Uma breve história da luz e como ela se propaga

Desde que Demócrito - um filósofo grego que viveu entre o 5º e o 4º século antes de cristo - argumentou que toda a existência era composta de minúsculos átomos indivisíveis, os cientistas têm especulado sobre a verdadeira natureza da luz. Enquanto os cientistas debatiam sobre a noção de que a luz era uma partícula ou uma onda até o mundo moderno, o século 20 levou a avanços que mostraram que ela se comporta como ambos.

Estes avanços incluíram a descoberta do elétron, o desenvolvimento da teoria quântica e Teoria da Relatividade de Einstein. No entanto, ainda há muitas questões fascinantes e sem resposta quando se trata de luz, muitos dos quais decorrem de sua natureza dual. Por exemplo, como é que a luz pode ser aparentemente sem massa, mas ainda se comportar como uma partícula? E como ela pode se comportar como uma onda e passar através de um vácuo, quando todas as outras ondas requerem um meio para se propagar?

Teoria da Luz no século 19:

Durante a revolução científica, os cientistas começaram a se afastar das teorias científicas aristotélicas que tinham sido aceitas durante séculos. A rejeição da teoria da luz de Aristóteles, que a considerava como sendo uma perturbação no ar (um de seus quatro "elementos" que compunham a matéria), e abraçando a visão mais mecanicista, de que a luz era composta de átomos indivisíveis.

De muitas maneiras, esta teoria tinha sido prevista pelo atomistas da Antiguidade Clássica - como Demócrito e Lucrécio - que viam a luz como uma unidade de matéria emitida pelo sol. Pelo século 17, vários cientistas que aceitaram este ponto de vista emergiram, afirmando que a luz era composta de partículas discretas (ou "corpúsculos"). Isto incluiu Pierre Gassendi, um contemporâneo de René Descartes, Thomas Hobbes, Robert Boyle, e o mais famoso, Sir Isaac Newton.

A teoria corpuscular de Newton era uma elaboração da sua visão da realidade como uma interação dos pontos materiais através de forças. Esta teoria permaneceria o ponto de vista científico aceito por mais de 100 anos, cujos princípios foram explicados em seu tratado de 1704: "ótica, ou, um tratado das reflexões, refrações, inflexões e Cores da luz". De acordo com Newton, os princípios da luz podem ser resumidos como se segue.

• Toda fonte de luz emite um grande número de pequenas partículas conhecidas como corpúsculos de um meio que circunda a fonte.

• Estes corpúsculos são perfeitamente elásticos, rígidos e leves.

Isto representou um desafio à "teoria das ondas", que havia sido defendida pelo astrônomo holandês do século 17, Christiaan Huygens. Essas teorias foram comunicadas pela primeira vez em 1678 para a Academia de Ciências de Paris e foram publicados em 1690 em seu "Traité de la lumière" ( "Tradato da luz"). Nela, ele argumentou uma versão revisada de pontos de vista de Descartes, em que a velocidade da luz é infinita e propaga-se por meio de ondas esféricas emitidas ao longo da frente da onda.

Experimento da Dupla-Fenda:

Até o início do século 19, os cientistas começaram a romper com a teoria corpuscular. Isso se deveu em parte ao fato de que a teoria corpuscular não conseguiu explicar adequadamente a difração, interferência e polarização da luz, mas também foi por causa de várias experiências que pareciam confirmar a visão vigente, de que a luz se comportava como uma onda.

O mais famoso deles foi indiscutivelmente o experimento da dupla fenda, que foi originalmente realizado pelo Inglês polímata Thomas Young em 1801 (embora se acredite que Sir Isaac Newton tenha realizado algo semelhante no seu próprio tempo). Na versão de Young do experimento, ele usou um pedaço de papel com fendas cortadas, e então apontou uma fonte de luz para medir como esta passava pela fenda.

De acordo com a teoria clássica das partículas (isto é, newtoniana), os resultados da experiência deveriam ter sido correspondentes às fendas, os impactos sobre a tela apareceriam duas linhas verticais. Ao invés disso, os resultados mostraram que os feixes coerentes de luz estavam interferindo, criando um padrão de bandas claras e escuras na tela. Isto contradizia a teoria de partículas clássica, no qual as partículas não interferem umas com as outras, apenas se chocam.

A única explicação possível para esse padrão de interferência foi que os feixes de luz estavam de fato se comportando como ondas. Assim, esta experiência dissipou a noção de que a luz consistia em corpúsculos, desempenhando um papel vital na aceitação da teoria ondulatória da luz. No entanto pesquisas posteriores, envolvendo a descoberta do elétron e da radiação eletromagnética, levariam cientistas mais uma vez a acreditar que a luz se comportava como uma partícula também, dando assim origem a teoria da dualidade onda-partícula.

Eletromagnetismo e Relatividade Especial:

Antes dos séculos 19 e 20, a velocidade da luz já havia sido determinada. As primeiras medições gravadas foram realizadas pelo astrônomo dinamarquês Ole Rømer, que demonstrou em 1676, usando medições de luz da lua de Júpiter, que a luz viaja a uma velocidade finita (em vez de instantaneamente).

Até o final do século 19, James Clerk Maxwell propôs que a luz era uma onda eletromagnética, e inventou várias equações (conhecidas como equações de Maxwell) para descrever como campos elétricos e magnéticos são gerados e alterados por si, por cargas e correntes. Através da realização de medições de diferentes tipos de radiação (campos magnéticos, radiação ultravioleta e infravermelha), ele era capaz de calcular a velocidade da luz no vácuo (representado pela letra C).

Em 1905, Albert Einstein publicou "Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento", em que ele avançou em uma de suas teorias mais famosas que teve suas noções e ortodoxias aceitas por séculos. No seu trabalho, postulou que a velocidade da luz é a mesma em todos os referenciais inerciais, independentemente do movimento, da fonte de luz ou a posição do observador.

Explorando as consequências desta teoria é que o levou a propor sua teoria da relatividade especial, que reconciliou as equações de Maxwell da eletricidade e magnetismo com as leis da mecânica, simplificou os cálculos matemáticos, e conferiu observações diretas da velocidade de luz, e explicou aberrações observadas. Também demonstrou que a velocidade da luz tem relevância fora do contexto da luz e do eletromagnetismo.

Por um lado, introduziu a ideia de que grandes mudanças ocorrem quando as coisas se movem próximas a velocidade da luz, incluindo o tempo-espaço e sob a perspectiva de um corpo em movimento aparecendo para diminuir a velocidade e contrair na direção do movimento medido sob a perspectiva de um observador. Depois de séculos de medições cada vez mais precisas, a velocidade da luz foi determinada como sendo 299.792.458 m/s em 1975.

Einstein e o Photon:

Em 1905, Einstein também ajudou a resolver uma grande confusão acerca do comportamento da radiação eletromagnética, quando ele propôs que os elétrons são emitidos a partir de átomos quando eles absorvem a energia da luz. Conhecido como o efeito fotoelétrico, Einstein baseou sua ideia em um trabalho anterior de Planck com "corpos negros" - materiais que absorvem a energia eletromagnética em vez de refleti-los (isto é, corpos brancos).

Na época, o efeito fotoelétrico de Einstein foi a tentativa de explicar o "problema do corpo negro", no qual um corpo negro emite radiação eletromagnética devido ao calor do objeto. Este era um problema persistente no mundo da física, decorrente da descoberta do elétron, o que só aconteceu oito anos antes (graças aos físicos britânicos liderados por J. J. Thompson e experimentos utilizando tubos de raios catódicos).

Na época, os cientistas ainda acreditavam que a energia eletromagnética se comportava como uma onda, e, portanto, seriam capazes de explicá-la em termos da física clássica. A explicação de Einstein representou uma ruptura com este pensamento, afirmando que a radiação eletromagnética se comporta também de maneiras que eram consistentes com uma partícula - uma forma quantificada de luz que ele chamou de "fótons". Por esta descoberta, Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921.

Dualidade onda-partícula:

Teorias posteriores sobre o comportamento da luz refinariam ainda mais esta ideia, que incluiu o físico francês Louis-Victor de Broglie que calculou o comprimento de onda no qual a luz funcionava. Isto foi seguido pelo "princípio da incerteza" de Heisenberg (que afirmou que medir a posição de um fóton com precisão iria perturbar as medições do seu momento de inércia e vice-versa), e o paradoxo de Schrödinger que afirmava que todas as partículas têm uma "função de onda".

De acordo com a explicação da mecânica quântica, Schrodinger propôs que todas as informações sobre uma partícula (neste caso, um fóton) é codificada na sua função de onda, uma função de valor complexo aproximadamente análoga à amplitude de uma onda em cada ponto no espaço. Em algum lugar, a medição da função de onda vai aleatoriamente entrar em "colapso", ou melhor em "decoêrencia, ou seja, redução das possibilidades físicas numa única possibilidade que é a percebida pelo observador. Isto foi ilustrado no famoso paradoxo de Schrödinger envolvendo uma caixa fechada, um gato e um frasco de veneno (conhecido como o paradoxo do gato de Schrödinger).

De acordo com sua teoria, a função de onda também evolui de acordo com uma equação diferencial (aka. A equação de Schrödinger). Para partículas com massa, esta equação tem soluções; mas para partículas sem massa, nenhuma solução existiu. Outras experiências, como a da dupla fenda, confirmaram a natureza dupla da luz, dispositivos de medição foram incorporados para observar os fótons enquanto passavam através das fendas. Quando isso foi feito, os fótons apareceram na forma de partículas e seus impactos na tela correspondiam às fendas - pequenos pontos de partículas de tamanho distribuídos em linhas retas verticais.

Ao colocar um dispositivo de observação no lugar, a função de onda dos fótons entra em colapso e a luz se comportava como partículas clássicas mais uma vez. Como previsto por Schrödinger, isso só pode ser resolvido reivindicando que a luz tem uma função de onda, e o ato de observar faz com que uma gama de comportamentos e possibilidades entre em colapso até ponto em que somente um o comportamento previsível "apareça" ou seja percebido.

O desenvolvimento da teoria quântica de campos (QFT) foi criado nas décadas seguintes para resolver muitas das ambiguidades em torno da dualidade onda-partícula. E com o tempo, esta teoria foi se mostrando aplicável em outras partículas e forças fundamentais de interação (como forças nucleares forte e fraca). Hoje, os fótons são parte do Modelo Padrão da física de partículas, classificados como bósons de Higgs - uma classe de partículas subatômicas que são carregadores de força e não têm massa.

Então como é que a luz viaja? Basicamente, viajando a velocidades incríveis (299 792 458 m/s) e em diferentes comprimentos de onda, dependendo de sua energia. Ele também funciona tanto como uma onda e como uma partícula, capaz de se propagar através de meios (tais como ar e água), bem como o espaço. Não tem massa, mas pode ser absorvida, refletida, ou refratada, se ela entra em contato com um meio. E no final, a única coisa que realmente pode retardar ou parar a velocidade da luz é a gravidade (ou seja, um buraco negro).

O que aprendemos sobre a luz e o eletromagnetismo foi intrínseco à revolução que aconteceu na física no início do século 20, uma revolução que temos abordado desde então. Graças aos esforços de cientistas como Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg e Schrodinger, nós aprendemos muito, mas ainda temos muito a aprender.

Por exemplo, a sua interação com a gravidade (juntamente com as forças nucleares forte e fraca) permanece um mistério. Desbloquear este, e descobrir, assim, uma Teoria de Tudo (TOE) é algo que astrônomos e físicos aguardam ansiosamente. Algum dia, talvez tenhamos tudo resolvido!

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