Aqui está a resposta curta: as quasipartículas são reais, mas apenas se você abandonar a ideia de que uma partícula deve ser um lobo solitário.
Não são bolinhas de bilhar. Eles não são prótons. Certamente não são elétrons no sentido tradicional. Em vez disso, são excitações. Ondulações. Comportamentos coletivos da matéria agindo como uma unidade única. Parece abstrato porque é, até você ver como os usamos para explicar tudo, desde supercondutores até painéis solares.
Como funcionam as quasipartículas na matéria
Para entender o que são quasipartículas, primeiro você precisa quebrar a imagem infantil da física.
Aprendemos que as partículas são objetos discretos. Uma bola de gude. Uma bala. Um grão de areia. Então aconteceu a mecânica quântica. Louis de Broglie mostrou em 1924 que os elétrons se comportam como ondas. Isso abalou as coisas.
A física moderna vai mais longe. As partículas são apenas ondulações em campos que preenchem o universo. Luz? Uma ondulação no campo eletromagnético. Um elétron? Uma onda em seu próprio campo.
Mas o que acontece quando essa onda se move através das coisas?
Imagine um estádio. Milhares de pessoas sentadas em filas. Eles se levantam e sentam em sequência. Uma “onda” se move pela arena. Tem velocidade. Tem uma localização. Ele viaja da seção A para a seção B.
Mas onde está a onda?
Não é uma pessoa. Não é um objeto físico que você possa segurar. É um padrão de comportamento. Se você esvaziar o estádio, a onda desaparece. Não pode existir no vácuo. Precisa da multidão.
Isso é uma quasipartícula.
Douglas Natelson, físico da Universidade Rice, diz isso sem rodeios. As quasipartículas existem apenas dentro de um meio. Eles são a resposta coletiva de partes em interação. Elétrons e prótons podem flutuar no espaço vazio. As quasipartículas não podem. Eles estão vinculados ao seu lar material.
Então, eles são falsos? Não. Você pode detectá-los. Você pode medi-los. Você pode até manipulá-los para obter tecnologia. Eles se comportam como partículas porque a matemática os trata como partículas. Simplifica um sistema caótico em algo que você pode calcular.
Quais quasipartículas realmente existem?
Lev Landau surgiu com o conceito na década de 1950. Isso lhe rendeu um Prêmio Nobel. Desde então, os cientistas encontraram todo um zoológico dessas coisas.
Aqui estão os principais que você precisa saber.
- O Fônon: Esta é uma partícula de som. É o menor pacote de energia vibracional em um material. Quando você toca algo e sente vibrar, você está sentindo fônons.
- O buraco do elétron: Quando um elétron se move, ele deixa um vazio para trás. Esse vazio tem uma carga positiva. Tratamos esse espaço vazio como uma partícula chamada “buraco”. Ele se move na direção oposta aos elétrons. É real em seu efeito, mesmo que seja literalmente nada.
- O Exciton: Imagine um elétron e um buraco grudados, orbitando um ao outro. Eles estão ligados pela atração elétrica. Esta quasipartícula é fundamental para células solares. Ele transporta energia sem carregar uma carga líquida.
- The Anyon: Eles só aparecem em sistemas bidimensionais. Eles são estranhos. Eles podem transportar frações de carga elétrica. Partículas padrão têm cargas inteiras. Qualquer pessoa não.
Ross McKenzie, da Universidade de Queensland, sugere que existem tipos potencialmente infinitos. Existem infinitos estados da matéria. Cada estado provavelmente tem sua própria assinatura de quasipartículas.
Por que usamos a teoria das quasipartículas?
Você pode perguntar: por que complicar as coisas? Por que não rastrear cada átomo?
Porque a matemática é impossível de outra forma.
Natelson diz que as quasipartículas tornam a matemática dos sólidos gerenciável. Sem eles, descrever como a eletricidade flui através de um fio de cobre ou como funciona um laser exigiria o rastreamento de bilhões de interações individuais. Seria um caos.
Com as quasipartículas, tratamos a multidão como uma entidade única.
“Os cientistas descrevem a atividade no material como quasipartículas porque simplifica tudo dramaticamente.”
Esta não é apenas uma contabilidade teórica. É engenharia. Ao projetar um semicondutor, você está projetando buracos e elétrons. Quando você constrói um computador quântico, você está caçando qualquer pessoa. Essas quasipartículas determinam como os materiais conduzem calor, luz e energia.
A verificação da realidade
Então, de volta à grande questão. Eles são reais?
Se “real” significa “existe isoladamente no vazio”, então não. Você não pode colocar um fônon em uma jarra e levá-lo para casa.
Se “real” significa “tem propriedades mensuráveis e segue leis físicas”, então sim. Absolutamente.
McKenzie argumenta que elas são tão reais quanto partículas padrão para todos os efeitos práticos. Você pode pegá-los. Você pode vê-los saltar dos limites. Você pode usá-los para alimentar dispositivos.
A linha entre “partícula fundamental” e “fenômeno emergente” é confusa. Talvez muito embaçado para alguns. Mas a física não trata de definições claras. É sobre modelos que funcionam.
As quasipartículas funcionam.
Eles nos permitem ver a estrutura oculta da matéria. Eles transformam ruído em sinal. Eles transformam uma multidão caótica em uma onda única e em movimento.
Se você chama isso de real depende do que você valoriza. Tangibilidade? Ou comportamento?
A onda continua se movendo independentemente.
