependente do meio de ondas de luz. O princípio de Huygens-Fresnel resultante foi extremamente bem sucedido na reprodução do comportamento da luz e foi posteriormente apoiado pela descoberta de Thomas Young da interferência de ondas da luz por seu experimento de dupla fenda em 1801. A visão de onda não substituiu imediatamente a visão de raios e partículas, mas começou a dominar o pensamento científico sobre a luz em meados do século 19, uma vez que podia explicar fenômenos de polarização que as alternativas não podiam. miniaturadaimagem|James Maxwell
James Clerk Maxwell descobriu que poderia aplicar suas equações de Maxwell previamente descobertas, juntamente com uma ligeira modificação para descrever ondas auto-propagantes de campos elétricos e magnéticos oscilantes. Rapidamente se tornou aparente que a luz visível, a luz ultravioleta e a luz infravermelha eram todas ondas eletromagnéticas de diferentes frequências.
Radiação de corpo negro Em 1901, Max Planck publicou uma análise que conseguiu reproduzir o espectro observado de luz emitida por um objeto brilhante. Para conseguir isso, Planck teve que fazer uma suposição matemática da energia quantizada dos osciladores, ou seja, átomos do corpo negro que emitem radiação. Einstein mais tarde propôs que a própria radiação eletromagnética é quantizada, não a energia dos átomos radiantes.
A radiação do corpo negro, a emissão de energia eletromagnética devido ao calor de um objeto, não poderia ser explicada apenas com argumentos clássicos. O teorema da equipartição da mecânica clássica, a base de todas as teorias termodinâmicas clássicas, afirmava que a energia de um objeto é dividida igualmente entre os modos vibracionais do objeto. Mas aplicar o mesmo raciocínio à emissão eletromagnética de tal objeto térmico não foi tão bem sucedido. Que objetos térmicos emitem luz já eram conhecidos há muito tempo. Como a luz era conhecida como ondas de eletromagnetismo, os físicos esperavam descrever essa emissão por meio de leis clássicas. Isso ficou conhecido como o problema do corpo negro. Uma vez que o teorema da equipartição funcionou tão bem na descrição dos modos vibracionais do próprio objeto térmico, era natural supor que ele teria um desempenho igualmente bom na descrição da emissão radiativa de tais objetos. Mas um problema surgiu rapidamente se cada modo recebesse uma partição igual de energia, os modos de comprimento de onda curto consumiram toda a energia. Isso ficou claro ao traçar a lei de Rayleigh-Jeans, que, embora previsse corretamente a intensidade das emissões de comprimentos de onda longos, previu a energia total infinita à medida que a intensidade diverge ao infinito para comprimentos de onda curtos. Isso ficou conhecido como a catástrofe ultravioleta. miniaturadaimagem|Radiação de Corpo Negro
Em 1900, Max Planck levantou a hipótese de que a frequência da luz emitida pelo corpo negro dependia da frequência do oscilador que a emitia, e a energia desses osciladores aumentava linearmente com a frequência (de acordo com E = hf onde h é a constante de Planck e f é a frequência). Esta não foi uma proposta infundada, considerando que os osciladores macroscópicos operam de forma semelhante ao estudar cinco osciladores harmônicos simples de igual amplitude, mas frequência diferente, o oscilador com a frequência mais alta possui a energia mais alta (embora essa relação não seja linear como a de Planck). Exigindo que a luz de alta frequência fosse emitida por um oscilador de igual frequência, e exigindo ainda que este oscilador ocupasse mais energia do que um de menor frequência, Planck evitou qualquer catástrofe, dando uma partição igual aos osciladores de alta frequência produzidos sucessivamente menos. osciladores e menos luz emitida. E como na distribuição de Maxwell-Boltzmann, os osciladores de baixa frequência e baixa energia foram suprimidos pelo ataque de oscilações térmicas de osciladores de alta energia, que necessariamente aumentam sua energia e frequência.
O aspecto mais revolucionário do tratamento do corpo negro por Planck é que ele depende inerentemente de um número inteiro de osciladores em equilíbrio térmico com o campo eletromagnético. Esses osciladores entregam toda a sua energia ao campo eletromagnético, criando um quantum de luz, tantas vezes quanto são excitados pelo campo eletromagnético, absorvendo um quantum de luz e começando a oscilar na frequência correspondente. Planck criou intencionalmente uma teoria atômica do corpo negro, mas involuntariamente gerou uma teoria atômica da luz, onde o corpo negro nunca gera quanta de luz em uma determinada frequência com uma energia menor que hf. No entanto, ao perceber que havia quantizado o campo eletromagnético, denunciou as partículas de luz como uma limitação de sua aproximação, não uma propriedade da realidade.
Efeito fotoelétrico miniaturadaimagem|Efeito Fotoelétrico Embora Planck tenha resolvido a catástrofe ultravioleta usando átomos e um campo eletromagnético quantizado, a maioria dos físicos contemporâneos concordou que os "quanta de luz" de Planck representavam apenas falhas em seu modelo. Uma derivação mais completa da radiação do corpo negro produziria um campo eletromagnético totalmente contínuo e "semelhante a ondas" sem quantização. No entanto, em 1905, Albert Einstein usou o modelo de corpo negro de Planck para produzir sua solução para outro problema notável da época: o efeito fotoelétrico, em que elétrons são emitidos de átomos quando absorvem energia da luz. Desde que sua existência foi teorizada oito anos antes, os fenômenos foram estudados com o modelo do elétron em mente em laboratórios de física em todo o mundo. miniaturadaimagem|Albert Einstein
Em 1902, Philipp Lenard descobriu que a energia desses elétrons ejetados não dependia da intensidade da luz incidente, mas sim de sua frequência. Então, se alguém iluminar um metal com um pouco de luz de baixa frequência, alguns elétrons de baixa energia são ejetados. Se alguém agora lança um feixe muito intenso de luz de baixa frequência sobre o mesmo metal, uma enorme quantidade de elétrons é ejetada; por mais que possuam a mesma baixa energia, existem apenas mais deles. Quanto mais luz houver, mais elétrons serão ejetados. Considerando que, para obter elétrons de alta energia, deve-se iluminar o metal com luz de alta frequência. Como a radiação do corpo negro, isso estava em desacordo com uma teoria que invocava a transferência contínua de energia entre a radiação e a matéria. No entanto, ainda pode ser explicado usando uma descrição totalmente clássica da luz, desde que a matéria seja de natureza mecânica quântica. miniaturadaimagem|Philipp Lenard