Reflexões sobre a luz

Coluna Física sem mistério
Ciência Hoje on-line
Publicada em 18/09/2015

Luz: uma onda eletromagnética que se propaga pelo espaço ou um feixe de partículas que interage conosco? O brilho de uma estrela que viaja durante milhares de anos para chegar até nós ou apenas um lampejo no céu? Uma sensação agradável sobre nossos corpos quando estamos com frio ou algo que pode incinerar uma floresta? Aquilo que dissipa as trevas e a escuridão para iluminar as nossas mentes e percebermos a verdadeira natureza do mundo à nossa volta?

Som: uma onda mecânica se propagando pelo ar? O estrondo de um trovão? O cantar de um pássaro? O choro de uma criança? O barulho da chuva batendo no telhado em uma noite fria? A música produzida pela mente do artista e executada em um piano com agradável harmonia?

A luz, fundamental para a vida, é investigada e utilizada por praticamente todos os ramos da ciência. Afinal, é pela luz que tomamos contato com o mundo ao nosso redor, e a interação da luz com a matéria e com os seres vivos provoca transformações profundas. Investigamos a luz que vem de galáxias distantes, a bilhões de anos-luz, como também usamos luzes especiais para investigar as estruturas menores de uma célula e os detalhes fundamentais de átomos e moléculas. 

O som, por sua vez, é fundamental para que possamos expressar os nossos sentimentos e ideias, e também pode ser usado para detectar terremotos ou produzir imagens do interior do corpo humano.

Embora nossos olhos possam perceber apenas uma pequena parte da essência da luz, conseguimos observar belezas espetaculares, como o mar, as montanhas e um pôr do sol. Nossos ouvidos apenas podem captar uma pequena parcela dos sons existentes, mas, mesmo assim, a música, em particular, pode inspirar profundas reflexões.

Qual é a verdadeira natureza da luz e do som? Por que esses dois entes permitem que nos comuniquemos e percebamos o mundo à nossa volta? Haveria outra maneira de percebemos as coisas?

Pausa para o deleite: a pianista Luciana Hamond interpreta “Luz”, de Edmundo Villani-Côrtes, no programa Rede Vida Musical exibido em 10 de maio de 2009.

A natureza da luz

Classificamos como luz visível uma pequena parte do chamado espectro eletromagnético, que corresponde às radiações com frequências entre 400 a 750 THz (um tera hertz equivale a 1012 hertz) ou comprimento de onda entre 700 a 400 nanômetros (um nanômetro equivale a um milionésimo do milímetro). Acima e abaixo desses comprimentos de onda, temos a parte do espectro que chamamos de infravermelho (que percebemos por meio do tato, por exemplo, na forma de calor) e o ultravioleta (que é nocivo à nossa pele, devido à sua alta energia).

A natureza da luz está associada à interação eletromagnética. No final do século 19, o físico escocês James Maxwell mostrou que os campos elétricos e magnéticos, tratados como entes distintos, eram, na verdade, manifestação de uma mesma interação, a eletromagnética. Essa conclusão leva a muitas questões interessantes. Vejamos. 

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Os campos elétricos são responsáveis por vários fenômenos que temos no nosso dia a dia, como as correntes que alimentam o funcionamento dos aparelhos elétricos. Os campos magnéticos, por sua vez, são produzidos por materiais chamados ferromagnéticos (como é o caso do ferro), mas podem também surgir a partir de correntes elétricas, como nas máquinas de ressonância magnética que geram altos campos magnéticos para realizar imagens dos nossos órgãos internos. E campos magnéticos que variam com o tempo também produzem correntes elétricas – é o caso dos geradores elétricos. 

Mas o grande resultado do trabalho de Maxwell foi mostrar que a própria luz é decorrente da combinação de campos elétricos e magnéticos que oscilam no espaço, propagando-se como uma onda eletromagnética. Essa noção revolucionou a física de sua época, pois, até então, acreditava-se que a luz se comportava como uma onda, ou seja, espalhava-se em objetos da mesma forma que uma onda sob a superfície de um lago se espalha sobre objetos na sua superfície.

Einstein e a luz

 

Já no início do século 20, a luz ganhou nova interpretação. Em 1905, Albert Einstein publicou um artigo que propunha descrever a luz como se fosse um pacote de pequenas partículas de energia, mais tarde denominadas fótons. O físico alemão mostrou que essa descrição permitia explicar o efeito fotoelétrico – fenômeno descoberto alguns anos antes, no qual, ao incidir luz sobre alguns materiais, surgia uma corrente elétrica.

Einstein mostrou que, se a luz fosse considerada um feixe de partículas, essas partículas seriam absorvidas pelos elétrons para ganhar energia e se movimentar. Sua explicação concordava com resultados experimentais, nos quais se observava que o fenômeno apenas acontecia para uma determinada faixa de frequência da luz – abaixo dela, não ocorria.

Maxwell já previa que a luz se propagaria com velocidades determinadas em cada meio. No caso do vácuo, seria de aproximadamente 300 mil km/s. No entanto, naquela época, acreditava-se que deveria existir um meio para que a luz se propagasse – o éter. Inúmeros experimentos tentaram medir a velocidade da luz em relação a esse suposto meio, sem sucesso. A solução veio também de Einstein: ainda em 1905, para conciliar Maxwell e as equações da mecânica newtoniana, ele propôs que a velocidade da luz no vácuo seria a mesma para todos os observadores. Esse foi um dos princípios fundamentais da teoria da relatividade, que revolucionou toda a física.

Hoje, sabemos que a luz pode se comportar tanto como onda quanto como partícula, a depender do fenômeno que estamos observando. Essa dualidade de comportamento é um dos pilares da física quântica, que nos mostra que não somente a luz, mas também prótons, elétrons e neutrons, entre outros, também apresentam comportamento ora como onda, ora como partícula – um conceito estranho aos olhares menos familiarizados com a física.

A natureza da luz é uma das questões complexas da ciência que temos a oportunidade de divulgar e popularizar em 2015, o Ano Internacional da Luz. Uma oportunidade iluminada!

(Parte deste texto foi lida na abertura da 67a. reunião anual da SBPC, que aconteceu em julho de 2015 em São Carlos, SP.)

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos