Reflexões sobre a luz

Adilson de Oliveira toma como mote o Ano Internacional da Luz e discute a natureza deste fenômeno em sua coluna de setembro. 

 

Por: Adilson de Oliveira

Publicado em 18/09/2015 | Atualizado em 18/09/2015

A luz é fundamental para a vida e vem sendo estudada em praticamente todos os ramos da ciência. (foto: Francis Valadj / FreeImages) 

 

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). (foto: Domínio público)

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.

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

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

Planeta azul: quando o Sol ilumina céu e mar

Basta pensar na enorme mancha azul que é o céu sobre toda a superfície terrestre e na extensão dos oceanos para termos a noção da dominância da cor azul. Entender este predomínio implica uma viagem sobre a interação da radiação solar com as matérias constituintes do planeta. 

 

Por: Miguel A. R. B. Castanho

Publicado em 16/09/2015 | Atualizado em 16/09/2015

Predomínio da cor azul no planeta é resultado das interações entre radiação solar e matérias constituintes da Terra. (foto: MR/FreeImages.

 

A cor é uma sensação produzida após a entrada de luz em nossos olhos. A modificação da luz solar por interação com a matéria à nossa volta (atmosfera, solo, objetos, plantas, animais, elementos das paisagens) faz com que ela adquira características particulares que produzem em nós a sensação de cores diferentes. Em realidade, não só a cor em si, mas também o brilho, o contraste, a intensidade e outras características associadas. Porém, vamos deter-nos na cor.

A abordagem mais simples ao fenômeno da cor baseia-se apenas na frequência da radiação que lhe dá origem. Para muitas aplicações práticas, a radiação pode ser descrita como um campo magnético e um campo elétrico perpendiculares e oscilantes. É ao campo elétrico de parte dessa radiação que podemos atribuir a responsabilidade pela percepção da cor.

A radiação visível de maior frequência é percebida em nosso cérebro como azul (anil/violeta, no limite), enquanto a de menor frequência, como vermelho. Entre esses extremos, temos a mesma paleta que nos oferece o arco-íris, com verde, amarelo e laranja. Misturando radiações de frequências diferentes, percebemos a cor resultante dessa mistura e, desse modo, temos à disposição uma gama de cores incrível, para tornar as paisagens naturais um fascínio cromático.

A fração visível do espectro eletromagnético é pequena se comparada com toda a gama de radiação disponível. (arte: Luiz Baltar)

É interessante notarmos que a gama de radiações conhecida excede em muito as frequências associadas às cores. Em realidade, frequências maiores do espectro eletromagnético (ultravioleta, raios X e raios gama) correspondem a energias mais altas, capazes de quebrar ligações químicas de nosso material genético (DNA) e, assim, provocar danos nas células e nos tecidos, podendo levar à formação de tumores. No entanto, não lhes fazemos corresponder quaisquer sensações.

Já as frequências menores, quando próximas da frequência do vermelho, levam à sensação de calor, mas também não lhes associamos cores.

A radiação visível de maior frequência é percebida em nosso cérebro como azul, enquanto a de menor frequência, como vermelho

 

A radiação de que os nossos olhos tiram partido – que suscita o sentido da visão e, por isso, chamamos visível – é simplesmente aquela que mais abunda na superfície terrestre, conseguindo penetrar na água, vinda da maior fonte de radiação a que a Terra se expõe: o Sol. Afinal, evoluímos para usar a radiação mais abundante à nossa volta. De fato, a fração visível do espectro eletromagnético é pequena se comparada com toda a gama de radiação disponível para uso prático. A especialização dos olhos em uma fração tão estreita do espectro eletromagnético parece, à primeira vista, um desperdício sem sentido. Mas não é bem assim: os olhos evoluíram naturalmente, segundo os princípios darwinistas habituais de adaptação aos recursos disponíveis.

Prismas, diamantes e céu

Como dito antes, a percepção da cor é dada como resultado da combinação da radiação que chega a nossos olhos. Quando se trata de luz vinda de uma fonte luminosa direta, a situação é simples. No entanto, a radiação pode sofrer transformações quando incide sobre a matéria que compõe nosso ambiente. Ela pode ser absorvida por determinados materiais, refletida ou ‘desviada’ (refratada). Talvez um dos exemplos de refração mais conhecidos seja o da luz solar passando através de um prisma de vidro e sendo ‘decomposta’ por este. No caso, as cores separam-se de forma clara, pelo fato de a radiação ter, no novo meio (vidro), um desvio que depende de sua frequência, o que faz com que diferentes cores emanem do prisma com ângulos diferentes.

Um fenômeno igualmente fascinante, mas que envolve tanto reflexão quanto refração, é a passagem da luz por um diamante com a lapidação na forma de brilhante. Se a pedra for de boa qualidade, nenhuma radiação visível é absorvida – isto é, o diamante é de uma transparência pura –, e as medidas e os ângulos dos cortes são tais que a luz que entra nele é desviada e refletida para ser devolvida pelo topo, causando a sensação de brilho e luminosidade.

Ao penetrar a atmosfera, os raios solares são espalhados, desviados de sua trajetória original, como resultado das colisões com as moléculas de ar. (arte: Luiz Baltar)

Estruturas cristalinas como as safiras têm compostos de íons metálicos em seu interior, ausentes nos diamantes, estes contendo apenas carbono. Esses compostos absorvem as radiações com frequências específicas. Assim, ‘sobram’, para a reflexão e refração, as restantes frequências, que emanam da pedra e chegam a nossos olhos. Como resultado, as safiras podem ser de um verde ou azul deslumbrantes.
O azul do céu – também ele esplendoroso – pode ser explicado de forma semelhante. Ao penetrar a atmosfera, os raios solares são espalhados, desviados de sua trajetória original, como resultado das colisões com as moléculas de ar. O espalhamento da radiação azul – por conta de sua frequência mais alta – é mais pronunciado do que o do restante da radiação, fazendo dessa cor a dominante no meio. É isso que nos faz perceber o céu diurno como azul.

Miguel A. R. B. Castanho

Instituto de Medicina Molecular,

Faculdade de Medicina,

Universidade de Lisboa (Portugal), e

Instituto de Bioquímica Médica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro