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In “As Artes entre as Letras”, 28/10/2015, revisto

A luz tem duas caras: tanto aparece na forma de partícula como na forma de onda. Uma maneira de descrever esse seu comportamento dual consiste em dizer que viaja como uma onda mas é observada como uma partícula ou grão de luz, ao qual se deu o nome de fotão. A teoria quântica permite conciliar esses dois aspetos aparentemente contrários, pois uma onda está espalhada por todo o lado ao passo que uma partícula está localizada num ponto do espaço.

Para o físico inglês Isaac Newton, que há 350 anos começou a fazer experiências de ótica, aproveitando a luz que lhe entrava pela janela do quarto e um prisma, a luz era formada por partículas. Pois não se sabia desde a antiguidade que os raios, fossem eles do Sol ou de outra fonte, viajavam em linha reta, como é próprio de um projétil? Para o grande sábio inglês a luz branca era desdobrada em luz de várias cores no interior do prisma simplesmente porque ela era composta por corpúsculos de tamanhos diferentes. Os maiores viajavam mais lentamente no vidro, ao passo que os menores viajavam mais rapidamente. As cores do arco-íris que apareciam no vidro e continuava quando o feixe saía estariam associadas ao diferente tamanho das partículas. Newton acertou em cheio quando afirmou que o branco tinha todas as cores e quando explicou o desdobramento das cores pela diferente velocidade das partículas, mas falhou quando imaginou partículas de diferentes tamanhos.

A teoria corpuscular da luz foi contraditada por grandes sábios da época como o inglês Robert Hooke, que escreveu a Newton apontando inconsistências à teoria newtoniana. Foi numa resposta que Newton escreveu a sua famosa frase: “Se consegui ver mais longe foi porque estava aos ombros de gigantes.” Os historiadores de ciência ainda hoje não sabem se era uma bela metáfora sobre a construção da ciência ou se era antes um dito jocoso, dada a pequena estatura de Hooke. A autoridade de Newton, que foi durante muitos anos Presidente da Royal Society de Londres, parecia ter imposto de início o conceito corpuscular de luz mas o fenómeno da difração observado no mesmo ano de 1665, quando Newton criava o arco-íris em sua casa, por um padre jesuíta em Bolonha, o italiano Francesco Grimaldi, continha em si uma crítica muito forte à teoria de Newton. A difração consiste no espalhamento da luz quando ela atravessa um pequeno orifício. Um projétil iria simplesmente a direito, mas a luz, como é próprio de uma onda, espalha-se nessa circunstância em todas as direções.

Porém, só no início do século XIX a teoria de Newton foi descartada. Uma experiência com passagem de luz por dois orifícios efetuada pelo médico inglês Thomas Young mostrava, sem apelo nem agravo, que a luz era um fenómeno ondulatório. Verificava-se não apenas difração em cada orifício, mas também interferência – isto é, sobreposição construtiva ou destrutiva – da luz que provinha dos dois. Há 200 anos o francês Augustin-Jean Fresnel descrevia matematicamente as ondas de luz, que se manifestavam na experiência de Grimaldi ou na de Young. Mas uma onda é a propagação de uma perturbação de alguma coisa. O quê? Há 150 anos, o escocês James Clerk Maxwell, num golpe de génio, esclareceu que ondas eram essas: eram perturbações dos campos elétrico e magnético, que aparecem sempre associados um ao outro. A luz eram ondas eletromagnéticas. O alemão Heinrich Hertz mostrou, no seu laboratório, alguns anos volvidos, que era possível emitir e recolher luz invisível de comprimento de onda muito maior do que os da luz visível. Essas ondas foram chamadas ondas hertzianas ou ondas de rádio. Parecia que a teoria corpuscular de Newton estava morta e enterrada.

Mas, em 1905, o físico suíço Albert Einstein havia de a ressuscitar. Ao tentar interpretar um outro fenómeno estudado por Hertz, sem relação direta com as ondas hertzianas, chegou à conclusão de que a luz é afinal formada por partículas. O fenómeno era o efeito fotoelétrico. Luz invisível muito energética conhecida por luz ultravioleta, ao incidir numa placa metálica, conseguia arrancar eletrões que fechavam um circuito: de algum modo a energia luminosa era convertida em energia elétrica. O choque da luz com os eletrões só podia ser explicado pensando que um grão de luz batia num eletrão. Não foi Einstein quem chamou fotões a esses grãos, mas sim mais tarde o químico norte-americano Gilbert Lewis. Einstein chamou-lhes, em alemão, Lichtquanta (quantidades de luz). A palavra quanta é o plural de quantum, que significa quantidade. O conceito de quanta tinha sido introduzido em 1900 pelo alemão Max Planck ao descrever o chamado “problema do corpo negro”, a distribuição da intensidade da radiação dentro de um forno aquecido pelo conjunto de todos os comprimentos de onda. Planck, embora de uma forma algo relutante, propôs a extraordinária hipótese quântica: a luz é emitida ou absorvida pelas paredes do forno em quantidades discretas, os tais quanta ou pacotes de luz. Einstein foi, porém, mais longe, ao afirmar que a luz não só era emitida e absorvida em pacotes, mas também existia em pacotes, ou pelo menos manifestava-se em pacotes noutras circunstâncias, designadamente quando interagia com eletrões. Ganhou o Prémio Nobel da Física de 1921 devido a essa sua hipótese.

Einstein estava certo e agora só faltava conciliar os opostos, isto é, desenvolver uma teoria consistente que permitia explicar o carácter dual da luz. A teoria iniciada por Planck e Einstein acabou por fazer o seu caminho, ficando pronta em 1926, com artigos do alemão Werner Heisenberg e do austríaco Erwin Schroedinger. A teoria quântica permite-nos hoje descrever a luz e a interação da luz com a matéria. Pode parecer esquizofrénico, mas a luz é por vezes partícula – o fotão – e, por vezes onda. Tudo depende do dispositivo e do modo de observação.

O físico português José Tinto de Mendonça, no seu recente livro Uma biografia da luz. Ou a triste história do fotão cansado (Gradiva, Coleção Ciência Aberta, n.º 211) fala assim da estranha natureza da luz: “Há nomes de pessoas que são estereótipos de esquizofrenia: Ortega y Gasset, Costa e Silva, Cotton-Mouton ou Cohen-Tannoudji, o sánio de Tunes. Dois personagens numa só pessoa. O mesmo dilema se encontra na luz, que não sabe se é onda ou se é partícula. E tem que ser as duas coisas ao mesmo tempo.”
Carlos Fiolhais
tcarlos@uc.pt