Ondas luz através do éter

A pré-história da luz

300 a. C.:

Euclides e a Óptica Geométrica

1000

Alhazen e uma nova teoria da luz

Séculos  XIII - XVII

Na Europa estuda-se a luz

1666

Newton e a dispersão da luz branca

Huygens e a teoria ondulatória da luz

1676

Römer calcula a velocidade da luz

1801

Young observa a difracção da luz

1800

Herschel descobre os raios infravermelhos

1801

Ritter descobre a radiação ultravioleta

1850

Foucault determina um valor mais preciso da velocidade da luz

1845

Faraday relaciona a luz com o campo magnético

1862

Maxwell e a teoria electromagnética da  luz

Hertz descobre as ondas de rádio

1895

Roentgen e os raios X

1896

As primeiras radiografia em Portugal

A luz sempre foi um fenómeno misterioso. Inúmeras foram as tentativas de a explicar. Também Empédocles, que postulou a teoria dos quatro elementos, formulou uma teoria para a luz. Segundo ele, a deusa Afrodite, quando criou o olho humano a partir dos quatro elementos, ateou o fogo no olho de forma que este o emitisse em direcção aos objectos, tornando a visão possível. Claro que, se assim fosse, poderíamos ver, perfeitamente, num quarto escuro tal como num quarto iluminado, pelo que Empédocles admitiu a possibilidade de ocorrer alguma interacção entre os raios dos olhos e os de outra fonte de luz, como o Sol.

Cerca de dois séculos depois, em 300 a. C., Euclides, matemático grego que vivia na cidade de Alexandria, estudou a luz com base na geometria. No seu livro Optica defendeu que a luz se propagava em linha recta e descreveu as leis da reflexão, apresentando-as matematicamente. Relativamente à visão, considerava-a resultado da emissão de um raio, pelo olho, que seria reflectido pelos objectos. Uma vez que esse raio tinha velocidade infinita, vemos de imediato mal abrimos os olhos.

Por volta do ano de 140., Cláudio Ptolomeu, habituado às observações astronómicas e autor do modelo geocêntrico do sistema solar (no que a Terra se encontrava no centro do Universo), verificou, graças a medidas das posições de estrelas, que a luz sofria um desvio na entrada na atmosfera terrestre (era refractada) e que o ângulo de refracção variava com ângulo de incidência.

O grande desenvolvimento no estudo da luz surgiu com o persa Ibn-al-Haitham (também conhecido por Alhazen), natural da cidade de Bassorá, que viveu por volta do ano 1000. Defendeu que a visão era devida, apenas, à entrada de luz nos nossos olhos proveniente de fontes exteriores. Logo, a nossa visão de um objecto deve-se à reflexão dos raios solares, que ele julgava serem constituídos por um fluxo de pequenas partículas viajando ao longo de linhas rectas, serem reflectidos pelo objecto na direcção dos nossos olhos. Como argumento, recorreu à câmara escura (“obscura”), que se compunha de uma caixa ou quarto escurecido e que apenas tinha um pequeno orifício para a luz entrar. Se o orifício fosse suficientemente pequeno, produzia-se uma imagem invertida na parede oposta (Leggat, 2001). Ibn al-Haitham entendia que a luz se movia a uma velocidade muito grande, mas finita, e que apresentava diferentes valores, de acordo com o meio transparente em que se propagava, observando-se a sua refracção, na mudança de meio óptico, devido à alteração da velocidade. Estudou espelhos esféricos e parabólicos, explicando a amplificação de uma lente com base na refracção da luz. Infelizmente, os estudiosos europeus só conheceram o trabalho de al-Haitham depois do século XVI, não beneficiando destes conhecimentos. Durante toda a Idade Média, ainda se mantinham na Europa os pressupostos de Empédocles, Euclides e Ptolomeu.

No século XIII, o inglês Robert Grosseteste (1170-1253) debruçou-se sobre a natureza da luz e avançou teorias pouco meritórias sobre a cor. Inculcou, porém, a importância do estudo da luz no seu aluno Roger Bacon (1214-1292). Bacon acreditava que a luz tinha uma velocidade finita, estudou as lentes convexas, advogando o seu uso na correcção de defeitos de visão. Terá construído uma câmara escura para observar eclipses solares. Os trabalhos de estudiosos subsequentes incidiram no aperfeiçoamento de lentes e culminaram, já no século XVII, com a descoberta e fabrico de telescópios e microscópios.

Em 1621, Willebrord Snell (1580-1626) descobriu a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refracção da luz, verificando que o quociente dos senos destes ângulos era constante. Ao longo deste século, outros se interessaram pelo estudo da luz, como Galileu, Descartes, Fermat, Cavalieri, James Gregory (que descobriu a dispersão da luz ao atravessar uma pena). No entanto, o grande avanço viria com Isaac Newton (1642-1727). Este físico inglês é bem conhecido pelas suas descobertas relativas ao movimento e à gravidade, mas uma experiência que levou a cabo em 1666 modificou a nossa forma de ver a luz.

Durante milhares de anos as pessoas maravilharam-se por um fenómeno que ocorria quando a chuva era iluminada pela luz do Sol. O arco-íris era uma fonte de fascínio. Estas cores também surgiam em peças de vidro, bolas de sabão e, já no século XVII, ocorriam de forma incómoda na orla das lentes dos telescópios, na forma de aberrações cromáticas. O fenómeno mantinha-se, porém, inexplicável apesar das tentativas infrutíferas de vários estudiosos para o decifrar. 

Permitindo a entrada de luz do Sol através de um pequeno orifício, dotado de uma lente convergente, Newton fez incidir um raio luminoso num prisma de vidro triangular, observando a formação, num alvo, de uma imagem oblonga do Sol que apresentava vários halos sucessivos coloridos. Este fenómeno, designado por dispersão da luz branca, era interpretado como a corrupção da luz branca pura (a sua passagem por um meio adulterador produzia as várias cores). Uma obstrução menor produzia o vermelho e uma obstrução maior o azul. Prosseguindo a sua experiência, Isaac Newton intercalou no percurso dos raios coloridos um segundo prisma, numa posição invertida relativamente ao primeiro, observando a emergência de um raio de luz branca. Concluiu, então que, na passagem no primeiro prisma, a luz branca se decompunha no conjunto de cores observado, voltando a surgir no segundo prisma devido à recombinação das cores. Isolando raios singulares das cores obtidas, verificou que não era possível voltar a decompô-los. Reconheceu que a luz branca não é pura, mas sim uma mistura de luz de cores diferentes.

Ao conjunto de cores observadas Newton atribuiu o nome de “espectro”, palavra mais relacionada com espíritos, mas também utilizada para referir as imagens produzidas na “câmara obscura”. Dividiu, então, o espectro em sete cores primárias: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta, numa analogia com a escala musical de sete notas, uma representação que se manteve ao longo dos anos apesar de o espectro consistir de um número infinito de cores.

Isaac Newton teorizou que a luz era constituída por pequenos corpúsculos, correspondendo a cada cor um tipo específico destas partículas que estimulavam o olho humano no sentido de visualizar uma determinada cor, opondo-se à maioria dos estudiosos de então que se inclinavam para a natureza ondulatória da luz.

Um desses estudiosos foi o holandês Christiaan Huygens (1629-1695), que estabeleceu que uma esfera de luz se comportava como se cada ponto da frente da onda fosse uma nova fonte de radiação, com a mesma frequência. Alguns aspectos alimentaram a controvérsia: se a luz fosse uma onda deveria “encurvar” sempre que atravessasse um orifício, devido à difracção (propriedade evidenciada pelas ondas mecânicas: nomeadamente ouvimos o som produzido para lá de uma esquina de um prédio porque as ondas sonoras são difractadas pelo obstáculo, mas não conseguimos ver o que ou quem produziu esses sons) e, sendo uma onda, necessitaria de um meio material para se propagar (por exemplo, o som não se propaga no vazio: uma campainha encerrada numa campânula de vidro deixa de ouvir-se se retirarmos o ar do seu interior). Huygens tentou justificar este último facto avançando com hipótese de o vácuo ser preenchido por éter, um fluido muito rarefeito indetectável pelos nossos sentidos, sendo a luz causada pela propagação de vibrações do éter originadas pelas pulsações de um corpo luminoso, estabelecendo que a velocidade da luz seria menor noutros meios ópticos transparentes como o ar, a água ou o vidro (menos “impregnados” de éter).

Em 1676, o dinamarquês Olaf Römer (1644-1710) deduziu que a velocidade da luz era finita, tendo calculado o seu valor com base na diferença da duração dos eclipses das luas de Jupiter, consoante este planeta se encontrasse do mesmo lado que a Terra, em relação ao Sol, ou em lados contrários, obtendo o valor de 225 mil quilómetros por segundo.

Relativamente à difracção, Thomas Young (1773-1829), utilizando uma tira de papel muito fina, colocada no caminho de um estreito feixe de luz solar proveniente de um pequeno orifício com diâmetro ligeiramente superior à espessura do papel, dividiu o feixe de luz, originando dois raios de luz separados de cada lado da tira de papel. Estes raios, projectados num alvo, ao invés de originarem dois pontos iluminados, produziram um padrão de zonas claras e escuras. Young interpretou estes resultados supondo o encurvamento dos raios luminosos devido à tira de papel, cuja espessura era da ordem de grandeza do comprimento de onda da luz, ocorrendo a formação de franjas graças à interferência entre os raios. Da mesma forma que duas ondas, numa tina de água, interferem quando se encontram, somando-se quando duas cristas se sobrepõem e anulando-se quando uma crista de uma onda encontra um vale da outra, também os raios de luz se anulavam nas zonas escuras e se somavam nas claras. Com base nas suas experiências com a utilização de redes de difracção (pequenas placas com fendas estreitas, muito próximas e igualmente distanciadas, descobertas pelo astrónomo americano David Rittenhouse em 1786, e inicialmente fabricadas com fios de cabelo colocados paralelamente), e nos padrões de interferência produzidos, Young calculou os comprimentos de onda (distância entre duas cristas sucessivas de uma onda) da luz de várias cores.

A ideia segundo a qual dois raios luminosos se podiam anular, dando origem à escuridão, é contra-intuitiva, pelo que a interpretação de Young não colheu muitos defensores. Apenas quando Augustin Fresnel (1788-1827), em 1819, apresentou um estudo que abonava, matematicamente, em favor da teoria ondulatória da luz, em particular os fenómenos da difracção e interferência, esta se acabou por estabelecer na comunidade científica.

William Herschel (1738-1822) foi um astrónomo e músico muito conhecido. Apesar de ter nascido em Hannover, na Alemanha, mudou-se para a Inglaterra e aí construiu telescópios para observar o céu, tendo catalogado estrelas duplas e nebulosas. Tornou-se famoso pela sua descoberta do planeta Urano, em 1781. Em 1800 fez uma outra descoberta dramática quando estudava o calor que passava através de filtros coloridos por ele utilizados na observação do Sol: apercebeu-se que as quantidades de calor transmitidas eram diferentes para filtros de cores diferentes. Posteriormente, analisou o espectro solar medindo a “temperatura de cada cor”, colocando três termómetros ao longo do espectro produzido por um prisma de vidro e verificando que as temperaturas aumentavam da zona do violeta para a zona do vermelho. Após reparar neste padrão, decidiu medir a temperatura na zona invisível do espectro, para lá do vermelho, notando que nesta região se verificavam os maiores aumentos de temperatura. Esta situação indicava a existência de uma luz invisível responsável pelos efeitos térmicos, à qual Herschel deu o nome de “radiação calorífica”. Atestou que esta nova radiação era reflectida, refractada, absorvida e transmitida de maneira similar à luz visível, sendo diferente apenas por não ser visualizada pelos nossos olhos. Esta forma de luz que surge a partir do vermelho (com maior comprimento de onda) é hoje conhecida por radiação infravermelha.

Quando em 1801, Wilhelm Ritter (1776-1810) descobriu o efeito químico da luz invisível, para lá do violeta, em sais de prata, interpretou a sua descoberta como uma evidência da simetria da Natureza. Se, do lado do vermelho, existe uma radiação calorífica, então esta nova radiação, que desencadeava reacções químicas, foi designada, inicialmente, por radiação química. Actualmente designa-se por radiação ultravioleta.

Hoje parece-nos compreensível que estas novas radiações sejam extensões naturais do espectro visível para lá do vermelho e violeta. No entanto, devido à diferença entre os efeitos óptico, térmico e químico, os referidos pioneiros postularam que a radiação emitida por um corpo luminoso era uma mistura de raios visíveis, caloríficos e químicos. O espectro solar gerado por um prisma era uma sobreposição das três componentes: um espectro visível central, entre as cores vermelho e violeta, com um máximo de intensidade no verde/amarelo; um espectro químico com um máximo para além do violeta e um espectro térmico com intensidade crescente a partir do violeta e atingindo um máximo após o vermelho. Evidentemente, não havia uma separação clara entre estes três domínios, variando apenas em magnitude os efeitos apresentados por uma determinada radiação.

O físico francês Léon Foucault (1819-1868), em 1850, calculou a velocidade da luz sem recorrer a métodos astronómicos, obtendo o valor de cerca de 300 mil quilómetros por segundo. Determinou, também, a velocidade da luz no ar e na água, mostrando que a velocidade era menor nestes meios, comprovando o pressuposto na teoria ondulatória de Huygens. Faltava, porém, uma representação física deste fenómeno.

Michael Faraday (1791-1867) estudou os fenómenos eléctricos e magnéticos, concluindo que estavam intimamente relacionados. Verificou também que um campo magnético afectava o plano de polarização de um raio de luz. Apesar de ser um experimentador muito competente, Faraday não possuía conhecimentos matemáticos que lhe permitissem inferir relações precisas a partir das suas observações.

Com base nas ideias de Faraday, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879), desenvolveu a sua teoria electromagnética. Em 1862, a partir de quatro equações matemáticas, estabeleceu que a variação num campo eléctrico está sempre relacionada com a variação de um campo magnético, determinando a velocidade de propagação destas variações no vazio. Maxwell concluiu que as ondas electromagnéticas e a luz coincidiam pois se propagavam à mesma velocidade. Ou seja, a luz consistia afinal em campos electromagnéticos oscilantes que se transmitiam através do “éter”.

Alguns anos mais tarde, entre 1885 e 1889, Heinrich Hertz (1857-1894), utilizando um circuito eléctrico para produzir faíscas num pequeno interruptor, verificou que estas originam ondas electromagnéticas, transmitidas pelo ar e detectáveis, num circuito semelhante, a alguns metros de distância. Estas ondas hertzianas (também designadas por ondas de rádio) eram apenas mais um tipo de luz, pertencente ao espectro electromagnético, mas com comprimentos de onda muito superiores ao das radiações visível e infravermelha.

A radiação X foi descoberta em 1895 por Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923), quando este, usando um tubo de vidro com eléctrodos positivo e negativo nas extremidades e tendo removido todo o ar do interior do tubo, aplicou uma alta tensão; observou um brilho fluorescente em cristais que se encontravam na sua mesa perto do tubo. Decidiu envolver o tubo com cartão preto e, mesmo nestas condições, era gerada fluorescência esverdeada em materiais colocados a dois metros do tubo. Roentgen reconheceu que um novo tipo de radiação estava a ser emitida do tubo uma radiação que era capaz de atravessar o cartão negro. Tendo prosseguido o estudo da nova radiação, a qual designou por X, averiguou que objectos de espessuras diferentes, interpostos no percurso destes raios, apresentavam uma transparência variável.

A sua experiência mais célebre foi quando imobilizou, por momentos, a mão da sua esposa entre a fonte dos raios X e uma placa fotográfica, obtendo, após a revelação, uma imagem que revelava os ossos da mão e o seu anel, rodeados pela penumbra devida ao tecido humano. A aplicação prática da sua descoberta foi quase imediata, tendo já toda a gente, em algum momento, experimentado a sua utilidade.

Cerca de um mês após a descoberta de Roentgen, em Fevereiro de 1986, fizeram-se em Portugal – no Gabinete de Física Experimental da Universidade de Coimbra – as primeiras experiências com raios X, sendo radiografado: um dedo de um cadáver, uma mão viva, uma caixa de pesos e uma sardinha. Estas experiências foram relatadas, com destaque, no jornal O Século de 1 de Março de 1896.

Julgava-se, então, que tudo o que havia para saber, relativamente à luz, tinha sido descoberto. O espectro electromagnético compunha-se da radiação visível, limitada pela radiação vermelha e violeta, além do violeta a radiação ultravioleta e a radiação X (para comprimentos de onda menores) e aquém do vermelho a radiação infravermelha, as microondas e as ondas de rádio (para comprimentos de onda maiores). A descrição da luz, com base nas equações de Maxwell, apenas levantava algumas especulações no que diz respeito ao conceito de éter, o hipotético meio de propagação das ondas electromagnéticas. No entanto, o aparecimento da teoria quântica viria contribuir para melhorar a nossa compreensão da luz.