A natureza da luz: onda ou partícula

Na antiga Grécia já eram conhecidos e estudados alguns fenômenos ópticos, tais como, reflexão, refração, decomposição da luz em prismas e havia também alguns grupos que definiam a natureza da luz conforme o preceito básico que defendiam.

O filósofo grego Aristóteles (384-322 a.C.) foi a primeira pessoa, que se tem notícia, a adotar a natureza ondulatória da luz, pois para ele a luz era uma espécie de fluído imaterial que chegava aos nossos olhos, vindo dos objetos visíveis, através de ondas.

Empédocles (492-432) considerava que a luz era parte de um dos quatro elementos, o fogo, sem contudo se confundir com este. Contrariamente a Pitágoras (582-500), que pensava ser a visão causada exclusivamente por algo emitido pelo olho, Empédocles acreditava que os corpos luminosos emitiam algo que encontrava os raios emanados dos olhos. Alguns filósofos antigos, adeptos do atomismo, consideravam a luz um fogo visual composto de partículas, diferentes, no entanto, das que compunham o restante dos objetos por serem bem menores. Tal concepção foi adotada por Epicuro (342-270), mas anteriormente havia sido modificada por Anaxágoras (500-428) que substituiu as partículas, semelhantes aos objetos, por partículas com propriedades individuais, tal como a cor, por exemplo.

Euclides (330-270) foi partidário e grande defensor da teoria pitagórica que dizia ser a luz proveniente do olho, demonstrou, baseado na idéia de raio luminoso e da propagação retilínea, as leis da reflexão. Ptolomeu (90-147 ou 168?) tinha as mesmas concepções sobre a luz que Euclides, pensava que a cor era uma propriedade inerente aos corpos e fez estudos sobre campo visual e refração da luz demonstrando que uma moeda oculta no fundo de um copo poderia ser vista caso este fosse preenchido com água.

Não foram somente os gregos que estudaram a luz e seu comportamento, há indícios de que tanto os árabes como os chineses conheciam alguns princípios básicos da Óptica. Os chineses utilizavam espelhos côncavos como queimadores na vida prática e o árabe Ibn Al-Haytham (965-1039), conhecido como Alhazen, fez vários estudos nessa área.

Al-Haytham rejeitava o princípio grego de que a luz emanava do olho, para ele a luz era emitida por uma força autoluminosa que constituía uma fonte primária, no entanto, a luz também poderia ser emitida por uma fonte secundária, caso das partículas de poeira que compõem um facho de luz solar, em ``forma de esfera'' (ver o princípio da ondas secundárias de Huygens). Al-Haytham descreveu as cores como sendo independentes dos objetos, mas presentes na luz, ou seja, misturadas a ela e nunca visíveis sem ela. É a Al-Haytham que devemos a introdução do conceito de ``raio de luz'' graças às suas explicações coerentes sobre alguns fenômenos ópticos.

Robert Grosseteste (1168-1253) concebia a luz como a primeira forma de matéria-prima a ser criada, uma substância física que se propagava a partir de sua fonte, de onde surgiam as três dimensões do espaço. Inspirado nos trabalhos de Al-Haytham estudou a Óptica, que considerava uma ciência física básica, e muito contribuiu para o avanço da ciência. Leonardo da Vinci (1452-1519) também se interessou pela luz, mais do ponto de vista científico do que artístico, o que o levou a estudar fenômenos ópticos e a conhecer a câmara escura, precursora da máquina fotográfica e filmadora.

René Descartes (1596-1650) foi outro grande cientista que se interessou em desvendar a natureza da luz. Sua opinião era a de que a luz era uma emissão de caráter corpuscular ligada a uma emissão vibratória. Para ele a luz não possuía caráter material, mas sim o meio através do qual a luz se propagava - o éter. Embora Descartes tenha esclarecido a atual da Lei da Refração da luz ( $\mathrm{sen}\:i = n \mathrm{sen}\:r$), ele se equivocou em relação à velocidade da luz ao dizer que esta aumentaria em meios mais densos do que menos densos.

Numa época em que fervilhavam idéias, em 1665 um fenômeno interessante surge dos experimentos do padre Francesco Grimaldi (1618-1663) quando este examinava a sombra de um objeto delgado em uma câmara escura provocada por uma luz forte ao atravessar um pequeno orifício. Ao invés de uma imagem nítida o padre observou a formação de uma sombra mais larga e composta de partes claras e escuras, sobre isso afirmou, ``um corpo luminoso pode tornar-se obscuro quando se acrescente luz à luz que recebe''. O fenômeno descrito é o de difração e levou Grimaldi a uma concepção vibratória da luz. Através dessa concepção ele explicou que a formação de cores quando a luz atravessa o prisma é decorrente da ``mudança de velocidade do movimento vibratório, que essas diferenças de cor são produzidas pelas vibrações de um fluído que atua sobre o olho com velocidades diferentes, assim como a diversidade dos sons é devido à vibração do ar de rapidez desigual''.1

A relação das cores com o movimento vibratório levou Robert Hooke (1635-1703) a afirmar que o movimento da luz é produzido por ondas perpendiculares à linha de propagação. Temos aqui uma referência à transversalidade do movimento ondulatório que não foi aceita na época nem pelos defensores da teoria ondulatória da luz, dentre os quais podemos destacar Christiaan Huygens que publicou no ``Tratado sobre a luz'' em 1690, uma explicação para o fenômeno da reflexão e refração baseado no conceito de frente de ondas, atualmente conhecido como Princípio de Huygens. Este princípio diz que

na propagação destas ondas, cada partícula do éter não só transmite o seu movimento à partícula seguinte, ao longo da reta que parte do ponto luminoso, mas também a todas as partículas que a rodeiam e que se opõem ao movimento. O resultado é uma onda em torno de cada partícula e que a tem como centro.2

Como vemos, a luz, para este cientista, constitui-se num movimento ondulatório que se propaga pelo éter semelhantemente ao som que se propaga pelo ar. Huygens tentou explicar também no Tratado um fenômeno bastante intrigante observado pelo dinamarquês Erasmo Bartolim (1625-1698) em 1669, a dupla refração produzida no cristal da Islândia. Ele dizia que o raio ``extraordinário'' característico do fenômeno, corresponderia à uma onda elipsoidal que se sobrepunha à onda esférica, correspondente ao raio ordinário. Huygens, além de não conseguir explicar a cor através de seu modelo ondulatório, afirmou que a velocidade da luz era mais lenta em meios mais densos, o que provocou a contestação por parte de alguns físicos. Edmond Halley (1656-1742), por exemplo, questionou de que forma a luz poderia voltar à velocidade anterior depois de atravessar um meio mais denso, mas ninguém o fez de forma tão presunçosa como Isaac Newton, que queria saber por que, já que a luz era onda, ela não se curvava ao redor dos objetos, quer dizer, queria saber por que existia a sombra se a luz, como onda, poderia contornar o objeto e iluminar o que estivesse por trás deste.

Newton apresentou à Royal Society, em 1672, um estudo sobre a dispersão da luz, baseado em experimentos que fazia com prismas. Tais experimentos motivaram controvérsias no meio científico, pois naquela época a experimentação deveria ser utilizada para confirmar ou negar algum tipo de teoria. Impulsionado por esta controvérsia, pela ausência de explicação plausível para existência da sombra geométrica e também pelo fato de ser um atomista, propôs um modelo corpuscular para explicar a natureza da luz.

(Credita-se a Heron de Alexandria (século II a.C.) a Lei da Reflexão, pois este percebeu que um raio de luz, ao incidir num espelho, é refletido com ângulo igual ao raio incidente. É possível que Newton tenha se posicionado a favor da teoria corpuscular ao relacionar o fenômeno descrito anteriormente com o fato de que uma bola, correndo num plano horizontal, ao bater num obstáculo, retorna formando com o obstáculo o mesmo ângulo que tinha ao chocar-se.)

Newton declarou que a luz branca era composta de uma mistura de várias cores, tal afirmação foi decorrente dos vários experimentos realizados com o prisma, conforme já citamos. Essas cores correspondiam a uma variedade de partículas, cada tipo correspondente a uma cor. Sobre a reflexão e a refração, Newton propôs um engenhoso sistema de ``ajustes de fácil reflexão e de fácil refração'' que eram provocados por ``forças'' que atuavam sobre os corpúsculos e foi dessa forma que ele também explicou o fenômeno de difração da luz, descoberto por Grimaldi, as bordas dos objetos atuavam sobre os corpúsculos da luz fazendo com que houvesse a inflexão da mesma.

Embora hoje saibamos que estava errado, estas explicações foram bem articuladas, diferentemente das relacionadas com o fenômeno da dupla refração no cristal da Islândia. Newton também não foi bem sucedido ao afirmar que a velocidade da luz aumenta quando esta passa de um meio menos denso para um meio mais denso.

Estava montado o grande palco onde ocorreu a mais célebre discussão a respeito da natureza da luz, de um lado Huygens e seu modelo ondulatório, de outro Isaac Newton e seu modelo corpuscular. O conceito de corpúsculo, ou partícula, é completamente diferente do conceito de onda; uma partícula transporta matéria, uma onda não, uma partícula pode se locomover no vácuo, uma onda necessita de um meio para se propagar (nesse período era o que se pensava), uma onda atravessa obstáculos menores que seu comprimento, uma partícula não, enfim, para a Física Clássica ou a luz era uma coisa ou outra, consequentemente, ou aceitava-se o modelo ondulatório ou aceitava-se o modelo corpuscular, um descartava o outro e foi o que aconteceu por um certo período.

O modelo de Newton prevaleceu sobre o de Huygens porque, além de sua explicação para as cores da luz ser bem coerente, sua fama pesou muito na escolha do ``melhor'' modelo, tanto que pode ser percebido através dos seguintes versos, escritos em 1860:

Você pensa que Newton disse uma mentira,
Aonde você espera ir quando morrer?3

Derrubar um mito nunca foi fácil, por isso aceitar o modelo contrário ao de Newton foi um trabalho bastante árduo enfrentado por alguns cientistas tendo à frente Thomas Young (1773-1829). Motivado pelo estudo da visão, Young questionou várias afirmações da teoria corpuscular de Newton. Ele não via nexo na explicação newtoniana quando pensava no fato de que a luz tinha a mesma velocidade mesmo sendo emitida por corpos diferentes e porque certos corpúsculos eram refletidos e outros refratados, pensava que uma teoria ondulatória explicaria bem melhor esses fenômenos.

Young considerou que se a luz fosse ondas, elas poderiam, assim como as ondas do mar, anularem-se umas às outras ou intensificarem-se e foi nesse sentido que trabalhou para explicar o fenômeno da interferência, estudado por ele através do experimento da dupla fenda. Além da explicação sobre interferência luminosa, explicou, de forma bem simples, como eram formados os conhecidos ``anéis de Newton'' supondo que cada cor correspondia a um determinado comprimento de onda próprio. Interessante que Young utilizou dados do próprio Newton em seus trabalhos, como pode ser observado nos originais. Quanto ao fenômeno da difração e da dupla refração, as explicações de Young deixaram a desejar, por isso foi feito um desafio para que se apresentasse à Acadèmie des Sciences uma teoria matemática para explicar os fenômenos.

Na época, muitos cientistas ainda aclamavam a teoria corpuscular de Newton como a correta para explicar a natureza da luz e foi através desta teoria que Étienne-Louis Malus (1775-1812) ganhou um prêmio ao explicar o fenômeno da reflexão da luz ocorrida em determinados ângulos em certas superfícies polidas, semelhante ao observado na dupla refração, apelidando-o de ``polarização'' (observar no original de Newton uma relação com este nome), Malus levou um prêmio da Acadèmie.

O prêmio para a explicação matemática do fenômeno da difração foi para Augunstin Fresnel (1788-1827), defensor da teoria ondulatória da luz. Fresnel, utilizando raciocínios matemáticos, explicou a propagação retilínea da luz, as leis de Descartes (refração) e a difração. Um episódio interessante ocorreu durante uma demonstração de Fresnel, o matemático Denis Poisson (1781-1840), partidário da teoria corpuscular, previu uma coisa absurda caso a teoria de Fresnel estivesse correta, um ponto brilhante deveria aparecer no centro da sombra projetada de um disco circular. Para verificar tal ocorrência, montou-se um dispositivo experimental e, para surpresa de muitos, verificou-se o fato.

Esses acontecimentos quase (quase) sepultaram a teoria corpuscular da luz, mas faltava ainda uma explicação para a dupla refração, ou polarização, a partir da teoria ondulatória e uma comprovação da alteração da velocidade da luz em meios de diferentes densidades.

A explicação do fenômeno da polarização da luz baseado no modelo ondulatório tropeçava no próprio modelo, pois acreditava-se que as ondas da luz eram longitudinais, no entanto, uma mudança de conceito estava por vir quando François Arago (1786-1853) juntou-se a Fresnel e, juntos, observaram um fato estranho: dois feixes polarizados não interferiam um com o outro, como se esperava. Arago noticiou o fato a Young que não tardou em presumir que, ao invés de longitudinais, as ondas da luz eram transversais. Arago e Fresnel continuaram o estudo e, pelas palavras de Arago, chegaram à seguinte conclusão:

...(estas propriedades da luz) conduzem diretamente à solução da seguinte questão: como se efetuam as ondulações da luz? No sentido da linha segundo a qual se popagam, ou perpendicularmente a essa linha? Este último modo de propagação parece resultar das nossas experiência; contudo julguei tão difícil admiti-lo que resolvi deixar ao meu colaborador sozinho o ``atrevimento'' dessa dedução.4

Podemos perceber, por estas palavras, o quanto a mudança de ondas longitudinais para transversais era difícil. Tal dificuldade decorria da existência de um meio através do qual as ondas luminosas deveriam se propagar -- o éter, mas isso é uma outra história.

Bem, esses acontecimentos se deram por volta de 1819, foi preciso esperar até 1862 para que Léon Foucault realizasse o experimento para verificar a velocidade da luz na água. O resultado mostrou que, na água, a velocidade da luz era menor do que no ar, veredicto totalmente contrário à previsões do grande Isaac Newton. Deu-se então o sepultamento da teoria corpuscular da luz. (Vamos ver, mais para frente, que o cadáver corpuscular não estava completamente morto!)

Michael Faraday (1791-1862), um cientista bastante dedicado à experimentação, demonstrou que um campo magnético podia inverter os planos de polarização da luz (Efeito Faraday) e alertou James Clerk Maxwell (1831-1879) sobre a relação entre a luz e os fenômenos eletromagnéticos. Este, aproveitando-se dos trabalhos matemáticos de Fresnell, chegou a certas equações que expressavam o comportamento de uma corrente elétrica e de seu campo magnético associado, tal qual as já determinadas para expressar o comportamento ondulatório da luz. Em 1864, ele chegou à conclusão de que ``luz e magnetismo são resultados de uma mesma substância, (...) a luz é um distúrbio eletromagnético propagado através do campo de acordo com as leis do eletromagnetismo.''5

A novidade do trabalho de Maxwell foi demonstrar que a luz era uma onda eletromagnética e que, portanto, com as ondas eletromagnéticas deveriam ocorrer os fenômenos de reflexão, refração, enfim, todos os que ocorrem com a luz. Embora estes conhecimentos fossem de real importância, faltava-lhes ainda o aval da comprovação experimental, realizada por Henrich Hertz (1857-1894).

Figura 1: Oscilador construido por Hertz
Image Einstein-fig1

Hertz montou um oscilador constituído de quatro esferas metálicas unidas duas a duas por uma haste ligada aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff (Figura 1), de onde conseguiu produzir ondas eletromagnéticas e provar que estas possuíam a mesma velocidade da luz e podiam sofrer reflexão, refração, polarização, difração e interferência. Além disso, Hertz também descobriu que outros tipos de ondas poderiam ser produzidas e, com isso, descobriu as ondas de rádio e as microondas. Sua contribuição foi crucial para a compreensão dos trabalhos de Maxwell e inaugurou a era do eletromagnetismo, uma era de grande desenvolvimento tecnológico e sócio-econômico.

Um fenômeno assaz interessante foi percebido por Hertz por ocasião de suas atividades experimentais, ele notou que faíscas no transmissor aumentavam a sensibilidade do detector. Com a morte prematura de Hertz, seu auxiliar Philip Lenard (1862-1947) identificou a incidência de radiação ultravioleta juntamente com as faíscas, montou então um experimento para verificar o fenômeno e, através deste, percebeu que a luz arrancava cargas elétricas (ainda não fora descoberto o elétron) de uma placa emissora.

Lenard chegou às seguintes conclusões:

Era inviável explicar o fenômeno a partir da teoria ondulatória da luz, principalmente no tocante à relação entre a freqüência da luz e a velocidade das cargas.

Vamos dar uma pausa nesta história (enquanto a teoria corpuscular revira na tumba), voltar um pouquinho no tempo (aqui podemos) e narrar uma outra história tão cativante como esta.

CDCC/USP - Setor de Física