Nº.61 UNIVERSO Dez 2016 | Jan 2017

Matheus Vigliar
Roberto Belisário
13/5/15

O que é a luz? Ao longo da história, várias teorias tentaram responder a essa pergunta. Mas, nos últimos 300 anos, dois modelos principais disputaram a preferência dos cientistas. Segundo um deles, a luz seria composta de fluxos de partículas materiais viajando em alta velocidade (Teoria Corpuscular). Já em outro modelo, ela seria formada de ondas que se propagam pelo espaço ou através da matéria (Teoria Ondulatória). As duas visões são radicalmente distintas. Uma das principais diferenças é que uma onda não transmite matéria, apenas energia, enquanto um fluxo de partículas transmite ambos, matéria e energia.

É possível entender isso da seguinte forma: muitos leitores já devem ter tentado fazer uma boia deslizar do meio de uma piscina para a sua margem, fazendo ondas na água. Ela simplesmente sobe e desce enquanto as ondas passam debaixo dela, se deslocando muito lentamente pela superfície. Como é difícil fazer a boia obedecer! Isso acontece porque não é a água que se propaga pela superfície, mas sim a energia de movimento das ondas. A água propriamente dita apenas sobe e desce – trata-se de uma onda transversal, na qual o movimento de oscilação (cima-baixo) é perpendicular à direção da propagação da onda (ao longo da superfície da água). O que faz com seja possível agarrar a boia é que ocorre um pequeno “arraste” de matéria na direção da propagação. Por isso, no fim das contas, a boia acaba, lentamente, se aproximando da margem.

Há outras diferenças importantes entre os dois modelos, Corpuscular e Ondulatório. Uma partícula pode ser caracterizada por sua massa, sua forma e tamanho. Já as ondas são caracterizadas por grandezas bem diferentes. Recordemos rapidamente. Imagine uma pedra jogada em um lago, formando ondas circulares que aumentam progressivamente de diâmetro. Nessas ondas na água, há regiões circulares altas, chamadas cristas, e, entre as cristas, regiões baixas, chamadas vales. A distância entre duas cristas consecutivas é chamada comprimento de onda.

O tempo necessário para um ponto sobre uma crista descer e subir de volta à mesma altura é chamado período da onda (imagine uma rolha subindo e descendo enquanto as cristas e vales passam por baixo dela). Ou seja, o período é o tempo necessário para uma oscilação completa, para uma única vibração completa. Já a frequência da onda é a quantidade de vibrações completas que acontecem em uma unidade de tempo (por exemplo, em um segundo). Assim, se uma onda vibra duas vezes por segundo, então ela tem dois hertz (2HZ) de frequência. E também um período de meio segundo.

Na luz, comprimentos de onda e frequências são percebidos como cores diferentes. A luz verde tem comprimento de onda em torno de 550 nanômetros (550nm ou 550 bilionésimos do metro). Já no som, estas características são percebidas pelo volume e pela variação das notas musicais (a nota lá, por exemplo, tem frequência de 440 Hz).

Partículas versus ondas

No século XVII, o físico holandês Christiaan Huygens era o principal defensor do Modelo Ondulatório. Como as ondas precisam de algo que vibre, poderíamos supor que elas não deveriam se propagar no espaço vazio, como entre o Sol e a Terra. Mas isso não era problema na época em que o modelo era vigente, porque havia a crença de que não havia espaços vazios na natureza. Todo o espaço cósmico seria preenchido por uma matéria sutil chamada “éter”. A luz seria composta de vibrações no éter que se propagariam rapidamente através dele.

O grande físico inglês Isaac Newton acreditava na possibilidade do vazio e foi o maior advogado da ideia de que a luz seria composta de fluxos de partículas. Após a publicação do seu livro Óptica, em 1704, o modelo corpuscular de Newton tornou-se hegemônico durante todo o século XVIII.

Mesmo assim, ainda havia fenômenos envolvendo a luz que não pareciam compatíveis com esse modelo, por exemplo, o fenômeno da interferência. Ele acontece quando duas ondas se encontram e se sobrepõem numa certa região do espaço. As cristas de uma e os vales de outra podem coincidir ou não, dependendo da posição nessa região. Quando uma crista de uma onda encontra um vale de outra, elas se cancelam naquele ponto. Se duas cristas ou dois vales se encontrarem, eles se somam. Com ondas de luz, aparecem listras claras e escuras intercaladas, chamadas franjas. Esse fenômeno não pode ser percebido na luz solar ou em lâmpadas comuns, mas com um laser as franjas são perfeitamente visíveis. Há um experimento com laser chamado “espelho de Lloyd”, que pode ser facilmente reproduzido em casa. Uma orientação simples para fazê-lo pode ser encontrada na referência 1, no fim deste texto (veja no item Metodologia). Para o leitor que gostar de uma descrição bem detalhada, veja a referência 2 (em PDF).

A questão importante aqui é que partículas não se cancelam entre si. Apenas ondas o fazem. Esse fenômeno já era conhecido na época de Newton e explicá-lo era muito difícil para ele e para todos os outros defensores da Teoria Corpuscular. Mesmo assim, a maioria dos cientistas preferia esta teoria durante o século XVIII. Parecia mais fácil conviver com essa contradição do que acreditar em ondas que se propagassem em espaços vazios.

O modelo Ondulatório passou a ser mais amplamente aceito a partir da década de 1860, quando o físico escocês James Clerk Maxwell percebeu que os campos elétricos e magnéticos também podiam formar ondas pelo espaço, as ondas eletromagnéticas, assim chamadas porque os campos elétricos e magnéticos sempre apareciam juntos em tais ondas. Ele supôs que a luz pudesse ser constituída de ondas eletromagnéticas. Essa hipótese foi corroborada pelo físico alemão Heinrich Hertz, em 1884.

Existem outros tipos de ondas eletromagnéticas além da luz visível: as do forno de micro-ondas, de rádio e TV e os raios infravermelhos são exemplos que apresentam frequências menores que as da luz visível. Já os raios ultravioleta, raios X e raios gama têm frequências maiores que as da luz visível.

A dualidade onda-partícula

Em 1900, o físico alemão Max Planck notou que a radiação produzida pelos corpos não era emitida continuamente, mas em pequenos pacotes de energia, que receberam o nome quanta (plural de quantum, do latim). Mais tarde, foi constado que toda energia quase sempre é constituída de minúsculos quanta. Os quanta de luz passaram a ser chamados de fótons, e os de outras naturezas permaneceram como quanta.

Novas dúvidas sobre o modelo ondulatório surgiram quando o físico alemão Albert Einstein propôs uma explicação para outro fenômeno intrigante, o efeito fotoelétrico. Quando a luz incide sobre determinados materiais, eles emitem elétrons, que podem inclusive ser usados para gerar correntes elétricas – é assim que funcionam as células fotoelétricas e os painéis solares atuais, que transformam luz em eletricidade. Einstein explicou o fenômeno usando a mesma teoria quântica proposta por Planck, mas indo além. Ele mostrou que os fótons literalmente colidem com os elétrons do material, empurrando-os para fora com o choque, como se fossem bolas de bilhar num jogo de sinuca. Como se a luz fosse composta de partículas! Anos mais tarde, em 1927, o físico norte-americano Arthur Compton realizou um experimento em seu laboratório onde fez raios de luz se chocarem com elétrons voando pelo espaço, provando que, de fato, os raios estavam se comportando como bolas de bilhar colidindo.

Ao mesmo tempo que a luz parecia se comportar como fluxos de partículas nesses casos, ela exibia características de onda para outros, como na interferência. A contradição foi resolvida com o desenvolvimento da Mecânica Quântica, entre 1900 e 1925. Esta teoria substituiu a física de Newton (a das Leis de Newton) – a pedra fundamental de toda a Física desde o início do século XVIII.

A interpretação da nova teoria é a da dualidade onda-partícula: a luz – e também as partículas subatômicas, como elétrons, prótons e nêutrons – não são nem onda e nem fluxo de partículas. A luz é outra coisa: em certas circunstâncias a luz se comporta como onda e em outras como corpúsculo (vou falar agora em corpúsculos em vez de partículas, para não haver confusão com o termo partícula subatômica). Em geral, a luz e as partículas subatômicas se comportam como ondas enquanto estão trafegando pelo espaço e como corpúsculos quando interagem com a matéria.

Voltando à questão colocada no início deste artigo, entendemos que a luz (e elétrons e prótons etc.) se manifesta como onda ou como corpúsculo, dependendo do que fazemos com ela. No entanto, a luz nunca apresenta simultaneamente as duas características, de onda e de corpúsculo, apenas uma característica de cada vez (fato que o físico dinamarquês Niels Bohr chamou de “princípio da complementaridade”).

A partir do que foi colocado, podemos supor que a luz não seja tão diferente da matéria. Quanto maior a massa, menos pronunciado é o comportamento ondulatório e mais evidente o comportamento corpuscular. Objetos do cotidiano, como um chaveiro ou uma barra de chocolate (ou mesmo seres vivos) têm massa grande, por isso o comportamento ondulatório é muito pequeno e, portanto, invisível. O objeto mais pesado no qual se observou diretamente um comportamento ondulatório foi uma molécula com 810 átomos, derivada de um composto químico chamado porfirina. O experimento foi feito em 2013, pela equipe do físico Markus Arndt, da Universidade de Viena, Áustria.

Objetos como um fóton de luz são tão leves que a situação se inverte: o movimento corpuscular é muito difícil de ser percebido. Apenas recentemente foi possível observar seu comportamento corpuscular em experimentos laboratoriais. Porém, comportamentos ondulatórios em elétrons são aproveitados no desenvolvimento de tecnologias como os microscópios eletrônicos e em aparelhos de tomografia por ressonância magnética.

1 Cavalcanti, M. A.; e Rodrigues, E. S., “Uso do ‘Espelho de Lloyd’ como método de ensino de óptica no Ensino Médio”, Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n. 4, pág. 4310, 2012.

2 Catelli, F; e Lazzari, F., “Interferência da luz: uma versão simplificada do Espelho de Lloyd”, Física na Escola, v. 5, n. 2, pág. 20, 2004.