Edição 474 | 05 Outubro 2015

Dar à luz a Luz

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Ricardo Machado

O professor e pesquisador Carlos Alberto dos Santos analisa teoricamente os desenvolvimentos da física e seus estudos sobre as propriedades da Luz

Do princípio ao fim a Luz está presente em nossas vidas. Se antes ela estava predominantemente em seu modo, digamos assim, natural de existência, com o Sol e a luz do fogo, atualmente há maneiras muito mais sofisticadas de ela se fazer presente. “A fotônica, ou seja, a ciência e a tecnologia dos circuitos elétricos governados por fótons e elétrons, e não apenas por elétrons como a eletrônica, está cada vez mais se impondo no mercado tecnológico. Cabe destacar que a fotônica surgiu por causa da invenção do laser, um dispositivo que revolucionou várias áreas, entre as quais as da saúde. Tudo isso serviu de motivação para definição deste ano como Ano Internacional da Luz”, explica o professor e pesquisador Carlos Alberto dos Santos, em entrevista por e-mail à IHU On-Line.

Há toda a sorte de inventos que se baseiam em tecnologias que usam a luz de modo passivo e modo ativo. “No primeiro caso temos os dispositivos da óptica clássica, lunetas, telescópios, microscópios, espelhos, etc., que usam a luz para visualizar diferentes tipos de objetos”, explica o professor. “Nos tempos atuais, temos a fotônica. Esta é a área em que a manipulação da luz é realizada de modo ativo, e que teve seu surgimento graças à invenção do laser. Então, eu diria que o laser é o principal invento baseado na manipulação da luz. Outro invento de grande importância para a tecnologia moderna é a fibra ótica, capaz de transmitir informações em maior quantidade e velocidade do que os cabos condutores usuais”, complementa. 

Carlos Alberto dos Santos é graduado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio, realizou mestrado e doutorado em Física pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS, onde aposentou-se e permanece trabalhando como pesquisador e colaborador convidado. É avaliador de cursos de graduação e avaliador de instituições do ensino superior do MEC e colunista de Ciência Hoje Online.

Confira a entrevista.

 

IHU On-Line – Qual a importância de se celebrar o Ano Internacional da Luz?

Carlos Alberto dos Santos - Sociedades científicas costumam celebrar efemérides relevantes para o avanço da ciência e da tecnologia. Só para citar um exemplo pertinente à comemoração deste ano, 2005 foi considerado o Ano Internacional da Física para comemorar o centenário dos trabalhos publicados por Albert Einstein  em 1905, seu Ano Miraculoso.  Naquele ano ele publicou cinco trabalhos, entre os quais dois sobre a teoria da relatividade restrita, um sobre o movimento browniano  e outro sobre o efeito fotoelétrico,  pelo qual ganhou o Nobel de Física de 1921. Em 1915, Einstein publicou o trabalho sobre a teoria da relatividade geral, algo ainda mais revolucionário que a sua teoria da relatividade restrita. Ambas as teorias têm íntima relação com a luz. Além disso, a luz está presente em todos os momentos da nossa vida. A fotônica, ou seja, a ciência e a tecnologia dos circuitos elétricos governados por fótons e elétrons, e não apenas por elétrons como a eletrônica, está cada vez mais se impondo no mercado tecnológico. Cabe destacar que a fotônica surgiu por causa da invenção do laser, um dispositivo que revolucionou várias áreas, entre as quais as da saúde. Tudo isso serviu de motivação para definição deste ano como Ano Internacional da Luz.

 

IHU On-Line – De que forma a Teoria da Relatividade proporcionou uma revolução não somente científica, mas também paradigmática de interpretação do Universo, do mundo e das relações humanas?

Carlos Alberto dos Santos - Convém ter em mente que existem duas teorias da relatividade, como mencionei na pergunta anterior. Na Teoria Restrita, Einstein mostrou que a velocidade da luz não depende do sistema de referência. Ou seja, a velocidade da luz é uma constante que só depende do meio onde ela se propaga. Isso teve sérias implicações na teoria clássica do eletromagnetismo, formulada através das equações de Maxwell, e na mecânica de Newton. Além disso, como um subproduto da sua teoria, Einstein mostrou a equivalência massa-energia, representada pela famosa equação E=mc2. Há quem diga que esta é a equação mais famosa da física. Ela explica a existência da enorme energia liberada em uma reação nuclear. 

Teoria da Relatividade Restrita e Teoria da Relatividade Geral

A Teoria da Relatividade Restrita tem a ver com quase todos os fenômenos em escala atômica. Qualquer dispositivo eletrônico moderno apresenta fenômenos relativísticos. Ou seja, a nossa tecnologia não seria o que é, se não fosse a Teoria da Relatividade Restrita.  

Por outro lado, a Teoria da Relatividade Geral tem a ver com macrocosmo, com a gravitação, e teve início com o questionamento da ação a distância, que fundamenta a Lei da Gravitação de Newton. Aquela história que recitamos na escola secundária, “matéria atrai matéria na razão direta do produto das suas massas e na razão inversa do quadrado da distância”. Na Teoria da Relatividade Geral, cada corpo deforma o espaço-tempo, e é essa deformação que produz atração gravitacional. Quanto maior a massa do corpo, maior a deformação. A teoria implica na existência dos famosos buracos negros. Ou seja, quanto menor em dimensão e mais massivo é um corpo, mais profunda é a deformação, até que se chega a um limite onde a deformação transforma-se num poço que atrai qualquer matéria e luz que circule em sua redondeza, e de lá nada sai. É por isso que se chama buraco negro. Portanto, a revolução paradigmática da Teoria da Relatividade Geral na interpretação do universo tem a ver com a substituição da interação a distância da gravitação newtoniana, pela deformação do espaço-tempo.

Não tenho elementos racionais e científicos para dizer que tipo de influência essa teoria tem nas relações humanas. Creio que isso fica no campo das reflexões filosóficas, que estão fora da minha área de conhecimento.

 

IHU On-Line - Qual a importância do Islamismo Medieval e de Ibn al-Haytham para os estudos da ótica?

Carlos Alberto dos Santos - Infelizmente meu conhecimento sobre a ciência do mundo árabe é muito primário, mas tanto quanto eu sei, Ibn al-Haytham,  nascido por volta do ano 965, realizou muitos experimentos com a luz e escreveu o Livro da Óptica, que alguns historiadores consideram tão importante quanto os Principia Mathematica de Newton.  Todavia, é quase unanimidade entre os historiadores que Isaac Newton é o pai da óptica moderna. 

 

IHU On-Line – Quais são as principais diferenças da interpretação da Luz entre Isaac Newton e Christiaan Huygens  na comparação com a Teoria da Relatividade de Einstein?

Carlos Alberto dos Santos - Newton defendia o caráter corpuscular da luz, enquanto Huygens defendia o caráter ondulatório. Embora os nomes desses cientistas estejam ligados às respectivas teorias, a questão não surgiu com eles, e nem eles foram os únicos a desenvolver essas teorias. A história é longa e certamente não pode ser detalhada aqui, mas convém apenas lembrar que a teoria corpuscular já havia sido aventada pelos gregos. Assim como para os cientistas da antiguidade, para Newton um feixe de luz era composto por corpúsculos que viajavam em linha reta. Eram tão pequenos que ninguém podia visualizá-los, e ninguém sabia exatamente o que eram esses corpúsculos. Alguns fenômenos luminosos, como reflexão e refração, podiam ser explicados por essa teoria, outros, como difração e polarização, eram inexplicáveis. 

Em seu livro “Micrographia”, publicado em 1665, Robert Hooke  explica a difração considerando que a luz consistia de rápidas vibrações, ou seja, a luz era uma onda. Logo depois, Newton inicia seus estudos sobre óptica e propõe a teoria corpuscular. Há quem diga que para evitar críticas de Hooke, com quem mantinha séria disputa, Newton retardou a publicação de seu livro “Optics”, que só ocorreu em 1704. Antes disso, Huygens retoma e melhora a teoria de Hooke e publica seu famoso “Traité de la Lumière”, em 1690. 

A autoridade científica de Newton sufoca a teoria ondulatória de Huygens por quase um século, até que por volta de 1801 uma bela experiência realizada por Thomas Young  resolveu a questão favoravelmente a Huygens. Ironicamente, Einstein, que alterou drasticamente a mecânica e a gravitação newtoniana, fez renascer a teoria corpuscular da luz para explicar o efeito fotoelétrico.

 

IHU On-Line – Do que se trata o efeito fotoelétrico?

Carlos Alberto dos Santos - O efeito fotoelétrico foi descoberto por Heinrich Hertz,  em 1887, quando ele investigava a natureza eletromagnética da luz e terminou também descobrindo as ondas de rádio. O fenômeno é simples: quando determinado tipo de luz (por exemplo, ultravioleta) atinge a superfície de determinado material (um metal, por exemplo), observava-se a emissão de uma corrente elétrica. O nome do fenômeno vem daí, um fóton (de luz) produz uma corrente elétrica. Todas as tentativas para explicar o fenômeno com base na teoria clássica do eletromagnetismo falharam. Em 1905, Einstein aproveitou a ideia da quantização da energia proposta por Max Planck  em 1900, e a aplicou na quantização da luz. Para isso considerou que um feixe de luz era composto por corpúsculos, cada um transportando uma energia igual ao produto da frequência da luz pela constante de Planck. Vinte anos depois, esses corpúsculos foram denominados fótons. Ou seja, o fóton é uma partícula associada à luz. Diz-se que o fóton é o quantum de luz. Inicialmente, Planck achou um absurdo o uso que Einstein fez da sua constante, mas os fatos experimentais demonstraram que Albert estava certo, e mais do que isso, a teoria do efeito fotoelétrico lhe valeu o Nobel de Física de 1921.

 

IHU On-Line – Quem foi Max Planck? Qual a importância de seus estudos, especialmente a Constante de Planck, para as descobertas acerca da Luz?

Carlos Alberto dos Santos - Max Planck foi um dos físicos mais importantes da Alemanha, com relevantes contribuições ao estudo da termodinâmica, sobretudo com os estudos referentes à radiação de corpos aquecidos, tecnicamente conhecida como radiação de corpo negro. Quase todo mundo já viu alguma vez um metal ficar avermelhado quando aquecido em alta temperatura. Aquela luz avermelhada é a irradiação proveniente da vibração das moléculas do material, associadas a osciladores nos modelos teóricos. Para explicar esta radiação, Planck fez, em 1900, uma proposta que ele considerou desesperadora, mas que revelou-se revolucionária. Em vez de considerar que os osciladores irradiavam qualquer quantidade de energia, como todos na época consideravam, Planck impôs uma restrição, isto é, os osciladores só podiam emitir energia em determinadas quantidades. Mais precisamente, em quantidades inteiras iguais ao produto da frequência da radiação emitida, por uma constante que passou a ser chamada de constante de Planck, e a suposição é hoje conhecida como quantização da energia. 

A partir dessa ideia ele obteve uma expressão que ajustou completamente a curva espectral da radiação de corpo negro. Todavia, Planck achava que a ideia não passava de um artifício matemático para ajustar as curvas experimentais, e a constante era tão somente um fator de proporcionalidade que deveria valer apenas para a radiação de corpo negro. Foi por isso que ele achou um absurdo a ideia de Einstein de generalizar a quantização para o caso da luz.

 

IHU On-Line – Do que se trata a dualidade onda-partícula e como isso ajuda a explicar o comportamento quântico?

Carlos Alberto dos Santos - Depois que Einstein explicou o efeito fotoelétrico, ficou estabelecida a teoria corpuscular da luz. No início dos anos 1920, o físico francês Louis de Broglie  demonstrou que o elétron, que era uma das partículas elementares da matéria, também apresentava um comportamento ondulatório. Ficou então estabelecida a dualidade partícula-onda, ou onda-partícula, como queira, para qualquer objeto material. Mas a manifestação ondulatória só pode ser percebida para objetos muito pequenos, com dimensões na escala atômica, como prótons, elétrons e nêutrons. Logo depois a teoria de Louis de Broglie foi demonstrada experimentalmente e surgiram técnicas de difração de elétrons e de nêutrons, muito importantes para a ciência e a tecnologia.

Vários comportamentos quânticos só existem por causa dessa dualidade. Por exemplo, inúmeros dispositivos eletrônicos funcionam por causa do efeito túnel. Ou seja, elétrons atravessam paredes finíssimas de silício e outros materiais, como se fossem ondas. Então, se não fosse a dualidade partícula-onda não existiria o efeito túnel. Alguns comportamentos moleculares em reações químicas também ocorrem devido ao efeito túnel.

 

IHU On-Line – Quais são os principais inventos baseados na manipulação da Luz?

Carlos Alberto dos Santos - Questão complexa. Talvez seja conveniente fazer uma distinção entre inventos que usam a luz de modo passivo e aqueles que usam a luz de modo ativo. No primeiro caso temos os dispositivos da óptica clássica, lunetas, telescópios, microscópios, espelhos, etc., que usam a luz para visualizar diferentes tipos de objetos. Nos tempos atuais, temos a fotônica, que já mencionei em resposta anterior. Esta é a área em que a manipulação da luz é realizada de modo ativo, e que teve seu surgimento graças à invenção do laser. Então, eu diria que o laser é o principal invento baseado na manipulação da luz. Outro invento de grande importância para a tecnologia moderna é a fibra ótica, capaz de transmitir informações em maior quantidade e velocidade do que os cabos condutores usuais. 

 

IHU On-Line – Quais são os nexos entre os estudos sobre a Luz e a microeletrônica?

Carlos Alberto dos Santos - Os estudos sobre a conexão entre luz e microeletrônica resultaram na fotônica, a eletrônica do fóton, ou seja, a eletrônica comandada pela luz.  ■

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