Neste capítulo, abordamos uma revisão bibliográfica sobre as concepções da natureza da luz guiadas pelo contexto histórico. Dela, enfatizamos a discussão cerca das teorias elaboradas pelos filósofos sobre os modelos ondulatório e corpuscular da luz, mas principalmente da dualidade onda-partícula, por se tratar de uma importante controvérsia da história da física.
Nosso intuito é entender as discussões da história e filosofia da ciência e, por isso, nos reportaremos a identificar os modelos com suas interpretações e comportamentos, na tentativa de compreender diferenças filosóficas e epistemológicas do processo de criação científica. Acreditamos que reconhecer os conflitos conceituais referente à natureza da luz, entre as distintas interpretações são imprescindíveis para a compreensão da Física Moderna e Contemporânea.
Vamos tematizar as concepções acerca da luz, seguindo uma ordem cronológica, relembrando eventos ocorridos ao longo dos séculos e discutindo os conceitos relevantes.
Sobre o enfoque da abordagem da história e filosofia da ciência no ensino, autores como Teixeira, Freire Jr, El-Hani ( 2009); Pinto e Zanetic (1999) pontuam que “A história e a filosofia da ciência, indo muito além da mera ilustração ou motivação para o estudo, podem facilitar a construção conceitual e cultural da Física a ser trabalhada no ensino médio” (PINTO, ZANETIC, 1999, p.21).
Os primeiros filósofos a refletirem sobre a luz elaboraram hipóteses na tentativa de descrevê-la e compreendê-la. Inicialmente, a luz era associada a divindades e aceita como sendo também criada por Deus. Santo Agostinho (354-430 d.C.), importante filósofo da idade média do Império Romano, apresentou uma interpretação sobre a criação do Universo, de acordo com o primeiro dia do livro de Gêneses, da Bíblia Judaica, do qual o provável autor é Moisés: a criação da Luz. Ele defendia que a luz era uma matéria sem forma (MARTINS, 1996).
Diferente dos pensamentos relacionados à Igreja, os gregos também tinham questionamentos e preocupações em explicar os fenômenos que envolviam a luz. Platão (428- 328 a.C.) “[...] acreditava que a visão de um objeto era devida a três jatos (raios) de partículas:
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um proveniente dos olhos, outro do objeto e o último da fonte iluminadora (SILVA, 2010, p.98).
Leucipo (480-420 a.C.) e Demócrito (460-370 a.C.) afirmavam que a luz estava presente nos olhos em forma de pequenas partículas que ao atingirem um objeto, tornavam possível visualizá-lo. Eles acreditavam que “[...] os objetos emitiam átomos, que formavam uma imagem dos objetos, percebida, posteriormente, pelos órgãos da visão para formar, por fim, a imagem” (García et al; 2007 apud SILVA, 2010, p.47).
Nessa discussão, “Aristóteles (384-322 a.C) entendia que não havia os átomos, e, sim, uma substância, que preenchia todo o espaço - o éter. Ele foi um dos primeiros a tentar dar uma explicação não corpuscular para a natureza da luz” (SILVA, 2010, p.48). Defendia que a “[...] a luz era resultado da atividade de um determinado meio, cuja vibração provocaria o movimento de humores presentes nos olhos” (ROCHA, 2002, apud SILVA, 2009, p.48).
Por volta de 1038 d.C., um cientista árabe, Alhazen (965-1039) aperfeiçoou seus estudos, dando uma nova explicação para a visão, a qual
[...] consistia na formação de uma imagem óptica no interior do olho, que funcionava como uma câmara escura, onde os raios de luz emitidos por cada ponto do corpo atravessariam a pupila e formariam um ponto correspondente da imagem no fundo da câmara (SILVA, 2010, p. 51).
Tomás de Aquino (1225-1274), sob A influência do pensamento de Aristóteles, também discutiu sobre o primeiro dia de Gêneses da Bíblia: a criação da luz:
[...] Tomás de Aquino discute a própria noção de luz. Ele lembra que se pode falar sobre a luz no sentido original (aquilo que é produzido pelos corpos luminosos e que nos permite ver) ou em sentido metafórico. “Ver” pode ser usado no sentido de “perceber”, seja no caso de se ver um objeto, ou de se “ver” que um objeto é áspero, ou “ver” uma verdade. Da mesma forma, “luz” pode se referir ao seu significado original quando falamos sobre objetos da natureza, perceptíveis; mas pode ter um sentido metafórico, quando se fala sobre coisas espirituais (MARTINS, 1996, p.66).
Para Tomás de Aquino, a luz era produzida pelos corpos luminosos e permitia perceber que não podia ser material. Argumentava que “[...] dois corpos não podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo tempo. Mas a luz e o ar (ou qualquer objeto transparente) podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo tempo. Portanto, a luz não pode ser um corpo, isto é, não pode ser algo material” (MARTINS, 1996, p.65).
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Nesse período histórico, constatamos o quanto a luz era problematizada e os filósofos estavam em busca de respostas. Santo Agostinho e Tomás de Aquino acreditavam que a luz era sem forma. Já os gregos e Aristóteles descreviam que o éter preenchia todo o espaço.
Essas concepções filosóficas, em que a luz era composta por partículas que saíam dos corpos materiais, ou eram modificações do meio material entre o objeto e o observador, em que a luz era composta por corpúsculos, prosseguiram até o século XVII, quando,novamente, foi rediscutida com grandes progressos.
Nesta época, Christiaan Huygens (1629-1695), René Descartes (1956-1650), Roberto Hooke (1635-1703) e Isaac Newton (1642-1727) retomaram os debates sobre os fenômenos luminosos, na tentativa de explicarem corretamente a natureza da luz. Porém, suas bases conceituais eram distintas. Newton, por sua vez, defendia que a luz era composta por partículas; Huygens e Descartes que a luz era transmitida por meio de vibrações num meio material.
Na época, havia a concepção de que as ondas necessitavam de um meio material para se propagarem, levou a considerarem que a luz tem natureza ondulatória e que deveria existir um espaço considerado vazio. A existência desse espaço vazio foi chamado de éter, “como um meio material que viabiliza a propagação de ondas luminosas, estaria presente em todo o espaço que nos rodeia, preenchendo o Universo [...]” (SALVETTI, 2008, p. 64).
Huygens defendia que entre a Terra e o Sol não existia ar, e sim uma substância invisível (éter), a qual o sentido do olho humano não conseguia captar e ela se propagava a luz. Descartes caracterizava “[...] a natureza da luz como problema científico, sustentava que a luz tinha uma tendência natural ao movimento ou pressão e que ela era transmitida com velocidade infinita.” (BASSALO e PIETROCOLA, 1986; 1993 apud SILVA, 2010, p. 51). E, para Hooke, “[...] a luz seria constituída por pulsos de pequenas amplitudes, propagando-se em um meio contínuo [...]” (SILVA, 2007, p.152).
Silva (2007) refere-se à Huygens, que defendia a teoria ondulatória, mas desconhecia o conceito de ondas eletromagnéticas, sendo que Huygens concebia a luz na forma de uma perturbação mecânica que se propagava através de forças de contato entre corpúsculos. Portanto, para ele, a luz se propagava por um meio que se chamava éter luminífero, através de impulsos independentes e de forma análoga ao som, possuindo as seguintes propriedades de propagação retilínea; reflexão regular e difusa; e, refração. “A luz seria propagada por meio de ondas esféricas, pois os corpúsculos de éter não se encontram alinhados um após o outro,
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mas distribuídos de maneira confusa, da forma que cada um toque diversos vizinhos” (Idem, 2007, p.154).
Forato (2009) relembra que, contrário a essas concepções, Isaac Newton discutiu e defendeu outra explicação para a luz, descrevendo o comportamento dos raios de luz, como se fossem corpúsculos emitidos pelas superfícies dos corpos, que se deslocavam em linha reta até interagir com algum obstáculo. Os objetos seriam feitos de partículas.
Newton supunha, por exemplo, que havia uma força de atração entre as partes de um corpo transparente e a luz, por isso o raio luminoso era atraído e se desviava em seu interior. Quer dizer, se os objetos são feitos de partículas, havia uma força de atração entre as partículas dos corpos transparentes e o raio de luz, pois este penetrava em seu interior (FORATO, 2009, p.3).
Newton, na sua teoria corpuscular para a luz, propunha que os corpúsculos poderiam ser repelidos ou atraídos, razão pela qual a teoria ondulatória foi deixada de lado, principalmente pelo fato de acreditarem que a luz sempre se propagava em linha reta, não podendo contornar os objetos.
Newton (2002), nos seus dois primeiros livros de Óptica, provou, com experimentos, as diferenças originais com os raios de luz, demonstrando suas propriedades. Enquanto para Hooke apenas existiam duas cores básicas a cor vermelha e azul, as demais cores eram geradas por distorções ocorridas durante a refração. No livro I da Óptica, explícito em 1671- 1672, ele discutiu a decomposição das cores espectrais ao atravessar um prisma; no Livro II da Óptica em 1704, tratou sobre as cores produzidas por corpos transparentes; no Livro III, esboçou sobre a difração, e questões apresentadas com teoremas, baseadas em experiências. Nesse mesmo livro, ele afirma que a luz era composta por corpúsculos de matéria.
Silva (2010) relata as controvérsias referentes aos conflitos teóricos através de uma revisão bibliográfica da história da Óptica de Huygens e Newton sobre a natureza da luz, especificando as diferenças e os fenômenos defendidos entre os dois modelos, o ondulatório e o corpuscular. Salvetti (2008) descreve a discussão que ocorreu para se entender a natureza da luz, entre Christian Huygens, que considerava a luz formada por ondas, e Newton, por corpúsculos.
Porém, entre as duas teorias, outra controvérsia se efetivava, quando da explicação da velocidade da luz ao passar do vácuo para os corpos. Newton defendia que a velocidade
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aumentava e Huygens acreditava que deveria ser menor em meios mais densos. Como não existiam aparelhos que pudessem verificar essas discordâncias, as concepções de Newton prevaleceram devido ao seu prestígio na época.
Os avanços que se sucederam a cerca do modelo ondulatório, com as contribuições de Thomas Young (1773-1829), Augustin Fresnel (1788-1827), Jean Foucault (1819-1868), James Clerk Maxwell (1831-1879) e Heinrich Hertz (1857-1894), reavivaram esse modelo. No início do século XIX, Young discutiu a natureza da luz, realizando uma experiência muito significativa para a ciência: a experiência da fenda dupla, corroborando a teoria ondulatória da luz. Na sua demonstração com o experimento, constatou que “[...] as ondas luminosas emitidas por uma única fonte, propagando-se por duas trajetórias diferentes, podem chegar a um certo ponto, combinar-se e anular-se pela interferência destrutiva” (SERWAY, JEWETT JR, 2007, p.983).
Conforme vemos na figura 1, a experiência da dupla fenda se traduz em uma única fonte de luz monocromática, sendo iluminada pela fenda S0, com isso se difratando3 e se espalhando por várias direções até chegar às fendas S1 e S2, seguindo para uma tela branca. A sua superposição resulta numa interferência, dando, assim, origem a franjas claras (interferência construtiva) e escuras (interferência destrutiva) comprovando a interferência4 ondulatória.
Figura 1: Diagrama da experiência de dupla fenda de Young5
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São ondas das quais sofrem um desvio ao passar por obstáculos em uma mesma fenda. 4 São ondas no qual se superpõem provenientes de fendas diferentes.
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Por sua vez, Fresnel elaborou uma fundamentação matemática para o modelo ondulatório, realizando várias experiências sobre a interferência.
Foucault esclareceu a dúvida de Newton e Huygens sobre a velocidade da luz. No modelo corpuscular, era afirmado que a velocidade da luz era maior no líquido do que no ar. Ele forneceu evidências, pelo modelo ondulatório, que a velocidade da luz é menor no líquido do que no ar, isso através do avanço dos instrumentos tecnológicos (ROCHA, 2002).
Em 1888, Hertz demonstrou com um experimento que um circuito elétrico oscilante irradiava ondas eletromagnéticas, sendo o primeiro a detectar as ondas eletromagnéticas (SERWAY, JEWETT JR, 2007). Esse comportamento não podia ser explicado pelo modelo corpuscular, porque os cientistas não imaginavam que as partículas poderiam se anular ou se juntar umas às outras, tendo como base o entendimento do modelo ondulatório da luz.
Com seu estudo sobre os fenômenos elétricos e magnéticos, Maxwell resumiu um conjunto de relações, logo denominadas de equações de Maxwell. Elas exprimem de forma matemática compacta as leis de Coulomb, de Gauss, de Biot-Savart e de Ampere. “Maxwell mostrou que estas equações podem ser combinadas de modo a gerar uma equação de onda para vetores do campo elétrico E e do campo magnético B. Estas ondas eletromagnéticas são provocadas por cargas ou por correntes oscilantes”(TIPLER, 1978, p.836). O campo elétrico6 E e o campo magnético7 B oscilam em direções perpendiculares, no qual aumentam e diminuem periodicamente sua intensidade, conforme figura 2.
Figura 2: Representação de uma onda eletromagnética8
6 O campo elétrico é estabelecido por cargas elétricas, interação entre campo elétrico e outras cargas dando origem a forças elétricas (RESNICK, HALLIDAY e KRANE, 1992).
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Uma carga elétrica em movimento, ou corrente elétrica, estabelece um campo magnético que exerce uma força magnética sobre outras cargas em movimento ou correntes RESNICK, HALLIDAY e KRANE, 1992, p.133). 8 Disponível em:
<http://2.bp.blogspot.com/_yhcFVb0usrM/S3q4oJpZW9I/AAAAAAAABlo/gV2fdloVeSM/s400/onda+eletroma gnetica.jpg> Acesso em: 15 ago. 2011.
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Com seus estudos, Maxwell conclui que a natureza da luz era eletromagnética, e não necessitava de um meio para a sua propagação. O modelo ondulatório foi aperfeiçoado e se tornou o modelo de onda de Maxwell.
A interação da luz com a matéria, nos fenômenos da reflexão, refração, interferência e polarização, revela um comportamento que pode ser compreendido considerando a luz como formada por ondas transversais. Esse conjunto de propriedades ondulatórias se relaciona à presença de cargas elétricas e seus movimentos, através dos campos elétricos e magnéticos (SALVETTI, 2008, p.121).
Portanto, a “Luz é em geral emitida quando os elétrons das camadas mais externas (ou de valência) dos átomos realizam transições de um nível de energia mais alto para um mais baixo [...]” (RESNICK, HALLIDAY, KRANE 1992, p.257).
Todas as ondas eletromagnéticas se propagam no espaço com a mesma velocidade, sendo aplicada a todas as radiações eletromagnéticas e não apenas à luz. Através dela é possível relacionar a frequência e o comprimento de onda de acordo com a equação matemática c=λv (RESNICK, HALLIDAY, KRANE, 1992). Ou seja, a velocidade de uma onda depende das propriedades do meio no qual ela se propaga. Em 1887, Hertz confirmou as hipóteses de Maxwell, considerando que “as experiências descritas me parecem em alto grau adequadas para remover as dúvidas sobre a identidade entre a luz, a radiação térmica e as ondas eletromagnéticas” (apud ROCHA, 2002, p. 264). “Quando Maxwell relacionou efeitos elétricos e magnéticos a fenômenos com a luz, apontou o caminho para compreendermos, de forma unificada, os processos de produção, absorção e propagação da luz” (SALVETTI, 2008, p. 71).
Nessa época, eles já classificavam as ondas mecânicas ou eletromagnéticas, em que as ondas mecânicas perturbam e propagam-se através de um meio, como uma onda sonora; e, as ondas eletromagnéticas, não necessitam de um meio para se propagarem (SERWAY, JEWETT JR, 2004).
Todas as ondas carregam energia, mas seu mecanismo de transporte difere de um caso para outro. A perturbação de uma onda ocorre quando as partículas se movem, perpendicularmente (onda transversal), ou paralelamente (ondas longitudinais). Uma onda possui um comprimento, que é a distância mínima entre quaisquer dois pontos idênticos em uma onda; uma frequência, caracterizada pelas oscilações; um período, representado por T,
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que é o tempo mínimo que uma partícula do meio leva para realizar uma oscilação completa, e é igual ao inverso da frequência; e uma amplitude, que é o deslocamento máximo de uma partícula do meio com relação à posição de equilíbrio (SERWAY, JEWETT JR, 2004).
Os pesquisadores, já com argumentos suficientes e comprovados, acreditavam que a natureza da luz tinha chegado a um resultado satisfatório, no qual a luz era de natureza ondulatória e possuía as propriedades de reflexão; refração; difração; interferência e polarização. Existem, por exemplo, várias situações do nosso dia a dia que podem ser explicadas através da reflexão, qual é caracterizada pela mudança de direção de um feixe luminoso, no qual as ondas incidentes e refletidas formam ângulos iguais. Já a refração ocorre quando a luz passa de um meio para outro, ou seja, o feixe se propaga em uma direção diferente da direção do feixe incidente, com velocidades diferentes nos dois meios. Caracterizamos difração quando uma onda contorna obstáculos que esta em sua trajetória. Ou seja, é um desvio em relação à sua direção de propagação (ROCHA, 2002). Na polarização,
somente as ondas transversais podem ter polarização. Polarizar significa orientar em uma
única direção.
Assim, a luz passou a ser entendida como uma onda eletromagnética, através desses conjuntos de propriedades, sendo formada por campos elétricos e magnéticos perpendiculares entre si, podendo se propagar mesmo na ausência de matéria (SALVETTI, 2008). Temos como exemplos de ondas e radiações eletromagnéticas, as ondas de rádio9; as microondas10; as ondas infravermelhas11; a luz visível12 e os Raios X13, as quais possuem diferentes frequências e comprimentos.
Porém, quando a comunidade científica passou a questionar sobre o mundo microscópico, por se tratar de medidas muito pequenas, a discussão sobre a natureza da luz
9 [...] são resultantes de cargas aceleradas, por exemplo, através de fios condutores em uma antena de rádio. (SERWAY, JEWETT JR, 2007, p.967).
10 [...] têm comprimento de onda variando entre cerca de 1mm e 30cm e também são geradas por equipamentos eletrônicos (SERWAY, JEWETT JR, 2007, p.967).
11 Possuem comprimentos de onda variando de 1mm até o maior comprimento de onda da luz visível, 7x10-7m. Essas ondas, produzidas por corpos à temperatura ambiente e por moléculas, são prontamente absorvidas pela maioria dos materiais. A radiação infravermelha tem muitas aplicações práticas e científicas, incluindo fisioterapia, fotografia infravermelha e espectroscopia vibracional (SERWAY, JEWETT JR, 2007, p.967). 12 A forma mais familiar das ondas eletromagnéticas é aquela parte do espectro que o olho humano pode detectar. A luz é produzida por corpos quentes como filamentos de lâmpada e pela reordenação dos elétrons em átomos e moléculas (SERWAY, JEWETT JR, 2007, p.967).
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voltou à cena. E, a teoria corpuscular veio à tona nas explicações de Max Planck (1858-1947), Albert Einstein (1879-1955), Robert Millikan (1868-1953), Niels Bohr (1885-1962), Arthur Compton (1892-1962), Werner Heisenberg (1901-1976) e Louis de Broglie (1892-1987), visto que a luz se comporta como partículas de energia.
No final do século XIX, “o problema básico era a compreensão da distribuição de comprimentos de onda observada na radiação emitida por um corpo ideal, chamado corpo negro14” (SERWAY e JEWETT JR, 2007, p. 1095). O dilema estava na busca de uma explicação para a emissão de luz por um corpo aquecido.
Stefan estabeleceu experimentalmente que “[...] o poder emissor de um corpo negro (energia emitida pelo corpo negro na forma de luz e calor em cada segundo) era proporcional à temperatura absoluta elevada à quarta potência.” (RIBEIRO FILHO, 2002, p.307). Boltzmann deu uma explicação teórica, conhecida como Lei de Stefan-Boltzmann. Wien “[...] verificou que, ao aumentar-se a temperatura do corpo negro, o comprimento de onda correspondente ao brilho máximo da luz emitida pelo mesmo tornava-se cada vez mais curto, deslocando-se para a parte violeta do espectro.” (Idem, p.307). Porém, a teoria clássica não previa a existência de um máximo no brilho para um comprimento de onda finito, e sim um crescimento arbitrário do brilho com a diminuição do comprimento de onda. Esta previsão, a priori absurda, foi alcunhada por alguns físicos de “catástrofe ultravioleta”, por ocorrer em regiões de frequências elevadas (comprimentos de onda curtos).
Ribeiro Filho (2002) descreve que Planck, com o seu problema da radiação do corpo negro, provou depender a radiação térmica da temperatura das paredes e não da sua natureza, seu problema estava entre a radiação (a luz emitida) e a matéria (o corpo metálico), pois apresentavam resultados desconhecidos. “Apesar de tal dilema, ele tinha se convencido de que a emissão e absorção de radiação só poderiam verificar-se sob a forma de feixes energéticos ou porções discretas (ou grãos) de energia” (RIBEIRO FILHO, 2002, p.309), no entanto, como sua teoria não era compatível com as ideias da época, ele precisou afirmar que a luz era emitida de forma descontínua em pacotes de quanta de luz (hipótese introduzida por 13 São ondas eletromagnéticas com comprimento de onda na faixa de aproximadamente 10-8m (10nm) até 10-13m (10-4nm). [...] Os raios X são usados como ferramenta de diagnóstico na medicina e como tratamento para determinados câncer (SERWAY, JEWETT JR, 2007, p.968).
14 Um corpo negro pode ser definido como um absorvedor perfeito de radiação eletromagnética. Sendo a emissão o processo inverso da absorção, o corpo negro é também o mais eficiente emissor de radiação térmica, para uma dada temperatura.
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Einstein), na qual cada pacote possuía energias definidas correspondentes a múltiplos de determinadas frequências.
Quando a luz atinge superfícies metálicas, por exemplo, ela transfere sua energia, ou parte dela, para alguns elétrons que são arrancados do metal. Esse fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico. A energia transferida da luz para o elétron, que consegue sair do metal, é utilizada em parte para liberar o elétron do metal e em parte como energia de movimento do elétron. Como os elétrons estão ligados ao metal de maneiras diversas, eles são ejetados com diferentes energias de movimento e, portanto, com variadas velocidades (SALVETTI, 2008, p.123)
Einstein, com a explicação sobre o efeito fotoelétrico, propôs o conceito de quantum de luz, mas a academia aceitou o efeito fotoelétrico15, não tendo concordado com o quantum de luz, sendo que este conceito sofreu resistência para ser aceito, pois eles acreditavam, até o momento, apenas no comportamento ondulatório da luz, comprovado pelas equações de