Ele está ao nosso redor e nos permite ver o mundo. Mas pergunte a qualquer um de nós, e a maioria não será capaz de explicar o que essa luz realmente é. A luz nos ajuda a entender o mundo em que vivemos. Nossa linguagem reflete isso: na escuridão nos movemos pelo toque, começamos a ver a luz junto com o amanhecer. No entanto, estamos longe de compreender totalmente a luz. Se você trouxer um raio de luz para mais perto, o que haverá nele? Sim, a luz se move incrivelmente rápido, mas não pode ser usada para viagens? E assim por diante.
Claro, isso não deveria ser o caso. A luz intrigou as melhores mentes por séculos, mas descobertas marcantes nos últimos 150 anos gradualmente levantaram o véu de mistério sobre este mistério. Agora entendemos mais ou menos o que é.
Os físicos de nosso tempo não apenas compreendem a natureza da luz, mas também tentam controlá-la com uma precisão sem precedentes - o que significa que em breve a luz poderá funcionar da maneira mais incrível. Por isso, as Nações Unidas proclamaram 2015 o Ano Internacional da Luz.
A luz pode ser descrita de várias maneiras. Mas vale a pena começar com isso: a luz é uma forma de radiação (radiação). E essa comparação faz sentido. Sabemos que o excesso de luz solar pode causar câncer de pele. Também sabemos que a exposição à radiação pode colocá-lo em risco de algumas formas de câncer; não é difícil traçar paralelos.
Mas nem todas as formas de radiação são criadas iguais. No final do século 19, os cientistas foram capazes de determinar a essência exata da radiação luminosa. E o mais estranho é que essa descoberta não veio do estudo da luz, mas veio de décadas de trabalho sobre a natureza da eletricidade e do magnetismo.
Eletricidade e magnetismo parecem ser coisas completamente diferentes. Mas cientistas como Hans Christian Oersted e Michael Faraday descobriram que eles estão profundamente interligados. Oersted descobriu que uma corrente elétrica que passa por um fio desvia a agulha de uma bússola magnética. Enquanto isso, Faraday descobriu que mover um ímã perto de um fio pode gerar uma corrente elétrica no fio.
Os matemáticos daquela época usaram essas observações para criar uma teoria descrevendo esse estranho fenômeno novo, que eles chamaram de "eletromagnetismo". Mas apenas James Clerk Maxwell foi capaz de descrever o quadro completo.
A contribuição de Maxwell para a ciência dificilmente pode ser superestimada. Albert Einstein, que se inspirou em Maxwell, disse que mudou o mundo para sempre. Entre outras coisas, seus cálculos nos ajudaram a entender o que é luz.
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Maxwell mostrou que os campos elétricos e magnéticos viajam em ondas, e essas ondas viajam na velocidade da luz. Isso permitiu a Maxwell prever que a própria luz é transportada por ondas eletromagnéticas - o que significa que a luz é uma forma de radiação eletromagnética.
No final da década de 1880, vários anos após a morte de Maxwell, o físico alemão Heinrich Hertz foi o primeiro a demonstrar oficialmente que o conceito teórico de Maxwell da onda eletromagnética estava correto.
“Tenho certeza de que, se Maxwell e Hertz vivessem na era do Prêmio Nobel, com certeza ganhariam um”, diz Graham Hall da Universidade de Aberdeen, no Reino Unido - onde Maxwell trabalhou no final da década de 1850.
Maxwell está classificado nos anais da ciência da luz por uma razão diferente e mais prática. Em 1861, ele revelou a primeira fotografia colorida estável usando o sistema de filtro tricolor, que lançou as bases para muitas formas de fotografia colorida hoje.
A própria frase de que a luz é uma forma de radiação eletromagnética não diz muito. Mas ajuda a descrever o que todos nós entendemos: a luz é um espectro de cores. Essa observação remonta ao trabalho de Isaac Newton. Vemos o espectro de cores em toda a sua glória quando um arco-íris surge no céu - e essas cores estão diretamente relacionadas ao conceito de ondas eletromagnéticas de Maxwell.
A luz vermelha em uma extremidade do arco-íris é radiação eletromagnética com um comprimento de onda de 620 a 750 nanômetros; a cor violeta na outra extremidade é a radiação com um comprimento de onda de 380 a 450 nm. Mas a radiação eletromagnética envolve mais do que cores visíveis. A luz com comprimento de onda maior que o vermelho é o que chamamos de infravermelho. A luz com comprimento de onda menor que o violeta é chamada de ultravioleta. Muitos animais podem ver na luz ultravioleta e algumas pessoas também podem ver, diz Eleftherios Gulilmakis do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha. Em alguns casos, as pessoas até veem infravermelho. Talvez seja por isso que não nos surpreendemos com o que chamamos de formas de luz ultravioleta e infravermelha.
Curiosamente, no entanto, se os comprimentos de onda ficarem ainda mais curtos ou mais longos, paramos de chamá-los de "luz". Fora do ultravioleta, as ondas eletromagnéticas podem ser menores que 100 nm. Este é o reino dos raios X e dos raios gama. Você já ouviu falar que os raios X são chamados de uma forma de luz?
"O cientista não dirá 'Estou brilhando através do objeto com luz de raios-X." Ele dirá “Eu uso raios X”, diz Gulilmakis.
Enquanto isso, além dos comprimentos de onda infravermelho e eletromagnético, as ondas se estendem por até 1 cm e até milhares de quilômetros. Essas ondas eletromagnéticas são chamadas de microondas ou ondas de rádio. Pode parecer estranho para alguns perceber as ondas de rádio como luz.
“Não há muita diferença física entre as ondas de rádio e a luz visível em termos de física”, diz Gulilmakis. "Você vai descrevê-los com as mesmas equações e matemática." Apenas nossa percepção cotidiana os distingue.
Assim, temos uma definição diferente de luz. Esta é uma faixa muito estreita de radiação eletromagnética que nossos olhos podem ver. Em outras palavras, a luz é um rótulo subjetivo que usamos apenas por causa das limitações de nossos sentidos.
Se você quiser evidências mais detalhadas de como é subjetiva nossa percepção das cores, pense no arco-íris. A maioria das pessoas sabe que o espectro de luz contém sete cores primárias: vermelho, laranja, amarelo, verde, ciano, azul e violeta. Temos até provérbios e ditados úteis sobre caçadores que querem saber onde está um faisão. Olhe para um belo arco-íris e tente ver todos os sete. Mesmo Newton não teve sucesso. Os cientistas suspeitam que o cientista dividiu o arco-íris em sete cores, já que o número "sete" era muito importante para o mundo antigo: sete notas, sete dias da semana, etc.
O trabalho de Maxwell sobre eletromagnetismo nos levou um passo adiante e mostrou que a luz visível fazia parte de um amplo espectro de radiação. A verdadeira natureza da luz também ficou clara. Durante séculos, os cientistas tentaram entender que forma a luz realmente assume em uma escala fundamental ao viajar da fonte de luz aos nossos olhos.
Alguns acreditavam que a luz se move na forma de ondas ou ondulações, através do ar ou do misterioso "éter". Outros pensaram que esse modelo de onda era defeituoso e consideraram a luz como um fluxo de partículas minúsculas. Newton inclinou-se para a segunda opinião, especialmente após uma série de experimentos que conduziu com luz e espelhos.
Ele percebeu que os raios de luz obedecem a regras geométricas estritas. Um raio de luz refletido em um espelho se comporta como uma bola lançada diretamente em um espelho. As ondas não seguirão necessariamente essas linhas retas previsíveis, sugeriu Newton, então a luz deve ser transportada por alguma forma de partículas minúsculas e sem massa.
O problema é que há evidências igualmente convincentes de que a luz é uma onda. Uma das demonstrações mais claras disso foi em 1801. O experimento de dupla fenda de Thomas Young, em princípio, pode ser feito independentemente em casa.
Pegue uma folha de papelão grosso e corte cuidadosamente dois cortes verticais finos nela. Em seguida, pegue uma fonte de luz "coerente" que emitirá apenas luz de um determinado comprimento de onda: um laser está bem. Em seguida, direcione a luz para duas fendas de modo que, ao passar, caia na outra superfície.
Você esperaria ver duas linhas verticais brilhantes na segunda superfície, onde a luz passou pelas fendas. Mas quando Jung fez o experimento, ele viu uma sequência de linhas claras e escuras como um código de barras.
Quando a luz passa por fendas finas, ela se comporta como ondas de água que passam por uma abertura estreita: elas se espalham e se espalham na forma de ondulações hemisféricas.
Quando essa luz passa por duas fendas, cada onda amortece a outra, formando manchas escuras. Quando as ondulações convergem, elas se complementam para formar linhas verticais brilhantes. O experimento de Young confirmou literalmente o modelo de onda, então Maxwell colocou a ideia em uma forma matemática sólida. A luz é uma onda.
Mas então houve uma revolução quântica
Na segunda metade do século XIX, os físicos tentaram descobrir como e por que alguns materiais absorvem e emitem radiação eletromagnética melhor do que outros. Deve-se notar que naquela época a indústria de luz elétrica estava apenas se desenvolvendo, então os materiais que podem emitir luz eram uma coisa séria.
No final do século XIX, os cientistas descobriram que a quantidade de radiação eletromagnética emitida por um objeto mudava com sua temperatura e mediram essas mudanças. Mas ninguém sabia por que isso estava acontecendo. Em 1900, Max Planck resolveu esse problema. Ele descobriu que cálculos poderiam explicar essas mudanças, mas apenas se assumirmos que a radiação eletromagnética é transmitida em pequenas porções discretas. Planck os chamou de "quanta", o plural do latim "quantum". Alguns anos depois, Einstein baseou-se em suas ideias e explicou outro experimento surpreendente.
Os físicos descobriram que um pedaço de metal torna-se positivamente carregado quando é irradiado com luz visível ou ultravioleta. Este efeito foi denominado fotovoltaico.
Os átomos do metal perderam elétrons carregados negativamente. Aparentemente, a luz entregou energia suficiente ao metal para que ele liberasse alguns elétrons. Mas por que os elétrons faziam isso não estava claro. Eles poderiam transportar mais energia simplesmente mudando a cor da luz. Em particular, os elétrons liberados por um metal irradiado com luz violeta carregavam mais energia do que os elétrons liberados por um metal irradiado com luz vermelha.
Se a luz fosse apenas uma onda, seria ridículo
Normalmente, você altera a quantidade de energia na onda, tornando-a mais alta - imagine um alto tsunami de poder destrutivo - em vez de mais longa ou mais curta. De forma mais ampla, a melhor maneira de aumentar a energia que a luz transfere para os elétrons é tornar a onda de luz mais alta: isto é, tornar a luz mais brilhante. Mudar o comprimento de onda e, portanto, a luz, não deveria ter feito muita diferença.
Einstein percebeu que o efeito fotoelétrico é mais fácil de entender se você representar a luz na terminologia dos quanta de Planck.
Ele sugeriu que a luz é transportada por pequenos pedaços quânticos. Cada quantum carrega uma porção de energia discreta associada a um comprimento de onda: quanto mais curto o comprimento de onda, mais densa é a energia. Isso poderia explicar por que porções de comprimento de onda relativamente curto da luz violeta transportam mais energia do que porções relativamente longas de luz vermelha.
Também explicaria por que simplesmente aumentar o brilho da luz não afeta realmente o resultado.
Uma luz mais brilhante fornece mais porções de luz ao metal, mas isso não altera a quantidade de energia transportada por cada porção. Grosso modo, uma porção da luz violeta pode transferir mais energia para um elétron do que muitas porções da luz vermelha.
Einstein chamou essas porções de fótons de energia e agora são reconhecidas como partículas fundamentais. A luz visível é transportada por fótons e outras formas de radiação eletromagnética, como raios X, microondas e ondas de rádio também são transportadas. Em outras palavras, a luz é uma partícula.
Com isso, os físicos decidiram encerrar o debate sobre de que é feita a luz. Ambos os modelos eram tão convincentes que não fazia sentido abandonar um. Para surpresa de muitos não físicos, os cientistas decidiram que a luz se comporta como uma partícula e uma onda ao mesmo tempo. Em outras palavras, a luz é um paradoxo.
Ao mesmo tempo, os físicos não tinham problemas com a dupla personalidade da luz. Isso, até certo ponto, tornou a luz duplamente útil. Hoje, contando com o trabalho das luminárias no sentido literal da palavra - Maxwell e Einstein - esprememos tudo para fora da luz.
Acontece que as equações usadas para descrever onda de luz e partícula de luz funcionam igualmente bem, mas em alguns casos uma é mais fácil de usar do que a outra. Portanto, os físicos alternam entre eles, da mesma forma que usamos metros para descrever nossa própria altura e vamos para quilômetros, descrevendo um passeio de bicicleta.
Alguns físicos estão tentando usar a luz para criar canais de comunicação criptografados, para transferências de dinheiro, por exemplo. Faz sentido para eles pensar na luz como partículas. Isso se deve à estranha natureza da física quântica. Duas partículas fundamentais, como um par de fótons, podem ser “emaranhadas”. Isso significa que eles terão propriedades comuns, independentemente da distância um do outro, de modo que podem ser usados para transferir informações entre dois pontos na Terra.
Outra característica desse emaranhamento é que o estado quântico dos fótons muda quando eles são lidos. Isso significa que se alguém tentar espionar um canal criptografado, em teoria, ele imediatamente trairá sua presença.
Outros, como Gulilmakis, usam luz na eletrônica. Eles acham mais útil representar a luz como uma série de ondas que podem ser domadas e controladas. Dispositivos modernos chamados "sintetizadores de campo de luz" podem combinar ondas de luz em perfeita sincronização umas com as outras. Como resultado, eles criam pulsos de luz que são mais intensos, de curta duração e mais direcionais do que a luz de uma lâmpada convencional.
Nos últimos 15 anos, esses dispositivos aprenderam a ser usados para domar a luz em um grau extremo. Em 2004, Gulilmakis e seus colegas aprenderam como produzir pulsos incrivelmente curtos de raios-X. Cada pulso durou apenas 250 attossegundos, ou 250 quintilhões de segundos.
Usando esses pequenos pulsos como o flash de uma câmera, eles foram capazes de capturar imagens de ondas individuais de luz visível que oscilam muito mais lentamente. Eles literalmente tiraram fotos de luzes em movimento.
“Desde Maxwell sabíamos que a luz é um campo eletromagnético oscilante, mas ninguém pensava que poderíamos tirar fotos de luz oscilante”, diz Gulilmakis.
Observar essas ondas individuais de luz foi o primeiro passo para manipular e modificar a luz, diz ele, da mesma forma que alteramos as ondas de rádio para transportar sinais de rádio e televisão.
Um século atrás, o efeito fotoelétrico mostrou que a luz visível afeta os elétrons em um metal. Gulilmakis diz que deve ser possível controlar com precisão esses elétrons usando ondas de luz visível modificadas para interagir com o metal de uma forma bem definida. “Podemos manipular a luz e usá-la para manipular a matéria”, diz ele.
Isso pode revolucionar a eletrônica, levar a uma nova geração de computadores ópticos que são menores e mais rápidos que os nossos. "Podemos mover elétrons como quisermos, criando correntes elétricas dentro de sólidos com a ajuda da luz, e não como na eletrônica comum."
Aqui está outra maneira de descrever a luz: é um instrumento
Porém, nada de novo. A vida usa a luz desde que os primeiros organismos primitivos desenvolveram tecidos sensíveis à luz. Os olhos das pessoas capturam os fótons da luz visível, nós os usamos para estudar o mundo ao nosso redor. A tecnologia moderna leva essa ideia ainda mais longe. Em 2014, o Prêmio Nobel de Química foi concedido a pesquisadores que construíram um microscópio óptico tão potente que era considerado fisicamente impossível. Descobrimos que, se tentarmos, a luz pode nos mostrar coisas que pensamos que nunca veríamos.
